微电子工艺原理与技术第15章 隔离和金属化ppt课件.ppt
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1、微电子工艺原理与技术( 09研究生 ),李 金 华,火星表面,第十五章 器件隔离、接触和金属化,主要内容,1.器件隔离种类;2.PN结隔离;3.绝缘介质隔离;4.沟槽隔离;5.肖特基接触;6.欧姆接触;7.合金接触;8.互联与多层布线;9.平坦化和先进互连工艺。,器件在单元元件的制作时,为了消除穿通和寄生效应,必须互相隔离,称为元器件隔离(device isolation)。通过隔离,各个元器件制作在相互隔离着的区域内。在完成单元元件制作后,为了实现整体功能,必须用低电阻的金属线互连,而互连线与元件必须有良好的接触。这是本章讲述内容。集成电路的制造分为器件的隔离、器件的形成和布线这三个工序。,
2、1.器件隔离的种类,器件的隔离主要有三种方法: PN结隔离、绝缘介质隔离和沟槽隔离,寄生效应双极晶体管的寄生效应 解决办法:沟槽隔离 PN结隔离,2. CMOS的寄生效应 解决办法: PN结隔离和氧化隔离,寄生效应,寄生效应,3. 体内寄生 解决办法:采用SOI材料,1. PN结隔离,利用PN结的反向特性隔离,通常纵向用外延层(双极电路)、P阱、N阱(MOS电路)隔离,横向用P+,或N+带或环隔离。 P+,或N+的形成可用扩散或离子注入。 对TTL电路,在10V偏压下,要求每个扩散区周围有4m间距或器件间有8 m 的间距。考虑到横向扩散,器件间距应当在12 m 。器件密度同样影响PN结隔离的宽
3、度。后面图中画出了隔离间距与器件密度的关系。 为了降低寄生器件导通,往往在器件重掺杂区之间用P+保护环作再隔离。保护环必须有大于2 m 的深度,否则,寄生管的耗尽层会在保护环的下方扩展,造成器件间的短路。由于保护环要在热处理周期的早期完成,其最终宽度一般大于5 m 。显然,它要影响器件密度。所以,PN结隔离只适用于低密度、低成本的器件。,外延层纵向隔离,P+环横向隔离,PN结隔离,MOS电路的 阱隔离,PN结隔离,TTL 电路的 环隔离,3. 绝缘介质隔离,绝缘介质隔离一般为氧化隔离,即在单元器件间(场区)用局部氧化(LOCOS)方法生长厚氧化层,提高寄生管的开启电压,使它事实上处于截止状态,
4、达到隔离的目的。它是最典型的隔离方法。,典型的LOCOS工艺用LPCVD Si3N4做氧化掩蔽,因为Si3N4与Si应力不匹配,通常用厚度不少于Si3N4 厚度1/3的SiO2作过渡。场氧化前通常要做提高场开启电压的场注入参杂,场氧化层的厚度一般都在1 m以上,它有平缓的台阶边缘,适合后续工艺的薄膜覆盖。但由于横向氧化,在其边缘会产生“鸟嘴”,造成器件的有效宽度减小,降低了器件的驱动电流。侧壁掩蔽隔离技术,用KOH前腐蚀或等离子刻蚀对Si的产生的斜侧壁能有效遏制场氧化时“鸟嘴”的产生。,LOCOS 场区氧化隔离,侧壁隔离氧化技术示意,4. 沟槽隔离,由于局部氧化时的“鸟嘴”现象(横向每边0.3
5、m的伸长),氧化介质隔离不能满足高密度( 107cm2)、小尺寸( 0.18 m)的器件生产要求,虽然也可用侧壁掩蔽隔离技术来减少“鸟嘴”现象,但最有效的办法是将氧化隔离改为沟槽隔离。,对于先进的LOCOS工艺,其最小隔离的距离的绝对值约为0.8 m(从一个N+P到另一个N+P,的边缘),限制隔离距离不再是表面的或简单的穿通现象,而是称为漏感应势垒降低的穿通效应。 沟槽隔离分浅槽隔离、深槽隔离两种。浅槽隔离类似于介质隔离,但氧化层不再是LOCOS生长的热氧化层,而是采用沉积氧化层。深槽隔离一般要求刻蚀出2-5 m的深槽,要求侧壁光滑、有圆弧型槽底,避免因应力引发氧化缺陷。 解决隔离的最好办法是
6、采用SOI材料,器件制作在互相隔离的岛上。GaAs器件通常也生长在绝缘衬底上,隔离容易。,浅槽隔离,浅槽隔离,深槽隔离,5. 肖特基接触,为了将半导体器件与外部有效联系,必须在半导体片上淀积一层金属而形成紧密的接触,称为金属半导体接触。金属半导体接触,由于具体情况不同,可以有不同的伏安特性。通常,接触可分为欧姆接触和整流接触(肖特基接触)。当半导体掺杂浓度较低(如低于5 1017厘米3),这时表现出类似PN结的单向导电性,称为肖特基接触(SBD)。,肖特基接触势垒的高低由金属的功函数m(从金属表面移走一个电子所需要的能量-eV单位),和半导体的费米能级与真空能级的电势差 s决定。理论上讲,当m
7、 s 且半导体为N型,或m s且半导体为P型都可以形成肖特基二极管。在Si 上,肖特基接触势垒高度ms随金属不同有较大变化,但在GaAs上,都在0.8V左右。 肖特基势垒接触的应用非常广泛,在GaAs衬底上,由于没有合适的氧化物, GaAs场效应管不是MOSFET,而是MESFET。另外肖特基二极管也有广泛的应用。,肖特基势垒二极管具有速度快,正偏电压小的特点,在微波技术、高速集成电路等许多领域都有重要的应用。,金属半导体接触,金属半导体接触,各种金属与Si和GaAs的肖特基势垒高度,GaAs MESFET,Si SBD,肖特基接触的应用,当半导体掺杂浓度很高(如高于1020厘米3)时,这时无
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