微电子概论课件.ppt

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微电子概论微电子概论陈迪第一章概述1.1什么是集成电路和微电子学1.2集成电路的发展历程1.3集成电路分类1.1什么是集成电路和微电子学集成电路是指半导体集成电路，即以半导集成电路是指半导体集成电路，即以半导体晶体材料为基片，经加工制造，将元件、有体晶体材料为基片，经加工制造，将元件、有源器件和互连线集成在基片内部、表面或基片源器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上，执行某种功能的微型化电路。

之上，执行某种功能的微型化电路。

微电子是研究电子在半导体和集成电路中微电子是研究电子在半导体和集成电路中的物理现象、物理规律，并致力于这些物理现的物理现象、物理规律，并致力于这些物理现象象.物理规律的应用，包括器件物理物理规律的应用，包括器件物理.器件结构器件结构.材料制备材料制备.集成工艺集成工艺.电路与系统设计电路与系统设计.自动测自动测试以及封装、组装等一系列的理论和技术问题。

试以及封装、组装等一系列的理论和技术问题。

微电子学研究的对象除了集成电路以外，还包微电子学研究的对象除了集成电路以外，还包括集成光电子器件、集成超导器件等。

括集成光电子器件、集成超导器件等。

1.2集成电路的发展历程电子卡尺1800018000个电子管个电子管个电子管个电子管重达重达重达重达3030吨吨吨吨功率功率功率功率150150千瓦千瓦千瓦千瓦占占占占地地地地170170平方米平方米平方米平方米运算运算运算运算速度为每秒速度为每秒速度为每秒速度为每秒50005000次次次次在晶体管发明之前，电路系统主要依靠真空电子管。

1946年美国宾州大学利用3年时间研制开发完成了用于弹道轨迹计算的世界上第一台电子数字计算机。

1947年，美国Bell实验室三位科学家发明晶体管，标志着微电子时代的到来。

1958年，美德州仪器公司研制出第一块集成电路第一块集成电路的发明者第一块集成电路的发明者基尔比基尔比第一块集成电路只有第一块集成电路只有12个元器件个元器件1958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晶片晶片除了按集成度分类外，还可以从其他特点加以除了按集成度分类外，还可以从其他特点加以除了按集成度分类外，还可以从其他特点加以除了按集成度分类外，还可以从其他特点加以分类，按器件结构类型分，有双极成电路和分类，按器件结构类型分，有双极成电路和分类，按器件结构类型分，有双极成电路和分类，按器件结构类型分，有双极成电路和MOSMOSMOSMOS集成电路，见图集成电路，见图集成电路，见图集成电路，见图1-121-121-121-12。

1.3集成电路分类第二章IC制造材料2.1概述2.2半导体材料2.3绝缘材料2.4金属材料2.1概述10-2210-14Scm-1SiO2、SiON、Si3N4等绝绝缘缘体体10-910-2Scm-1硅、锗、砷化镓、磷化铟等半半导导体体105Scm-1铝、金、钨、铜等导导体体电导率材料分类2.2半导体材料2.2.1硅（Si）硅是现代为电子工业的基础。

在过去的硅是现代为电子工业的基础。

在过去的4040年中，基于年中，基于硅材料的多种工艺技术得以发展，达到成熟，如双极硅材料的多种工艺技术得以发展，达到成熟，如双极型晶体管（型晶体管（BJTBJT），结构场效应管（），结构场效应管（J-FETJ-FET），），PP型、型、NN型、互补型金属型、互补型金属-氧化物氧化物-半导体场效应管（半导体场效应管（PMOSPMOS，NMOS,CMOSNMOS,CMOS）及双级管）及双级管CMOSCMOS（BICMOSBICMOS）等。

就集成度而）等。

就集成度而言，言，1GB1GB的的DRAMDRAM早已该发成功，微处理器的总晶体管数早已该发成功，微处理器的总晶体管数早已超过一千万。

最大的芯片面积已接近早已超过一千万。

最大的芯片面积已接近1000mm1000mm22。

与。

与此同时，先进工艺线的晶圆已达到此同时，先进工艺线的晶圆已达到300mm（12300mm（12英寸英寸）。

芯。

芯片的速度也越来越快。

片的速度也越来越快。

2.2.2多晶硅多晶硅有着与单晶硅相似的特性，并且其特性多晶硅有着与单晶硅相似的特性，并且其特性可随晶体度与杂质原子而改变，故被广泛用于可随晶体度与杂质原子而改变，故被广泛用于微电子工艺。

