光電子材料_2_第二章_微電子材料基礎(chǔ)

1、1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 第二章第二章 1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.1.1 2.1.1 半導(dǎo)體性質(zhì)半導(dǎo)體性質(zhì)電導(dǎo)率介于金屬和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。電導(dǎo)率介于金屬和絕緣體之間的材料稱為半導(dǎo)體。純凈半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高而指數(shù)增加純凈半導(dǎo)體的電導(dǎo)率隨溫度升高而指數(shù)增加雜質(zhì)的種類和數(shù)量決定著半導(dǎo)體的電導(dǎo)率雜質(zhì)的種類和數(shù)量決定著半導(dǎo)體的電導(dǎo)率可以實(shí)現(xiàn)非均勻摻雜可以實(shí)現(xiàn)非均勻摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受光輻照和高能電子等的影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受光輻照和高能電子等的影響1-緒論 光電子學(xué)概論

2、 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 硅硅 ( Si ) 、鍺、鍺 ( Ge ) 原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4價(jià)電子價(jià)電子慣性核慣性核1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 完全純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。它們是完全純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。制造半導(dǎo)體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4 硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：硅和鍺共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價(jià)鍵共價(jià)鍵1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 q當(dāng)當(dāng)T升高或光線照射時(shí)升高或光線照射時(shí)產(chǎn)生自由電子空穴對。產(chǎn)生自由電子空穴對。q

3、 共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力。 當(dāng)當(dāng)T=0K（無外界影（無外界影 響）時(shí)，共價(jià)鍵中無自由移動(dòng)的電子。響）時(shí)，共價(jià)鍵中無自由移動(dòng)的電子。這種現(xiàn)象稱這種現(xiàn)象稱本征激發(fā)本征激發(fā)。 本征激發(fā)本征激發(fā)1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí)，原子中留當(dāng)原子中的價(jià)電子激發(fā)為自由電子時(shí)，原子中留下空位，同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。下空位，同時(shí)原子因失去價(jià)電子而帶正電。 當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成當(dāng)鄰近原子中的價(jià)電子不斷填補(bǔ)這些空位時(shí)形成一種運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是一種運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可等效地看作是空穴的運(yùn)動(dòng)空穴的運(yùn)動(dòng)。注意：

4、空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。注意：空穴運(yùn)動(dòng)方向與價(jià)電子填補(bǔ)方向相反。自由電子自由電子 帶負(fù)電帶負(fù)電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子 空穴的運(yùn)動(dòng)空穴的運(yùn)動(dòng)空空 穴穴 帶正電帶正電1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 溫度一定時(shí)：溫度一定時(shí)： 激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：熱平衡載流子濃度：本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)本征激發(fā)產(chǎn)生自由電子空穴對。產(chǎn)生自由電子空穴對。電子和空穴相遇釋放能量電子和空穴相遇釋放能量復(fù)合。復(fù)合。ikTEipeATng2230

5、T導(dǎo)電能力導(dǎo)電能力ni或光照或光照熱敏特性熱敏特性光敏特性光敏特性1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 v N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：+4+4+5+4+4簡化模型：簡化模型：N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多子多子自由電子自由電子少子少子空穴空穴自由電子自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素構(gòu)成。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 v P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+4+4+4+4+3+3+4+4+4+4簡化模型：簡化模型：P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體少子少子自由電子自由電子多子多子空穴空穴空空 穴穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價(jià)元素構(gòu)成。本征半導(dǎo)體中摻入少量三

6、價(jià)元素構(gòu)成。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.1.2 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)電子共有化量子態(tài)能級(jí)電子共有化量子態(tài)能級(jí)電子填充能帶模型電子填充能帶模型當(dāng)原子組合成晶體后，電子的量子當(dāng)原子組合成晶體后，電子的量子態(tài)將發(fā)生質(zhì)的變化，它不再是固定態(tài)將發(fā)生質(zhì)的變化，它不再是固定于個(gè)別原子上運(yùn)動(dòng)，而是穿行于整于個(gè)別原子上運(yùn)動(dòng)，而是穿行于整個(gè)晶體中，電子運(yùn)動(dòng)的這種變化稱個(gè)晶體中，電子運(yùn)動(dòng)的這種變化稱為為“共有化共有化”。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 施主能級(jí)施主能級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí)1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.1.3 半

