固體物理,考試,led,CH1-semiconductor Introductions

1、2022-4-31現(xiàn)代半導(dǎo)體器現(xiàn)代半導(dǎo)體器 件物理與工藝件物理與工藝 Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices概 論 2022-4-32 Pre-courses： 固體物理學(xué) 半導(dǎo)體物理 熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué) 量子力學(xué) 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) Introduction Course：現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理與工藝 Credit 學(xué)分：4 Schedule：1-18周 Spring 王王 憶憶羅堅義羅堅義李李 陽陽徐徐 維維Teachers2022-4-33u 半導(dǎo)體器件物理與工藝 施敏 蘇州大學(xué)出版

2、社 u 半導(dǎo)體制造技術(shù) Michael Quirk et al. 電子工業(yè)出版社 u 微電子學(xué)概論 張興 北京大學(xué)出版社 u 固體物理 黃昆 高等教育出版社 u Handbook of Semiconductor Fabrication Technology u New York :Marcel Dekker,c2000 u 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)深能級 A.G.米爾恩斯 科學(xué)出版社 u 以及其他的papers、conferences、handouts References2022-4-34u 掌握半導(dǎo)體物理基本理論 u 掌握基本器件物理知識 u 掌握IC制造工藝知識 u PSPICE=SPICE 建

3、模 Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis u 了解什么是微電子學(xué)和研究的前沿 u 了解微電子學(xué)的過去、現(xiàn)狀和未來 u 初步了解集成電路設(shè)計、集成電路CAD方法等基本概念 The goal of the course2022-4-35 課程考核 平時作業(yè)與實驗：20 課外閱讀：20 期末考試：60% 致謝 承蒙參考書目、論文為課件提供了理論 承蒙許多網(wǎng)站提供了各種資料 承蒙其他課件各種提供 聲明 此課件僅僅用于課堂教學(xué)，不得用于其他商業(yè)用途 成績考核成績考核2022-4-36概論 Introduction 第一部分 半導(dǎo)體物理

4、Semiconductor Physics 第二部分 半導(dǎo)體器件 Semiconductor Devices 第三部分 半導(dǎo)體工藝Semiconductor TechnologyCourse ContentThree Main Parts 2022-4-37第二章 熱平衡時的能帶和載流子濃度 Band Level and Carriers density in Thermal Equilibrium 第三章 載流子輸送現(xiàn)象 Carriers Transport Phenomena Part I 半導(dǎo)體物理第一章 概述 Introduction2022-4-38 第四章 p-n結(jié) PN Junc

5、tion 第五章 雙極型晶體管及相關(guān)器件 Bipolar Junction Transistor & Related Devices 第六章 MOSFET及相關(guān)器件 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor & Related Devices 第七章 MESFET及相關(guān)器件 Metal Semiconductor Field Effect Transistor & Related Devices 第八章 微波二極管、量子效應(yīng)和熱電器件 Microwave Diode, Quantum Effect & Pyroelectric Devi

6、ces 第九章 光電器件 Photoelectric Devices Part II 半導(dǎo)體器件2022-4-39u 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹 u 硅片制作中的沾污控制 u 測量學(xué)和缺陷檢查 u 晶體生長和外延 u 薄膜淀積 u 圖形曝光與光刻 u 雜質(zhì)摻雜 Part III 半導(dǎo)體工藝2022-4-310研究半導(dǎo)體器件中電子或空穴的運動規(guī)律，如何通過能帶裁剪工程(構(gòu)造特定形狀的勢壘結(jié)構(gòu))來控制載流子(電子、空穴)的運動，使其載流子的運動行為滿足特定的要求。以及在在不同器件結(jié)構(gòu)下，研究其不同方面的電性能和光性能。 半導(dǎo)體器件物理研究什么？2022-4-311一個應(yīng)用物理、電機工程、電子工程或材 料科學(xué)領(lǐng)

