微电子学概论课件.ppt

1、Part 1,1,2,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。,3,集成电路： Integrated Circuit，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,4,集成电路设计与制造的主要流程框架,5

2、,微电子科学技术的战略地位,6,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,7,第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator 1946年2月14日 Moore School，Univ. of Pennsylvania 18,000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,8,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,9,其次

3、，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 RIC1.52REI REI3RGDP,10,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,11,1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,获得1956年Nobel物理奖,12,晶体管的三位发明

4、人：巴丁、肖克莱、布拉顿,13,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(Clair Kilby)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,14,1958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,15,微电子发展史上的几个里程碑,1962年Wanlass、C. T. SahCMOS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DRAM 19

5、71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,16,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,17,Part 2,18,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

6、生第一块大规模集成电路,19,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,20,Part 3,21,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,22,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 NMOS PMOS CMOS(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

7、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,23,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(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Giga

8、ntic Scale IC，GSI）,24,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,25,按电路功能分类,数字集成电路(Digital IC)：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(Analog IC)：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

9、集成电路(Digital - Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等,26,集成电路的分类,27,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, 1m106m)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,28,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、

10、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,Part 4,固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106104(cm)-1 半导体: 10410-10(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,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,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

11、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,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,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*,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

12、体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B,本征载流子浓度： n=p=ni np=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,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,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,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,影响迁移率的

13、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,Part 5半导体物理学,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,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,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,晶体结构,三

14、维立方单胞 简立方、 体心立方、 面立方,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,半导体的能带,本征激发,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）,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）,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

15、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、族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。,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,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As,N型半导体,半导体的掺杂,施主能级,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B,P型半导体,半导体的掺杂,受主能级,半导体的掺杂,、族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在

16、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。,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,点缺陷,替位原子（化合物半导体）,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。,本征半导体载流子浓度,本征半导体 无任何杂质

17、和缺陷的半导体,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,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,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,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。,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

18、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,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,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,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,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

19、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,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,Part 6 半导体的导电性,半导体中载流子的输运有三种形式： 漂移 扩散 产生和复合,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。,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）,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

20、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,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,pn结,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,6. PN结击穿,PN结击穿(junction breakdown)：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）。,器件设计中要考虑的最重要问题之一：结的击穿。,雪崩击穿,6.1 PN结击穿,PN

21、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 105-106 V / cm 属于非破坏性可逆击穿。,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 6.7 V,6.2 PN结击穿,齐纳击穿（隧道击穿）,热击穿 热损耗 局部升温 电流增加 属于破坏性不可逆击穿,6.3 PN

22、结击穿,Part 7 集成电路制造工艺,集成电路设计与制造的主要流程框架,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,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3m的线条,正胶：曝光后

23、可溶 负胶：曝光后不可溶,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(1025m)，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,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,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

24、应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的,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,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(Plasma Etching)：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(Reactive Ion Etching，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

25、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,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,扩 散,替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位： 、族元素 一般要在很高的温度(9501280)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

26、散大67个数量级,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,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),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、PECVD PVD：蒸发、溅射,图形曝光与刻蚀,图形曝光（lithography）是利用掩模版（mask）上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（光致抗蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。 这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗与压焊垫区。而由图形