物理学与新能源技术.ppt

1、1,微电子技术,一、引言,五、集成电路走向系统芯片,三、基本元件结构,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,二、晶圆,2,一、引 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。,3,一、引 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。

2、如科技、经济、军事、金融、文教乃至家庭生活。,4,1、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 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 传统工业的行业改造和技术更新 使商业领域的传统账册产生了根本的变化 与其他技术的结合和渗透发展成新的技术 现代化的军事与国防也离不开微电子技术 深刻地、广泛地影响着人们的生活,5,微电子无处不在： 公共汽车IC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、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）。,6,1948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

3、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、微电子技术发展及现状,7,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。,8,3、向微米工艺的极限挑战,目前，由Intel为代表的多家公司正在开发“极端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米；IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究工作。,光刻技术,大规模集成电

4、路的集成度是微电子技术的重要标志； 单晶片的尺寸已经从原来的5英寸发展到了今天的8英寸、12英寸。,9,电子管 晶体管 场效应管（厚膜） 薄膜晶体管,二、基本元件结构,10,电子管又称“真空管”（Vacuum Tube） 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 电子管的放大作用 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电子管,11,12,13,2晶体管,半导体是制造晶体管的基本材料 本征半导体、自由电子和空穴 共价电子与 N型

5、半导体 、P型半导体 p-n结 二极管和三极管极其工作原理,14,15,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、场效应管,16, 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

6、导体 因此称之为MOS管,Sect,17, 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,18, 结型场效应管（JFET)结构,G,S,D,N沟道结型场效应管,导电沟道,结型场效应管,19,4、薄膜晶体管 (TFT ),ATO= Al2O3/TiO2超晶格,20,Ga-doped ZnO,21,22,“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 集成度发展神速 1962：几个、 1965：近100

7、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,23,100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,24,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

8、集成电路计算机（1970-）,25,26,超大规模集成电路,Intel 386芯片 1.2微米、几十万个晶体管 P4 0.09微米、4200万个晶体管,27,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,N+、P+，重掺杂,28,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,举例子,29,双极集成电路工艺 N外延层 P衬底 N+ 埋层 (b) 外延层制备,

9、半导体和半导体集成电路,30,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,31,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,32,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,33,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,34,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,

10、半导体集成电路工艺技术,35,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,36,半导体集成电路工艺技术,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。,37,集成电路的设计和制作,设计和绘制电子线路图 集成电路的线路图转绘成芯片布局图 分解成与制造工艺对应的各个层次的布局图 数字化成“掩膜（Mask）”图纸 在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结 芯片测试、切割、分档 、引脚焊接、封装,38,分立元件,集成电路 I C,系 统 芯 片 System