7、域的學(xué)生，你可能會自問:為什么要學(xué)習(xí)這門課程？For money?For ambition?For good life?For technology? 為什么要學(xué)習(xí)該課程？2022-4-312自從1998年以來，電子工業(yè)是世界上規(guī)模最大的工業(yè)，其全球銷售量超過一萬億美元。而半導(dǎo)體器件正是此工業(yè)的基礎(chǔ)。更深入地了解電子學(xué)的相關(guān)課程，擁有半導(dǎo)體器件的最基本的知識是必要的，它也可以使你對現(xiàn)代這個由電子技術(shù)發(fā)展而來的信息時代有所貢獻(xiàn)。 簡單理由2022-4-313 19802000年的全球國民生產(chǎn)總值（WGP）及電子、汽車、半導(dǎo)體和鋼鐵工業(yè)的銷售量，并外插此曲線到2010年止。 2022-4-314從

8、上圖中可以得知： 電子工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)超過傳統(tǒng)的鋼鐵工業(yè)、汽車工業(yè)，成為21世紀(jì)的高附加值、高科技的產(chǎn)業(yè)。電子工業(yè)的高速發(fā)展依賴于半導(dǎo)體工業(yè)的快速提高，而在半導(dǎo)體工業(yè)中其核心是集成電路（電集成、光集成、光電集成），集成電路在性能、集成度、速度等方面的快速發(fā)展是以半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體器件、半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展為基礎(chǔ)的。 半導(dǎo)體工業(yè)的核心是什么？2022-4-315 通過一系列特定的平面制造工藝，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關(guān)系，集成在一塊半導(dǎo)體單晶片上，并封裝在一個保護(hù)外殼內(nèi)，能執(zhí)行特定的功能復(fù)雜電子系統(tǒng)。 半導(dǎo)體器件物理為其提供了基礎(chǔ)知識，是半導(dǎo)體工業(yè)

9、的發(fā)展平臺。核心是：集成電路【核心是：集成電路【Integrated Circuit：IC】2022-4-316集成電路的戰(zhàn)略地位首先表現(xiàn)在當(dāng)代國民經(jīng)濟(jì)的集成電路的戰(zhàn)略地位首先表現(xiàn)在當(dāng)代國民經(jīng)濟(jì)的食物鏈?zhǔn)澄镦滉P(guān)關(guān)系。系。 進(jìn)入信息化社會的判據(jù)：半導(dǎo)體產(chǎn)值占工農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的0.5%。 IC的戰(zhàn)略地位 2022-4-317據(jù)美國半導(dǎo)體協(xié)會（據(jù)美國半導(dǎo)體協(xié)會（SIA）預(yù)測）預(yù)測 電子信息服務(wù)業(yè) 30萬億美元 相當(dāng)于1997年全世界GDP總和 GDP50萬億美元 電子裝備 6-8萬億元 2012年 集成電路產(chǎn)值1萬億美元 2022-4-3182022-4-3192022-4-3202022-4-3212

10、022-4-3222022-4-3232022-4-324Leo Esaki 日本江崎玲于奈 2022-4-3252022-4-3262022-4-3272022-4-3282022-4-329安騰處理器：“IA-64是一個與x86代碼的決裂，它是為未來設(shè)計的“。Itanium是專門用在高端企業(yè)級64-bit計算環(huán)境中競爭的，對抗基于IBM Power4/5，HP PA-RISC 2022-4-3302022-4-33180年代后期-90年代初美國采取了一系列增強微電子技術(shù)創(chuàng)新和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的措施，重新奪回領(lǐng)先地位。90年代以來美國經(jīng)濟(jì)保持持續(xù)高速增長主要得益于信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而其基礎(chǔ)是集

11、成電路產(chǎn)業(yè)與技術(shù)創(chuàng)新。 1985-1990年間世界半導(dǎo)體商品市場份額 日本公司 美國公司51.4%39%50%37.9%兩個列子2022-4-33290年代日本經(jīng)濟(jì)蕭條的同時，集成電路市場份額嚴(yán)重下降。年代日本經(jīng)濟(jì)蕭條的同時，集成電路市場份額嚴(yán)重下降。 2022-4-333中國臺灣地區(qū)中國臺灣地區(qū) 2022-4-334世界世界GDP增長與世界集成電路產(chǎn)業(yè)增長情況比較增長與世界集成電路產(chǎn)業(yè)增長情況比較（資料來源：（資料來源：ICE商業(yè)部）商業(yè)部） 2022-4-335TI公司的技術(shù)創(chuàng)新，數(shù)字信號處理器（DSP）使它的利潤率比諾基亞高出10個百分點。 中國IT企業(yè)與Intel公司利潤的比較 202

