信息材料基础微电子材料与器件.pptx

2.1 半导体物理基础半导体物理基础2.1.1半导体性质半导体性质电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。电导率介于金属和绝缘体之间的材料称为半导体。纯净半导体的电导率随温度升高而指数增加纯净半导体的电导率随温度升高而指数增加杂质的种类和数量决定着半导体的电导率杂质的种类和数量决定着半导体的电导率可以实现非均匀掺杂可以实现非均匀掺杂半导体的电导率受光辐照和高能电子等的影响半导体的电导率受光辐照和高能电子等的影响硅硅(Si)、锗、锗(Ge)原子结构及简化模型：原子结构及简化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子惯性核惯性核完全纯净的半导体称为本征半导体。它们是完全纯净的半导体称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：硅和锗共价键结构示意图：共价键共价键本征半导体本征半导体q当当T升高或光线照射时升高或光线照射时产生自由电子空穴对。产生自由电子空穴对。q共价键具有很强的结合力。共价键具有很强的结合力。当当T=0K（无外界影（无外界影响）时，共价键中无自由移动的电子。响）时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称这种现象称本征激发本征激发。本征激发本征激发当当原原子子中中的的价价电电子子激激发发为为自自由由电电子子时时，原原子子中中留留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。下空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。注意：注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子自由电子带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子空穴的运动空穴的运动空空穴穴带正电带正电温度一定时：温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：热平衡载流子浓度：本征半导体中本征半导体中本征激发本征激发产生自由电子空穴对。产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。T导电能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性vN N型半导体：型半导体：杂质半导体杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：N型半导体型半导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由电子自由电子本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素构成。元素构成。v P P型半导体型半导体+4+4+3+4+4简化模型：简化模型：P型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴空空穴穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。2.1.2半导体能带结构半导体能带结构电子共有化量子态能级电子共有化量子态能级电子填充能带模型电子填充能带模型当原子组合成晶体后，电子的量子当原子组合成晶体后，电子的量子态将发生质的变化，它不再是固定态将发生质的变化，它不再是固定于个别原子上运动，而是穿行于整于个别原子上运动，而是穿行于整个晶体中，电子运动的这种变化称个晶体中，电子运动的这种变化称为为“共有化共有化”。