微電子概論基礎(chǔ)知識概覽

1、微電子概論基礎(chǔ)知識概覽1、半導(dǎo)體（ 1） 半導(dǎo)體的主要特點在純凈的半導(dǎo)體材料中，電導(dǎo)率隨溫度的上升而指數(shù)增加半導(dǎo)體中雜質(zhì)的種類和數(shù)量決定著半導(dǎo)體的電導(dǎo)率， 而且在參雜情況下， 溫度對電導(dǎo)率的影響較弱在半導(dǎo)體中可以實現(xiàn)非均勻摻雜光的輻射、高能電子等的注入可以影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率（ 2）半導(dǎo)體的摻雜電子和空穴： 可以自由移動的缺位成為空穴， 在半導(dǎo)體中電子和空穴統(tǒng)稱為載流子半導(dǎo)體名稱摻雜方式摻雜元素導(dǎo)電機制原理N 型半導(dǎo)體施主摻雜V 族（ P、As） 自由電子V 族雜質(zhì)原子可以向半導(dǎo)體硅提供一個自由電子，而本身成為帶正電的離子P 型半導(dǎo)體受助摻雜族元素（ B、 空穴在與周圍硅原Al ）子形成共價鍵時

2、，產(chǎn)生一個空穴，這樣雜質(zhì)原子可以向半導(dǎo)體硅提供一個空穴，而本身接受一個電子成為帶負電的粒子實際上，半導(dǎo)體中通常同時含有施主和受主雜質(zhì)，當(dāng)施主數(shù)量大于受主數(shù)量時，半導(dǎo)體是 N 型的；反之，半導(dǎo)體是 P 型的。（ 3）半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和電阻率平局漂移速率： v= uE(u遷移率 )則用遷移率表示電導(dǎo)率為：N、 P 型： nqu；電導(dǎo)率一方面取決于雜質(zhì)濃度，另一方面取決于遷移率。遷移率：反映半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要參數(shù)。 遷移率越大， 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率越高。通常電子遷移率要高于空穴遷移率。影響遷移率的因素： （1）摻雜濃度：在低摻雜濃度的范圍內(nèi)，電子和空穴的遷移率基本與摻雜濃度無關(guān)， 保持比較確定的

3、遷移率數(shù)值。 在高摻雜濃度后， 遷移率隨摻雜濃度的增高而顯著下降。 （2）溫度：摻雜濃度較低時，遷移率隨溫度的升高大幅下降。 當(dāng)摻雜濃度較高時， 遷移率隨溫度的變化較平緩。 當(dāng)摻雜濃度很高時，遷移率在較低的溫度下隨溫度的上升而緩慢增高， 而在較高的溫度下遷移率隨溫濃度的上升而緩慢下降。 （高斜率下斜：大幅度下降、平：變化較平緩、拋物：先升高再下降緩慢 ing）散射：載流子在其熱運動的過程中，不斷地與晶格、雜質(zhì)、缺陷等發(fā)生碰撞，無規(guī)則的改變其運動方向，這種碰撞現(xiàn)象通常稱為散射。（ 4）半導(dǎo)體中的載流子價帶：能量最高的價電子所填充的帶導(dǎo)帶：最低的沒有被電子填充的能帶載流子的運動形式：漂移：由電場作

4、用而產(chǎn)生的沿電場方向的運動稱為漂移運動。擴散：產(chǎn)生：電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶復(fù)合：倒帶中的電子和價帶中的空穴相遇， 電子可以從導(dǎo)帶落入價帶的這個空能級，稱為復(fù)合空穴和電子導(dǎo)電形成的實質(zhì)： 電子擺脫共價鍵而形成電子和空穴的過程， 就是一個電子從價帶到導(dǎo)帶的量子躍遷過程。 其結(jié)果是，導(dǎo)帶中增加了一個電子而價帶中出現(xiàn)了一個空能級， 半導(dǎo)體中導(dǎo)電的電子就是處于導(dǎo)帶的電子， 而原來填滿的價帶中出現(xiàn)的空能級則代表到點的空穴。 從實質(zhì)上講空穴的導(dǎo)電性反應(yīng)的仍是價帶中電子的導(dǎo)電性。雜質(zhì)能級：如果能級在有電子占據(jù)時是電中性，失去電子后成為正點中心的雜志能級，稱為施主能級；受主能級正好相反，在有電子占據(jù)時 是負電中心