12、2-4-336對國家安全與國防建設(shè)的作用 在農(nóng)業(yè)社會：大刀長矛等冷兵器；在農(nóng)業(yè)社會：大刀長矛等冷兵器； 在工業(yè)化社會：槍、炮等熱兵器在工業(yè)化社會：槍、炮等熱兵器 信息化社會：信息化社會： IC成為武器的一個組成元，電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)。成為武器的一個組成元，電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)。 美國國防部各類武器裝備經(jīng)費預(yù)算中的電子含量美國國防部各類武器裝備經(jīng)費預(yù)算中的電子含量*(單位：單位：%) 2022-4-337 幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與微電子技術(shù)結(jié)合，用集成電路芯片進(jìn)幾乎所有的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與微電子技術(shù)結(jié)合，用集成電路芯片進(jìn)行智能改造，都可以使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重新煥發(fā)青春；行智能改造，都可以使傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)重新煥發(fā)青春； 全國各行業(yè)的

13、風(fēng)機、水泵的總耗電量約占了全國發(fā)電量的全國各行業(yè)的風(fēng)機、水泵的總耗電量約占了全國發(fā)電量的30%，僅僅對風(fēng)機、水泵采用變頻調(diào)速等電子技術(shù)進(jìn)行改造，僅僅對風(fēng)機、水泵采用變頻調(diào)速等電子技術(shù)進(jìn)行改造，每年即可節(jié)電每年即可節(jié)電500 億度以上，相當(dāng)于三個葛洲壩電站的發(fā)電量億度以上，相當(dāng)于三個葛洲壩電站的發(fā)電量(157億度億度/年年)； 固體照明工程，對白熾燈進(jìn)行高效節(jié)能改造，并假設(shè)推廣應(yīng)用固體照明工程，對白熾燈進(jìn)行高效節(jié)能改造，并假設(shè)推廣應(yīng)用30%，所節(jié)省的電能相當(dāng)于三座大亞彎核電站的發(fā)電量，所節(jié)省的電能相當(dāng)于三座大亞彎核電站的發(fā)電量(139億億度度/年年)。 微電子對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透與帶動作用2022-

14、4-338u Internet基礎(chǔ)設(shè)施 各種各樣的網(wǎng)絡(luò)：電纜、光纖(光電子)、無線 . 路由和交換技術(shù)：路由器、交換機、防火墻、網(wǎng)關(guān) . 終端設(shè)備：PC、NetPC、WebTV . 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)軟件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE . u Internet服務(wù) 信息服務(wù): 極其大量的各種信息 交易服務(wù): 高可靠、高保密 . 計算服務(wù): 網(wǎng)絡(luò) 對信息社會的重要性2022-4-3392022-4-340p-n結(jié)是半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)，其理論是半導(dǎo)體器件物 理的基礎(chǔ)?？梢孕纬蓀-n-p雙極 型晶體管，形成p-n-p-n結(jié)構(gòu)的 可控硅器件。 人類研究半導(dǎo)體器件已經(jīng)超過125年，迄今大約有60

15、種主要的器件以及100種和器件相關(guān)的變異器件。但所有這些器件均可由幾種基本器件結(jié)構(gòu)所組成。 金屬-半導(dǎo)體用來做整流接觸， 歐姆接觸；利用整流接觸當(dāng)作 柵極、利用歐姆接觸作漏極(drain) 和源極(source)。 器件的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) 2022-4-341異質(zhì)結(jié)是快速器件和光電 器件的關(guān)鍵構(gòu)成要素。 用MOS結(jié)構(gòu)當(dāng)作柵極，再用兩 個p-n結(jié)分別當(dāng)作漏極和源極， 就可以制作出MOFET。 2022-4-342晶體管的發(fā)明 1946年1月，Bell實驗室正式成立半導(dǎo)體研究小組, W. Schokley， J. Bardeen、W. H. Brattain。 Bardeen提出了表面態(tài)理論， Schok