7、導(dǎo)體材料分類半導(dǎo)體材料分類 元素半導(dǎo)體：元素半導(dǎo)體： Si、Ge、P、C 化合物半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體： GaAs、GaP、GaN 固溶體半導(dǎo)體：固溶體半導(dǎo)體： Si-Ge、Ga1-xAlxAs、HgxCd1-xTe 超晶格半導(dǎo)體：超晶格半導(dǎo)體： GaAs/AlGaAs 組分型、摻雜型、應(yīng)變型組分型、摻雜型、應(yīng)變型1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.2.1 p-np-n結(jié)的形成結(jié)的形成 由于由于N型半導(dǎo)體中有富裕的自由電子，而型半導(dǎo)體中有富裕的自由電子，而P型半型半導(dǎo)體中有富裕的自由的空穴，所以當(dāng)導(dǎo)體中有富裕的自由的空穴，所以當(dāng)P型和型和N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體接觸時(shí)，體接觸時(shí)，

8、P型半導(dǎo)體中的空穴就會(huì)向型半導(dǎo)體中的空穴就會(huì)向N型中擴(kuò)散，型中擴(kuò)散，而而N型半導(dǎo)體中的電子向型半導(dǎo)體中的電子向P型中擴(kuò)散，結(jié)果是型中擴(kuò)散，結(jié)果是P型端型端帶負(fù)電，而帶負(fù)電，而N型端帶正電。因而會(huì)形成內(nèi)建電場，型端帶正電。因而會(huì)形成內(nèi)建電場，內(nèi)建電場的方向從內(nèi)建電場的方向從N型端指向型端指向P型端，從而又阻止電型端，從而又阻止電子和空穴的擴(kuò)散。最后，依靠電子和空穴濃度梯度子和空穴的擴(kuò)散。最后，依靠電子和空穴濃度梯度的擴(kuò)散和內(nèi)建電場的電作用達(dá)到平衡，在接觸面附的擴(kuò)散和內(nèi)建電場的電作用達(dá)到平衡，在接觸面附近形成一個(gè)耗盡層，即近形成一個(gè)耗盡層，即p-n結(jié)。結(jié)。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院

9、 光電子材料 利用摻雜工藝，把利用摻雜工藝，把P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在原子級(jí)型半導(dǎo)體在原子級(jí)上緊密結(jié)合，上緊密結(jié)合，P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了區(qū)的交界面就形成了p-n結(jié)。結(jié)。 摻雜摻雜N型型P型型p-n結(jié)結(jié)p-n結(jié)的形成結(jié)的形成1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 半導(dǎo)體半導(dǎo)體PNPN結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 半導(dǎo)體半導(dǎo)體p-np-n結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.2.2 雙極型晶體管雙極型晶體管由兩個(gè)相距很由兩個(gè)相距

10、很近的近的p-np-n結(jié)組成結(jié)組成又稱三極管又稱三極管1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 NPN晶體管的偏置情況晶體管的偏置情況在正常使用條件下，晶體管發(fā)射結(jié)加正向小電壓，稱在正常使用條件下，晶體管發(fā)射結(jié)加正向小電壓，稱為正向偏置；收集結(jié)加反向大電壓，稱為反向偏置。為正向偏置；收集結(jié)加反向大電壓，稱為反向偏置。具有具有放大信號(hào)放大信號(hào)的功能。的功能。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.2.3 場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管（FET）場效應(yīng)晶體管分類場效應(yīng)晶體管分類1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 S源極；源極； G柵極；柵極； D漏極

11、漏極MOS場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)N溝溝MOSFET，電位低的一端為源，電位高的為漏；，電位低的一端為源，電位高的為漏；P溝溝MOSFET，電位高的一端為源，電位低的為漏；，電位高的一端為源，電位低的為漏；MOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)管NN1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.2.4 集成電路發(fā)展簡史集成電路發(fā)展簡史 58年，鍺年，鍺 IC 59年，硅年，硅 IC 61年，年，SSI（10 100 個(gè)元件個(gè)元件/芯片）芯片） 62年，年，MOS

12、IC 63年，年，CMOS IC 64年，線性年，線性 IC 1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 65年，年，MSI （100 1000個(gè)元件個(gè)元件/芯片）芯片） 69年，年，CCD 70年，年，LSI （1000 10萬個(gè)元件萬個(gè)元件/芯片），芯片），1K DRAM 71年，年，8位位 MPU IC，4004 (Micro Processor Unit ) 72年，年，4K DRAM，I2L IC 77年，年，VLSI（10萬萬 1000萬個(gè)元件萬個(gè)元件/芯片），芯片），64K DRAM ， 16位位 MPU 80年，年，256K DRAM ，2 m 84年，年，1M D

