微電子學概論完整ppt課件

.,1,Part1,微電子學：Microelectronics微電子學微型電子學核心集成電路,物理電子學:在以前主要是學習電子在真空中的運動規(guī)律及其器件，現(xiàn)在內容擴展了，還包括微波方面的內容。微電子學:主要是學習半導體器件和集成電路的設計、制造、應用。固體電子學:主要是學習電子材料方面的研制、應用。,集成電路：IntegratedCircuit，縮寫IC通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能,集成電路設計與制造的主要流程框架,.,5,微電子科學技術的戰(zhàn)略地位,實現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡及其關鍵部件不管是各種計算機和/或通訊機，它們的基礎都是微電子1946年第一臺計算機：ENIAC,第一臺通用電子計算機：ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000個電子管組成,大小：長24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30噸；功率：140KW；平均無故障運行時間：7min,集成電路的作用,小型化價格急劇下降功耗降低故障率降低,其次，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，發(fā)達國家在發(fā)展過程中都有一條規(guī)律集成電路（IC）產值的增長率（RIC）高于電子工業(yè)產值的增長率（REI）電子工業(yè)產值的增長率又高于GDP的增長率（RGDP）一般有一個近似的關系RIC1.52REIREI3RGDP,晶體管的發(fā)明,理論推動19世紀末20世紀初發(fā)現(xiàn)半導體的三個重要物理效應光電導效應光生伏特效應整流效應量子力學材料科學需求牽引：二戰(zhàn)期間雷達等武器的需求,1947年12月23日第一個晶體管NPNGe晶體管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain,獲得1956年Nobel物理獎,晶體管的三位發(fā)明人：巴丁、肖克萊、布拉頓,集成電路的發(fā)明,1952年5月，英國科學家G.W.A.Dummer第一次提出了集成電路的設想1958年以德克薩斯儀器公司的科學家基爾比(ClairKilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結果,1958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片,獲得2000年Nobel物理獎,微電子發(fā)展史上的幾個里程碑,1962年Wanlass、C.T.SahCMOS技術現(xiàn)在集成電路產業(yè)中占95%以上1967年Kahng、S.Sze非揮發(fā)存儲器1968年Dennard單晶體管DRAM1971年Intel公司微處理器計算機的心臟目前全世界微機總量約6億臺，在美國每年由計算機完成的工作量超過4000億人年工作量。美國歐特泰克公司認為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件將是21世紀改變人類社會和經濟的三大技術創(chuàng)新,不斷提高產品的性能價格比是微電子技術發(fā)展的動力集成電路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸縮小倍，這就是摩爾定律,微電子發(fā)展的規(guī)律,.,17,Part2,我國微電子學的歷史,1955年5所學校在北大聯(lián)合創(chuàng)建半導體專業(yè)北京大學、南京大學、復旦大學、吉林大學、廈門大學教師：黃昆、謝稀德、高鼎三、林蘭英學生：王陽元、許居衍、陳星弼1977年在北京大學誕生第一塊大規(guī)模集成電路,我國微電子學的歷史,1982年，成立電子計算機和大規(guī)模集成電路領導小組主任：萬里80年代：初步形成三業(yè)分離的狀態(tài)制造業(yè)設計業(yè)封裝業(yè),Part3,集成電路分類,集成電路的分類器件結構類型集成電路規(guī)模使用的基片材料電路形式應用領域,集成電路按器件結構類型分類,雙極集成電路：主要由雙極晶體管構成NPN型雙極集成電路PNP型雙極集成電路金屬-氧化物-半導體(MOS)集成電路：主要由MOS晶體管(單極晶體管)構成NMOSPMOSCMOS(互補MOS)雙極-MOS(BiMOS)集成電路：同時包括雙極和MOS晶體管的集成電路為BiMOS集成電路，綜合了雙極和MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復雜,優(yōu)點是速度高、驅動能力強，缺點是功耗較大、集成度較低,功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高,集成電路按集成電路規(guī)模分類,集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）,按結構形式的分類,單片集成電路：它是指電路中所有的元器件都制作在同一塊半導體基片上的集成電路在半導體集成電路中最常用的半導體材料是硅，除此之外還有GaAs等混合集成電路：厚膜集成電路薄膜集成電路,按電路功能分類,數(shù)字集成電路(DigitalIC)：它是指處理數(shù)字信號的集成電路，即采用二進制方式進行數(shù)字計算和邏輯函數(shù)運算的一類集成電路模擬集成電路(AnalogIC)：它是指處理模擬信號(連續(xù)變化的信號)的集成電路線性集成電路：又叫做放大集成電路，如運算放大器、電壓比較器、跟隨器等非線性集成電路：如振蕩器、定時器等電路數(shù)?