第2章 集成电路材料与器件物理基础

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1、集成电路设计技术与工具集成电路设计技术与工具 第二章第二章 集成电路材料与器件物理基础集成电路材料与器件物理基础 本章基本要求：本章基本要求：掌握集成电路材料的种类及功能；掌握集成电路材料的种类及功能；了解半导体材料的特性；了解半导体材料的特性；了解欧姆型接触和肖特基（了解欧姆型接触和肖特基（Schottky）型型接触及其区别；接触及其区别；了解双极型晶体管、了解双极型晶体管、MOS晶体管及金属晶体管及金属半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MESFET)的基本的基本结构结构内容提要内容提要 v2.1 集成电路材料及其功能集成电路材料及其功能v2.2 半导体材料的特性半导体材料的特性v2.

2、3 欧姆型接触欧姆型接触v2.4 双极型晶体管的基本结构双极型晶体管的基本结构v2.5 MOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构v2.6 金属半导体场效应晶体管（金属半导体场效应晶体管（MESFET）的基本结构）的基本结构v2.7 本章小结本章小结2.1集成电路（集成电路（IC）材料及其功能）材料及其功能v材料按导电能力可以分为材料按导电能力可以分为导体、半导体和绝导体、半导体和绝缘体缘体三类三类 。IC制造所应用到的材料见下表：制造所应用到的材料见下表：二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）、氮化硅（Si3N4）等绝缘体硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（GaP）、氮化镓（

3、GaN）等半导体铝（Al）、金（Au）、钨（W）、铜（Cu）等金属，镍铬（NiCr）等合金；重掺杂的多晶硅导 体电 导 率（Scm-1）材 料分 类5102-91010-14-221010v作为导体，铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集作为导体，铝、金、钨、铜等金属和镍铬等合金在集成电路工艺中主要具有如下功能：成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成低值电阻；）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；）构成电容元件的极板；（3）构成电感元件的绕线；）构成电感元件的绕线；（4）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；）构成传输线（微带线和共面波导）的导体结构；（5）与轻掺杂半导体构成肖特基结接

4、触；）与轻掺杂半导体构成肖特基结接触；（6）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；）与重掺杂半导体构成半导体器件的电极的欧姆接触；（7）构成元器件之间的互连；）构成元器件之间的互连；（8）构成与外界焊接用的焊盘。）构成与外界焊接用的焊盘。重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看重掺杂的多晶硅电导率接近导体，因此常常被作为导体看待，主要用来构成待，主要用来构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。距离互连。 v作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅等硅的氧、氮化硅等硅的氧化物和氮化物在集成电路工艺中主要具有如下

5、功能：化物和氮化物在集成电路工艺中主要具有如下功能：（1）构成电容的绝缘介质；（）构成电容的绝缘介质；（MIM电容）电容）（2）构成金属）构成金属-氧化物氧化物-半导体器件（半导体器件（MOS）的栅绝缘层；）的栅绝缘层；（3）构成元件和互连线之间的横向隔离；）构成元件和互连线之间的横向隔离；（4）构成工艺层面之间的垂直隔离；）构成工艺层面之间的垂直隔离；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。v半导体材料，是集成电路制造中的核心材料，则主半导体材料，是集成电路制造中的核心材料，则主要利用半导体掺杂以后形成要利用半导体掺杂以后形成P型和型和N型半导

6、体，在导型半导体，在导体和绝缘体材料的连接或阻隔下组成各种集成电路体和绝缘体材料的连接或阻隔下组成各种集成电路的元件的元件半导体器件。半导体器件。 半导体材料在集成电路的制半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。造中起着根本性的作用。 2.2 半导体的特性半导体的特性v半导体材料具有以下特性：半导体材料具有以下特性：通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率。通过掺入杂质可明显改变半导体的电导率。当半导体受到外界光电热等激发时，其导电能力将发生显著的当半导体受到外界光电热等激发时，其导电能力将发生显著的变化。变化。利用金属与掺杂的半导体材料接触，可以形成肖特基二极管和利用金属与掺杂的半导体材料