5、，而沒有電子占據(jù)是電中性的。 （此處的能級是雜質(zhì)自己的能級）（ 5）多子和少子的熱平衡多子少子相對性： N 型中，電子為多子，空穴為少子； P 型中，空穴為多子，電子為少子。形成熱平衡的原因： 電子從價帶到導(dǎo)帶躍遷形成一對電子和空穴，隨著電子和空穴對的產(chǎn)生，電子 -空穴的復(fù)合也同時無休止的進行。所以半導(dǎo)體中電子和空穴的數(shù)目不會越來越多。半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生熱平衡。本征半導(dǎo)體的熱平衡：本征半導(dǎo)體是指半導(dǎo)體中沒有雜質(zhì)而完全靠半導(dǎo)體本身提供載流子的理想情況。電子和空穴的濃度相等，這個共同的濃度稱為本征載流子濃度本征載流子濃度與禁帶寬度、溫度有關(guān)，與摻雜類型、濃度無關(guān)。兩者乘積為定值 n

6、p = ni2濃度與溫度的關(guān)系： 在室溫中本征載流子濃度很低， 但隨著溫度的升高， 而迅速增加。本征載流子濃度是一個完全確定的溫度函數(shù)。非本征半導(dǎo)體的熱平衡：仍然遵循 np = ni2 只不過這里 N 要理解為總電子的濃度， 也可以說就是摻雜施主雜質(zhì)的濃度， P 要理解為總空穴的濃度，也可以說是摻雜受主雜質(zhì)的濃度。2、PN 結(jié)（ 1） 基本概念： 定義：在一塊半導(dǎo)體材料中，如果一部分是N 區(qū)，一部分是 P 區(qū)，在 N 區(qū)和P 區(qū)的交界面形成了PN 結(jié)。 突變結(jié)：在交界面處，若雜質(zhì)分布有一個突變擴散結(jié)：雜志濃度逐漸變化 性質(zhì)：單向?qū)щ娦浴?P +N-通P- N+斷，且通時電流隨電壓增加很快（2）

7、 平衡 PN 結(jié) 定義：指沒有外加偏壓情況下的PN 結(jié)。 自建場：電場方向n->p.（ 3） PN 結(jié)的正向特性（擴散運動為主） 外加電壓與自建電場方向相反，打破了擴散漂移的相對平衡，載流子的擴散運動超過漂移運動，這是將有源源不斷的電子從 N 區(qū)到 P 區(qū)，成為非平衡載流子，稱為注入效應(yīng)。 電子電流和空穴電流相互轉(zhuǎn)換，在各個區(qū)域不同，但是通過每個面的電流之和相同，所以 PN 結(jié)內(nèi)部電流是連續(xù)的，PN 結(jié)內(nèi)電流的轉(zhuǎn)換并非電流中斷，而僅僅是電流的具體形式和載流子的類型發(fā)生了變化（ 4） PN 結(jié)的反響特性（漂移運動為主） 反向抽取作用： 自建場和外加場一致， 使得空穴、電子分別被拉回 P、N

8、 區(qū)。 反向電流趨向一個與反響偏壓大小無關(guān)的飽和值，它僅與少子濃度、擴散長度、擴散系數(shù)有關(guān)，也被稱為反響飽和電流。 PN 結(jié)單向?qū)щ娦杂烧蜃⑷牒头聪虺槿⌒?yīng)決定。（ 5） PN 結(jié)的擊穿 反向偏壓到達擊穿電壓 擊穿機理：雪崩擊穿，隧道擊穿（ 6） PN 結(jié)的電容 電壓與空間電荷區(qū)的電荷量：電荷量增大，電壓增大；電荷量減小，電壓減小 Vt = V d-V ， V 是外電廠施加的偏壓，正向偏壓V>0，反向偏壓 V<0，Vd 是自建勢外電壓電壓變化電荷區(qū)寬度變化電容變化正向偏壓增加減小增大正向偏壓減小增大減小反向偏壓增加增大減小反向偏壓減小減小增大可用一個圖像來表示 計算公式Ct =