在微电子工艺。

在MOSMOS及双极性器件中，多晶硅及双极性器件中，多晶硅可用来制作栅极、形成源极与漏极（双极型器可用来制作栅极、形成源极与漏极（双极型器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、薄薄PNPN结的扩散源、高值电阻等。

多晶硅层可用结的扩散源、高值电阻等。

多晶硅层可用溅射法、蒸发或溅射法、蒸发或CVDCVD法沉淀。

法沉淀。

2.2.3砷化镓（GaAs）GaAsGaAs和其他和其他III/IVIII/IV族化合物器件之所以能工作族化合物器件之所以能工作在超高速超高频，其原因在于这些材料具有更在超高速超高频，其原因在于这些材料具有更高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率等。

高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率等。

GaAsGaAs是优良的是优良的III/IVIII/IV族化合物固态材料。

族化合物固态材料。

GaAsGaAs的电子迁移率比的电子迁移率比SiSi高很多，高很多，GaAsGaAs为为44101077cmcm22/（Vs）,/（Vs）,而而SiSi为为99101066cmcm22/（Vs）,/（Vs）,因此，因此，GaAsGaAs晶体管传输延迟远小于同类型的晶体管传输延迟远小于同类型的SiSi管。

所管。

所以，以，GaAsGaAs管可工作在更高的数据速率上。

管可工作在更高的数据速率上。

2.3绝缘材料如同电气系统，在如同电气系统，在ICIC的材料系统中，绝缘体同的材料系统中，绝缘体同样起着不可缺少的作用。

在制作样起着不可缺少的作用。

在制作ICIC时，必须同时，必须同时制作器件之间、有缘层与导电层之间的绝缘时制作器件之间、有缘层与导电层之间的绝缘层，以实现它们之间的电隔离。

在层，以实现它们之间的电隔离。

在MOSMOS器件里，器件里，栅极与沟道之间的绝缘更是必不可少的。

栅极与沟道之间的绝缘更是必不可少的。

绝缘层的其他功能包括：

绝缘层的其他功能包括：

（11）充当离子注入及热扩散的掩膜。

）充当离子注入及热扩散的掩膜。

（22）作为生成器件表面的钝化层，以保护器）作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受外界影响。

件不受外界影响。

（33）电隔离。

）电隔离。

随着连线的几何尺寸持续的缩小，需要低价电随着连线的几何尺寸持续的缩小，需要低价电常数的层间绝缘介质，以减小连线之间的寄生常数的层间绝缘介质，以减小连线之间的寄生电容和串扰。

电容和串扰。

另一方面，对大容量动态随机存储器（另一方面，对大容量动态随机存储器（DRAMDRAM）的要求，推动了低漏电、高介电常数介质材料的要求，推动了低漏电、高介电常数介质材料的发展。

的发展。

2.4金属材料金属材料有三个功能：

1.形成器件本身的接触线2.形成器件间的互连线3.形成焊盘铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层在VLSI制造中起着重要作用。

这是由于这些金属及合金有着独特的属性。

如对Si及绝缘材料有良好的附着力，高导电率，可塑性，容易制造，并容易与外部连线相连。

纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间的互联线，栅及电容、电感、传输线的电极等。

0.35umCMOS工艺的多层互联线第三章IC制造工艺3.1概述3.2薄膜的制备3.3光刻3.4掺杂集成电路制造工艺图形转换：

图形转换：

将设计在掩膜版将设计在掩膜版（类似于照相底片类似于照相底片）上的图形转移到半导体单晶片上上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：

掺杂：

根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：

制膜：

制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜集成电路制造工艺流程图集成电路制造工艺流程图多晶硅放入坩埚内加热到多晶硅放入坩埚内加热到1440熔化。