7、接触，可以形成肖特基二极管和金属金属-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（MESFET）与高电子迁移率晶体）与高电子迁移率晶体管（管（HEMT）等器件。）等器件。对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度的掺杂，可以形对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度的掺杂，可以形成不同类型，不同功能的晶体管。成不同类型，不同功能的晶体管。利用金属利用金属-氧化物氧化物-半导体结构，可以形成半导体结构，可以形成PMOS、NMOS和和CMOS场效应晶体管。场效应晶体管。v总之，正是由于这些独特的特性使得半导体材料在微电总之，正是由于这些独特的特性使得半导体材料在微电子方面具有十分重要的作用。子方面具有十

8、分重要的作用。 2.3 肖特基接触与欧姆接触肖特基接触与欧姆接触v金属与半导体接触时，由于金属费米能级与半导体的费金属与半导体接触时，由于金属费米能级与半导体的费米能级不同，将导致电子从金属流向半导体或者半导体米能级不同，将导致电子从金属流向半导体或者半导体流向金属。从而形成流向金属。从而形成肖特基接触肖特基接触。v理论上当金属的费米能级高于理论上当金属的费米能级高于P型半导体的费米能级时，型半导体的费米能级时，或者金属费米能级低于或者金属费米能级低于N型半导体的费米能级时，由于型半导体的费米能级时，由于电子或空穴的流动将在半导体表面附近产生势垒区形成电子或空穴的流动将在半导体表面附近产生势垒

9、区形成肖特基接触。其他情况不形成肖特基接触肖特基接触。其他情况不形成肖特基接触v事实上由于半导体表面态的存在，事实上由于半导体表面态的存在，金属与轻掺杂的半导金属与轻掺杂的半导体接触都能形成肖特基接触体接触都能形成肖特基接触。v当金属与重掺杂当金属与重掺杂的半导体接触时，由于半导体中的多的半导体接触时，由于半导体中的多子浓度大，形成的势垒区将非常薄。这导致金属中的子浓度大，形成的势垒区将非常薄。这导致金属中的电子不用越过接触势垒就能够通过电子不用越过接触势垒就能够通过隧穿效应隧穿效应达到半导达到半导体中。半导体中的载流子同样如此。此时势垒对载流体中。半导体中的载流子同样如此。此时势垒对载流子的

10、阻碍作用几乎可以忽略，载流子能够子的阻碍作用几乎可以忽略，载流子能够 “自由自由”通过金属与半导体的接触区。这样的金属与半导体接通过金属与半导体的接触区。这样的金属与半导体接触称为触称为欧姆接触欧姆接触。2.4 双极型晶体管双极型晶体管2.4.1 双极型晶体管的基本结构双极型晶体管的基本结构 v在半导体晶体中形成两个靠得很近的在半导体晶体中形成两个靠得很近的PN结即可构成双结即可构成双极型晶体管。极型晶体管。v它们的排列顺序可以是它们的排列顺序可以是N-P-N或者或者P-N-P。前者我们称。前者我们称之为之为NPN晶体管晶体管，后者称之为，后者称之为PNP晶体管晶体管。v三个区域分别称为三个区

11、域分别称为发射区、基区和集电区发射区、基区和集电区，对应引出的，对应引出的电极分别称为发射极电极分别称为发射极E、基极、基极B和集电极和集电极C。E-B之间的之间的PN结称为发射结，结称为发射结，C-B之间的之间的PN结称为集电结。结称为集电结。v一般在制作时，一般在制作时，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区；基区做；基区做的很薄（以微米甚至纳米计）；的很薄（以微米甚至纳米计）；集电结的面积大于发射结的面积集电结的面积大于发射结的面积。因此，在使用时，因此，在使用时，E、C两个电极是不能交换的两个电极是不能交换的。电路符号中。电路符号中E电极电极的箭头，表