；旌霞呻娐?Digital-AnalogIC)：例如數(shù)模(D/A)轉換器和模數(shù)(A/D)轉換器等,集成電路的分類,微電子的特點,微電子學：電子學的一門分支學科微電子學以實現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的，故實用性極強。微電子學中的空間尺度通常是以微米(m,1m106m)和納米(nm,1nm=10-9m)為單位的。微電子學是信息領域的重要基礎學科,微電子的特點,微電子學是一門綜合性很強的邊緣學科涉及了固體物理學、量子力學、熱力學與統(tǒng)計物理學、材料科學、電子線路、信號處理、計算機輔助設計、測試與加工、圖論、化學等多個學科微電子學是一門發(fā)展極為迅速的學科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學發(fā)展的方向微電子學的滲透性極強，它可以是與其他學科結合而誕生出一系列新的交叉學科，例如微機電系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等,Part4,固體材料：超導體:大于106(cm)-1導體:106104(cm)-1半導體:10410-10(cm)-1絕緣體:小于10-10(cm)-1,？什么是半導體,從導電特性和機制來分：不同電阻特性不同輸運機制,2.半導體中的載流子：能夠導電的自由粒子,本征半導體：n=p=ni,電子：Electron，帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應于導帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位,價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差,半導體的能帶結構,半導體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子有效質量可正、可負，取決于與晶格的作用,電子和空穴的有效質量m*,施主和受主濃度：ND、NA,施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B,本征載流子濃度：n=p=ninp=ni2ni與禁帶寬度和溫度有關,5.本征載流子,本征半導體：沒有摻雜的半導體本征載流子：本征半導體中的載流子,載流子濃度,電子濃度n,空穴濃度p,多子：多數(shù)載流子n型半導體：電子p型半導體：空穴少子：少數(shù)載流子n型半導體：空穴p型半導體：電子,8.過剩載流子,由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子,載流子的產生和復合：電子和空穴增加和消失的過程電子空穴對：電子和空穴成對產生或復合,影響遷移率的因素：有效質量平均弛豫時間（散射,體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度,半導體中載流子的散射機制：晶格散射（熱運動引起）電離雜質散射,Part5半導體物理學,微電子學研究領域,半導體器件物理集成電路工藝集成電路設計和測試,微電子學發(fā)展的特點,向高集成度、低功耗、高性能高可靠性電路方向發(fā)展與其它學科互相滲透，形成新的學科領域：光電集成、MEMS、生物芯片,半導體概要,固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體,什么是半導體？,半導體及其基本特性,晶體結構,單胞對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結構的最小單元,注：（a）單胞無需是唯一的,（b）單胞無需是基本的,晶體結構,三維立方單胞簡立方、體心立方、面立方,固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體,固體材料的能帶圖,半導體的能帶,本征激發(fā),有效質量的意義,自由電子只受外力作用；半導體中的電子不僅受到外力的作用，同時還受半導體內部勢場的作用意義：有效質量概括了半導體內部勢場的作用，使得研究半導體中電子的運動規(guī)律時更為簡便（有效質量可由試驗測定）,與理想情況的偏離,晶格原子是振動的材料含雜質晶格中存在缺陷點缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯）面缺陷（層錯）,間隙式雜質、替位式雜質,雜質原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質稱為間隙式雜質。間隙式雜質原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068nm）。雜質原子取代晶格原子而位于晶格點處，該雜質稱為替位式雜質。替位式雜質原子的大小和價電子殼層結構要求與被取代的晶格原子相近。如、族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質。