微電子學(xué)概論課件

微電子學(xué)概論課件2024/11/9微電子學(xué)概論課件微電子學(xué)：Microelectronics微電子學(xué)——微型電子學(xué)核心——集成電路物理電子學(xué):在以前主要是學(xué)習(xí)電子在真空中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其器件，現(xiàn)在內(nèi)容擴(kuò)展了，還包括微波方面的內(nèi)容。微電子學(xué):主要是學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件和集成電路的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用。固體電子學(xué):主要是學(xué)習(xí)電子材料方面的研制、應(yīng)用。微電子學(xué)概論課件集成電路：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(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能微電子學(xué)概論課件集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架設(shè)計(jì)芯片檢測(cè)單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測(cè)試系統(tǒng)需求微電子學(xué)概論課件微電子科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略地位微電子學(xué)概論課件實(shí)現(xiàn)社會(huì)信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計(jì)算機(jī)和/或通訊機(jī)，它們的基礎(chǔ)都是微電子1946年第一臺(tái)計(jì)算機(jī)：ENIAC微電子學(xué)概論課件第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)：ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000個(gè)電子管組成大?。洪L(zhǎng)24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30噸；功率：140KW；平均無故障運(yùn)行時(shí)間：7min微電子學(xué)概論課件集成電路的作用小型化價(jià)格急劇下降功耗降低故障率降低微電子學(xué)概論課件其次，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，發(fā)達(dá)國(guó)家在發(fā)展過程中都有一條規(guī)律集成電路（IC）產(chǎn)值的增長(zhǎng)率（RIC）高于電子工業(yè)產(chǎn)值的增長(zhǎng)率（REI）電子工業(yè)產(chǎn)值的增長(zhǎng)率又高于GDP的增長(zhǎng)率（RGDP）一般有一個(gè)近似的關(guān)系

RIC≈1.5~2REIREI≈3RGDP微電子學(xué)概論課件晶體管的發(fā)明理論推動(dòng)19世紀(jì)末20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的三個(gè)重要物理效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)整流效應(yīng)量子力學(xué)材料科學(xué)需求牽引：二戰(zhàn)期間雷達(dá)等武器的需求微電子學(xué)概論課件1947年12月23日第一個(gè)晶體管NPNGe晶體管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲得1956年Nobel物理獎(jiǎng)微電子學(xué)概論課件晶體管的三位發(fā)明人：巴丁、肖克萊、布拉頓微電子學(xué)概論課件集成電路的發(fā)明1952年5月，英國(guó)科學(xué)家G.W.A.Dummer第一次提出了集成電路的設(shè)想1958年以德克薩斯儀器公司的科學(xué)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(jié)果微電子學(xué)概論課件1958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個(gè)器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎(jiǎng)微電子學(xué)概論課件微電子發(fā)展史上的幾個(gè)里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技術(shù)現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非揮發(fā)存儲(chǔ)器1968年Dennard——單晶體管DRAM1971年Intel公司微處理器——計(jì)算機(jī)的心臟目前全世界微機(jī)總量約6億臺(tái)，在美國(guó)每年由計(jì)算機(jī)完成的工作量超過4000億人年工作量。美國(guó)歐特泰克公司認(rèn)為：微處理器、寬頻道連接和智能軟件將是21世紀(jì)改變?nèi)祟惿鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)的三大技術(shù)創(chuàng)新微電子學(xué)概論課件不斷提高產(chǎn)品的性能價(jià)格比是微電子技術(shù)發(fā)展的動(dòng)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)律微電子學(xué)概論課件Part2微電子學(xué)概論課件我國(guó)微電子學(xué)的歷史1955年5所學(xué)校在北大聯(lián)合創(chuàng)建半導(dǎo)體專業(yè)北京大學(xué)、南京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、廈門大學(xué)教師：黃昆、謝稀德、高鼎三、林蘭英學(xué)生：王陽(yáng)元、許居衍、陳星弼1977年在北京大學(xué)誕生第一塊大規(guī)模集成電路微電子學(xué)概論課件我國(guó)微電子學(xué)的歷史1982年，成立電子計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路領(lǐng)導(dǎo)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(shè)計(jì)業(yè)封裝業(yè)微電子學(xué)概論課件Part3微電子學(xué)概論課件集成電路分類集成電路的分類器件結(jié)構(gòu)類型集成電路規(guī)模使用的基片材料電路形式應(yīng)用領(lǐng)域微電子學(xué)概論課件集成電路按器件結(jié)構(gòu)類型分類雙極集成電路：主要由雙極晶體管構(gòu)成NPN型雙極集成電路PNP型雙極集成電路金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)集成電路：主要由MOS晶體管(單極晶體管)構(gòu)成NMOSPMOSCMOS(互補(bǔ)MOS)雙極-MOS(BiMOS)集成電路：同時(shí)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(diǎn)，但制作工藝復(fù)雜優(yōu)點(diǎn)是速度高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，缺點(diǎn)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，速度也可以很高微電子學(xué)概論課件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）微電子學(xué)概論課件按結(jié)構(gòu)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(dǎo)體基片上的集成電路在半導(dǎo)體集成電路中最常用的半導(dǎo)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微電子學(xué)概論課件按電路功能分類數(shù)字集成電路(DigitalIC)：它是指處理數(shù)字信號(hào)的集成電路，即采用二進(jìn)制方式進(jìn)行數(shù)字計(jì)算和邏輯函數(shù)運(yùn)算的一類集成電路模擬集成電路(AnalogIC)：它是指處理模擬信號(hào)(連續(xù)變化的信號(hào))的集成電路線性集成電路：又叫做放大集成電路，如運(yùn)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(shí)器等電路數(shù)?；旌霞呻娐?Digital-AnalogIC)：例如數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器等微電子學(xué)概論課件集成電路的分類微電子學(xué)概論課件微電子的特點(diǎn)微電子學(xué)：電子學(xué)的一門分支學(xué)科微電子學(xué)以實(shí)現(xiàn)電路和系統(tǒng)的集成為目的，故實(shí)用性極強(qiáng)。微電子學(xué)中的空間尺度通常是以微米(