13、RAM ，1 m 85年，年，32位位 MPU ，M68020 1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 86年，年，ULSI（1000萬萬 10億個(gè)元件億個(gè)元件/芯片），芯片）， 4M DRAM ( 8106, 91mm2, 0.8 m, 150 mm ) ， 于于 89 年開始商業(yè)化生產(chǎn)，年開始商業(yè)化生產(chǎn)，95年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。88年，年，16M DRAM（3107, 135mm2, 0.5 m, 200mm），）， 于于 92 年開始商業(yè)化生產(chǎn)，年開始商業(yè)化生產(chǎn)，97 年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。91年，年，64M DRAM（1.4108, 198 mm2

14、, 0.35 m, 200mm），）， 于于 94 年開始商業(yè)化生產(chǎn)，年開始商業(yè)化生產(chǎn)，99 年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。92年，年，256M DRAM（5.6108, 400 mm2, 0.25 m, 200mm），）， 于于 98 年開始商業(yè)化生產(chǎn)，年開始商業(yè)化生產(chǎn)，2002 年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 95年，年，GSI（ 10億個(gè)元件億個(gè)元件/芯片），芯片）， 1G DRAM（2.2109, 700 mm2, 0.18 m, 200mm），）， 2000 年開始商業(yè)化生產(chǎn)，年開始商業(yè)化生產(chǎn)，2004 年達(dá)到生產(chǎn)頂峰。年達(dá)到

15、生產(chǎn)頂峰。 97年，年，4 G DRAM（8.8109, 986mm2, 0.13 m, 300 mm），）， 2003年進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。年進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 約有約有140億個(gè)腦細(xì)胞，每個(gè)腦億個(gè)腦細(xì)胞，每個(gè)腦細(xì)胞可完成細(xì)胞可完成 “異或異或” 或或 “或非或非” 功能，長度功能，長度約為約為150 m ，消耗的能量約為，消耗的能量約為 0.2 pJ 。 可在可在14 cm2的面積上制的面積上制作出作出 140 億個(gè)具有同樣功能的器件，每個(gè)器件億個(gè)具有同樣功能的器件，每個(gè)器件的長度約為的長度約為 15 m ，消耗的能量約為，消耗的能量約為 0

16、.005 pJ，工作壽命可達(dá)工作壽命可達(dá)10億小時(shí)以上。億小時(shí)以上。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 集成電路工業(yè)發(fā)展的第一定律即所謂集成電路工業(yè)發(fā)展的第一定律即所謂 。 Intel 公司的創(chuàng)始人之一公司的創(chuàng)始人之一戈登戈登摩爾摩爾先生在先生在1965年年4月月19日日發(fā)表于發(fā)表于電子學(xué)雜志電子學(xué)雜志上的文章中提出，集成電路的能力將每上的文章中提出，集成電路的能力將每年翻一番。年翻一番。1975 年，他對此提法做了修正，稱集成電路的能年，他對此提法做了修正，稱集成電路的能力將每兩年翻一番。力將每兩年翻一番。 摩爾定律現(xiàn)在的表達(dá)是：在價(jià)格不變的情況下，摩爾定律現(xiàn)在的表達(dá)是：

17、在價(jià)格不變的情況下， 2.2.5 集成電路的發(fā)展規(guī)律集成電路的發(fā)展規(guī)律1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 60年：年：0.5 英寸，英寸， 65年：年：1 英寸，英寸， 70年：年：2 英寸，英寸， 75年：年：3 英寸，英寸， 80年：年：4 英寸，英寸， 90年：年：6 英寸，英寸， 95年：年：8 英寸（英寸（200 mm ），）， 2000年：年：12 英寸（英寸（300 mm）。）。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.2.6 集成電路分類集成電路分類按集成電路功能按集成電路功能：數(shù)字集成電路和模擬集成電路：數(shù)字集成電路和模擬集成電路按結(jié)構(gòu)形

18、式分類按結(jié)構(gòu)形式分類：半導(dǎo)體集成電路、膜集成電路和：半導(dǎo)體集成電路、膜集成電路和 混合集成電路混合集成電路按有源器件類型和工藝按有源器件類型和工藝：雙極型集成電路和：雙極型集成電路和MOS 集成電路集成電路按規(guī)模大小分類按規(guī)模大小分類：小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大：小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模、超大 規(guī)模、甚大規(guī)模、巨大規(guī)模。規(guī)模、甚大規(guī)模、巨大規(guī)模。指在一塊玻璃或陶瓷基片上，用膜形指在一塊玻璃或陶瓷基片上，用膜形成技術(shù)和光刻技術(shù)等形成的多層金屬成技術(shù)和光刻技術(shù)等形成的多層金屬和金屬氧化物膜構(gòu)成電路中全部元器和金屬氧化物膜構(gòu)成電路中全部元器件及其互聯(lián)而實(shí)現(xiàn)某種電路功能的集件及其互聯(lián)而實(shí)現(xiàn)某種電路功能

19、的集成電路。成電路。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.2.7 集成電路的發(fā)展展望集成電路的發(fā)展展望 目標(biāo)：集成度目標(biāo)：集成度 、可靠性、可靠性 、速度、速度 、功耗、功耗 、成本、成本 努力方向：線寬努力方向：線寬 、晶片直徑、晶片直徑 、設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù) 1992 1995 1998 2001 2004 2007比特比特/ 芯芯片片 16 M 64 M 256 M 1 G 4 G 16 G特征尺寸特征尺寸（m） 0.5 0.35 0.25 0.18 0.12 0.07晶片直徑晶片直徑（mm） 200 200200 400200 400200 400200 400美

20、國美國 1992 2007 年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 美國美國 1997 2012 年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 比特比特/ 芯芯片片 256M1 G2G4 G 16 G 64 G256 G特征尺寸特征尺寸（ m）0.250.180.150.130.10.070.05晶片直徑晶片直徑（mm）2003003003003004504501-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 我國國防科工委對世界硅微電子技術(shù)發(fā)展的預(yù)測我國國防科工委對

21、世界硅微電子技術(shù)發(fā)展的預(yù)測 2000 2010 2020 集成度集成度 1 G 64 G 256 G 特征尺寸特征尺寸（ m） 0.180.10 0.070.05 0.01 晶片直徑晶片直徑（mm） 300 400 4501-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 可以看出，專家們認(rèn)為，可以看出，專家們認(rèn)為，即集成度每即集成度每 3 3 年乘以年乘以 4 4 ，而線寬則是，而線寬則是每每 6 6年下降一半。年下降一半。 目前硅器件與集成電路占了目前硅器件與集成電路占了20002000多億美元的多億美元的半導(dǎo)體市場的半導(dǎo)體市場的 95 % 95 % 以上。以上。 1 1、單片系統(tǒng)集成

22、（、單片系統(tǒng)集成（SOCSOC） 2 2、整硅片集成（、整硅片集成（WSIWSI） 3 3、半定制電路的設(shè)計(jì)方法、半定制電路的設(shè)計(jì)方法 4 4、微電子機(jī)械系統(tǒng)（、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMSMEMS） 5 5、真空微電子技術(shù)、真空微電子技術(shù)1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 電子漂移速度快（硅的電子漂移速度快（硅的5. 7倍），抗輻射能力強(qiáng)，因此在武倍），抗輻射能力強(qiáng)，因此在武器系統(tǒng)中有重要作用。器系統(tǒng)中有重要作用。 與目前已極為成熟的硅工藝有很好的兼容性，但可制成比與目前已極為成熟的硅工藝有很好的兼容性，但可制成比硅器件與集成電路頻率更高，性能更好的器件與集成電路，被硅器件與

23、集成電路頻率更高，性能更好的器件與集成電路，被譽(yù)為第二代硅技術(shù)。譽(yù)為第二代硅技術(shù)。 主要有主要有 SiC與與 GaN材料，主要優(yōu)點(diǎn)是工作溫度可高達(dá)材料，主要優(yōu)點(diǎn)是工作溫度可高達(dá) 300 攝氏度以上，因此在軍用系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。攝氏度以上，因此在軍用系統(tǒng)中有重要的應(yīng)用價(jià)值。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.2.8 集成電路發(fā)展面臨的問題集成電路發(fā)展面臨的問題 如熱力學(xué)限制。由于熱擾動(dòng)的影響，對數(shù)字邏輯系統(tǒng)，開如熱力學(xué)限制。由于熱擾動(dòng)的影響，對數(shù)字邏輯系統(tǒng)，開關(guān)能量至少應(yīng)滿足關(guān)能量至少應(yīng)滿足 ES 4kT = 1.6510 -20 J 。當(dāng)溝道長度為。當(dāng)溝道長度為

24、0.1 m 時(shí)，開關(guān)能量約為時(shí)，開關(guān)能量約為 510 -18 J。在亞微米范圍，從熱力學(xué)的。在亞微米范圍，從熱力學(xué)的角度暫時(shí)不會(huì)遇到麻煩。角度暫時(shí)不會(huì)遇到麻煩。 又如加工尺度限制，顯然原子尺寸是又如加工尺度限制，顯然原子尺寸是最小可加工單位，但現(xiàn)在的最小加工單位遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值。最小可加工單位，但現(xiàn)在的最小加工單位遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)值。 硅材料較低的遷移率將是影響硅材料較低的遷移率將是影響 IC 發(fā)展的一個(gè)重要障礙。發(fā)展的一個(gè)重要障礙。 包括電路限制、測試限制、互連限制、管腳數(shù)量限制、散包括電路限制、測試限制、互連限制、管腳數(shù)量限制、散熱限制、內(nèi)部寄生耦合限制等。熱限制、內(nèi)部寄生耦合限制等。1-緒

25、論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 2.2.9 集成電路基本工藝技術(shù)集成電路基本工藝技術(shù) 器件設(shè)計(jì)器件設(shè)計(jì) 封裝封裝電路設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)材料制備材料制備1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 CrystalGrowthSlicingGraphite HeaterSi MeltSi CrystalPolishingWaferingHigh Temp.AnnealingFurnaceAnnealed WaferDefect FreeSurface byAnnealing(Surface Improvement）Surface DefectMapPolished Wafer

26、1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 橫向加工橫向加工：圖形的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移（又稱為光刻，包括曝光、：圖形的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移（又稱為光刻，包括曝光、 顯影、刻蝕等）。顯影、刻蝕等）。 縱向加工縱向加工：摻雜（擴(kuò)散、離子注入、中子嬗變等）：摻雜（擴(kuò)散、離子注入、中子嬗變等） ， 薄膜制備（蒸發(fā)、濺射、熱氧化、薄膜制備（蒸發(fā)、濺射、熱氧化、CVD 等）。等）。 在大規(guī)模集成電路制造過程中，光刻是最復(fù)雜、最昂貴和在大規(guī)模集成電路制造過程中，光刻是最復(fù)雜、最昂貴和最關(guān)鍵的技術(shù)。光刻的成本占了總制造成本的最關(guān)鍵的技術(shù)。光刻的成本占了總制造成本的 1/3 以上。在集以上。在集成電路制造技術(shù)的發(fā)展過

27、程中，光刻技術(shù)的貢獻(xiàn)約占成電路制造技術(shù)的發(fā)展過程中，光刻技術(shù)的貢獻(xiàn)約占 2/3 。芯片制造芯片制造1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 涂光刻膠（正）涂光刻膠（正）選擇曝光選擇曝光熱氧化熱氧化SiO2工藝流程舉例（工藝流程舉例（PN 結(jié)的制造）結(jié)的制造）1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 去膠去膠摻雜摻雜顯影（第顯影（第 1 次圖形轉(zhuǎn)移）次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第刻蝕（第 2 次圖形轉(zhuǎn)移）次圖形轉(zhuǎn)移）NP1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 蒸發(fā)鍍蒸發(fā)鍍 Al 膜膜光刻光刻 Al 電極電極CVD 淀積淀積 SiO2 膜膜光刻引線孔光刻引線孔1-

28、緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 SGDN 溝道硅柵溝道硅柵 MOSFET 剖面圖剖面圖PNN1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 CMOS 結(jié)構(gòu)剖面圖結(jié)構(gòu)剖面圖1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 襯底材料襯底材料 柵結(jié)構(gòu)材料柵結(jié)構(gòu)材料 互連材料互連材料 鈍化層材料鈍化層材料 封裝材料封裝材料1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 硅基微電子學(xué)中的材料系統(tǒng)硅基微電子學(xué)中的材料系統(tǒng)1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 鍺（鍺（Ge）是最早用于集成電路的襯底材料。是最早用于集成電路的襯底材料。Ge的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)

29、點(diǎn)： 載流子遷移率比硅高；載流子遷移率比硅高； 在相同條件下，具有較高的工作頻率、較低的飽和壓降、較在相同條件下，具有較高的工作頻率、較低的飽和壓降、較高的開關(guān)速度和較好的低溫性能。高的開關(guān)速度和較好的低溫性能。Ge的缺點(diǎn)：的缺點(diǎn)： 最高工作溫度只有最高工作溫度只有85 ，Ge器件熱穩(wěn)定性不如硅；器件熱穩(wěn)定性不如硅； Ge無法形成優(yōu)質(zhì)的氧化膜；無法形成優(yōu)質(zhì)的氧化膜； Ge中施主雜質(zhì)的擴(kuò)散遠(yuǎn)比受主雜質(zhì)快，工藝制作自由度小。中施主雜質(zhì)的擴(kuò)散遠(yuǎn)比受主雜質(zhì)快，工藝制作自由度小。Ge禁帶寬度禁帶寬度0.72eV Si禁帶寬度禁帶寬度1.1eV1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 水平布

30、里奇曼法示意圖水平布里奇曼法示意圖用途：用途：Ge、GaAs、GeSe、GeTe、ZnS等單晶制備等單晶制備1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 硅（硅（Si）是今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)集成電路的襯底材料。是今后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)集成電路的襯底材料。硅的優(yōu)點(diǎn)：硅的優(yōu)點(diǎn)： Si器件的最高工作溫度可達(dá)器件的最高工作溫度可達(dá)200 ； 高溫下可氧化生成二氧化硅薄膜；高溫下可氧化生成二氧化硅薄膜； 受主和施主雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)幾乎相同；受主和施主雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)幾乎相同； Si在地殼中的儲(chǔ)量非常豐富，在地殼中的儲(chǔ)量非常豐富，Si原料是半導(dǎo)體原料中原料是半導(dǎo)體原料中最便宜的。最便宜的。硅材料發(fā)展趨勢：硅材料發(fā)

31、展趨勢： 晶片直徑越來越大晶片直徑越來越大 缺陷密度越來越小缺陷密度越來越小 表面平整度越來越好表面平整度越來越好1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 單晶硅的制備過程單晶硅的制備過程石英砂石英砂粗硅（工業(yè)硅）粗硅（工業(yè)硅）高純多晶硅高純多晶硅單晶硅單晶硅 純度純度95-99 純度純度99.9999999直拉法直拉法優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 不受容器限制，克服應(yīng)力導(dǎo)不受容器限制，克服應(yīng)力導(dǎo)致晶體缺陷的缺點(diǎn)；籽晶旋轉(zhuǎn)，致晶體缺陷的缺點(diǎn)；籽晶旋轉(zhuǎn)，克服熔體溫度不均勻性引起的非克服熔體溫度不均勻性引起的非均勻凝固。均勻凝固。用途：用途：Si、Ge、GaAs單晶制備。單晶制備?？膳可a(chǎn)可批量生

32、產(chǎn)300mm硅單晶，硅單晶，350mm的硅單晶制備也已成熟。的硅單晶制備也已成熟。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 區(qū)熔法區(qū)熔法優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 制備過程中熔體不與任制備過程中熔體不與任何器物接觸，雜質(zhì)對晶體的何器物接觸，雜質(zhì)對晶體的玷污很小；玷污很??； 熔區(qū)體積很小，熔區(qū)體積很小，不需要保溫隔熱系統(tǒng)。不需要保溫隔熱系統(tǒng)。用途：用途：Si、GaAs單晶制備。單晶制備。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 絕緣層上硅絕緣層上硅SOI（silicon on insulator, SOI）是一種）是一種新型的硅芯片材料。新型的硅芯片材料。SOI結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： 絕緣層

33、絕緣層/硅硅 硅硅/絕緣層絕緣層/硅硅優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 減少了寄生電容，提高了運(yùn)行速度減少了寄生電容，提高了運(yùn)行速度（提高（提高20-35） 具有更低的功耗具有更低的功耗（降低（降低35-70） 消除了閂鎖效應(yīng)消除了閂鎖效應(yīng) 抑制了襯底的脈沖電流干擾抑制了襯底的脈沖電流干擾 與現(xiàn)有硅工藝兼容，減少了與現(xiàn)有硅工藝兼容，減少了13-20工序工序1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 絕緣層上硅絕緣層上硅SOI制備技術(shù)制備技術(shù) 注氧隔離技術(shù)注氧隔離技術(shù)（Separation by Implanted Oxygen，SIMOX） 此技術(shù)在普通圓片的層間注入氧離子經(jīng)超過此技術(shù)在普通圓片的層間