,間隙式雜質、替位式雜質,單位體積中的雜質原子數(shù)稱為雜質濃度,施主：摻入在半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和As,N型半導體,半導體的摻雜,施主能級,受主：摻入在半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中的B,P型半導體,半導體的摻雜,受主能級,半導體的摻雜,、族雜質在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質，它們在禁帶中引入了能級；受主能級比價帶頂高，施主能級比導帶底低，均為淺能級，這兩種雜質稱為淺能級雜質。雜質處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當處于離化態(tài)時，施主雜質向導帶提供電子成為正電中心；受主雜質向價帶提供空穴成為負電中心。,點缺陷,弗倉克耳缺陷間隙原子和空位成對出現(xiàn)肖特基缺陷只存在空位而無間隙原子間隙原子和空位這兩種點缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產生和復合，直至達到動態(tài)平衡，總是同時存在的。空位表現(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用,點缺陷,替位原子（化合物半導體）,位錯,位錯是半導體中的一種缺陷，它嚴重影響材料和器件的性能。,本征半導體載流子濃度,本征半導體無任何雜質和缺陷的半導體,載流子輸運,半導體中載流子的輸運有三種形式：漂移擴散產生和復合,熱運動,在無電場作用下，載流子永無停息地做著無規(guī)則的、雜亂無章的運動，稱為熱運動晶體中的碰撞和散射引起凈速度為零，并且凈電流為零平均自由時間為,熱運動,當有外電場作用時，載流子既受電場力的作用，同時不斷發(fā)生散射載流子在外電場的作用下為熱運動和漂移運動的疊加，因此電流密度是恒定的,散射的原因,載流子在半導體內發(fā)生撒射的根本原因是周期性勢場遭到破壞附加勢場使得能帶中的電子在不同狀態(tài)間躍遷，并使得載流子的運動速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。,由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子，也稱為非平衡載流子,過剩載流子,非平衡載流子的光注入,小注入條件,小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小的多,N型材料,P型材料,非平衡載流子壽命,假定光照產生和，如果光突然關閉，和將隨時間逐漸衰減直至0，衰減的時間常數(shù)稱為壽命，也常稱為少數(shù)載流子壽命單位時間內非平衡載流子的復合概率非平衡載流子的復合率,復合,n型材料中的空穴,當時，故壽命標志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經歷的時間；壽命越短，衰減越快,PN結雜質分布,PN結是同一塊半導體晶體內P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結是各種半導體器件的基礎，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造過程合金法擴散法,反向擊穿,電流急劇增加可逆雪崩倍增齊納過程不可逆熱擊穿,Part6半導體的導電性,半導體中載流子的輸運有三種形式：漂移擴散產生和復合,散射的原因,載流子在半導體內發(fā)生撒射的根本原因是周期性勢場遭到破壞附加勢場使得能帶中的電子在不同狀態(tài)間躍遷，并使得載流子的運動速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。,平衡載流子,在某以熱平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流子非簡并半導體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式,（只受溫度T影響）,由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子，也稱為非平衡載流子,過剩載流子,非平衡載流子的光注入,小注入條件,小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小的多,N型材料,P型材料,pn結,PN結雜質分布,PN結是同一塊半導體晶體內P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結是各種半導體器件的基礎，了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造過程合金法擴散法,6.PN結擊穿,PN結擊穿(junctionbreakdown)：PN結反向電壓超過某一數(shù)值時，反向電流急劇增加的現(xiàn)象稱為“PN結擊穿”，這時的電壓稱為擊穿電壓（VR）。,器件設計中要考慮的最重要問題之一：結的擊穿。,雪崩擊穿,6.1PN結擊穿,PN結加大的反向偏壓載流子從電場獲得能量,載流子與勢壘區(qū)晶格碰撞能量足夠大時價帶電子被激發(fā)到導帶產生電子空穴對新形成的電子、空穴被電場加速，碰撞出新的電子、空穴載流子倍增硅PN結發(fā)生雪崩擊穿的電場強度為105-106V/cm屬于非破壞性可逆擊穿。,在高電場下耗盡區(qū)的共價鍵斷裂產生電子和空穴，即有些價電子通過量子力學的隧道效應從價帶轉移到導帶，從而形成反向隧道電流。屬于非破壞性可逆擊穿。隧道擊穿機制用于描述具有低擊穿電壓的結。如硅PN結，VB6.7V,6.2PN結擊穿,齊納擊穿（隧道擊穿）,熱擊穿熱損耗局部升溫電流增加屬于破壞性不可逆擊穿,6.3PN結擊穿,.,80,Part7集成電路制造工藝,集成電路設計與制造的主要流程框架,集成電路制造工藝,圖形轉換：將設計在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉移到半導體單晶片上摻雜：根據(jù)設計的需要，將各種雜質摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等制膜：制作各種材料的薄膜,圖形轉換：光刻,光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體光刻膠受到特定波長光線的作用后，導致其化學結構發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠負膠：分辨率差，適于加工線寬3m的線條,正膠：曝光后可溶負膠：曝光后不可溶,圖形轉換：光刻,幾種常見的光刻方法接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個很小的間隙(1025m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式,圖形轉換：光刻,超細線條光刻技術甚遠紫外線(EUV)電子束光刻X射線離子束光刻,圖形轉換：刻蝕技術,濕法刻蝕：利用液態(tài)化學試劑或溶液通過化學反應進行刻蝕的方法干法刻蝕：主要指利用低壓放電產生的等離子體中的離子或游離基(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團等)與材料發(fā)生化學反應或通過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的,圖形轉換：刻蝕技術,濕法腐蝕：濕法化學刻蝕在半導體工藝中有著廣泛應用：磨片、拋光、清洗、腐蝕優(yōu)點是選擇性好、重復性好、生產效率高、設備簡單、成本低缺點是鉆蝕嚴重、對圖形的控制性較差,干法刻蝕,濺射與離子束銑蝕：通過高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差等離子刻蝕(PlasmaEtching)：利用放電產生的游離基與材料發(fā)生化學反應，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差反應離子刻蝕(ReactiveIonEtching，簡稱為RIE)：通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學反應雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點，同時兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點。目前，RIE已成為VLSI工藝中應用最廣泛的主流刻蝕技術,擴散與離子注入,摻雜：將需要的雜質摻入特定的半導體區(qū)域中，以達到改變半導體電學性質，形成PN結、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As)N型硅硼(B)P型硅摻雜工藝：擴散、離子注入,擴散,替位式擴散：雜質離子占據(jù)硅原子的位：、族元素一般要在很高的溫度(9501280)下進行磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴散系數(shù)均遠小于在硅中的擴散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質擴散的掩蔽層間隙式擴散：雜質離子位于晶格間隙：Na、K、Fe、Cu、Au等元素擴散系數(shù)要比替位式擴散大67個數(shù)量級,離子注入,離子注入：將具有很高能量的雜質離子射入半導體襯底中的摻雜技術，摻雜深度由注入雜質離子的能量和質量決定，摻雜濃度由注入雜質離子的數(shù)目(劑量)決定摻雜的均勻性好溫度低：小于600可以精確控制雜質分布可以注入各種各樣的元素橫向擴展比擴散要小得多。可以對化合物半導體進行摻雜,退火,退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮氣等不活潑氣氛中進行的熱處理過程都可以稱為退火。激活雜質：使不在晶格位置上的離子運動到晶格位置，以便具有電活性，產生自由載流子，起到雜質的作用消除損傷退火方式：爐退火快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源(如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設備等),集成電路工藝,圖形轉換：光刻：接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電子束光刻刻蝕：干法刻蝕、濕發(fā)刻蝕摻雜：離子注入退火擴散制膜：氧化：干氧氧化、濕氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸發(fā)、濺射,圖形曝光與刻蝕,圖形曝光（lithography）是利用掩模版（mask）上的幾何圖形，通過光化學反應，將圖案轉移到覆蓋在半導體晶片上的感光薄膜層上（光致抗蝕劑、光刻膠、光阻）的一種工藝步驟。這些圖案可用來定義集成電路中各種不同區(qū)域，如離子注入、接觸窗與壓焊墊區(qū)。而由圖形曝光所形成的抗蝕劑圖案，并不是電路器件的最終部分，而只是