m,1

m＝10－6m)和納米(nm,1nm=10-9m)為單位的。微電子學(xué)是信息領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)學(xué)科微電子學(xué)概論課件微電子的特點(diǎn)微電子學(xué)是一門綜合性很強(qiáng)的邊緣學(xué)科涉及了固體物理學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、材料科學(xué)、電子線路、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、測(cè)試與加工、圖論、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科微電子學(xué)是一門發(fā)展極為迅速的學(xué)科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微電子學(xué)發(fā)展的方向微電子學(xué)的滲透性極強(qiáng)，它可以是與其他學(xué)科結(jié)合而誕生出一系列新的交叉學(xué)科，例如微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片等微電子學(xué)概論課件Part4微電子學(xué)概論課件固體材料：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1 導(dǎo)體:106~104(cm)-1半導(dǎo)體:104~10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性和機(jī)制來分：不同電阻特性不同輸運(yùn)機(jī)制微電子學(xué)概論課件2.半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：n=p=ni微電子學(xué)概論課件電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位微電子學(xué)概論課件價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價(jià)帶Eg微電子學(xué)概論課件半導(dǎo)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(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*微電子學(xué)概論課件施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)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(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中摻的B微電子學(xué)概論課件本征載流子濃度：n=p=ninp=ni2

ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)5.本征載流子本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度

電子濃度n,空穴濃度p微電子學(xué)概論課件多子：多數(shù)載流子 n型半導(dǎo)體：電子 p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子 n型半導(dǎo)體：空穴 p型半導(dǎo)體：電子微電子學(xué)概論課件8.過剩載流子

由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)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公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程電子空穴對(duì)：電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生或復(fù)合微電子學(xué)概論課件影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間（散射〕體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制：晶格散射（熱運(yùn)動(dòng)引起）電離雜質(zhì)散射微電子學(xué)概論課件Part5

半導(dǎo)體物理學(xué)微電子學(xué)概論課件微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路設(shè)計(jì)和測(cè)試微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)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(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域：光電集成、MEMS、生物芯片半導(dǎo)體概要微電子學(xué)概論課件固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其基本特性微電子學(xué)概論課件晶體結(jié)構(gòu)單胞對(duì)于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元注：（a）單胞無需是唯一的

