物理学与新能源技术.ppt

微电子技术微电子技术 一、引言一、引言 五、集成电路走向系统芯片五、集成电路走向系统芯片 三、三、基本元件结构基本元件结构 四、集成电路四、集成电路 张希清 光电子技术研究所 六、半导体材料的制备和表征六、半导体材料的制备和表征 二、二、晶圆晶圆 1 一、引一、引 言言 微电子技术： 微型电子电路技术 微电子： 微型的电子电路 实现某种特定功能的电子线路 ，集中制造在一块小小的半导 体芯片上。 把 由 若 干 个 晶体管 电阻 电容等 器件组成 半 导 体 基 片 上 2 一、引一、引 言言 微电子技术是信息社会生活和工作的基础。 信息化的关键是计算机和通讯机，其基础都是微电子技术 。 微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发 展微电子技术是当今高科技发展的关键问题。 微电子技术的核心是集成电路技术；集成电路的标志性产 品是CPU（即中央处理器）； 它广泛应用于人类社会的各个领域。如科技、经济、军事 、金融、文教乃至家庭生活。 3 1 1、微电子技术应用、微电子技术应用 微电子技术被广泛应用于社会的各个行业 l微电子技术与计算机技术相辅相成，推动了信息 技术的高速度发展 l传统工业的行业改造和技术更新 l使商业领域的传统账册产生了根本的变化 l与其他技术的结合和渗透发展成新的技术 l现代化的军事与国防也离不开微电子技术 l深刻地、广泛地影响着人们的生活 4 微电子无处不在：微电子无处不在： 公共汽车公共汽车ICIC卡、银行储蓄卡和信用卡、小区智卡、银行储蓄卡和信用卡、小区智 能卡、电子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机能卡、电子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机 、洗衣机、电视机、电话机等等日常生活用品中都、洗衣机、电视机、电话机等等日常生活用品中都 有芯片（微电子）。有芯片（微电子）。 5 1948年BELL实验室发明第一只晶体管微电子技术 第一个里程碑； 1959年硅平面工艺的发展和集成电路的发明微电 子技术第二个里程碑； 1971年微机的问世微电子技术第三个里程碑。 2 2、微电子技术发展及现状、微电子技术发展及现状 6 人的头发100微米 Intel 80386 1.20微米工艺33MHz Intel 80486 0.80微米工艺100MHz Intel Pentium 0.60微米工艺200MHz Intel P II 0.35微米工艺500MHz Intel P III 0.25微米工艺800MHz 最近已经达到0.13微米2 GMHz 目前集成电路制造商进军0.1微米工艺 电子元器件和线路越来越小、细，集成度越来越高，芯 片运行的速度越来越高快。 摩尔定律 ：集成度（容量）每1、2、1.5年（65、97年、媒体 ）翻一番，而价格保持不变甚至下降。 大规模芯片生产已达到0.25微米工艺 ，0.06微米已应用于显示， 目前最窄：32纳米。 7 3 3、向微米工艺的极限挑战、向微米工艺的极限挑战 目前，由目前，由IntelIntel为代表的多家公司正在开发为代表的多家公司正在开发“ “极极 端紫外端紫外” ”光刻技术，光刻技术，用氙灯将波长降至用氙灯将波长降至0.010.01微米；微米； IBMIBM则致力于则致力于0.0050.005微米波长的微米波长的X X射线光刻技术射线光刻技术研究研究 工作。工作。 光刻技术光刻技术 l l 大规模集成电路的集成度是微电子技术的重要标志；大规模集成电路的集成度是微电子技术的重要标志； l l 单晶片的尺寸已经从原来的单晶片的尺寸已经从原来的5 5英寸发展到了今天的英寸发展到了今天的8 8英寸、英寸、 1212英寸。英寸。 8 l电子管 l晶体管 l场效应管（厚膜） l薄膜晶体管 二、二、基本元件结构基本元件结构 9 l电子管又称“真空管”（Vacuum Tube） l电子管拥有三个最基本的极 阴极(Cathode, K)：释放出电子流 屏极(Plate，P) ：吸引和收集阴极发射的电子 （集极） 栅极(Gird, G)：控制电子流的流量 l电子管的放大作用 l直热式三极管灯丝（Filament）的制作材料 钨丝 钍钨合金 氧化硷土 1 1电子管电子管 10 11 12 2 2晶体管晶体管 l半导体是制造晶体管的基本材料 l本征半导体、自由电子和空穴 l共价电子与 N型半导体 、P型半导体 lp-n结 l二极管和三极管极其工作原理 13 14 场效应管与晶体管的区别 1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单级型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102104； 场效应管的输入电阻高，可达1091014 场效应管的分类 结型场效应管JFET MOS型场效应管JFET 3 3、场效应管、场效应管 15 N沟道增强型MOS场效应管结构 增强型MOS场效应管 漏极D集电极C 源极S 发射极E 栅极G基极B 衬底B 电极金属 绝缘层氧化物 基体半导体 因此称之为MOS管 Sect 16 N沟道耗尽型MOS场效应管结构 