第1章 半导体 概述

1、1第一章第一章 概述概述 一、集成电路的发展历程一、集成电路的发展历程 集成电路的由来集成电路的由来 摩尔定律之路摩尔定律之路二、集成电路的分类二、集成电路的分类 按器件导电类型分类按器件导电类型分类 按器件功能分类按器件功能分类三、集成电路工艺基础三、集成电路工艺基础 集成电路的材料集成电路的材料 集成电路工艺基础集成电路工艺基础四、集成电路的生产环境四、集成电路的生产环境2集成电路集成电路 集成电路，就是在一块半导体单晶片上，通过一系列集成电路，就是在一块半导体单晶片上，通过一系列特定的加工工艺，制作出许多晶体管、二极管等有源器件特定的加工工艺，制作出许多晶体管、二极管等有源器件和电阻、电

2、容等无源器件，并按照一定的电路互连关系和电阻、电容等无源器件，并按照一定的电路互连关系“组装组装”起来，封装在一个外壳内，执行特定的电路或系起来，封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。这种新型电子器件在体积、重量、耗电、寿命、统功能。这种新型电子器件在体积、重量、耗电、寿命、可靠性和电性能等方面均优于传统的半导体分立元件电路。可靠性和电性能等方面均优于传统的半导体分立元件电路。3 1958年，以美国德克萨斯仪器公司的年，以美国德克萨斯仪器公司的Kilby为首的研为首的研究小组研制成第一个集成电路。究小组研制成第一个集成电路。4摩尔定律摩尔定律 1965年，年，Intel公司的摩尔（公司的

3、摩尔（Moore）通过对过去近）通过对过去近十年集成电路发展的总结，提出了著名的摩尔定律，即集成十年集成电路发展的总结，提出了著名的摩尔定律，即集成电路芯片的集成度每电路芯片的集成度每18个月就会扩大一倍，特征尺寸缩小个月就会扩大一倍，特征尺寸缩小 倍，价格每两年下降一半。倍，价格每两年下降一半。 25集成电路的发展趋势集成电路的发展趋势 特征尺寸越来越小；特征尺寸越来越小； 晶圆尺寸越来越大；晶圆尺寸越来越大； 芯片上的晶体管数越来越多；芯片上的晶体管数越来越多； 时钟频率越来越高；时钟频率越来越高； 电源电压越来越低；电源电压越来越低； 布线层数越来越多；布线层数越来越多； 输入输入/输出

4、（输出（I/O）引脚越来越多。）引脚越来越多。6 发展阶段发展阶段主要特征主要特征199019971999200120032006晶体管数晶体管数/芯片芯片10610711106211064010676106200106线宽（线宽（m）10.250.180.150.130.1时钟频率（时钟频率（MHz）757501200140016002000芯片面积（芯片面积（mm2）50100300385430520620金属布线层次金属布线层次6677778DRAM容量容量256M1G14G4G16G工作电压（工作电压（V）1.82.51.21.81.21.51.21.50.91.2晶圆直径晶圆直径mm

5、/英寸英寸150/6200/8 300/12300/12300/12300/12特征参数特征参数7集成电路按类型分类按功能分类双极型MOS型BiMOS型数字电路模拟电路、PMOS NMOS CMOS组合逻辑电路时序逻辑电路线性电路非线性电路、BiMOS BiCMOS、TTL I2、L ECL集成电路的分类集成电路的分类8类别类别数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路MOS IC双极双极 ICSSI1001002000300ULSI100000001000000000GSI1000000000按照集成度分类按照集成度分类9集成电路的材料集成电路的材料 1.半导体半导体 集成电路是制作在

6、半导体衬底材料之上的，而且集成电集成电路是制作在半导体衬底材料之上的，而且集成电路中的基本元件也是依据半导体材料的特性制成的：路中的基本元件也是依据半导体材料的特性制成的： 通过掺入杂质，可以显著改变半导体的导电性能；通过掺入杂质，可以显著改变半导体的导电性能； 当半导体受到外界热刺激时，其导电能力将发生显著变当半导体受到外界热刺激时，其导电能力将发生显著变化；化； 光也可改变半导体的电导率，通常称之为半导体的光电光也可改变半导体的电导率，通常称之为半导体的光电效应。效应。102.绝缘体绝缘体 绝缘材料也是不可缺少的，用于元件之间、有源层及导绝缘材料也是不可缺少的，用于元件之间、有源层及导线层

7、之间的绝缘，以实现它们之间的电气隔离；在线层之间的绝缘，以实现它们之间的电气隔离；在MOS器器件里，栅极与沟道之间的绝缘更是必不可少；充当离子注入件里，栅极与沟道之间的绝缘更是必不可少；充当离子注入及热扩散的掩膜，作为钝化层，保护器件不受外界影响等作及热扩散的掩膜，作为钝化层，保护器件不受外界影响等作用。用。 集成电路中常用的绝缘材料有二氧化硅、氮氧化硅和氮集成电路中常用的绝缘材料有二氧化硅、氮氧化硅和氮化硅等。化硅等。113.金属金属 金属材料在集成电路中主要用于形成器件内部的接触以金属材料在集成电路中主要用于形成器件内部的接触以及器件之间的互连线。某些金属和高度掺杂的半导体材料之及器件之间

