第2章 集成电路材料与器件物理基础

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

2.1集成电路材料及其功能2.2半导体材料的特性2.3欧姆型接触2.4双极型晶体管的基本结构2.5MOS晶体管的基本结构2.6金属半导体场效应晶体管（MESFET）的基本结构2.7本章小结2.1集成电路（IC）材料及其功能材料按导电能力可以分为导体、半导体和绝缘体三类。IC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（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（S·cm-1）材

料分

类作为导体，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：（1）构成低值电阻；（2）构成电容元件的极板；（3）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；（5）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；（7）构成元器件之间的互连；（8）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待，主要用来构成MOS晶体管的栅极以及元器件之间的短距离互连。作为绝缘体，二氧化硅、氮氧化硅、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功能：（1）构成电容的绝缘介质；（MIM电容）（2）构成金属-氧化物-半导体器件（MOS）的栅绝缘层；（3）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；（5）构成防止表面机械损伤和化学污染的钝化层。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P型和N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的元件—半导体器件。半导体材料在集成电路的制造中起着根本性的作用。2.2半导体的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。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。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金属-半导体场效应晶体管（MESFET）与高电子迁移率晶体管（HEMT）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，可以形成不同类型，不同功能的晶体管。利用金属-氧化物-半导体结构，可以形成PMOS、NMOS和CMOS场效应晶体管。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。2.3肖特基接触与欧姆接触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流向金属。从而形成肖特基接触。理论上当金属的费米能级高于P型半导体的费米能级时，或者金属费米能级低于N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肖特基接触。其他情况不形成肖特基接触事实上由于半导体表面态的存在，金属与轻掺杂的半导体接触都能形成肖特基接触。当金属与重掺杂的半导体接触时，由于半导体中的多子浓度大，形成的势垒区将非常薄。这导致金属中的电子不用越过接触势垒就能够通过隧穿效应达到半导体中。半导体中的载流子同样如此。此时势垒对载流子的阻碍作用几乎可以忽略，载流子能够“自由”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欧姆接触。2.4双极型晶体管

2.4.1双极型晶体管的基本结构

在半导体晶体中形成两个靠得很近的PN结即可构成双极型晶体管。它们的排列顺序可以是N-P-N或者P-N-P。前者我们称之为NPN晶体管，后者称之为PNP晶体管。三个区域分别称为发射区、基区和集电区，对应引出的电极分别称为发射极E、基极B和集电极C。E-B之间的PN结称为发射结，C-B之间的PN结称为集电结。一般在制作时，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区；基区做的很薄（以微米甚至纳米计）；集电结的面积大于发射结的面积。因此，在使用时，E、C两个电极是不能交换的。电路符号中E电极的箭头，表示正向电流的方向。NPN和PNP晶体管的结构构成示意图、能带结构示意图和它们的晶体管符号。2.4.2双极型晶体管的工作原理由于晶体管有两个PN结，所以它有四种不同的运用状态。（1）发射结正偏，集电结反偏时，为放大工作状态；（2）发射结正偏，集电结也正偏时，为饱和工作状态；（3）发射结反偏，集电结也反偏时，为截止工作状态；（4）发射结反偏，集电结正偏时，为反向工作状态。在放大电路中，主要应用其放大工作状态。双极型晶体管的放大作用就用正向电流放大倍数βF来描述，βF定义为：

也称为共发射极电流放大系数，βF远远大于1（通常大于100）。如果将发射极和集电极对换，从原理上讲没有本质上的不同。但由于晶体管的实际结构不对称，特别是在集成电路中，发射区嵌套在基区内，基区嵌套又在集电区内，发射结比集电结小得多，反向电流放大倍数βR比βF小得多，故这种工作状态基本不用。2.5 MOS晶体管的基本结构与工作原理

2.5.1 MOS晶体管的基本结构金属－氧化物－半导体场效应晶体管，简称为MOS器件MOS是由导体、绝缘体与构成MOS器件衬底的掺杂半导体这三层材料叠在一起组成的，绝缘体介于导体和掺杂半导体之间。MOS的基本原理：在半导体靠近绝缘体界面感应出与原掺杂类型相反的载流子，形成一条导电沟道，从而导通两侧的掺杂半导体电极。根据形成导电沟道的载流子的类型，MOS管被分为NMOS和PMOS。NMOS和PMOS结构示意图2.5.2MOS晶体管的基本工作原理以NMOS晶体管为例，如果没有任何外加偏置电压，从漏到源是两个背对背的二极管结构。它们之间所能流过的电流就是二极管的反向漏电流。在栅极下空穴。如果把源漏和衬底接地，在栅上加一足够高的正电压，正的栅压将要排斥栅下的P型衬底中的空穴而吸引电子。电子在表面聚集到一定浓度时，栅下的P型层将变成N型层，即呈现反型。N反型层与源漏两端的N型扩散层连通，就形成以电子为载流子的导电沟道。如果漏源之间有电位差，将有电流流过。如果加在栅上的正电压比较小，不足以引起沟道区反型，器件仍处在不导通状态。引起沟道区产生强表面反型的最小栅电压，称为阈值电压VT。2.5.3

MOS晶体管性能分析一个MOS管的正常导电特性可分为以下几个区域：（1）“截至”区：沟道未形成；（2）“线性”区：弱反型区，这时漏极电流随栅压线性增加；（3）“饱和”区：沟道强反型，漏极电流与漏极电压无关。MOS的电压－电流特性曲线

当漏极电压太高时，会发生称为雪崩击穿或穿通的非正常导电情况。描述NMOS器件在三个区域中性能的理想表达式为截止区线性区饱和区KN是NMOS晶体管的跨导系数，KN与工艺参数及器件的几何尺寸有关，其关系为各项结构参数如下图器件示意图所示MOS器件方程式中各几何项2.5.4

MOS器件的电压-电流特性线性区与饱和区之间的分界线对应于条件︱Vds︱=︱Vgs－VT︱MOS的电压－电流特性曲线从图上可以得到微分后得线性区输出电导饱和区电流与Vds无关，类似电流源跨导gm表示输出电流Ids和输入电压Vgs之间的关系，可以用gm来衡量MOS器件的增益在线性区，跨导gm为在饱和区，跨导gm为2.6金属半导体场效应晶体管MESFET利用金属与半导体接触形成的肖特基结可以构造MESFET器件。MESFET器件用GaAs和InP基半导体材料构成。GaAs基MESFET工作原理对于耗尽型MESFET，当栅压VG为零，而源漏电压VD很小时，栅下耗尽区并未延伸到N-GaAs下沿，器件处于导通状态，因此源漏电流ID很小并随源漏电压线性变化。当VD增大时，靠近漏区的耗尽区先接触到半绝缘衬底，形成夹断。这时的VD称为饱和电压VDsat

当VG反偏而VD很小时，栅下耗尽区宽度在反偏增加时增宽，VD反偏减小时变窄，VD不变的情况下通过改变VD反偏而改变栅下N-GaAs的耗尽区宽度，也就改变了ID的大小。类似电阻。2.8本章小结集成电路由导体、绝缘体和半导体三大类材料构成，其中半导体材料最为关键。两种类型的半导体结合形成PN结，金属与轻掺杂半导体结合形成肖特基接触，金属与重掺杂半导体结合形成欧姆接触。其中，一个PN结或一个肖特基结加上一到两个欧姆结就构成单向导电的二极管，两个背靠背的PN结加上三个欧姆结就构成具有放大或开关作用的双极型三极管，一个金属-氧化物-半导体结构加上两个欧姆结就构成一个MOS管，一个肖特基结加上两个欧姆结则构成一个MESFET。课下作业请给出以下集成电路