9、?s ?0 S/Xm 從公式中可以看出， PN 結(jié)的電容是一個隨外電壓變化的函數(shù)3、雙基晶體管（ BJT）基本結(jié)構(gòu)：由兩個相距很近的 PN 結(jié)組成，雙極晶體管又可以分為 PNP 和 NPN 型兩種。三端：發(fā)射極（ e）；基極（ b）；收集極（ c）兩結(jié)：發(fā)射區(qū)和基區(qū)構(gòu)成發(fā)射結(jié)；收集區(qū)、基區(qū)構(gòu)成收集結(jié)。 正常使用條件：發(fā)射結(jié)施加正向小偏壓，收集結(jié)施加反向大偏壓。（ 1） 電流傳輸機制 載流子運輸過程：發(fā)射結(jié)注入基區(qū)的非平衡少子能夠靠擴散通過基區(qū)，并被收集結(jié)電廠拉向收集區(qū)， 流出收集極，使得反向偏置收集結(jié)流過反向大電流。非平衡少子的擴散運動 是晶體三極管的工作基礎(chǔ)。（ 2） 電流傳輸機構(gòu) 形成電流

10、的原因：發(fā)射結(jié)的正向注入作用和收集結(jié)的反向抽取作用，使得有一股電子流由發(fā)射區(qū)流向收集區(qū) 各部分電流具體分析位置電流機制圖形標識發(fā)射結(jié)由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子擴散電流（ X2），這部分能傳輸?shù)交鶇^(qū)，成為收集結(jié)電流的主要部分；注入發(fā)社區(qū)的空穴擴散電流，成為基極電流的一部分。發(fā)射區(qū)空穴電流轉(zhuǎn)換為電子電Ie = Ip(X1) + In(X2)流，成為發(fā)射極的電流基區(qū)電子電流在擴散中復(fù)合，Ib = Ip(X1) + Irb Icbo變成基極電流收集結(jié)和收集區(qū)擴散到達收集結(jié)邊界 X3Ic = IeIb的電子擴散電流，在電場作用下變?yōu)榱鹘?jīng) (X4) 的漂移電流；收集結(jié)的反向漏電電流圖形表示：（ 3） 晶體管的

11、放大系數(shù) 基本接法：共基極接法，共發(fā)射極接法 共基極：（如右圖）1、 特點：積極作為輸入和輸出的公共端。2、 0 定義為負載電阻為零時，收基極電流Ic 與發(fā)射極電流Ie 的比值0= Ic / Ie3、 對 a0 的分析：總小于1；越大放大能力越好 共發(fā)射極1、 特點：發(fā)射極作為輸入與輸出的公共端2、 0 定義為收集極無負載時，收基極電流（Ic）和基極電流（Ib）的比值0= Ic / Ib3、 對 0 的分析：越大電路的放大效果越好；與 0 的關(guān)系推到為（ 4） 晶體管的直流特性曲線共基極： 輸入特性曲線：IeVeb 之間的關(guān)系 輸出特性曲線：IcVcb 之間的關(guān)系共發(fā)射極： 輸入特性曲線：Ib