施主能级施主能级受主能级受主能级2.1.3半导体材料分类半导体材料分类元素半导体：元素半导体：Si、Ge、P、C化合物半导体：化合物半导体：GaAs、GaP、GaN固溶体半导体：固溶体半导体：Si-Ge、Ga1-xAlxAs、HgxCd1-xTe超晶格半导体：超晶格半导体：GaAs/AlGaAs组分型、掺杂型、应变型组分型、掺杂型、应变型2.2.1p-n结的形成结的形成2.2集成电路基础集成电路基础由于由于N型半导体中有富裕的自由电子，而型半导体中有富裕的自由电子，而P型半型半导体中有富裕的自由的空穴，所以当导体中有富裕的自由的空穴，所以当P型和型和N型半导型半导体接触时，体接触时，P型半导体中的空穴就会向型半导体中的空穴就会向N型中扩散，型中扩散，而而N型半导体中的电子向型半导体中的电子向P型中扩散，结果是型中扩散，结果是P型端型端带负电，而带负电，而N型端带正电。因而会形成型端带正电。因而会形成内建电场内建电场，内，内建电场的方向从建电场的方向从N型端指向型端指向P型端，从而又阻止电子型端，从而又阻止电子和空穴的扩散。最后，依靠电子和空穴浓度梯度的和空穴的扩散。最后，依靠电子和空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附近扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附近形成一个耗尽层，即形成一个耗尽层，即p-n结结。利用掺杂工艺，把利用掺杂工艺，把P P型半导体和型半导体和N N型半导体在原子型半导体在原子级上紧密结合，级上紧密结合，P P区与区与N N区的交界面就形成了区的交界面就形成了PNPN结。结。掺杂掺杂N型型P型型PN结结p-n结的形成结的形成半导体半导体PN结能带图结能带图半导体半导体PN结能带图结能带图2.2.2双极型晶体管双极型晶体管由两个相距很由两个相距很近的近的PN结组成结组成又称三极管又称三极管NPN晶体管的偏置情况晶体管的偏置情况在正常使用条件下，晶体管发射结加正向小电压，称在正常使用条件下，晶体管发射结加正向小电压，称为正向偏置；收集结加反向大电压，称为反向偏置。为正向偏置；收集结加反向大电压，称为反向偏置。具有具有放大信号放大信号的功能。的功能。2.2.3场效应晶体管（场效应晶体管（FET）场效应晶体管分类场效应晶体管分类S源极；源极；G栅极；栅极；D漏极漏极MOS场效应晶体管的结构场效应晶体管的结构N沟沟MOSFET，电位低的一端为源，电位高的为漏；，电位低的一端为源，电位高的为漏；P沟沟MOSFET，电位高的一端为源，电位低的为漏；，电位高的一端为源，电位低的为漏；MOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应管结型场效应管金属半导体场效应管金属半导体场效应管NN2.2.4集成电路发展简史集成电路发展简史58年，锗年，锗IC59年，硅年，硅IC61年，年，SSI（10100个元件个元件/芯片）芯片）62年，年，MOSIC63年，年，CMOSIC64年，线性年，线性IC65年，年，MSI（1001000个元件个元件/芯片）芯片）69年，年，CCD70年，年，LSI（100010万个元件万个元件/芯片）芯片），1KDRAM71年，年，8位位MPUIC，400472年，年，4KDRAM，I2LIC77年，年，VLSI（10万万1000万个元件万个元件/芯片）芯片），64KDRAM，16位位MPU80年，年，256KDRAM，2 m84年，年，1MDRAM，1 m85年，年，32位位MPU，M6802086年，年，ULSI（1000万万10亿个元件亿个元件/芯片），芯片），4MDRAM(8106,91mm2,0.8 m,150mm)，于于89年开始商业化生产，年开始商业化生产，95年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。88年，年，16MDRAM（3107,135mm2,0.5 m,200mm），），于于92年开始商业化生产，年开始商业化生产，97年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。91年，年，64MDRAM（1.4108,198mm2,0.35 m,200mm），），于于94年开始商业化生产，年开始商业化生产，99年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。92年，年，256MDRAM（5.6108,400mm2,0.25 m,200mm），），于于98年开始商业化生产，年开始商业化生产，2002年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。95年，年，GSI（10亿个元件亿个元件/芯片），芯片），1GDRAM（2.2109,700mm2,0.18 m,200mm），），2000年开始商业化生产，年开始商业化生产，2004年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。97年，年，4GDRAM（8.8109,986mm2,0.13 m,300mm），），2003年进入商业化生产。年进入商业化生产。人的大脑：人的大脑：人的大脑：人的大脑：约有约有140亿个脑细胞，每个脑亿个脑细胞，每个脑细胞可完成细胞可完成“异或异或”或或“或非或非”功能，长度功能，长度约为约为150 m，消耗的能量约为，消耗的能量约为0.2pJ。比一比！比一比！大规模集成技术：大规模集成技术：大规模集成技术：大规模集成技术：可在可在14cm2的面积上制的面积上制作出作出140亿个具有同样功能的器件，每个器件亿个具有同样功能的器件，每个器件的长度约为的长度约为15 m，消耗的能量约为，消耗的能量约为0.005pJ，工作寿命可达工作寿命可达10亿小时以上。亿小时以上。集成电路工业发展的第一定律即所谓集成电路工业发展的第一定律即所谓摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律。Intel公司的创始人之一公司的创始人之一戈登戈登摩尔摩尔先生在先生在1965年年4月月19日发日发表于表于电子学杂志电子学杂志上的文章中提出，集成电路的能力将每年上的文章中提出，集成电路的能力将每年翻一番。翻一番。1975年，他对此提法做了修正，称集成电路的能力年，他对此提法做了修正，称集成电路的能力将每两年翻一番。将每两年翻一番。摩尔定律现在的表达是：在价格不变的情况下，摩尔定律现在的表达是：在价格不变的情况下，集成电路集成电路集成电路集成电路芯片上的晶体管数量每芯片上的晶体管数量每芯片上的晶体管数量每芯片上的晶体管数量每 1818 个月翻一番，即每个月翻一番，即每个月翻一番，即每个月翻一番，即每 3 3 年乘以年乘以年乘以年乘以 4 4。2.2.5集成电路的发展规律集成电路的发展规律集成电路工业发展的另一些规律为集成电路工业发展的另一些规律为集成电路工业发展的另一些规律为集成电路工业发展的另一些规律为建立一个芯片厂的造价也是每建立一个芯片厂的造价也是每建立一个芯片厂的造价也是每建立一个芯片厂的造价也是每 3 3 年乘以年乘以年乘以年乘以 4 4；线条宽度每线条宽度每线条宽度每线条宽度每 6 6 年下降一半；年下降一半；年下降一半；年下降一半；芯片上每个器件的价格每年下降芯片上每个器件的价格每年下降芯片上每个器件的价格每年下降芯片上每个器件的价格每年下降 30%30%40%40%；晶片直径的变化：晶片直径的变化：晶片直径的变化：晶片直径的变化：60年：年：0.5英寸，英寸，65年：年：1英寸，英寸，70年：年：2英寸，英寸，75年：年：3英寸，英寸，80年：年：4英寸，英寸，90年：年：6英寸，英寸，95年：年：8英寸（英寸（200mm），），2000年：年：12英寸（英寸（300mm）。）。2.2.6集成电路分类集成电路分类按集成电路功能按集成电路功能：数字集成电路和模拟集成电路：数字集成电路和模拟集成电路按结构形式分类按结构形式分类：半导体集成电路、膜集成电路和：半导体集成电路、膜集成电路和混合集成电路混合集成电路按有源器件类型和工艺按有源器件类型和工艺：双极型集成电路和：双极型集成电路和MOS集成电路集成电路按规模大小分类按规模大小分类：小规模、中规模、大规模、超大：小规模、中规模、大规模、超大规模、甚大规模、巨大规模。规模、甚大规模、巨大规模。指在一块玻璃或陶瓷基片上，用膜形指在一块玻璃或陶瓷基片上，用膜形成技术和光刻技术等形成的多层金属成技术和光刻技术等形成的多层金属和金属氧化物膜构成电路中全部元器和金属氧化物膜构成电路中全部元器件及其互联而实现某种电路功能的集件及其互联而实现某种电路功能的集成电路。成电路。