16、ley給出了實現(xiàn)放大器的基本設(shè)想， Brattain設(shè)計了實驗。 1947年12月23日，第一次觀測到了具有放大作用的晶體管。 2022-4-343集成電路的發(fā)明 1952年5月，英國科學(xué)家G. W. A. Dummer第一次提出了集成電路的設(shè)想。 1958年以（德州儀器公司）TI的科學(xué)家基爾比(Clair Kilby)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(jié)果。 Intle公司德諾宜斯（Robert Noyce）同時間發(fā)明了IC的單晶制造概念。 2022-4-344 布朗(Braun)在1874年發(fā)現(xiàn)金屬和金屬硫化物(如銅鐵礦，copper pyrite)接觸的

17、阻值和外加 電壓的大小及方向有關(guān)。 在1907年，朗德(Round)發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光效應(yīng)(即發(fā)光二極管，1ight- emitting diode，LED)，觀察到當(dāng)在碳化硅晶體兩端外加10V的電壓時 ，晶體會發(fā)出淡黃色的光。 1952年伊伯斯(Ebers)為復(fù)雜的開關(guān)器件可控硅器件(thyristor)提出 了一個基本的模型。 以硅pn結(jié)制成的太陽能電池(solar cell)則在1954年被闋平(Chapin) 等人發(fā)明。太陽能電池是目前獲得太陽能最主要的技術(shù)之一，它可以 將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能。 1957年，克羅馬(Kroemer)提出了用異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管 (heterjunction

18、bipolar transistor，HBT)來改善晶體管的特性，這種器 件有可能成為更快的半導(dǎo)體器件。 其他的重要里程碑 2022-4-345 1958年江崎(Esaki)則觀察到重?fù)诫s(heavily doped)的p-n結(jié)具有負(fù)電 阻的特性，此發(fā)現(xiàn)促成了隧道二極管(tunnel diode，或穿透二極管)的 問世隧道二極管以及所謂的隧穿現(xiàn)象(tunneling phenomenon，或 穿透現(xiàn)象)對薄膜間的歐姆接觸或載流子穿透理論有很大貢獻(xiàn)。 1960年由姜(Kahng)及亞特拉(Atalla)發(fā)明的MOSFET，是先進(jìn)集成電 路最重要的器件。 1962年霍爾(HalI)等人第一次用半導(dǎo)

19、體做出了激光(1aser)。 1963年克羅馬(Kroemer)、阿法羅(Alferov)和卡查雷挪(Kazarinov)發(fā) 表了異質(zhì)結(jié)構(gòu)激光(heterostructure laser)，奠定了現(xiàn)代激光二極管的 基礎(chǔ)，使激光可以在室溫下連續(xù)工作。 其他的重要里程碑（續(xù)）2022-4-346三種重要的微波器件相繼被發(fā)明制造出來： 1963年岡(Gunn)提出的轉(zhuǎn)移電子二極管(transferred-electron diode， TED)，又稱為岡二極管(Gunn diode)，被廣泛應(yīng)用到偵測系統(tǒng)、遠(yuǎn)程 控制和微波測試儀器。 姜士敦(Johnston)等人發(fā)明的碰撞電離雪崩渡越時間二極管（I

20、MPATT diode）,是目前可以在毫米波頻率下產(chǎn)生最高連續(xù)波（continuous wave ,CW）功率器件。 1966年由密德（Mead）發(fā)明金半場效應(yīng)晶體管（MESFET），并成 為單片微波集成電路monolitl ic microwave integrate circuit ,MMIC） 的關(guān)鍵器件。 其他的重要里程碑（續(xù)）2022-4-347 1967年姜(Kahng)和施敏發(fā)明了一種非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲器 (nonvolatile semiconductor memory，NVSM)，可以在電源關(guān)掉以后 ，仍然保持其儲存的信息。成為應(yīng)用于便攜式電子系統(tǒng)如手機、筆記 本電腦、數(shù)碼相