12、Veb 之間的關(guān)系 輸出特性曲線：IcVce 之間的關(guān)系 共發(fā)射級直流輸出特性曲線分析：區(qū)域放大區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)4、 MOS 場效應(yīng)晶體管分析發(fā)射結(jié)正偏，收集結(jié)反偏發(fā)射結(jié)收集結(jié)都正偏發(fā)射結(jié)收集結(jié)都反偏（ 1） MOS 場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu) 類型對比名稱襯底溝區(qū)結(jié)構(gòu)源漏區(qū)別n-MOSP-Sin+npn電位低 源電位高 漏漏- 源p-MOSN-Sip+pnp電位高 源電位低 漏源-漏（ 2） MIS 的結(jié)構(gòu) 反型層的形成過程（ p 型半導(dǎo)體）：1、 開始加正電壓時，空穴排斥到遠端，吸引少電子到半導(dǎo)體表面2、 隨著電壓的增大，負空間電荷區(qū)加寬，同時被吸引到表面的電子也隨著增加。3、 當(dāng)電壓達到閾值電

13、壓，吸引到表面的電子濃度迅速增大，在表面形成了一個電子導(dǎo)電層，即反型層。（ 3） MOS 場效應(yīng)管的直流特性 閾值電壓：在MOSFET 中，使硅表面開始強反型時的柵壓為MOSFET 的預(yù)制電壓 Vt ，閾值電壓有時也叫開啟電壓。當(dāng)柵壓Vg = Vt 時，表面開始強反型，反型層中的電子形成導(dǎo)電購到，在漏源電壓的作用下，MOSFET 開始形成顯著的漏源電流。 MOSFET 電壓和電流的關(guān)系： 線性區(qū)： V DS 較小的時候，沿溝道的電勢變化較小。 IDS 隨 V DS 線形增加。 飽和區(qū)： 隨著 V DS 的增大，線性關(guān)系偏離越來越大，當(dāng) VDS（源漏電壓） = V GS（基級和源） VT（閾值電

14、壓） 時，漏極家短，電子數(shù)目很少，形成高阻區(qū)，但由于電廠很強，可以把狗盜中的電子拉向漏極。增加電壓，只降落在高阻區(qū)上，所以 IDS 不再增加，此時達到飽和。擊穿區(qū)： IDS 迅速增大，直至引起漏 -襯底的 PN 結(jié)被擊穿。 直流特性曲線：轉(zhuǎn)移特性曲線：固定V BS 和 V DS ，可測量 I DS 與 VGS 的關(guān)系曲線。輸出特性曲線：變化V BS 和 V DS ,測量 IDS 與 V GS 的關(guān)系曲線。類型截面輸出特性轉(zhuǎn)移特性N 溝增強型N 溝耗盡型P 溝增強型P 溝耗盡型微電子概論之集成電路制造工藝部分1、單項工藝的實現(xiàn)和注意事項 ?（供參考使用的符號）（ 1）制膜工藝氧化：生長出二氧化硅

15、 二氧化硅的作用： 在 MOS 集成電路中，二氧化硅曾作為 MOS 期間的絕緣柵介質(zhì)，這時，二氧化硅是期間的一個重要組成部分。 作為選擇擴散時的掩蔽層 作為集成電路的隔離介質(zhì) 作為電容器的絕緣介質(zhì) 作為多金屬互連層之間的介質(zhì)材料 作為對期間和電路進行鈍化的鈍化層材料 二氧化硅的制備方法 干氧氧化：在高溫下氧氣與硅反應(yīng)生成二氧化硅 水蒸氣氧化法：高溫水蒸氣與硅發(fā)生反應(yīng) 濕氧氧化化學(xué)汽相淀積： 分類：常壓化學(xué)汽相淀積（ APCVD ）、低壓化學(xué)汽相淀積（ LPCVD ）、等離子增強化學(xué)汽相淀積（ PECVD）。 幾種常見物質(zhì)的化學(xué)汽相淀積 二氧化硅 多晶硅代替金屬鋁作為MOS 器件的柵極 氮化硅可

