微电子学概论课件

微电子学概论课件2024/11/9微电子学概论课件微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学核心——集成电路物理电子学:在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件，现在内容扩展了，还包括微波方面的内容。微电子学:主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。固体电子学:主要是学习电子材料方面的研制、应用。微电子学概论课件集成电路：IntegratedCircuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能微电子学概论课件集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求微电子学概论课件微电子科学技术的战略地位微电子学概论课件实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子1946年第一台计算机：ENIAC微电子学概论课件第一台通用电子计算机：ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000个电子管组成大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min微电子学概论课件集成电路的作用小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低微电子学概论课件其次，统计数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系

RIC≈1.5~2REIREI≈3RGDP微电子学概论课件晶体管的发明理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求微电子学概论课件1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖微电子学概论课件晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿微电子学概论课件集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果微电子学概论课件1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖微电子学概论课件微电子发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技术现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器1968年Dennard——单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新微电子学概论课件不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，这就是摩尔定律微电子发展的规律微电子学概论课件Part2微电子学概论课件我国微电子学的历史1955年5所学校在北大联合创建半导体专业北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英学生：王阳元、许居衍、陈星弼1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路微电子学概论课件我国微电子学的历史1982年，成立电子计算机和大规模集成电路领导小组主任：万里80年代：初步形成三业分离的状态制造业设计业封装业微电子学概论课件Part3微电子学概论课件集成电路分类集成电路的分类器件结构类型集成电路规模使用的基片材料电路形式应用领域微电子学概论课件集成电路按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高微电子学概论课件集成电路按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）微电子学概论课件按结构形式的分类单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路微电子学概论课件按电路功能分类数字集成电路(DigitalIC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路模拟集成电路(AnalogIC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等微电子学概论课件集成电路的分类微电子学概论课件微电子的特点微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。微电子学中的空间尺度通常是以微米(

m,1

m＝10－6m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学概论课件微电子的特点微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等微电子学概论课件Part4微电子学概论课件固体材料：超导体:大于106(cm)-1 导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1

绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制微电子学概论课件2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni微电子学概论课件电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位微电子学概论课件价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg微电子学概论课件半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*微电子学概论课件施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B微电子学概论课件本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2

ni与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度

电子浓度n,空穴浓度p微电子学概论课件多子：多数载流子 n型半导体：电子 p型半导体：空穴少子：少数载流子 n型半导体：空穴 p型半导体：电子微电子学概论课件8.过剩载流子

由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合微电子学概论课件影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射微电子学概论课件Part5

半导体物理学微电子学概论课件微电子学研究领域半导体器件物理集成电路工艺集成电路设计和测试微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、MEMS、生物芯片半导体概要微电子学概论课件固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？半导体及其基本特性微电子学概论课件晶体结构单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元注：（a）单胞无需是唯一的

（b）单胞无需是基本的微电子学概论课件晶体结构三维立方单胞

简立方、体心立方、面立方微电子学概论课件固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图微电子学概论课件半导体的能带本征激发微电子学概论课件有效质量的意义自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）微电子学概论课件与理想情况的偏离晶格原子是振动的材料含杂质晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（层错）微电子学概论课件间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。微电子学概论课件间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度微电子学概论课件施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P和AsN型半导体As半导体的掺杂施主能级微电子学概论课件受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中的BP型半导体B半导体的掺杂受主能级微电子学概论课件半导体的掺杂Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高，施主能级比导带底低，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。微电子学概论课件点缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成对出现肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用微电子学概论课件点缺陷替位原子（化合物半导体）微电子学概论课件位错位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。微电子学概论课件本征半导体载流子浓度本征半导体无任何杂质和缺陷的半导体微电子学概论课件载流子输运半导体中载流子的输运有三种形式：漂移扩散产生和复合微电子学概论课件热运动在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为零，并且净电流为零平均自由时间为微电子学概论课件热运动当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度是恒定的微电子学概论课件散射的原因载流子在半导体内发生撒射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场使得能带中的电子在不同状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。微电子学概论课件由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子过剩载流子非平衡载流子的光注入微电子学概论课件小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料P型材料微电子学概论课件非平衡载流子寿命假定光照产生和，如果光突然关闭，和将随时间逐渐衰减直至0，衰减的时间常数称为寿命，也常称为少数载流子寿命