21、機和智能卡方面最主要的存儲器。 1970年波意爾(Boyle)和史密斯(Smith)發(fā)明電荷耦合器件(charge- coupled device，CCD)它被大量地用于手提式攝像機(vide camera)和 光檢測系統(tǒng)上。 1974年張立綱等明了共振式隧道二極管(resonant tunneling diode， RTD)，它是大部分量子效應(yīng)(quantum-effect)器件的基礎(chǔ)量子效應(yīng) 器件因為可以在特定電路功能下，大量地減少器件數(shù)量，所以具有超 高密集度、超高速及更強的功能 1980年，Minura等人發(fā)明了調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管(modulation- doped field-ef

22、fect transistor，MODFET)，如果選擇適當(dāng)?shù)漠愘|(zhì)結(jié)材 料，這將會是更快速的場效應(yīng)晶體管。 其他的重要里程碑（續(xù)） 2022-4-348主要半導(dǎo)體器件列表 2022-4-349第一臺計算機 1832 The Babbage Difference Engine 25,000個元件 費用：7,470$ 2022-4-350ENIAC - 第一臺電子計算機(1946) 2022-4-351Intel 4004 Micro-Processor 1971 1000 transistors 1 MHz operation 2022-4-352Intel Pentium (IV) micro

23、processor 體系架構(gòu)：90納米制程 二級高速緩存：2MB 三級高速緩存：無 主頻速率： 3.73 GHz 時鐘速度：3.73 GHz 前端總線：1066 MHz 2022-4-353AMD的雙核心Opteron處理器 2022-4-354龍芯一號（神州龍芯公司） 基于0.18微米CMOS工，32位微 處理器。支持最新版本的Linux、 VxWork，Windows CE等操作系 統(tǒng)?？蓮V泛應(yīng)用于工業(yè)控制、 信息家電、通訊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、 PDA、網(wǎng)絡(luò)終端、存儲服務(wù)器、 安全服務(wù)器等產(chǎn)品上。 國產(chǎn)處理器中國大陸 2022-4-3552022-4-356中國臺灣 2022-4-357 嵌入式C

24、PU是指應(yīng)用于各種信息設(shè)備里的CPU，一般功能不太強、主要是以低價格、 低功耗為特征，著名的有ARM、MIPS等公司的CPU。 高性能CPU是指應(yīng)用于服務(wù)器和超級計算機中的高性能CPU，例如Alpha、UltraSparc 、PowerPC等等。 其他優(yōu)秀的處理器 2022-4-358半導(dǎo)體器件物理研究的層次 電子設(shè)計的抽象層次結(jié)構(gòu)圖 器件是半導(dǎo)體器件物理 的研究對象！ 2022-4-3591965, Intel的創(chuàng)始人之一Gordon Moore在他的論文cramming more components onto integrated circuits里預(yù)言：每18個月芯片集成度增加一倍。

25、30年來這個預(yù)言基本正確，普遍認(rèn)為這個定律可以適用到2010年。 2002年達(dá)到每個芯片100,000,000個晶體管。 2910年達(dá)到每個芯片1,000,000,000個晶體管。 毫無疑問，在過去的四十年里，摩爾定律成為了科技進(jìn)步速度的推動力。然而傳統(tǒng)的光刻技術(shù)正在日益成為半導(dǎo)體制造工藝的瓶頸，在從0.18微米到0.13微米的工藝轉(zhuǎn)換過程中各大廠商都碰到了很多困難（如現(xiàn)階段CPU制造過程中晶體管本身存在的漏電問題），而最新的90nm制造工藝也遲遲無法投入量產(chǎn)。Moore定律再一次面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如果沒有技術(shù)突破，這一領(lǐng)導(dǎo)行業(yè)40多年的經(jīng)驗公式將不再有效。 不過不用擔(dān)心，新的工藝、新的器件結(jié)構(gòu)

26、、納米電子學(xué)為半導(dǎo)體工業(yè)帶來了曙光！ Moore 定律和等比例縮小2022-4-360Moore定律：處理器集成度提高 2022-4-361Moore定律：存儲器集成度的提高 2022-4-362在1974年第九期的IEEE Journal of Solid-State Circuits期刊上，Dennard提出了器件等比例縮小定律。 基本思想：MOS器件的橫向縱向尺寸（溝道長、寬度等橫向尺寸和柵層厚度、結(jié)深等縱向尺寸）按一定比例K縮小，單位面積上的功耗可保持不變；這時器件所占的面積（因而成本）可隨之縮小K2倍，器件性能可提高K3倍。所以器件越小，同樣面積芯片可集成更多、更好的器件，低了器件相

