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1、Part 112微电子学：Microelectronics微电子学微型电子学核心集成电路物理电子学物理电子学:在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件，在以前主要是学习电子在真空中的运动规律及其器件，现在内容扩展了，还包括微波方面的内容。现在内容扩展了，还包括微波方面的内容。微电子学微电子学:主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。主要是学习半导体器件和集成电路的设计、制造、应用。固体电子学固体电子学:主要是学习电子材料方面的研制、应用。主要是学习电子材料方面的研制、应用。3集成电路：Integrated Circuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源
2、器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能4集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装封装测试测试系统需求系统需求5微电子科学技术的战略地位6实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯机，它们的基础都是微电子1946年第一台计算机：ENIAC7第一台通用电第一台通用电子计算机：子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年年2月月
3、14日日Moore School，Univ.of Pennsylvania18,000个电子个电子管组成管组成大小：长大小：长24m，宽，宽6m，高，高2.5m速度：速度：5000次次/sec；重量：；重量：30吨；吨；功率：功率：140KW；平均无故障运行时间：；平均无故障运行时间：7min8集成电路的作用小型化价格急剧下降功耗降低故障率降低9其次，统计数据表明，发达国家在发展过程中都有一条规律集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系 RIC1.52REI REI3RGDP10晶体管的发明
4、理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求111947年年12月月23日日第一个晶体管第一个晶体管NPN Ge晶体管晶体管 W.Schokley J.Bardeen W.Brattain获得获得1956年年Nobel物理物理奖奖12晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿13集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想1958年以德克萨斯
5、仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果141958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器件，个器件，Ge晶片晶片获得获得2000年年Nobel物理奖物理奖15微电子发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.SahCMOS技术 现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze 非挥发存储器1968年Dennard单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国
6、欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新16?不不断断提提高高产产品品的的性性能能价价格格比比是微电子技术发展的动力是微电子技术发展的动力?集集成成电电路路芯芯片片的的集集成成度度每每三三年年提提高高4倍倍，而而加加工工特特征征尺尺寸寸缩缩小小 倍倍，这这就就是是摩摩尔定律尔定律微电子发展的规律微电子发展的规律17Part 218我国微电子学的历史1955年5所学校在北大联合创建半导体专业北京大学、南京大学、复旦大学、吉林大学、厦门大学教师：黄昆、谢稀德、高鼎三、林兰英学生：王阳元、许居衍、陈星弼1977年在北京大学诞生第一块大规模集成电路1
7、9我国微电子学的历史1982年，成立电子计算机和大规模集成电路领导小组主任：万里80年代：初步形成三业分离的状态制造业设计业封装业20Part 321集成电路分类集成电路的分类器件结构类型集成电路规模使用的基片材料电路形式应用领域22集成电路按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶体管构成双极集成电路：主要由双极晶体管构成NPNNPN型双极集成电路型双极集成电路PNPPNP型双极集成电路型双极集成电路金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)(MOS)集成电路：主要由集成电路：主要由MOSMOS晶体管晶体管(单极晶体管单极晶体管)构成构成NMOSNMOSPMOSPMOSCMOS(互补M
8、OS)双极双极-MOS(BiMOS)-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和集成电路：同时包括双极和MOSMOS晶体管的集成电路为晶体管的集成电路为BiMOSBiMOS集成电路，综集成电路，综合了双极和合了双极和MOSMOS器件两者的优点，但制作工艺器件两者的优点，但制作工艺复杂复杂优点是速度高、驱动能力强，优点是速度高、驱动能力强，优点是速度高、驱动能力强，优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征功耗低、集成度高，随着特征功耗低、集成度高，随着特征功耗低、集成度高，随着特
9、征尺寸的缩小，速度也可以很高尺寸的缩小，速度也可以很高尺寸的缩小，速度也可以很高尺寸的缩小，速度也可以很高23集成电路按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路小规模集成电路(Small Scale IC(Small Scale IC，SSI)SSI)中规模集成电路中规模集成电路(Medium Scale IC(Medium Scale IC，MSI)MSI)大规模集成电路大规模集成电路(Large Scale IC(Large Scale IC，LSI)LSI)超大规模集成电路超大规模集成电路(Very Large S
10、cale IC(Very Large Scale IC，VLSI)VLSI)特大规模集成电路特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC(Ultra Large Scale IC，ULSI)ULSI)巨大规模集成电路巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC(Gigantic Scale IC，GSIGSI）24按结构形式的分类单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路25按电路功能分类数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字
11、信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等放大器、电压比较器、跟随器等非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路(Digital-Analog IC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等26集集成成电电路路的的分分类类27微电子的特点微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。