2.2.7 集成电路的发展展望集成电路的发展展望目标：集成度目标：集成度、可靠性、可靠性、速度、速度、功耗、功耗、成本、成本努力方向：线宽努力方向：线宽、晶片直径、晶片直径、设计技术、设计技术199219951998200120042007比特比特/芯片芯片16M64M256M1G4G16G特征尺寸特征尺寸（m）0.50.350.250.180.120.07晶片直径晶片直径（mm）200200200400200400200400200400美国美国19922007年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划美国美国19972012年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划1997199920012003200620092012比特比特/芯片芯片256M1G4G16G64G256G特征尺寸特征尺寸（m）0.250.180.150.130.10.070.05晶片直径晶片直径（mm）200300300300300450450我国国防科工委对世界硅微电子技术发展的预测我国国防科工委对世界硅微电子技术发展的预测200020102020集成度集成度1G64G256G特征尺寸特征尺寸（m）0.180.100.070.050.01晶片直径晶片直径（mm）300400450可以看出，专家们认为，可以看出，专家们认为，至少在未来至少在未来至少在未来至少在未来 1010 年内，年内，年内，年内，ICIC的发展的发展的发展的发展仍将遵循摩尔定律，仍将遵循摩尔定律，仍将遵循摩尔定律，仍将遵循摩尔定律，即集成度每即集成度每3年乘以年乘以4，而线宽则是每，而线宽则是每6年下降一半。年下降一半。硅技术过去一直是，而且在未来的一段时期内也还将是微硅技术过去一直是，而且在未来的一段时期内也还将是微硅技术过去一直是，而且在未来的一段时期内也还将是微硅技术过去一直是，而且在未来的一段时期内也还将是微电子技术的主体。电子技术的主体。电子技术的主体。电子技术的主体。目前硅器件与集成电路占了目前硅器件与集成电路占了2000多亿美元的多亿美元的半导体市场的半导体市场的95%以上。以上。硅微电子技术发展的几个趋势硅微电子技术发展的几个趋势硅微电子技术发展的几个趋势硅微电子技术发展的几个趋势1、单片系统集成（、单片系统集成（SOC）2、整硅片集成（、整硅片集成（WSI）3、半定制电路的设计方法、半定制电路的设计方法4、微电子机械系统（、微电子机械系统（MEMS）5、真空微电子技术、真空微电子技术硅技术以外的半导体微电子技术发展方向硅技术以外的半导体微电子技术发展方向硅技术以外的半导体微电子技术发展方向硅技术以外的半导体微电子技术发展方向1 1、GaAsGaAs技术技术技术技术电子漂移速度快（硅的电子漂移速度快（硅的5.7倍），抗辐射能力强，因此在武倍），抗辐射能力强，因此在武器系统中有重要作用。器系统中有重要作用。2 2、GeSiGeSi/SiSi异质结技术异质结技术异质结技术异质结技术与目前已极为成熟的硅工艺有很好的兼容性，但可制成比与目前已极为成熟的硅工艺有很好的兼容性，但可制成比硅器件与集成电路频率更高，性能更好的器件与集成电路，被硅器件与集成电路频率更高，性能更好的器件与集成电路，被誉为第二代硅技术。誉为第二代硅技术。3 3、宽禁带材料及器件技术、宽禁带材料及器件技术、宽禁带材料及器件技术、宽禁带材料及器件技术主要有主要有SiC与与GaN材料，主要优点是工作温度可高达材料，主要优点是工作温度可高达300摄氏度以上，因此在军用系统中有重要的应用价值。摄氏度以上，因此在军用系统中有重要的应用价值。2.2.8集成电路发展面临的问题集成电路发展面临的问题1 1、基本限制、基本限制、基本限制、基本限制如热力学限制。由于热扰动的影响，对数字逻辑系统，开如热力学限制。由于热扰动的影响，对数字逻辑系统，开关能量至少应满足关能量至少应满足 ES4kT=1.6510-20J。当沟道长度为。当沟道长度为0.1 m时，开关能量约为时，开关能量约为510-18J。在亚微米范围，从热力学的。在亚微米范围，从热力学的角度暂时不会遇到麻烦。角度暂时不会遇到麻烦。又如加工尺度限制，显然原子尺寸是又如加工尺度限制，显然原子尺寸是最小可加工单位，但现在的最小加工单位远远大于这个数值。