单位时间内非平衡载流子的复合概率非平衡载流子的复合率微电子学概论课件复合n型材料中的空穴当时，，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间；寿命越短，衰减越快微电子学概论课件PN结杂质分布PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造过程合金法扩散法微电子学概论课件反向击穿电流急剧增加可逆雪崩倍增齐纳过程不可逆热击穿微电子学概论课件Part6半导体的导电性微电子学概论课件半导体中载流子的输运有三种形式：漂移扩散产生和复合微电子学概论课件散射的原因载流子在半导体内发生撒射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场使得能带中的电子在不同状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。微电子学概论课件平衡载流子在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载流子非简并半导体处于热平衡状态的判据式（只受温度T影响）微电子学概论课件由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子过剩载流子非平衡载流子的光注入微电子学概论课件小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料P型材料微电子学概论课件pn结微电子学概论课件PN结杂质分布PN结是同一块半导体晶体内P型区和N型区之间的边界PN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造过程合金法扩散法微电子学概论课件6.PN结击穿PN结击穿(junctionbreakdown)：PN结反向电压超过某一数值时，反向电流急剧增加的现象称为“PN结击穿”，这时的电压称为击穿电压（VR）。VRIVPN结击穿机制热效应齐纳击穿（隧道击穿）雪崩击穿器件设计中要考虑的最重要问题之一：结的击穿。微电子学概论课件雪崩击穿

6.1PN结击穿

PN结加大的反向偏压

载流子从电场获得能量

载流子与势垒区晶格碰撞

能量足够大时价带电子被激发到导带产生电子－空穴对

新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴

载流子倍增硅PN结发生雪崩击穿的电场强度为105-106V/cm属于非破坏性可逆击穿。微电子学概论课件在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，从而形成反向隧道电流。属于非破坏性可逆击穿。隧道击穿机制用于描述具有低击穿电压的结。如硅PN结，VB<4.5V

雪崩击穿机制适用于在高电压下击穿的结，如硅PN结，VB>6.7V6.2PN结击穿齐纳击穿（隧道击穿）微电子学概论课件热击穿热损耗

局部升温

电流增加

属于破坏性不可逆击穿

6.3PN结击穿微电子学概论课件Part7集成电路制造工艺微电子学概论课件集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求微电子学概论课件集成电路制造工艺图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：制作各种材料的薄膜微电子学概论课件图形转换：光刻光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3

m的线条微电子学概论课件正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶微电子学概论课件图形转换：光刻几种常见的光刻方法接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(10～25

m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式微电子学概论课件图形转换：光刻超细线条光刻技术甚远紫外线(EUV)电子束光刻X射线离子束光刻微电子学概论课件图形转换：刻蚀技术湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的微电子学概论课件图形转换：刻蚀技术湿法腐蚀：湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差微电子学概论课件干法刻蚀溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差等离子刻蚀(PlasmaEtching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差反应离子刻蚀(ReactiveIonEtching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术微电子学概论课件扩散与离子注入掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅掺杂工艺：扩散、离子注入微电子学概论课件扩散替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：Na、K、Fe、Cu、Au等元素扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级微电子学概论课件离子注入离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定掺杂的均匀性好温度低：小于600℃可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多。可以对化合物半导体进行掺杂微电子学概论课件退火退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用消除损伤退火方式：炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)微电子学概论课件集成电路工艺图形转换：光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻刻蚀：干法刻蚀、湿发刻蚀掺杂：离子注入退火扩散制膜：氧化：干氧氧化、湿氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸发、溅射微电子学概论课件