耗尽型MOS场效应管 + + + + + + + 耗尽型MOS管存在 原始导电沟道 Sect 17 结型场效应管（JFET)结构 P+P+ N G S D N沟道结型场效应管 导电沟道 结型场效应管 18 4 4、薄膜晶体管、薄膜晶体管 ( (TFT )TFT ) ATO= Al2O3/TiO2超晶格 19 Ga-doped ZnO 20 21 l“集成电路”(Integrated Circuit，IC) 把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、 实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块 小小的半导体芯片上 l集成度发展神速 1962：几个、 1965：近100个（IC ） 1967：1001000个（中规模IC ） 1967-1973：100010000个（LSIC） 1978：达10万100万个单元（VLSIC） 目前集成度已突破千万单元 三、集成电路三、集成电路 22 100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路 1001000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路 1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路 10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路 23 第一代（以厘米为尺度的电子管）电子管计算机 （1946-1957） 第二代（以毫米为尺度的半导体）晶体管计算机 （1959-1964） 第三代小规模集成电路计算机（1964-1970） 第四代大规模集成电路计算机（1970-） 24 25 超大规模集成电路 v Intel 386芯片 1.2微米、几十万个晶体管 v P4 0.09微米、4200万个晶体管 26 l集成电路中的基本元件结构 阴极 阳极 集电极 基极 发射极 源极 栅极 漏极 N P N P N+ N+ 金属 N+ P型衬底 P型衬底 P型衬底 P型阱 PN结二极管 NPN晶体管 nMOS晶体管 半导体材料和半导体集成电路半导体材料和半导体集成电路 N+、P+，重掺杂 27 l双极集成电路工艺 砷 注 入 SiO2 SiO2 p-Si 衬底 （a）埋层制备 半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术 举例子举例子 28 l双极集成电路工艺 N外延层 P衬底 N+ 埋层 (b) 外延层制备 半导体和半导体集成电路半导体和半导体集成电路 29 l双极集成电路工艺 光致抗蚀剂 钝化层 N外延层 N+ P （c）隔离区窗口制备 半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术 30 l双极集成电路工艺 沟道隔断区硼离子注入 N N N+ P (d) 氧化物隔离区制备(1) 半导体和半导体集成电路半导体和半导体集成电路 31 l双极集成电路工艺 N N SiO2 P+ N+ P+ 沟道隔断区 P (e) 氧化物隔离区制备(2) 半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术 32 l双极集成电路工艺 基区硼离子注入 光致抗蚀剂 N SiO2 P基区 P+ N+埋层 (f)基区制备 半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术 33 l双极集成电路工艺 光致抗蚀剂 SiO2 P+ N+埋层 (g)基区引线孔制备 半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术 34 l双极集成电路工艺 砷离子注入 发射区 基区 集电区 埋层 N+集电区 (h)发射区制备 半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术 35 半导体集成电路工艺技术半导体集成电路工艺技术 集成电路工艺技术主要包括集成电路工艺技术主要包括: 1、原始硅片工艺 硅单晶拉制到最终形成作为IC衬底和有源区的硅片的一整 套工艺技术。 2、掺杂工艺： 包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。 3、微细图形加工工艺 ： 包括图形的复印和刻蚀转移两个方面 。 4、介质薄膜工艺： 包括各种热生长技术和各种CVD技术。 5、金属薄膜工艺：包括真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术。 36 集成电路的设计和制作集成电路的设计和制作 l设计和绘制电子线路图 l集成电路的线路图转绘成芯片布局图 l分解成与制造工艺对应的各个层次的布局图 l数字化成“掩膜（Mask）”图纸 l在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结 l芯片测试、切割、分档 、引脚焊接、封装 37 分 立 元 件 集成