最小可加工单位，但现在的最小加工单位远远大于这个数值。2 2、器件与工艺限制、器件与工艺限制、器件与工艺限制、器件与工艺限制3 3、材料限制、材料限制、材料限制、材料限制硅材料较低的迁移率将是影响硅材料较低的迁移率将是影响IC发展的一个重要障碍。发展的一个重要障碍。4 4、其他限制、其他限制、其他限制、其他限制包括电路限制、测试限制、互连限制、管脚数量限制、散热包括电路限制、测试限制、互连限制、管脚数量限制、散热限制、内部寄生耦合限制等。限制、内部寄生耦合限制等。2.2.9集成电路基本工艺技术集成电路基本工艺技术器件设计器件设计芯片制造芯片制造封装封装电路设计电路设计材料制备材料制备CrystalGrowthSlicingGraphite HeaterSi MeltSi CrystalPolishingWaferingHigh Temp.AnnealingFurnaceAnnealed WaferDefect FreeSurface byAnnealing(Surface Improvement）Surface DefectMapPolished Wafer横向加工横向加工：图形的产生与转移（又称为光刻，包括曝光、：图形的产生与转移（又称为光刻，包括曝光、显影、刻蚀等）。显影、刻蚀等）。纵向加工纵向加工：掺杂（扩散、离子注入、中子嬗变等）：掺杂（扩散、离子注入、中子嬗变等），薄膜制备（蒸发、溅射、热氧化、薄膜制备（蒸发、溅射、热氧化、CVD等）。等）。在大规模集成电路制造过程中，光刻是最复杂、最昂贵和在大规模集成电路制造过程中，光刻是最复杂、最昂贵和最关键的技术。最关键的技术。光刻的成本占了总制造成本的光刻的成本占了总制造成本的1/3以上以上。在集。在集成电路制造技术的发展过程中，光刻技术的贡献约占成电路制造技术的发展过程中，光刻技术的贡献约占2/3。芯片制造芯片制造涂光刻胶（正）涂光刻胶（正）选择曝光选择曝光热氧化热氧化SiO2工艺流程举例（工艺流程举例（PN结的制造）结的制造）去胶去胶掺杂掺杂显影（第显影（第1次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第2次图形转移）次图形转移）NP蒸发镀蒸发镀Al膜膜光刻光刻Al电极电极CVD淀积淀积SiO2膜膜光刻引线孔光刻引线孔SGDN沟道硅栅沟道硅栅MOSFET剖面图剖面图PNNCMOS结构剖面图结构剖面图2.3微电子材料微电子材料衬底材料衬底材料栅结构材料栅结构材料互连材料互连材料钝化层材料钝化层材料封装材料封装材料硅基微电子学中的材料系统硅基微电子学中的材料系统2.3.1衬底材料衬底材料锗（锗（Ge）是最早用于集成电路的衬底材料。是最早用于集成电路的衬底材料。Ge的优点：的优点：载流子迁移率比硅高；载流子迁移率比硅高；在相同条件下，具有较高的工作频率、较低的饱和在相同条件下，具有较高的工作频率、较低的饱和压降、较高的开关速度和较好的低温性能。压降、较高的开关速度和较好的低温性能。Ge的缺点：的缺点：最高工作温度只有最高工作温度只有85，GeGe器件热稳定性不如硅；器件热稳定性不如硅；GeGe无法形成优质的氧化膜；无法形成优质的氧化膜；GeGe中施主杂质的扩散远比受主杂质快，工艺制作自中施主杂质的扩散远比受主杂质快，工艺制作自由度小。由度小。Ge禁带宽度禁带宽度0.72eVSi禁带宽度禁带宽度1.1eV水平布里奇曼法示意图水平布里奇曼法示意图用途：用途：Ge、GaAs、GeSe、GeTe、ZnS等单晶制备等单晶制备硅（硅（Si）是今后相当长时间内集成电路的衬底材料。是今后相当长时间内集成电路的衬底材料。硅的硅的优点优点：Si器件的最高工作温度可达器件的最高工作温度可达200；高温下可氧化生成二氧化硅薄膜；高温下可氧化生成二氧化硅薄膜；受主和施主杂质扩散系数几乎相同；受主和施主杂质扩散系数几乎相同；Si在地壳中的储量非常丰富，在地壳中的储量非常丰富，Si原料是半导体原料中原料是半导体原料中最便宜的。最便宜的。硅材料发展趋势硅材料发展趋势：晶片直径越来越大晶片直径越来越大缺陷密度越来越小缺陷密度越来越小表面平整度越来越好表面平整度越来越好单晶硅的制备过程单晶硅的制备过程石英砂石英砂粗硅（工业硅）粗硅（工业硅）高纯多晶硅高纯多晶硅单晶硅单晶硅纯度纯度9599纯度纯度99.9999999直拉法直拉法优点优点：不受容器限制，克服应力导不受容器限制，克服应力导致晶体缺陷的缺点；籽晶旋转，致晶体缺陷的缺点；籽晶旋转，克服熔体温度不均匀性引起的非克服熔体温度不均匀性引起的非均匀凝固。