27、對成本。這是摩爾定律的物理基礎(chǔ)，也正是這種物理特性，刺激了加速的技術(shù)創(chuàng)新。 器件按比例縮小原理 2022-4-363最初的器件等比例縮小要求電壓也減小，這就帶來了器件的不穩(wěn)定性問題，為了解決此問題，提出了修改的器件等比例縮小。 三種形式的器件等比例縮小2022-4-364很多重要的半導(dǎo)體技術(shù)其實是由多個以前發(fā)明的工藝技術(shù)延伸而來的。例如1798年就已經(jīng)發(fā)明了圖形曝光工藝，只是當(dāng)初影像圖形是從石片轉(zhuǎn)移過來的。將敘述各種首次被應(yīng)用到半導(dǎo)體工藝或制作半導(dǎo)體器件而被研發(fā)出來的具有里程碑意義的技術(shù)。 1918年柴可拉斯基(Czochralski)發(fā)明了一種液態(tài)-固態(tài)單晶生長的技術(shù)（Cz法），至今仍廣泛應(yīng)

28、用于大部分硅晶片晶體的生長。 1925年布理吉曼(Bridgman)發(fā)明另一種技術(shù)，被大量用于砷化鎵和一些化合物半導(dǎo)體的晶體生長。 1952年魏可(Welker)發(fā)現(xiàn)砷化鎵和其他的V族化合物也是半導(dǎo)體材料，相關(guān)這些化合物半導(dǎo)體的技術(shù)和器件才陸續(xù)被深入研究。 具有里程碑意義的技術(shù)半導(dǎo)體工藝技術(shù)2022-4-365 1855年菲克(Fick)提出了基本擴散理論。對半導(dǎo)體工藝而言，雜質(zhì)原 子(dopant)的擴散 (diffusion)是很重要的一種現(xiàn)象。 1952年范恩(Pfann)在其專利中提及利用擴散技術(shù)來改變硅的電導(dǎo)率 的想法。 1957年安卓斯(Andrus)把古老的圖形曝光技術(shù)應(yīng)用在半導(dǎo)

29、體器件的制 作上，利用一些感光而且抗刻蝕的聚合物(即光阻)來做圖形的轉(zhuǎn)移。 圖形曝光技術(shù)是半導(dǎo)體工業(yè)中的一個關(guān)鍵性的技術(shù)，圖形曝光的成本 就占了35以上。 1957年弗洛區(qū)(Frosch)和德利克(Derrick)提出氧化物掩蔽層方式 (oxide masking method)，發(fā)現(xiàn)氧化層可以阻止大部分雜質(zhì)的擴散穿 透。 同年，雪弗塔(Sheftal)等人提出用化學(xué)氣相淀積(CVD)外延生長技術(shù) 。是在具有晶格結(jié)構(gòu)的晶體表面上，生長出一層半導(dǎo)體晶體薄膜的技 術(shù)，這種技術(shù)對改善器件特性或制造新穎結(jié)構(gòu)器件而言非常重要。 具有里程碑意義的技術(shù)（續(xù)）2022-4-366 1967年丹納(Dennar

30、d)發(fā)明了一項由兩個器件組成的極重要的電路， 即動態(tài)隨機存儲器 (DRAM).存儲單元器件包含了一個MOSFET和一 個儲存電荷的電容，其中MOSFET作為使電 容充電或放電的開關(guān)。應(yīng) 用在非便攜式(non-portable)電子系統(tǒng)中的第一選擇。 1969年柯文(Kerwin)等人提出了多晶硅自對準(zhǔn)柵極工藝，這個工藝不 但改善了器件的可靠性，還降低了寄生電容。 同年，門納賽維(Manasevit)和辛浦生(simpson)提出金屬有機化學(xué)氣 相淀積技術(shù)(MOCVD)。對化合物半導(dǎo)體而言，這是二種非常重要的外 延技術(shù)。 1971年爾文(Irving)等人提出，利用CF4-O2的混合氣體來到蝕硅

31、晶片 。當(dāng)器件的尺寸變小，為了增加圖形轉(zhuǎn)移的可靠度，干法刻蝕(dry etching)技術(shù)取代了濕法腐蝕技術(shù)。 同年，卓以和(Cho)提出了分子束外延(MBE)技術(shù)，可以近乎完美地控 制原于的排列，所以也可以控制外延層組成和摻雜濃度，這項技術(shù)也 帶來了許多光器件和量子器件的發(fā)明。 具有里程碑意義的技術(shù)（續(xù)） 2022-4-367具有里程碑意義的技術(shù)（續(xù)） 1971年霍夫(Hoff)等人制造出來第一個微處理器(microprocessor)，將一個簡單電腦的中央處理單元(CPU)放在一個芯片上，這就是如圖的 四位微處理器(Intel 4004)，其芯片大小是3mm4mm，并且包含了 2300個M

32、OSFET.它是由p型溝道多晶硅柵極工藝做成，設(shè)計規(guī)范是 8um。這是半導(dǎo)體工業(yè)上一個重大的突破。 2022-4-368 1958年肖克萊(Shockley)提出了離子注入(ion implantation)技術(shù)來摻雜半導(dǎo)體，這種技術(shù)可以精確地控制摻雜原子的數(shù)目。從此擴散和離子注入兩種技術(shù)可以相輔相成，用來摻雜。 1959年科比(Kilby)提出集成電路的雛型。它包含了一個BJT、三個電阻和一個電容，所有的器件都由鍺做成，而且由接線相連成一個混合的電路。 1959年諾依斯(Noyce)提出一個在單一半導(dǎo)體襯底上做成的集成電路。 1960年由荷尼(Hoerni)提出平面(planar)工藝，整個

33、半導(dǎo)體表面先生成一層氧化層，再用圖形曝光刻濁工藝；將部分的氧化層移除，并留下一個窗口 (window)，然后將雜質(zhì)透過窗口摻雜到半導(dǎo)體表面后形成p-n結(jié)。 1963年由萬雷斯(Wanlass)和薩支唐(Sah)提出CMOS的觀念，CMOS優(yōu)點是只有在邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(如從0到1)才會產(chǎn)生大電流，而在穩(wěn)定狀態(tài)時只有極小的電流流過，所以功率耗損可以大幅度減少，對先進(jìn)集成電路而言，CMOS 技術(shù)是最主要的技術(shù)。 具有里程碑意義的技術(shù)（續(xù)）2022-4-369 器件尺寸等比例縮小后，要求開發(fā)新的技術(shù)，工業(yè)界認(rèn)為三個關(guān)鍵的技術(shù)是：溝槽式隔離（trench isolation）、化學(xué)機械拋光(chemica

34、l-mechanical polishing，CMP)、銅布線 1982年由朗(Rung)等人提出溝槽式絕緣技術(shù)，用以隔絕CMOS器件。 目前這種方法幾乎已取代了所有其他的絕緣技術(shù)。 1989年達(dá)閥利(Davari)等人提出了化學(xué)機械拋光方法（CMP），以得 到各層介電層的全面平坦化(global planarization)，這是多層金屬布線 的關(guān)鍵技術(shù)。 1993年帕拉查克（Paraszczak）等人提出在尺寸長度小到100nm時， 以銅導(dǎo)線取代鋁導(dǎo)線的想法。在亞微米器件中，電致遷移 (electromigration)即當(dāng)強電流通過導(dǎo)線時，使導(dǎo)線的金屬離子遷移的 情形。銅的抗電致遷移高且

35、電阻率比鋁低。 2022-4-370一些關(guān)鍵的半導(dǎo)體技術(shù)列表 2022-4-371半導(dǎo)體芯片的制造框圖 2022-4-372典型的半導(dǎo)體芯片的制造流程 2022-4-373半導(dǎo)體芯片制造的關(guān)鍵步驟 2022-4-374半導(dǎo)體制造企業(yè)可劃分為2類： 設(shè)計設(shè)計/制造企業(yè)：制造企業(yè)： 許多企業(yè)都集合了芯片設(shè)計和芯片制造，從芯片的前端設(shè)計到后端加工都在企業(yè) 內(nèi)部完成。Intel、IBM、Motorola、Samsung、Hynix、Infineon、Philips 、 ST microelectronics等。 代工企業(yè)：代工企業(yè)： 在芯片制造業(yè)中，有一類特殊的企業(yè)，專門為其他芯片設(shè)計企業(yè)制造芯片，這

36、類 企業(yè)稱為晶圓代工廠（foundry）。代工的出現(xiàn)是由于現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，越來 越多的技術(shù)需要更加細(xì)致的分工，這樣可以部分降低企業(yè)的成本或風(fēng)險。 比如顯卡和主板，它的核心是圖形處理器和芯片組，是由象nVIDIA、ATI， INTEL、AMD、 VIA、SIS、ALI等一些頂級的芯片研發(fā)公司設(shè)計出來，然后委托給某些工 廠加工成芯片和芯片組。 半導(dǎo)體制造企業(yè)2022-4-375臺積電（TSMC）：如ATI和nVIDIA公司設(shè)計的圖形處理芯片， 或者VIA，SIS，ALI設(shè)計的主板南北橋芯片組基本都是由TSMC 和UMC這兩家公司負(fù)責(zé)生產(chǎn)。TSMC是由臺灣半導(dǎo)體教父 張忠謀先生創(chuàng)建。 著名代工企

37、業(yè) 2022-4-376臺聯(lián)電（UMC）：1980年，島內(nèi)第一家集成電路公司。在曹興誠的帶領(lǐng)下，如今聯(lián)電已成為僅次于臺積電的臺灣第二大半導(dǎo)體企業(yè)，同時也是世界上第二大專業(yè)芯片代工廠。 2022-4-377中芯國際（SMIC）：中芯國際成立于2000年，公司總部位于中國上海，擁有三座芯片代工廠，包括一座后段銅制程代工廠。技術(shù)能力包括邏輯電路、混合信號/射頻電路、高壓電路、系統(tǒng)級芯片、嵌入式及其他存儲器, 硅基液晶和影像感測器等。 2022-4-378上海宏力(GSMC)：宏力于2000年11月18日奠基，一期項目總投資為16.3億美元，目前已建成兩座12吋規(guī)格的廠房，其中一廠A線(8吋線)已投入

38、生產(chǎn)，預(yù)計2004年下半年月生產(chǎn)能力可達(dá)27,000片八吋硅片，技術(shù)水平將達(dá)0.13微米。 2022-4-379和艦科技（HJTC）: 和艦于2001年11月斥資15億美元建立，坐落于風(fēng)景優(yōu)美、馳名中外的人間天堂-蘇州工業(yè)園區(qū)，占地1.3平方公里，是一家具有雄厚外資，制造尖端集成電路的一流晶圓專工企業(yè)。 2022-4-380測試 測試不同于設(shè)計過程中的驗證；測試指工藝過程中或封裝 后進(jìn)行的電學(xué)參數(shù)測量。 硅片測試是為了檢驗規(guī)格的一致性而在硅片級集成電路上 進(jìn)行的電學(xué)參數(shù)測量。 硅片測試的目的是檢驗可接受的電學(xué)性能。 2022-4-381裝配和封裝過程是取出性能良好的器件，將他們放入管殼，用引線

39、將器件上的壓點與管殼上的電極互相連接起來。封裝為 芯片提供一種保護(hù)并將它粘貼到更高級裝配板上的措施。 裝配和封裝2022-4-382封裝形式 2022-4-383 金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)集成電路：主要由MOS晶體管構(gòu)成 NMOS PMOS CMOS(互補MOS) Complementary功耗低、集成度高，隨著特征尺寸的縮小，速度也可以很高。 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(fù)雜。 集成電路的分類按器件結(jié)構(gòu)類型分類 NPN型雙極集成電路 PNP型雙極集成電路 雙極集成電路：主要由雙極晶體管構(gòu)成優(yōu)點是速度高、驅(qū)動能力強，缺點是功耗較大、集成度較低。2022-4-384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(S