（b）單胞無需是基本的微電子學(xué)概論課件晶體結(jié)構(gòu)三維立方單胞

簡(jiǎn)立方、體心立方、面立方微電子學(xué)概論課件固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體固體材料的能帶圖微電子學(xué)概論課件半導(dǎo)體的能帶本征激發(fā)微電子學(xué)概論課件有效質(zhì)量的意義自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子不僅受到外力的作用，同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)更為簡(jiǎn)便（有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測(cè)定）微電子學(xué)概論課件與理想情況的偏離晶格原子是振動(dòng)的材料含雜質(zhì)晶格中存在缺陷點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）微電子學(xué)概論課件間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068nm）。雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。微電子學(xué)概論課件間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度微電子學(xué)概論課件施主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和AsN型半導(dǎo)體As半導(dǎo)體的摻雜施主能級(jí)微電子學(xué)概論課件受主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中的BP型半導(dǎo)體B半導(dǎo)體的摻雜受主能級(jí)微電子學(xué)概論課件半導(dǎo)體的摻雜Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們?cè)诮麕е幸肓四芗?jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高，施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低，均為淺能級(jí)，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當(dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行?；受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心。微電子學(xué)概論課件點(diǎn)缺陷弗倉(cāng)克耳缺陷間隙原子和空位成對(duì)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(diǎn)缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，總是同時(shí)存在的?？瘴槐憩F(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用微電子學(xué)概論課件點(diǎn)缺陷替位原子（化合物半導(dǎo)體）微電子學(xué)概論課件位錯(cuò)位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它嚴(yán)重影響材料和器件的性能。微電子學(xué)概論課件本征半導(dǎo)體載流子濃度本征半導(dǎo)體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體微電子學(xué)概論課件載流子輸運(yùn)半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式：漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合微電子學(xué)概論課件熱運(yùn)動(dòng)在無電場(chǎng)作用下，載流子永無停息地做著無規(guī)則的、雜亂無章的運(yùn)動(dòng)，稱為熱運(yùn)動(dòng)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(shí)間為微電子學(xué)概論課件熱運(yùn)動(dòng)當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，載流子既受電場(chǎng)力的作用，同時(shí)不斷發(fā)生散射載流子在外電場(chǎng)的作用下為熱運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度是恒定的微電子學(xué)概論課件散射的原因載流子在半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生撒射的根本原因是周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞附加勢(shì)場(chǎng)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(yùn)動(dòng)速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。微電子學(xué)概論課件由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)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微電子學(xué)概論課件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(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料P型材料微電子學(xué)概論課件非平衡載流子壽命假定光照產(chǎn)生和，如果光突然關(guān)閉，和將隨時(shí)間逐漸衰減直至0，衰減的時(shí)間常數(shù)稱為壽命，也常稱為少數(shù)載流子壽命

單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率非平衡載流子的復(fù)合率微電子學(xué)概論課件復(fù)合n型材料中的空穴當(dāng)時(shí)，，故壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間；壽命越短，衰減越快微電子學(xué)概論課件PN結(jié)雜質(zhì)分布PN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，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(kuò)散法微電子學(xué)概論課件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微電子學(xué)概論課件Part6半導(dǎo)體的導(dǎo)電性微電子學(xué)概論課件半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式：漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合微電子學(xué)概論課件散射的原因載流子在半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生撒射的根本原因是周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞附加勢(shì)場(chǎng)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(yùn)動(dòng)速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。微電子學(xué)概論課件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(jiǎn)并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式（只受溫度T影響）微電子學(xué)概論課件由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)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微電子學(xué)概論課件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(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料P型材料微電子學(xué)概論課件pn結(jié)微電子學(xué)概論課件PN結(jié)雜質(zhì)分布PN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，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(kuò)散法微電子學(xué)概論課件6.PN結(jié)擊穿PN結(jié)擊穿(junctionbreakdown)：PN結(jié)反向電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加的現(xiàn)象稱為“PN結(jié)擊穿”，這時(shí)的電壓稱為擊穿電壓（VR）。VRIVPN結(jié)擊穿機(jī)制熱效應(yīng)齊納擊穿（隧道擊穿）雪崩擊穿器件設(shè)計(jì)中要考慮的最重要問題之一：結(jié)的擊穿。微電子學(xué)概論課件雪崩擊穿

6.1PN結(jié)擊穿

PN結(jié)加大的反向偏壓

載流子從電場(chǎng)獲得能量

載流子與勢(shì)壘區(qū)晶格碰撞

能量足夠大時(shí)價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子－空穴對(duì)

新形成的電子、空穴被電場(chǎng)加速，碰撞出新的電子、空穴

載流子倍增硅PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度為105-106V/cm屬于非破壞性可逆擊穿。微電子學(xué)概論課件在高電場(chǎng)下耗盡區(qū)的共價(jià)鍵斷裂產(chǎn)生電子和空穴，即有些價(jià)電子通過量子力學(xué)的隧道效應(yīng)從價(jià)帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)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(jī)制用于描述具有低擊穿電壓的結(jié)。如硅PN結(jié)，VB<4.5V

雪崩擊穿機(jī)制適用于在高電壓下?lián)舸┑慕Y(jié)，如硅PN結(jié)，VB>6.7V6.2PN結(jié)擊穿齊納擊穿（隧道擊穿）微電子學(xué)概論課件熱擊穿熱損耗

局部升溫

電流增加

屬于破壞性不可逆擊穿

6.3PN結(jié)擊穿微電子學(xué)概論課件Part7集成電路制造工藝微電子學(xué)概論課件集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架設(shè)計(jì)芯片檢測(cè)單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測(cè)試系統(tǒng)需求微電子學(xué)概論課件集成電路制造工藝圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計(jì)在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上摻雜：根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，將各種雜質(zhì)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微電子學(xué)概論課件圖形轉(zhuǎn)換：光刻光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)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(jī)溶劑等混合而成的膠狀液體光刻膠受到特定波長(zhǎng)光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)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(fù)膠：分辨率差，適于加工線寬≥3

m的線條微電子學(xué)概論課件正膠：曝光后可溶負(fù)膠：曝光后不可溶微電子學(xué)概論課件圖形轉(zhuǎn)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(gè)很小的間隙(10～25

m)，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微電子學(xué)概論課件圖形轉(zhuǎn)換：光刻超細(xì)線條光刻技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外線(EUV)電子束光刻X射線離子束光刻微電子學(xué)概論課件圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù)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(jìn)行刻蝕的方法干法刻蝕：主要指利用低壓放電產(chǎn)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(tuán)等)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的微電子學(xué)概論課件圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù)濕法腐蝕：濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用：磨片、拋光、清洗、腐蝕優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低缺點(diǎn)是鉆蝕嚴(yán)重、對(duì)圖形的控制性較差微電子學(xué)概論課件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(chǎn)生的游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實(shí)現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對(duì)襯底損傷較小，但各向異性較差反應(yīng)離子刻蝕(ReactiveIonEtching，簡(jiǎn)稱為RIE)：通過活性離子對(duì)襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。目前，RIE已成為VLSI工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)微電子學(xué)概論課件擴(kuò)散與離子注入摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅摻雜工藝：擴(kuò)散、離子注入微電子學(xué)概論課件擴(kuò)散替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位：Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的溫度(950～1280℃)下進(jìn)行磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙：Na、K、Fe、Cu、Au等元素?cái)U(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大6～7個(gè)數(shù)量級(jí)微電子學(xué)概論課件離子注入離子注入：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(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(zhì)分布可以注入各種各樣的元素橫向擴(kuò)展比擴(kuò)散要小得多?？梢詫?duì)化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜微電子學(xué)概論課件退火退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮?dú)獾炔换顫姎夥罩羞M(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火。激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運(yùn)動(dòng)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(shè)備等)微電子學(xué)概論課件集成電路工藝圖形轉(zhuǎn)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(kuò)散制膜：氧化：干氧氧化、濕氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸發(fā)、濺射微電子學(xué)概論課件