均匀凝固。用途用途：Si、Ge、GaAs单晶制备。单晶制备。可批量生产可批量生产300mm硅单晶，硅单晶，350mm的硅单晶制备也已成熟。的硅单晶制备也已成熟。区熔法区熔法优点优点：制备过程中熔体不与任制备过程中熔体不与任何器物接触；熔区体积很小，何器物接触；熔区体积很小，不需要保温隔热系统。杂质不需要保温隔热系统。杂质对晶体的玷污很小。对晶体的玷污很小。用途用途：Si、GaAs单晶制备。单晶制备。绝缘层上硅绝缘层上硅SOI（silicononinsulator,SOI）是一种是一种新型的硅芯片材料。新型的硅芯片材料。SOI结构：结构：绝缘层绝缘层/硅硅硅硅/绝缘层绝缘层/硅硅优点：优点：减少了寄生电容，提高了运行速度减少了寄生电容，提高了运行速度（提高（提高20203535）具有更低的功耗具有更低的功耗（降低（降低35357070）消除了闩锁效应消除了闩锁效应 抑制了衬底的脉冲电流干扰抑制了衬底的脉冲电流干扰 与现有硅工艺兼容，减少了与现有硅工艺兼容，减少了13132020工序工序绝缘层上硅绝缘层上硅SOI制备技术制备技术注氧隔离技术（注氧隔离技术（SeparationbyImplantedOxygen，SIMOX）此技术在普通圆片的层间注入氧离子经超过此技术在普通圆片的层间注入氧离子经超过1300高温退高温退火后形成隔离层。该方法有两个关键步骤：高温离子注入和后火后形成隔离层。该方法有两个关键步骤：高温离子注入和后续超高温退火。续超高温退火。键合再减薄的键合再减薄的BESOI技术技术（BondandEtchback）通过硅和二氧化硅键合通过硅和二氧化硅键合(Bond)技术，两个圆片能够紧密键技术，两个圆片能够紧密键合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。这个过程合在一起，并且在中间形成二氧化硅层充当绝缘层。这个过程分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另分三步来完成。第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合一非氧化圆片上键合；第二步是经过退火增强两个圆片的键合力度；第三步是通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直力度；第三步是通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片直到所要求的厚度。到所要求的厚度。键合技术工艺过程键合技术工艺过程绝缘层上硅绝缘层上硅SOI制备技术制备技术注氢智能剥离技术（注氢智能剥离技术（SmartCut）1995年，年，MBruel利用键合和利用键合和离子注入技术的优点提出了智能剥离子注入技术的优点提出了智能剥离（离（Smart-Cut）技术。它是利用）技术。它是利用氢离子注入到硅片中，形成具有气氢离子注入到硅片中，形成具有气泡层的注氢片，与支撑硅片键合泡层的注氢片，与支撑硅片键合（两个硅片中至少有一片的表面带（两个硅片中至少有一片的表面带有热氧化的有热氧化的SiO2覆盖层），经适当覆盖层），经适当的热处理使注氢片从气泡层处完整的热处理使注氢片从气泡层处完整裂开，形成裂开，形成SOI结构。结构。注氢智能剥离工艺过程注氢智能剥离工艺过程绝缘层上硅绝缘层上硅SOI制备技术制备技术注氧隔离和键合的注氧隔离和键合的SimbondSOI技术技术利用氧离子注入产生的一个分布利用氧离子注入产生的一个分布均匀的离子注入层，并在退火过均匀的离子注入层，并在退火过程中形成二氧化硅绝缘层。此二程中形成二氧化硅绝缘层。此二氧化硅绝缘层用来充当化学腐蚀氧化硅绝缘层用来充当化学腐蚀阻挡层，可对圆片在最终抛光前阻挡层，可对圆片在最终抛光前器件层的厚度及其均匀性有很好器件层的厚度及其均匀性有很好的控制。由于在此工艺中，表层的控制。由于在此工艺中，表层硅的均匀性由氧离子注入工艺来硅的均匀性由氧离子注入工艺来控制，因此，顶层硅均匀性很好。