8、的互连线。某些金属和高度掺杂的半导体材料之间可以形成良好的接触，接触面的电阻远小于半导体材料本间可以形成良好的接触，接触面的电阻远小于半导体材料本身的电阻，称为欧姆接触。集成电路中常用的金属材料有铝、身的电阻，称为欧姆接触。集成电路中常用的金属材料有铝、金、钨、铜等。金、钨、铜等。 4.多晶硅（多晶硅（Polysilicon） 多晶硅本身是半绝缘的，掺入杂质后可以变为导体。它多晶硅本身是半绝缘的，掺入杂质后可以变为导体。它可以用来制作栅极、源极与漏极（或基区与发射区）的电可以用来制作栅极、源极与漏极（或基区与发射区）的电 极、基本连线，也可以用来制作电阻。极、基本连线，也可以用来制作电阻。 1

9、2集成电路工艺基础集成电路工艺基础 从晶圆到集成电路成品大约需要经过数百道工序，这些从晶圆到集成电路成品大约需要经过数百道工序，这些工序可大致分为以下三类：工序可大致分为以下三类： 1、图形转换：通过曝光（、图形转换：通过曝光（Lithography）和刻蚀）和刻蚀（Etching），将掩膜版（类似于照相底片）上的图形转），将掩膜版（类似于照相底片）上的图形转移到半导体单晶片上。移到半导体单晶片上。 2、掺杂：通过扩散（、掺杂：通过扩散（Diffusion）或离子注入）或离子注入（Implantation），将各种杂质按照设计要求，注入到），将各种杂质按照设计要求，注入到硅晶片的特定位置上，形

10、成晶体管、接触等。硅晶片的特定位置上，形成晶体管、接触等。13 3、制膜：通过氧化或汽相淀积的方法，制造各种材料的、制膜：通过氧化或汽相淀积的方法，制造各种材料的薄膜。薄膜。 这些工序要反复进行几十次，如这些工序要反复进行几十次，如Pentium 4 CPU要要经过经过26道光刻工序，每次需要使用不同的掩膜，再加上掺道光刻工序，每次需要使用不同的掩膜，再加上掺杂以及金属镀膜等很多处理步骤，一个杂以及金属镀膜等很多处理步骤，一个CPU制造工序达数制造工序达数百道。百道。14晶圆通过氧化、淀积、外延生长形成新的膜层通过光刻形成设计图形通过离子注入、扩散掺入杂质晶圆检测封装测试使用掩膜集成电路制造工

11、艺流程集成电路制造工艺流程15集成电路的生产环境集成电路的生产环境 在集成电路的生产过程中必须严格控制微粒的导入、在集成电路的生产过程中必须严格控制微粒的导入、产生和滞留。不同类型的产品，在不同的工序中，对洁净产生和滞留。不同类型的产品，在不同的工序中，对洁净等级有不同的要求。洁净等级是按单位体积空气中，粒径等级有不同的要求。洁净等级是按单位体积空气中，粒径在在0.15m范围的悬浮微粒数来划分的。范围的悬浮微粒数来划分的。16洁净等级每立方米（m3）中微粒的最大允许数0.1m0.2m0.3m0.5m1m5mISO1102ISO210026104ISO31000265106358ISO410,0

12、002650106035383ISO5100,00026,50010,600353083229ISO61,000,000265,000106,00035,3008320293ISO7353,00083,2002930ISO83,530,000832,00029,300ISO935,300,0008,320,000293,000ISO14664-1标准对洁净等级作了如上规定标准对洁净等级作了如上规定17洁净室（） 作业区 缓冲区更衣换鞋更洁净服风淋室门厅排水排气处理去离子水氮气等净化空调机组制品材料作业人员缓冲区洁净室净化流程洁净室净化流程18芯芯片片制制造造车车间间19 为了营造合格的生产环境

13、，除了空气洁净度要求外，还为了营造合格的生产环境，除了空气洁净度要求外，还要采用很多相关的技术与管理办法：要采用很多相关的技术与管理办法： 所有气流方向均以由上往下为主，尽量减少突兀的室内所有气流方向均以由上往下为主，尽量减少突兀的室内空间设计或机台摆放，使粉尘在洁净室内回旋停滞的机会与空间设计或机台摆放，使粉尘在洁净室内回旋停滞的机会与时间减至最低程度；时间减至最低程度； 所有材料均以不易产生静电的材质为主，并采用各种静所有材料均以不易产生静电的材质为主，并采用各种静电防护措施；电防护措施； 水的使用也只限于去离子水。一则防止水中微粒污染晶水的使用也只限于去离子水。一则防止水中微粒污染晶20圆，二则防止水