第1章 半導(dǎo)體 概述

第一章概述一、集成電路的發(fā)展歷程集成電路的由來摩爾定律之路二、集成電路的分類按器件導(dǎo)電類型分類按器件功能分類三、集成電路工藝基礎(chǔ)集成電路的材料集成電路工藝基礎(chǔ)四、集成電路的生產(chǎn)環(huán)境1集成電路

集成電路，就是在一塊半導(dǎo)體單晶片上，通過一系列特定的加工工藝，制作出許多晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，并按照一定的電路互連關(guān)系“組裝”起來，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定的電路或系統(tǒng)功能。這種新型電子器件在體積、重量、耗電、壽命、可靠性和電性能等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體分立元件電路。21958年，以美國德克薩斯儀器公司的Kilby為首的研究小組研制成第一個(gè)集成電路。3摩爾定律

1965年，Intel公司的摩爾（Moore）通過對過去近十年集成電路發(fā)展的總結(jié)，提出了著名的摩爾定律，即集成電路芯片的集成度每18個(gè)月就會擴(kuò)大一倍，特征尺寸縮小倍，價(jià)格每兩年下降一半。4集成電路的發(fā)展趨勢

特征尺寸越來越?。痪A尺寸越來越大；芯片上的晶體管數(shù)越來越多；時(shí)鐘頻率越來越高；電源電壓越來越低；布線層數(shù)越來越多；輸入/輸出（I/O）引腳越來越多。5發(fā)展階段主要特征199019971999200120032006晶體管數(shù)/芯片106~10711×10621×10640×10676×106200×106線寬（μm）10.250.180.150.130.1時(shí)鐘頻率（MHz）757501200140016002000芯片面積（mm2）50~100300385430520620金屬布線層次66~7777~8DRAM容量256M1G1~4G4G16G工作電壓（V）1.8~2.51.2~1.81.2~1.51.2~1.50.9~1.2晶圓直徑mm/英寸150/6200/8300/12300/12300/12300/12特征參數(shù)6集成電路的分類7類別數(shù)字集成電路模擬集成電路MOSIC雙極ICSSI<100<100<30MSI100～1000100～50030～100LSI1000～100000500～2000100～300VLSI100000～10000000>2000>300ULSI10000000～1000000000GSI>1000000000按照集成度分類8集成電路的材料

1.半導(dǎo)體集成電路是制作在半導(dǎo)體襯底材料之上的，而且集成電路中的基本元件也是依據(jù)半導(dǎo)體材料的特性制成的：通過摻入雜質(zhì)，可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能；當(dāng)半導(dǎo)體受到外界熱刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化；光也可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通常稱之為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。92.絕緣體絕緣材料也是不可缺少的，用于元件之間、有源層及導(dǎo)線層之間的絕緣，以實(shí)現(xiàn)它們之間的電氣隔離；在MOS器件里，柵極與溝道之間的絕緣更是必不可少；充當(dāng)離子注入及熱擴(kuò)散的掩膜，作為鈍化層，保護(hù)器件不受外界影響等作用。集成電路中常用的絕緣材料有二氧化硅、氮氧化硅和氮化硅等。103.金屬金屬材料在集成電路中主要用于形成器件內(nèi)部的接觸以及器件之間的互連線。某些金屬和高度摻雜的半導(dǎo)體材料之間可以形成良好的接觸，接觸面的電阻遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體材料本身的電阻，稱為歐姆接觸。集成電路中常用的金屬材料有鋁、金、鎢、銅等。4.多晶硅（Polysilicon）多晶硅本身是半絕緣的，摻入雜質(zhì)后可以變?yōu)閷?dǎo)體。它可以用來制作柵極、源極與漏極（或基區(qū)與發(fā)射區(qū)）的電極、基本連線，也可以用來制作電阻。11集成電路工藝基礎(chǔ)

從晶圓到集成電路成品大約需要經(jīng)過數(shù)百道工序，這些工序可大致分為以下三類：1、圖形轉(zhuǎn)換：通過曝光（Lithography）和刻蝕（Etching），將掩膜版（類似于照相底片）上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上。2、摻雜：通過擴(kuò)散（Diffusion）或離子注入（Implantation），將各種雜質(zhì)按照設(shè)計(jì)要求，注入到硅晶片的特定位置上，形成晶體管、接觸等。123、制膜：通過氧化或汽相淀積的方法，制造各種材料的薄膜。這些工序要反復(fù)進(jìn)行幾十次，如Pentium4CPU要經(jīng)過26道光刻工序，每次需要使用不同的掩膜，再加上摻雜以及金屬鍍膜等很多處理步驟，一個(gè)CPU制造工序達(dá)數(shù)百道。13晶圓通過氧化、淀積、外延生長形成新的膜層通過光刻形成設(shè)計(jì)圖形通過離子注入、擴(kuò)散摻入雜質(zhì)晶圓檢測封裝測試使用掩膜集成電路制造工藝流程14集成電路的生產(chǎn)環(huán)境

在集成電路的生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格控制微粒的導(dǎo)入、產(chǎn)生和滯留。不同類型的產(chǎn)品，在不同的工序中，對潔凈等級有不同的要求。潔凈等級是按單位體積空氣中，粒徑在0.1~5μm范圍的懸浮微粒數(shù)來劃分的。15潔凈等級每立方米（m3）中微粒的最大允許數(shù)≥0.1μm≥0.2μm≥0.3μm≥0.5μm≥1μm≥5μmISO1102ISO210026104ISO31000265106358ISO410,0002650106035383ISO5100,00026,50010,600353083229ISO61,000,000265,000106,00035,3008320293ISO7353,00083,2002930ISO83,530,000832,00029,300ISO935,300,0008,320,000293,000ISO14664-1標(biāo)準(zhǔn)對潔凈等級作了如上規(guī)定16潔凈室凈化流程17芯片制造車間18為了營造合格的生產(chǎn)環(huán)境，除了空氣潔凈度要求外，還要采用很多相關(guān)的技術(shù)與管理辦法：所有氣流方向均以由上往下為主，盡量減少突兀的室內(nèi)空間設(shè)計(jì)或機(jī)臺擺放，使粉塵在潔凈室內(nèi)回旋停滯的機(jī)會與時(shí)間減至最低程度；所有材料均以不易產(chǎn)生靜電的材質(zhì)為主，并采用各種靜電防護(hù)措施；