控制，因此，顶层硅均匀性很好。同时，绝缘埋层的厚度可随意调同时，绝缘埋层的厚度可随意调节。节。2.3.2栅结构材料栅结构材料包括包括栅绝缘介质栅绝缘介质和和栅电极材料栅电极材料。栅绝缘介质栅绝缘介质：缺陷少、漏电流小、抗击穿强度高、稳定性缺陷少、漏电流小、抗击穿强度高、稳定性好、与好、与Si有良好的界面特性、界面态密度低。有良好的界面特性、界面态密度低。二氧化硅二氧化硅氮氧化硅氮氧化硅高高k材料材料可有效防止硼离子扩散、高介电常数、可有效防止硼离子扩散、高介电常数、低漏电流密度、高抗老化击穿特性低漏电流密度、高抗老化击穿特性增加介质层物理厚度、减小隧穿电流增加介质层物理厚度、减小隧穿电流如：如：Ta2O5、TiO2、（、（Sr，Ba）TiO3等等栅电极材料栅电极材料：串联电阻小，寄生效应小。串联电阻小，寄生效应小。Al多晶硅多晶硅Polycide/Salicide不能满足高温处理的要求不能满足高温处理的要求电阻率高电阻率高多晶硅多晶硅/金属硅化物（金属硅化物（TiSi2、WSi2）2.3.3互连材料互连材料用平面工艺制作的单个器件必须用导线相互连接起用平面工艺制作的单个器件必须用导线相互连接起来，称为互连。来，称为互连。工艺（减法工艺）工艺（减法工艺）：首先去除接触孔处的：首先去除接触孔处的SiO2层以暴露硅，层以暴露硅，然后用然后用PVD（物理气相沉积）在表面沉积一层金属实现互（物理气相沉积）在表面沉积一层金属实现互连。连。互连材料包括互连材料包括金属导电材料金属导电材料和相配套的和相配套的绝缘介质材料绝缘介质材料。传。传统的导电材料用统的导电材料用铝和铝合金铝和铝合金，绝缘材料用，绝缘材料用二氧化硅二氧化硅。然而，目前然而，目前多层互连技术多层互连技术已成为已成为VLSI和甚大规模集成电路和甚大规模集成电路（ULSI）制备工艺的重要组成部分。当前）制备工艺的重要组成部分。当前0.18m高性能高性能ULSI（例如（例如CPU）已具有多达）已具有多达7层的铜互连线。因此，寻层的铜互连线。因此，寻求求较低电阻率的金属互连线材料和较低介电常数的绝缘材较低电阻率的金属互连线材料和较低介电常数的绝缘材料料已成为深亚微米和纳米器件的一大研究方向。已成为深亚微米和纳米器件的一大研究方向。多层互连结构多层互连结构集成度增加集成度增加互连层数增加互连层数增加互连引线面积、电阻增大互连引线面积、电阻增大互连时延增加、信号衰减互连时延增加、信号衰减优化互连布线设计优化互连布线设计采用新的互连材料采用新的互连材料Cu优点：优点：（1）铜的电阻率为）铜的电阻率为1.7/cm，铝的电阻率为铝的电阻率为3.1/cm；（2）铜连线的寄生电容比铝连线小；）铜连线的寄生电容比铝连线小；（3）铜连线的电阻小，铜连线）铜连线的电阻小，铜连线IC功耗比铝连线功耗比铝连线IC功耗低；功耗低；（4）铜的耐电迁移性能远比铝好，有利于）铜的耐电迁移性能远比铝好，有利于IC可靠性的提高；可靠性的提高；（5）铜连线）铜连线IC制造成本低。比铝连线制造成本低。比铝连线IC工艺减少了约工艺减少了约20%30%的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序；的工序，特别是省略了腐蚀铝等难度较大的瓶颈工序；（6）铜连线有更小的时钟和信号畸变，改善了片上功率分配。）铜连线有更小的时钟和信号畸变，改善了片上功率分配。铜连线的布线层数目比铝连线少。铜连线的布线层数目比铝连线少。因此因此Cu是一种比较理想的互连材料。是一种比较理想的互连材料。问题问题Cu污染问题污染问题形成铜硅化物形成铜硅化物布线问题布线问题解决办法解决办法双镶嵌技术双镶嵌技术双镶嵌技术流程图双镶嵌技术流程图低k介质层间绝缘材料低k介质指介电常数较低的材料，多层互连中用它来取代传统的SiO2作为层间绝缘。它可在不降低布线密度的条件下，有效地减小互连电容值，使芯片工作速度加快、功耗降低。目前最有前途和有可能应用的低k介质是：新型的掺碳氧化物，它可提高芯片内信号传输速度并降低功耗，该氧化物通过简单的双层堆叠来设置，易于制作；多孔Si低k绝缘介质；黑金刚石，一种无机和有机的混合物；超薄氟化氮化物，它加上由有机层构成的隔离薄膜，使得铜扩散减少一个数量级或更多，从而增强多层互连芯片工作的可靠性。