34、注入氧離子經(jīng)超過1300高溫退高溫退火后形成隔離層。該方法有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：高溫離子注入和后火后形成隔離層。該方法有兩個(gè)關(guān)鍵步驟：高溫離子注入和后續(xù)超高溫退火。續(xù)超高溫退火。 鍵合再減薄的鍵合再減薄的BESOI技術(shù)技術(shù) （Bond and Etch back） 通過硅和二氧化硅鍵合通過硅和二氧化硅鍵合(Bond)技術(shù)，兩個(gè)圓片能夠緊密鍵技術(shù)，兩個(gè)圓片能夠緊密鍵合在一起，并且在中間形成二氧化硅層充當(dāng)絕緣層。這個(gè)過程合在一起，并且在中間形成二氧化硅層充當(dāng)絕緣層。這個(gè)過程分三步來完成。第一步是在室溫的環(huán)境下使一熱氧化圓片在另分三步來完成。第一步是在室溫的環(huán)境下使一熱氧化圓片在另一非氧化圓片上鍵合；第二

35、步是經(jīng)過退火增強(qiáng)兩個(gè)圓片的鍵合一非氧化圓片上鍵合；第二步是經(jīng)過退火增強(qiáng)兩個(gè)圓片的鍵合力度；第三步是通過研磨、拋光及腐蝕來減薄其中一個(gè)圓片直力度；第三步是通過研磨、拋光及腐蝕來減薄其中一個(gè)圓片直到所要求的厚度。到所要求的厚度。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 鍵合技術(shù)工藝過程鍵合技術(shù)工藝過程1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 絕緣層上硅絕緣層上硅SOI制備技術(shù)制備技術(shù) 注氫智能剝離技術(shù)（注氫智能剝離技術(shù)（Smart Cut） 1995 年，年，M Bruel 利用鍵合和利用鍵合和離子注入技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)提出了智能剝離子注入技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)提出了智能剝離（離（Smar

36、t-Cut）技術(shù)。它是利用）技術(shù)。它是利用氫離子注入到硅片中，形成具有氣氫離子注入到硅片中，形成具有氣泡層的注氫片，與支撐硅片鍵合泡層的注氫片，與支撐硅片鍵合（兩個(gè)硅片中至少有一片的表面帶（兩個(gè)硅片中至少有一片的表面帶有熱氧化的有熱氧化的SiO2 覆蓋層），經(jīng)適當(dāng)覆蓋層），經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎棺淦瑥臍馀輰犹幫暾臒崽幚硎棺淦瑥臍馀輰犹幫暾验_，形成裂開，形成SOI 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。注氫智能剝離工藝過程注氫智能剝離工藝過程1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 絕緣層上硅絕緣層上硅SOI制備技術(shù)制備技術(shù) 注氧隔離和鍵合的注氧隔離和鍵合的Simbond SOI技術(shù)技術(shù)利用氧離子注入產(chǎn)生

37、的一個(gè)分布利用氧離子注入產(chǎn)生的一個(gè)分布均勻的離子注入層，并在退火過均勻的離子注入層，并在退火過程中形成二氧化硅絕緣層。此二程中形成二氧化硅絕緣層。此二氧化硅絕緣層用來充當(dāng)化學(xué)腐蝕氧化硅絕緣層用來充當(dāng)化學(xué)腐蝕阻擋層，可對圓片在最終拋光前阻擋層，可對圓片在最終拋光前器件層的厚度及其均勻性有很好器件層的厚度及其均勻性有很好的控制。由于在此工藝中，表層的控制。由于在此工藝中，表層硅的均勻性由氧離子注入工藝來硅的均勻性由氧離子注入工藝來控制，因此，頂層硅均勻性很好?？刂疲虼?，頂層硅均勻性很好。同時(shí)，絕緣埋層的厚度可隨意調(diào)同時(shí)，絕緣埋層的厚度可隨意調(diào)節(jié)。節(jié)。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光