为了防止硅在高温下被氧熔化。

为了防止硅在高温下被氧化，坩埚内被抽成真空并注入惰性气体氩气。

之后用纯度化，坩埚内被抽成真空并注入惰性气体氩气。

之后用纯度99.7%的钨丝悬挂的钨丝悬挂“硅籽晶硅籽晶”探入熔融硅中，以探入熔融硅中，以220转转/分钟的转速及分钟的转速及310毫米毫米/分钟的速率从熔液中将单晶硅棒缓慢拉出。

这样就会得分钟的速率从熔液中将单晶硅棒缓慢拉出。

这样就会得到一根纯度极高的单硅晶棒，理论上最大直径可达到一根纯度极高的单硅晶棒，理论上最大直径可达45厘米，最大厘米，最大长度为长度为3米。

米。

3.2光刻技术光刻制造过程中，往往需采用光刻制造过程中，往往需采用20-3020-30道光刻工道光刻工序，现在技术主要采有紫外线序，现在技术主要采有紫外线（包括远紫外线包括远紫外线）为光源的光刻技术。

光刻工序包括翻版图形掩为光源的光刻技术。

光刻工序包括翻版图形掩膜制造，硅基片表面光刻胶的涂敷、曝光、显膜制造，硅基片表面光刻胶的涂敷、曝光、显影、腐蚀、以及光刻胶去除等工序。

影、腐蚀、以及光刻胶去除等工序。

（1）

（1）光刻胶的涂敷光刻胶的涂敷所谓光刻胶，是对光、电子束或所谓光刻胶，是对光、电子束或XX线等敏感，线等敏感，具有在显影液中溶解性的性质，同时具有耐腐具有在显影液中溶解性的性质，同时具有耐腐蚀性的材料。

蚀性的材料。

一般说来，正型胶：

的分辩率高。

一般说来，正型胶：

的分辩率高。

负型胶：

具有高感光度以及和下层的粘接性能负型胶：

具有高感光度以及和下层的粘接性能好等好等特点。

特点。

（2）

（2）曝光曝光根据曝光时掩模的光刻胶的位置关系，可分为根据曝光时掩模的光刻胶的位置关系，可分为接触式曝光、接近式曝光和投影曝光三种。

接触式曝光、接近式曝光和投影曝光三种。

（3）（3）显影显影将显影液全面地喷在光刻胶上，或将曝光将显影液全面地喷在光刻胶上，或将曝光后的样片浸在显影液中几十秒钟，则正型光刻后的样片浸在显影液中几十秒钟，则正型光刻胶的曝光部分胶的曝光部分（或负胶的未曝光部分或负胶的未曝光部分）被溶解。

被溶解。

显影后的图形精度受显影液的浓度，温度以及显影后的图形精度受显影液的浓度，温度以及显影的时间等影响。

显影后用纯水清洗。

显影的时间等影响。

显影后用纯水清洗。

（4）（4）腐蚀腐蚀（etching）（etching）经过上述工序后，以复制到光刻胶上的集经过上述工序后，以复制到光刻胶上的集成电路的图形作为掩模，对下层的材料进行腐成电路的图形作为掩模，对下层的材料进行腐蚀。

腐蚀技术是利用化学腐蚀法把材料的某一蚀。

腐蚀技术是利用化学腐蚀法把材料的某一部分去除的技术。

部分去除的技术。

腐蚀技术分为两大类：

腐蚀技术分为两大类：

湿法腐蚀湿法腐蚀进行腐蚀的化学物质是溶液；进行腐蚀的化学物质是溶液；干法腐蚀干法腐蚀（一般称刻蚀一般称刻蚀）进行的化学物质进行的化学物质是气体。

是气体。

（55）光刻胶的去除）光刻胶的去除经腐蚀完成图形复制以后，再用剥离液去经腐蚀完成图形复制以后，再用剥离液去除光刻胶。

除光刻胶。

3.3.2离子注入离子注入：

将具有很高能量的杂质离子射入半导离子注入：

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能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目子的数目（剂量剂量）决定决定。

离子注入的优点：

离子注入的优点：

掺杂的均匀性好掺杂的均匀性好温度低：

小于温度低：

小于600600可以精确控制杂质分布可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多。

横向扩展比扩散要小得多。

可以对化合物半导体进行掺杂可以对化合物半导体进行掺杂离子注入系统的原理示意图：

离子注入系统的原理示意图：

3.43.4氧化工艺氧化：

制备氧化：

制备Si