16、作為局域氧化的掩蔽阻擋層物理汽相沉淀：利用物理過程實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，原子或分子由原轉(zhuǎn)移到沉底表面，淀積成薄膜。蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中， 金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的叔父成為蒸氣原子，點擊在晶片上。燈絲加熱蒸發(fā)，電子束蒸發(fā)。濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體， 在高壓電場作用下， 氣體放電形成的離子被強電場加速，轟擊靶材料，使靶原子溢出并被濺射到晶片上。（ 2）圖形轉(zhuǎn)換光刻：通過曝光和選擇腐蝕等步驟，將掩膜板上的設(shè)計好的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。 步驟及注意事項： 甩膠 將液態(tài)光刻膠均與鋪在襯底上 曝光 光照射使光刻膠發(fā)生化學(xué)變化。接觸式光刻、接近式光刻、投影式光刻（用的最多）。 顯影 后烘（增加顯影

17、后光刻膠的附著力） 刻蝕 濕法刻蝕、干法刻蝕 關(guān)鍵：選擇型、對圖像的控制性濕法刻蝕：利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進行刻蝕的方法。（各向同性）干法刻蝕：利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的。（3） 摻雜 將需要的雜志摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成 PN 結(jié)、電阻、歐姆接觸。 主要工藝：擴散、離子注入 離子注入：將具有很高能量的雜質(zhì)離子射入半導(dǎo)體襯底中的摻雜技術(shù)。 摻雜深度由注入雜質(zhì)離子的能量和質(zhì)量決定， 摻雜濃度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目決定。 優(yōu)點：均勻性好、溫度低、精確控制雜質(zhì)分布、注入各種各樣的元素、橫向擴

18、展比擴散要小得多、客隊化合物半導(dǎo)體進行摻雜（ 4）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。 作用 激活雜質(zhì)：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(chǎn)生自由載流子，起到雜質(zhì)的作用。 消除損傷2、 CMOS 集成電路工藝各步驟的方法： 制備肼 生長二氧化硅 淀積氮化硅 利用 N-well 版光刻，刻蝕氮化硅 注入 P；退火形成深的 n-well 制備隔離 生長二氧化硅 淀積氮化硅 光刻保護有源區(qū) 淀積 p+型溝道阻擋層 生長厚氧化層 去掉有源區(qū)的氮化硅和二氧化硅 制備柵極 生長二氧化硅 淀積多晶硅 光刻、刻蝕多晶硅形成柵電極 制

19、備源漏 光刻 n+區(qū)，選擇注入AS、 P 光刻 p+區(qū)，選擇注入B 形成接觸CVD 磷硅玻璃并刻孔 淀積 Al 刻蝕金屬形成電極版圖如下：集成電路設(shè)計的原則1、 分層分級設(shè)計的基本概念 分層設(shè)計將一個復(fù)雜集成電路或電路模塊的設(shè)計問題分解為單元復(fù)雜性較低的設(shè)計級別， 而且這個級別還可以再分解到單元復(fù)雜性更低的設(shè)計級別； 這樣一直繼續(xù)到是最終的設(shè)計級別的單元復(fù)雜性足夠地， 也就是說，能相當(dāng)容易地由這一級設(shè)計出的單元逐級組織起復(fù)雜的電路。 一般來說， 級別越高，抽象程度越高；級別越低，細節(jié)越具體。 模塊設(shè)計 將電路分成不同模塊進行設(shè)計，各模塊可以并行設(shè)計，不同模塊完成不同的功能，最后集成為整個電路，完成所需的功能。分層分級設(shè)計的體現(xiàn) 域的角度行為設(shè)計：集成電路的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計：集成電路的邏輯和電路物理設(shè)計：集成電路光刻掩模版的輯和特性和物理特性 層次的角度系統(tǒng)級（系統(tǒng)行為描述，主要是一些性能指標）、算法級（系統(tǒng)功能描述，主要是一些抽象的算法描述、控制流和數(shù)據(jù)流圖）、寄存器傳輸級（ RTL）（反映觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器、算術(shù)邏輯預(yù)算單元等功能塊間的互聯(lián)、邏輯級、電路級2、設(shè)計信息的描述 描述方法：設(shè)計圖形設(shè)計語言 語言描述VHDL Verilog 語言功能描述與邏輯描述 設(shè)計圖 功能設(shè)計 -功能圖，邏輯設(shè)計 -邏輯圖，電路設(shè)計 - 電路圖，