12、微电子学中的空间尺度通常是以微米(m,1m106m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。微电子学是信息领域的重要基础学科28微电子的特点微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电
13、系统(MEMS)、生物芯片等Part 4固体材料：超导体固体材料：超导体:大于大于106(cm)-1 导导 体体:106104(cm)-1 半导体半导体:10410-10(cm)-1 绝缘体绝缘体:小于小于10-10(cm)-1？什么是半导体？什么是半导体从导电特性和从导电特性和机制来分：机制来分：不同电阻特性不同电阻特性不同输运机制不同输运机制2.半导体中的半导体中的载流子载流子：能够导电的自由粒子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni电子电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子，对应于导
14、带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的的电子空位，对应于价带中的电子空位电子空位价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E E E E
15、g g g g半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的电子和空穴的有效质量有效质量m*m*施主和受主浓度施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中中掺掺的的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的
16、杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B本征载流子浓度：本征载流子浓度：n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n,空空 穴穴 浓浓 度度 p多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半
17、导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子8.过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度
18、掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制：晶格散射（晶格散射（热热 运运 动动 引引 起）起）电离杂质散射电离杂质散射Part 5半导体物理学半导体物理学微电子学研究领域微电子学研究领域半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方高性能高可靠性电路方向发展向发展与其它学科互相渗透，与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：形成新的学科领域：光电集成、光电集成、MEMS、生生物芯片物芯片半导体概要半导体概要固体材料分成：固体材料分成：超导体、导
19、体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？什么是半导体？半导体及其基本特性半导体及其基本特性晶体结构晶体结构单胞单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元最小单元注：注：（a）单胞无需是唯一的）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的）单胞无需是基本的晶体结构晶体结构三维立方单胞三维立方单胞 简立方、简立方、体心立方、体心立方、面面立方立方固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图固体材料的能带图半导体的能带半导体的能带本征激发本征激发 有效质量的意义有效质量的意
20、义自由电子只受外力作用；半导体中的电子自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用部势场的作用意义：有效质量概括了半导体内部势场的意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）时更为简便（有效质量可由试验测定）与理想情况的偏离与理想情况的偏离晶格原子是振动的晶格原子是振动的材料含杂质材料含杂质晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子）点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）线缺陷（位错）面缺陷（层错）面缺陷（层错）间
21、隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。该杂质称为间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（材料中的离子锂（0.068nm）。）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。该杂质称为替位式杂质。替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如要求与被取代的晶格原子相近。如、族元素在族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。晶体中都为替位式杂
22、质。间隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度施主施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如并成为带正电的离子。如SiSi中的中的P P 和和As As N型半导体型半导体As半导体的掺杂半导体的掺杂施主能级施主能级受主受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如并成为带负电的离子。如SiSi中的中的B BP型半导体型半导体B半导
23、体的掺杂半导体的掺杂受主能级受主能级半导体的掺杂半导体的掺杂、族杂质在族杂质在Si、Ge晶体中分别为受晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高级；受主能级比价带顶高 ，施主能级，施主能级比导带底低比导带底低 ，均为浅能级，这两种，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。供空穴成为负电中心。点缺
24、陷点缺陷弗仓克耳缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成对出现间隙原子和空位成对出现肖特基缺陷肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为为热缺陷热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是动态平衡，总是同时存在同时存在的。的。空位空位表现为表现为受主作用受主作用；间隙原子间隙原子表现为表现为施主作施主作用用点缺陷点缺陷替位原子（化合物半导体）替位原子（化合物半导体）位错位错位错是半导体中的一种缺陷，它严重影位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。响材料和器