38、電子材料 包括柵絕緣介質(zhì)和柵電極材料。包括柵絕緣介質(zhì)和柵電極材料。柵絕緣介質(zhì)柵絕緣介質(zhì)： 缺陷少、漏電流小、抗擊穿強(qiáng)度高、穩(wěn)定性缺陷少、漏電流小、抗擊穿強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、與好、與Si有良好的界面特性、界面態(tài)密度低。有良好的界面特性、界面態(tài)密度低。二氧化硅二氧化硅氮氧化硅氮氧化硅高高k材料材料可有效防止硼離子擴(kuò)散、高介電常數(shù)、可有效防止硼離子擴(kuò)散、高介電常數(shù)、低漏電流密度、高抗老化擊穿特性低漏電流密度、高抗老化擊穿特性增加介質(zhì)層物理厚度、減小隧穿電流增加介質(zhì)層物理厚度、減小隧穿電流如：如：Ta2O5、TiO2、（、（Sr，Ba）TiO3等等1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料

39、柵電極材料柵電極材料： 串聯(lián)電阻小，寄生效應(yīng)小。串聯(lián)電阻小，寄生效應(yīng)小。Al多晶硅多晶硅Polycide/Salicide不能滿足高溫處理的要求不能滿足高溫處理的要求電阻率高電阻率高多晶硅多晶硅/金屬硅化物（金屬硅化物（TiSi2、WSi2）1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 用平面工藝制作的單個(gè)器件必須用導(dǎo)線相互連接起用平面工藝制作的單個(gè)器件必須用導(dǎo)線相互連接起來，稱為互連。來，稱為互連。工藝（減法工藝）：首先去除接觸孔處的工藝（減法工藝）：首先去除接觸孔處的SiO2層以暴露硅，層以暴露硅，然后用然后用PVD（物理氣相沉積）在表面沉積一層金屬實(shí)現(xiàn)互（物理氣相沉積）在表面沉

40、積一層金屬實(shí)現(xiàn)互連。連?；ミB材料包括金屬導(dǎo)電材料和相配套的絕緣介質(zhì)材料。傳互連材料包括金屬導(dǎo)電材料和相配套的絕緣介質(zhì)材料。傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料用鋁和鋁合金，絕緣材料用二氧化硅。統(tǒng)的導(dǎo)電材料用鋁和鋁合金，絕緣材料用二氧化硅。然而，目前多層互連技術(shù)已成為然而，目前多層互連技術(shù)已成為VLSI和甚大規(guī)模集成電路和甚大規(guī)模集成電路（ULSI）制備工藝的重要組成部分。當(dāng)前）制備工藝的重要組成部分。當(dāng)前0.18m高性能高性能ULSI（例如（例如CPU）已具有多達(dá)）已具有多達(dá)7 層的銅互連線。因此，尋層的銅互連線。因此，尋求較低電阻率的金屬互連線材料和較低介電常數(shù)的絕緣材求較低電阻率的金屬互連線材料和較低介電常數(shù)的

41、絕緣材料料已成為深亞微米和納米器件的一大研究方向已成為深亞微米和納米器件的一大研究方向。1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 多層互連結(jié)構(gòu)多層互連結(jié)構(gòu)集成度增加集成度增加互連層數(shù)增加互連層數(shù)增加互連引線面積、電阻增大互連引線面積、電阻增大互連時(shí)延增加、信號(hào)衰減互連時(shí)延增加、信號(hào)衰減優(yōu)化互連布線設(shè)計(jì)優(yōu)化互連布線設(shè)計(jì)采用新的互連材料采用新的互連材料1-緒論 光電子學(xué)概論 物理與電子科學(xué)學(xué)院 光電子材料 Cu優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）銅的電阻率為）銅的電阻率為1.7/cm， 鋁的電阻率為鋁的電阻率為3.1/cm；（2）銅連線的寄生電容比鋁連線??；）銅連線的寄生電容比鋁連線??；（3）銅連線的電阻小，銅連線）銅連線的電阻小，銅連線IC功耗比鋁連線功耗比鋁連線IC功耗低；功耗低； （4）銅的耐電遷移性能遠(yuǎn)比鋁好，有利于）銅的耐電遷移性能遠(yuǎn)比鋁好，有利于IC可靠性的提高；可靠性的提高； （5）銅連線）銅連線IC制造成本低。比鋁連線制造成本低。比鋁連線IC工藝減少了約工藝減少了約20%-30%的工序，特別是省略了腐蝕鋁等難度較大的瓶頸工序；的工序，特別是省略了腐蝕鋁等難度較大的瓶頸工序；（6）銅連線有更小的時(shí)鐘和