25、件的性能。本征半导体载流子浓度本征半导体载流子浓度本征半导体本征半导体无任何杂质和缺陷的半导体无任何杂质和缺陷的半导体载流子输运载流子输运半导体中载流子的输运有三种形式：漂移扩散产生和复合热运动在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为零，并且净电流为零平均自由时间为热运动当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度是恒定的散射的原因载流子在半导体内发生撒射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场 使得能带中的电子在不同 状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均
26、发生改变，发生散射行为。由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子子为过剩载流子，也称为非平衡载流子过剩载流子过剩载流子非平衡载流子的光注入小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料型材料P型材料型材料非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命假定光照产生假定光照产生 和和 ，如果光突然关闭，如果光突然关闭，和和 将随时间逐渐衰
27、减直至将随时间逐渐衰减直至0 0，衰减的时间常数，衰减的时间常数称为寿命称为寿命 ，也常称为少数载流子寿命也常称为少数载流子寿命 单位时间内非平衡载流子的复合概率单位时间内非平衡载流子的复合概率 非平衡载流子的复合率非平衡载流子的复合率复合复合n型材料中的空穴型材料中的空穴当当 时，时，故寿命标志着非平衡载，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的流子浓度减小到原值的1/e1/e所经历的时间；寿命越短，衰所经历的时间；寿命越短，衰减越快减越快PN结杂质分布结杂质分布PNPN结是同一块半导体晶体内结是同一块半导体晶体内P P型区和型区和N N型区之间的型区之间的边界边界PNPN结是各种半导体器件
28、的基础，了解它的工作原结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件理有助于更好地理解器件典型制造过程典型制造过程合金法合金法扩散法扩散法反向击穿反向击穿电流急剧增加电流急剧增加可逆可逆雪崩倍增雪崩倍增齐纳过程齐纳过程不可逆不可逆热击穿热击穿Part 6 半导体的导电性半导体中载流子的输运有三种形式：漂移扩散产生和复合散射的原因载流子在半导体内发生撒射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场 使得能带中的电子在不同 状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。平衡载流子在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载流子流子非简并半导
29、体处于热平衡状态的判据式非简并半导体处于热平衡状态的判据式（只受温度（只受温度T影响）影响）由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子子过剩载流子非平衡载流子的光注入非平衡载流子的光注入小注入条件小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料型材料P型材料型材料pn结PN结杂质分布PNPN结是同一块半
30、导体晶体内结是同一块半导体晶体内P P型区和型区和N N型区型区之间的边界之间的边界PNPN结是各种半导体器件的基础，了解它的结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件工作原理有助于更好地理解器件典型制造过程典型制造过程合金法合金法扩散法扩散法6.PN6.PN结击穿结击穿PN结击穿结击穿(junction breakdown)：PN结结反向电压反向电压超过某一数值时，反向电流超过某一数值时，反向电流急急剧增加剧增加的现象称为的现象称为“PN结击穿结击穿”，这时这时的电压称为的电压称为击穿电压（击穿电压（VR）。VRIVPN结击穿机制结击穿机制热效应热效应齐纳击穿齐纳击穿（隧
31、道击穿）（隧道击穿）雪崩击穿雪崩击穿 器件设计中要考虑的最重要问题之一：结的击穿。器件设计中要考虑的最重要问题之一：结的击穿。u雪崩击穿雪崩击穿 6.1 PN6.1 PN结击穿结击穿 PN结加大的反向偏压结加大的反向偏压 载流子从电场获得能量载流子从电场获得能量 载流子与势垒区晶格碰撞载流子与势垒区晶格碰撞 能量足够大时价带电能量足够大时价带电子被激发到导带产生电子空穴对子被激发到导带产生电子空穴对 新形成的电新形成的电子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴子、空穴被电场加速，碰撞出新的电子、空穴 载流子倍增载流子倍增硅硅 PN 结发生雪崩击穿的电场强度为结发生雪崩击穿的电场强度为 105-
32、106 V/cm属于非破坏性可逆击穿。属于非破坏性可逆击穿。在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，在高电场下耗尽区的共价键断裂产生电子和空穴，即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移即有些价电子通过量子力学的隧道效应从价带转移到导带，从而形成反向隧道电流。到导带，从而形成反向隧道电流。属于非破坏性可逆击穿。属于非破坏性可逆击穿。隧道击穿隧道击穿机制用于描述具有机制用于描述具有低击穿电压低击穿电压的结。的结。如硅如硅PN 结，结，VB 6.7 V6.2 PN6.2 PN结击穿结击穿u 齐纳击穿（隧道击穿）齐纳击穿（隧道击穿）u 热击穿热击穿 热损耗热损耗 局部升温局部升温 电流增加电流
33、增加 属于破坏性不可逆击穿属于破坏性不可逆击穿 6.3 PN6.3 PN结击穿结击穿Part 7集成电路制造工艺集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试 系统需求系统需求集成电路制造工艺图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：制作各种材料的薄膜图形转换：光刻光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体光刻胶受到特定波长光线的作用
34、后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶负胶：分辨率差，适于加工线宽3m的线条正胶：曝光正胶：曝光后可溶后可溶负胶：曝光负胶：曝光后不可溶后不可溶图形转换：光刻几种常见的光刻方法接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式图形转换：光刻超细线条光刻技术甚远紫外线(EUV)电子束光刻 X射线离子束光刻图形转换：刻蚀
35、技术湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的图形转换：刻蚀技术湿法腐蚀：湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差干法刻蚀溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好
36、、对衬底损伤较小，但各向异性较差反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术扩散与离子注入掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触磷(P)、砷(As)N型硅硼(B)P型硅掺杂工艺：扩散、离子注入扩 散替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：、族元素一般要在很高的温度(9501280)下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩
37、散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素扩散系数要比替位式扩散大67个数量级离子注入离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定 掺杂的均匀性好温度低：小于600可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多。可以对化合物半导体进行掺杂退 火退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起
38、到杂质的作用消除损伤退火方式：炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)集成电路工艺图形转换：光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻刻蚀：干法刻蚀、湿发刻蚀掺杂：离子注入 退火扩散制膜：氧化：干氧氧化、湿氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸发、溅射图形曝光与刻蚀图形曝光（图形曝光（lithography）是利用掩模版（）是利用掩模版（mask）上的几何图形，通过）上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜层上（光致光化学反应，将图案转移到覆盖在半导体晶片上的感光薄膜
39、层上（光致抗蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。抗蚀剂、光刻胶、光阻）的一种工艺步骤。这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗与这些图案可用来定义集成电路中各种不同区域，如离子注入、接触窗与压焊垫区。而由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终压焊垫区。而由图形曝光所形成的抗蚀剂图案，并不是电路器件的最终部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案不部分，而只是电路图形的印模。为了产生电路图形，这些抗蚀剂图案不像再次转移至下层的器件层上。这种图案转移是利用腐蚀工艺，选择性像再次转移至下层的器件层上。这种图案转移是利用腐蚀工艺，选择性地将未被抗蚀剂掩蔽
40、的区域除去。地将未被抗蚀剂掩蔽的区域除去。光刻机光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。光刻机的性能由三个参数判断：分辨率、套准精度与产率。分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸；分辨率：能精确转移到晶片表面抗蚀剂膜上图案的最小尺寸；套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程度；套准精度：后续掩模版与先前掩模版刻在硅片上的图形相互对准的程度；产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。产率：对一给定的掩模版，每小时能曝光完成的晶片数量。光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。光学曝光方法：遮蔽式曝光和投影式曝光。遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直
41、接接触的接触式曝光和二者紧密相遮蔽式曝光：可分为掩模版与晶片直接接触的接触式曝光和二者紧密相邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩模版永久性邻的接近式曝光。若有尘埃或硅渣嵌入掩模版中，将造成掩模版永久性损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。损坏，在后续曝光的晶片上形成缺陷。投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，投影式曝光：在掩模版与晶片间有一距离，10-50um。但这一间隙会在。但这一间隙会在掩模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。掩模版图案边缘造成光学衍射。导致分辨率退化。相关的图案转移工艺还有剥离与浮脱技术。相关的图案转移工艺还有剥离与浮脱技术。(光刻的工艺过程光刻的工艺过程
42、)1、旋涂抗蚀剂、旋涂抗蚀剂2、曝光、曝光3、显影、显影4、淀积金属膜、淀积金属膜5、浸泡腐蚀液中、浸泡腐蚀液中电子束抗蚀剂电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之，电子束抗蚀剂是一种聚合物，其性质与一般光学用抗蚀剂类似。换言之，通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生图通过光照造成抗蚀剂产生化学或物理变化，这种变化可使抗蚀剂产生图案。案。半导体器件半导体器件光学248/193nmSCALPELEUVX射线离子束光刻机光源激光电子束极远紫外线同步辐射离子束衍射限制有没有有有没有曝光法折射式折射式折射式直接光照全区折射式步进与扫描是是是是步进机200mm
43、硅晶片的产率（片/h）4030-3520-303030掩模版缩小倍率4x4x4x1x4x光学邻近修正需要不需要需要需要不需要辐射路径穿透穿透反射穿透印刷式抗蚀剂单层或多层单层单层表面成像单层单层化学放大抗蚀剂是是不是是不是各种图形曝光技术的比较如下各种图形曝光技术的比较如下刻蚀机制、等离子体探测与终点的控制等离子体刻蚀是利用基态或中性激发态物质的化学反应，将固态薄膜去等离子体刻蚀是利用基态或中性激发态物质的化学反应，将固态薄膜去除。等离子体刻蚀通常被气体放电所形成的带能量离子所增强或引发。除。等离子体刻蚀通常被气体放电所形成的带能量离子所增强或引发。刻蚀机制刻蚀机制刻蚀工艺包括刻蚀工艺包括5个
44、步骤：个步骤：1、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生；、刻蚀过程开始与等离子体刻蚀反应物的产生；2、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面；、反应物通过扩散的方式穿过滞留气体层到达表面；3、反应物被表面吸收；、反应物被表面吸收；4、通过化学反应产生挥发性化合物；、通过化学反应产生挥发性化合物；5、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。、化合物离开表面回到等离子体气流中，接着被抽气泵抽出。基本刻蚀方式为：基本刻蚀方式为：物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面；物理方式：溅射刻蚀，正离子高速轰击表面；化学方式：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。化学方式
45、：等离子体产生的中性反应物与物质表面相互作用产生挥发性产物。化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向同化学方式有高腐蚀速率、高的选择比与低的离子轰击导致的缺陷，但有各向同性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与高的性的刻蚀轮廓。物理方式可以产生各向同性的轮廓，但伴随低的选择比与高的离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（离子轰击导致的缺陷。将二者结合，如反应离子刻蚀（RIE）。）。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH