微电子学概论全套课件

1、微电子学概论 参考书微电子学概论张兴/黄如/刘晓彦 出版社本课程的目的什么是微电子学和微电子学是研究什么的对微电子学的发展历史、现状和未来有一个比较清晰的认识初步掌握半导体物理、半导体器件物理、集成电路工艺、集成电路设计、集成电路CAD方法、MEMS技术等基本概念，对微电子学的整体有一个比较全面的认识主 要 内 容 微电子技术简介 半导体物理和器件物理基础 大规模集成电路基础 集成电路制造工艺 集成电路设计 集成电路设计的CAD系统 几类重要的特种微电子器件 微机电系统 微电子技术发展的规律和趋势 授课、成绩评定方法 课堂讲授为主 成绩评定方法 期末考试占60% 平时作业占40% 授课教师 :

2、xxx 学习方法注重理解，灵活掌握掌握每堂课的重要知识点加强分析问题、解决问题能力第一章绪 论绪 论什么是微电子学晶体管的发明 集成电路的发展历史集成电路的分类微电子学的特点 信息：客观事物状态和运动特征的一种普遍表现形式 电子学(electronics)：研究信息获取、处理、传输、存储、控制的学科 包括电子电路及系统如何实现电路的功能、性能；如何实现系统功能、性能 电子学微电子学微电子学：Microelectronics微电子学微型电子学核心集成电路分立电路：将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件在电路板上连接起来，实现一定的电路功能不依靠外加电源可独立表现其外特性的元件集成电路：

3、Integrated Circuit (IC) 将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件，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 通过一系列特定的加工工艺来集成封装在一个外壳内执行特定电路功能集成电路微电子学研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化器件、电路及系统的电子学分支学科脱胎于电子学和固体物理学的边缘性的技术学科 与分立电路相比，集成电路的特点尺寸小集成度高批量生产、成本低 可靠性高 集成电路(集成电路块)芯片：chip，die芯片的尺寸很小集成度：一定尺寸的芯片上集成的元器件数目（或者门的数目）内部电路硅单晶片与加工好的硅片硅片：wafer芯片

4、：chip，die集成电路芯片的显微照片集成电路的内部单元64M SDRAM （华虹NEC生产）芯片面积5.899.7=57mm2 ， 456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管 50m100 m头发丝粗细 30m1m 1m(晶体管的大小)3050m(皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较封装好的集成电路集成电路集成电路的内部电路VddABOut集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求 集成电路的设计过程： 设计创意 + 仿真验证集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授是功能要求行为

5、设计（VHDL）行为仿真综合、优化网表时序仿真布局布线版图后仿真否是否否是Sing off设计业制造业芯片制造过程AA75 mm, 100 mm, 50 mmPast300 mm(12)(3, 4, 2)NowPast制造业芯片制造过程AA由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝 光刻 蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次In the futureMaybe no person is necessary!制造业芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝 光刻 蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次AA封装好的集成电路封装与测试业微电子科学技术的战略地位自然界和人

6、类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。微电子：信息社会发展的基石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：ENIAC第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年2月14日Moore School，Univ. of Pennsylvania18,0

7、00个电子管组成大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min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：ENIAC这样的计算机能够进入办公室、车间和家庭？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量 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信息技术的领域信息安全信息管理基础： 软件、 微（纳）电子与光电子关键技术：微（纳）电子与光电子、软件、

8、计算机和通信信息获取信息处理信息传输、交换信息存储信息的随动执行和应用核心和基础：微电子 在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位如果我们不发展集成电路产业IT行业停留在装配业水平上，挣的“辛苦钱”。在国际分工中我们将只能处于低附加值的低端上。所以有人戏称说：“你们说中关村是硅谷，但是一个无“芯”的硅谷，产品不可能有竞争力。”在没有自己集成电路产业的情况下，我们的高新技术的发展命脉掌握在他人手中。当前，微电子产业的发展规模和科学技术水平已成为衡量一个国家综合实力的重要标志。电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Sma

9、rt）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度 数控机床普通机床数字化技术改造价格相差10倍集成电路整机系统高附加值在成长期进入市场，增强市场竞争力微电子对传统产业的渗透与带动作用微电子对国家安全与国防建设的作用武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会： IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战微电子对信息社会的重要性INTERNET基础设施各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线 .路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关 .终端设备：PC、NetPC、WebTV .网络基础软件：TCP/IP、DNS、L

10、DAP、DCE .INTERNET服务信息服务: 极其大量的各种信息交易服务: 高可靠、高保密 .计算服务: “网络就是计算机 !”, “计算机成了网络的外部设备 !”2020年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元（Nikkei Business 1999）微电子产业的战略重要性微电子科学技术的发展历史1947年12月23日第一个晶体管NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain获得1956年Nobel物理奖1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖1959年7月第一块平面单片

11、集成电路：Fairchild公司的Noyce在Si 衬底制备了平面集成电路：氧化物隔离，Al互联Robert N. Noyce微电子发展史上的几个里程碑1962年WanlassCMOS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超过6亿台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欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新第一个CPU：4004不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力集成电路

12、芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍，这就是摩尔定律微电子发展的规律 基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。微电子技术发展的ROADMAP20032001Production ready0.13mGate widthSource: IntelMoores Law Continues to Power the Net200565nm200932nm200

13、745nm70nm30nm20nm15nmRaised Source /Drain30nmSiliconOxideGateHigh-k GateDielectricTerahertz Transistor Structure Fully Depleted Channel90nm0.35m0.25m0.18m199919971995.13mm50nm.20mm.35mm集成电路技术是近50年来发展最快的技术微电子技术的进步按此比率下降，小汽车价格不到1美分From S.M.SZE集成电路分类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按器件结构类型分类双极集成

14、电路：主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高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小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)大规

15、模集成电路(Large Scale IC，LSI)超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI） 基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小 倍。这就是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。微电子技术发展的ROADMAP按结构形式的分类单片集成电路：它是指电路中所有的

16、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按电路功能分类数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，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)转换器等集成电路的分类微电子

17、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。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，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等结

18、束 语结束语5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000石器时代 35000年铜器时代 1800年铁器时代 3200年硅器时代XX 年？3000BC 1200BC 1968结束语2000年：以集成电路为基础的电子信息产业成为世界第一大产业硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素，但它现在已经成为知识创新的载体，价值千金。这是典型的“点石成金”结束语微电子是信息产业的核心和基础，从历史上来说：没有微电子就没有今天的信息社会从目前的状况来说：没有芯片的信息技术是没有心脏的信息技术硅技术至少在今后50年仍然会保持高速发展，目前还看不到能够替代的新技术谢 谢重

19、 点基本概念微电子、集成电路、集成度微电子的战略地位对人类社会的巨大作用集成电路的几种主要分类方法按器件类型按规模一些英文缩写词IC、VLSI、ULSI等作 业简单叙述微电子的作用解释微电子学、集成电路的概念列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用 半导体及其基本特性 固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106104(cm)-1 半导体: 10410-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1？什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制1. 半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构： 构 成 一 个正四面体， 具 有 金 刚 石

20、晶 体 结 构半导体的结合和晶体结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构 原子能级 能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态原 子 能 级 反 成 键 态 成 键 态价带：0K条件下被电子

21、填充的能量最高的能带导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：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半导体的能带结构导 带价 带Eg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有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*4.半导体的掺杂BAs 受 主 掺 杂 施 主 掺 杂施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，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 Si中掺的P 和As 受主：Acceptor，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

22、Si中掺的B施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关5. 本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度 电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p6. 非本征半导体的载流子在非本征情形: 热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n多子：多数载流子n型半导体：电子p型半导体：空穴少子：少数载流子n型半导体：空穴p型半导体：电子7. 电中性条件: 正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Nan

23、型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na8. 过剩载流子 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公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9. 载流子的输运漂移电流迁移率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力 载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动 引 入 迁 移 率 的 概 念 影 响 迁 移 率 的 因 素影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射体现在：温度和掺杂浓度半导体中载

24、流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程 高斯定律 描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决定能带向下弯，静电势增加方程的形式1方程的形式2电荷密度(x)可动的 载流子（n,p)固定的 电离的施主、受主特例：均匀Si中，无外加偏压时，方程RHS0，静电势为常数 电流连续方程 可动载

25、流子的守恒热平衡时：产生率复合率np=ni2电子：空穴 电流密度方程 载流子的输运方程在漂移扩散模型中扩散项漂移项方程形式1爱因斯坦关系波耳兹曼关系方程形式2电子和空穴的准费米势：费米势重 点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合作 业载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。半导体器件物理基础 重 点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电

26、子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成： pn结金属半导体接触 MOS结构 异质结 超晶格半导体器件物理基础PN结的结构1. PN结的形成NP空间电荷区XM空间电荷区耗尽层XNXP空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子2. 平衡的PN结：没有外加偏压能带结构载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势自建场和自建势费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：E=EF时，能级被占据的几率为1

27、/2本征费米能级位于禁带中央自建势qVbi费米能级平直平衡时的能带结构3.正向偏置的PN结情形正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：正向电流电子：P区N区扩散扩散漂移漂移NP正向的PN结电流输运过程电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程4. PN结的反向特性N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散NPN区P区电子：扩散漂移空穴：P区N区扩散漂移反向电流反向偏置时，漂移大于扩散5. PN结的特性单向导电性： 正向偏置 反向偏置正向导通，多数载流子扩散电流反向截止，少数载流子漂移电流正向导通电压Vbi0.7V(Si)反向击穿电压Vrb6. PN结的击穿雪崩击穿齐

28、纳/隧穿击穿7. PN结电容 2.4 双极晶体管1. 双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成：分为：NPN和PNP两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度发射区收集区基区发射结收集结发射极收集极基极双极晶体管的两种形式：NPN和PNPNPNcbecbePNP双极晶体管的结构和版图示意图2.3 NPN晶体管的电流输运机制正常工作时的载流子输运相应的载流子分布NPN晶体管的电流输运NPN晶体管的电流转换电子流空穴流2.3 NPN晶体管的几种组态共基极共发射极共收集极共基极共发射极共收集极NNP晶体管的共收集极接法cbe3. 晶体管的直流特性3.1 共发射极的直流特性曲线三个区域：饱和区放大区截止区

29、3. 晶体管的直流特性3.2 共基极的直流特性曲线4. 晶体管的特性参数4.1 晶体管的电流增益（放大系数共基极直流放大系数和交流放大系数0 、 两者的关系共发射极直流放大系数交流放大系数0、 4. 晶体管的特性参数4.2 晶体管的反向漏电流和击穿电压反向漏电流Icbo：发射极开路时，收集结的反向漏电流Iebo：收集极开路时，发射结的反向漏电流Iceo：基极极开路时，收集极发射极的反向漏电流 晶体管的主要参数之一4. 晶体管的特性参数 （续）4.3 晶体管的击穿电压BVcboBvceoBVeboBVeeo晶体管的重要直流参数之一4. 晶体管的特性参数 （续）4.4 晶体管的频率特性截止频率 f

30、：共基极电流放大系数减小到低频值的 所对应的频率值截止频率f ：特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率5. BJT的特点优点垂直结构与输运时间相关的尺寸由工艺参数决定，与光刻尺寸关系不大易于获得高fT高速应用整个发射结上有电流流过可获得单位面积的大输出电流易于获得大电流大功率应用开态电压VBE与尺寸、工艺无关片间涨落小，可获得小的电压摆幅易于小信号应用模拟电路输入电容由扩散电容决定随工作电流的减小而减小可同时在大或小的电流下工作而无需调整输入电容输入电压直接控制提供输出电流的载流子密度高跨导缺点：存在直流输入电流，基极电流功耗大饱和区中

31、存储电荷上升开关速度慢开态电压无法成为设计参数设计BJT的关键：获得尽可能大的IC和尽可能小的IB当代BJT结构特点：深槽隔离多晶硅发射极 2.5 MOS场效应晶体管 MOS电容结构 MOSFET 器件1. MOS 电容电容的含义MOS结构理想的MOS电容特性非理想的MOS电容特性关于电容平行板电容器+Q-QEd+-V面积A电容C定义为：QVC斜率直流和交流时均成立一 MOS结构交流电容交流电容C定义为：+Q-QEd+-V面积A+Q-QVQVC（V斜率对于理想的交流电容，C与频率无关这里理想指电容中没有能量的耗散：1、忽略金属引线的电阻（超导线2、介质层不吸收能量非理想的电容：CidealRp

32、RS半导体中的电容通常是交流电容例如：突变PN结电容和平行板电容器形式一样+-VP+Nxd偏压改变V未加偏压时的MOS结构MOS 电容的结构MOS电容中三个分离系统的能带图 功函数无偏压时MOS结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲 平带电压平带电压使表面势为0，所需在栅上加的偏压。施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型施加偏压后的不同状态：积累、耗尽、反型MOS场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管 （JFET）金属半导体场效应晶体管 （MESFET） MOS 场效应 晶体管（MOSFET）SGD转移特性曲线提取阈值

33、电压研究亚阈特性长沟MOSFET的输出特性亚0.1微米MOSFET器件的发展趋势N+ (P+)N+ (P+)P (N)Source Gate DrainN+(P+)作业描述二极管的工作机理讨论PNP双极晶体管的工作原理作业简单叙述PMOS晶体管的开关原理大规模集成电路基础 3. 1半导体集成电路概述集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片（Chip, Die）硅片（Wafer）集成电路的成品率：Y=硅片上好的芯片数硅片上总的芯片数100%成品率的检测，决定工艺的稳定性，成品率对集成电路厂家很重要集成电路发展的原动力：不断提高的性能/价格比集成电路发展的特点：性能提高、价格降低

34、集成电路的性能指标： 集成度 速度、功耗 特征尺寸 可靠性主要途径：缩小器件的特征尺寸 增大硅片面积功耗 延迟积集成电路的关键技术：光刻技术(DUV)缩小尺寸：0.250.18mm增大硅片：8英寸12英寸亚0.1mm：一系列的挑战，亚50nm：关键问题尚未解决新的光刻技术： EUV SCAPEL(Bell Lab.的E-Beam) X-ray集成电路的制造过程： 设计 工艺加工 测试 封装定义电路的输入输出（电路指标、性能）原理电路设计电路模拟(SPICE)布局(Layout)考虑寄生因素后的再模拟原型电路制备测试、评测产品工艺问题定义问题不符合不符合集成电路产业的发展趋势：独立的设计公司（D

35、esign House）独立的制造厂家（标准的Foundary）集成电路类型：数字集成电路、模拟集成电路数字集成电路基本单元：开关管、反相器、组合逻辑门模拟集成电路基本单元：放大器、电流源、电流镜、转换器等3.2 双极集成电路基础有源元件：双极晶体管无源元件：电阻、电容、电感等n双极数字集成电路基本单元：逻辑门电路双极逻辑门电路类型：电阻-晶体管逻辑 (RTL)二极管-晶体管逻辑 (DTL)晶体管-晶体管逻辑 (TTL)集成注入逻辑 (I2L)发射极耦合逻辑 (ECL)双极模拟集成电路一般分为：线性电路（输入与输出呈线性关系）非线性电路接口电路：如A/D、D/A、电平位移电路等3.3 MOS集

36、成电路基础基本电路结构：MOS器件结构基本电路结构：CMOS基本电路结构：CMOSMOS集成电路数字集成电路、模拟集成电路MOS 数字集成电路基本电路单元： CMOS开关 CMOS反相器INOUTCMOS开关WWVDDINOUTCMOS反相器VDDYA1A2与非门：Y=A1A2集成电路的内部单元3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势有源器件无源器件隔离区互连线钝化保护层寄生效应：电容、有源器件、电阻、电感3.4 影响集成电路性能的因素和发展趋势器件的门延迟： 迁移率 沟道长度电路的互连延迟： 线电阻（线尺寸、电阻率） 线电容（介电常数、面积）途径：提高迁移率，如GeSi材料减小沟道长度互连的

37、类别：芯片内互连、芯片间互连 长线互连(Global) 中等线互连 短线互连(Local)门延迟时间与沟到长度的关系减小互连的途径： 增加互连层数 增大互连线截面 Cu互连、Low K介质 多芯片模块（MCM） 系统芯片（System on a chip）减小特征尺寸、提高集成度、Cu互连、系统优化设计、SOC集成电路芯片中金属互连线所占的面积与电路规模的关系曲线 互连线宽与互连线延迟的关系互连技术与器件特征尺寸的缩小（资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998）集成电路中的材料小结：Bipolar：基区(Base)，基区宽度Wb发射区(Emitter)收集区(C

38、ollector)NPN，PNP共发射极特性曲线放大倍数、特征频率fT小结：MOS沟道区(Channel)，沟道长度L，沟道宽度W栅极(Gate)源区/源极(Source)漏区/漏极(Drain)NMOS、PMOS、CMOS阈值电压Vt，击穿电压特性曲线、转移特性曲线泄漏电流(截止电流)、驱动电流(导通电流)小结：器件结构双极器件的纵向截面结构、俯视结构CMOS器件的纵向截面结构、俯视结构CMOS反相器的工作原理IC：有源器件、无源器件、隔离区、互连线、钝化保护层作 业画出CMOS反相器的截面图和俯视图画出双极晶体管的截面图和俯视图集成电路制造工艺 集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测

39、单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试 系统需求集成电路的设计过程： 设计创意 + 仿真验证集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化网表时序仿真布局布线版图后仿真否是否否是Sing off设计业制造业芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝 光刻 蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次AA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

40、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：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶图形转换：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三种光刻方式光刻胶掩膜版光

41、学系统光源硅片接触式接近式投影式图形转换：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，

42、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、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高密度等离子体源反应离子刻蚀(ECR、ICP)：化学物理作用结合 化学刻蚀基本反应式：M+YF(Plasma)MFxM+YCl(Plasma)MClxM+YBr(Plasma)MBrx 干法刻

43、蚀的特点：物理作用和化学作用相结合的过程刻蚀的各向异性性选择刻蚀性 物理刻蚀的特点：各向异性好对被刻蚀材料适用性好选择性差刻蚀速率低离子对表面损伤大化学刻蚀的特点：刻蚀速率高各向异性不好选择性好离子损伤小对被刻蚀材料适用性差 化学物理刻蚀相结合：合理好的选择性和对材料的适用性各向异性性好中等的离子损伤 Electron Cyclotron Resonance Plasma Etchers (ECR)在磁场存在的条件下，利用微波激发产生高密度的plasma。原理：电子在Lorentz力的作用下，产生回旋运动，当回旋频率与微波频率相同时，发生电子运动和电磁场的共振耦合，导致plasma高的离子化。

44、特点：电子被加速从plasma源中分离在Wafer方向产生负电势离子通过单极扩散从源区进入Wafer加工室Wafer上加rf或dc偏压来控制离子能量单极扩散和镜象磁场作用使得plasma的均匀性受到限制，但可通过多极磁槽(bucket)得到改善 Inductively Coupled Plasma Etchers, ICP)在低压力下可产生高密度的plasma源，同时离子流密度、能量等可独立调节，而且较ECR简单，符合ULSI技术的主流刻蚀技术的要求和发展方向 刻蚀技术的发展趋势在刻蚀技术方面，将普遍使用由电感耦合(ICP)或电子回旋共振(ECR)方法形成的低压、高密度的等离子体源作为反应刻蚀

45、剂。目前普遍采用的刻蚀气体主要是卤族基的刻蚀气体，对环境有污染。从环境保护的角度，未来将发展环保型的干法刻蚀技术，即研究开发和采用对环境无害的刻蚀气体，形成可以自行分解的对环境无害的刻蚀产物，对刻蚀技术发展的方向的新要求。杂质掺杂掺杂：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

46、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个数量级杂质横向扩散示意图固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等利用液态源进行扩散的装置示意图离子注入离子注入：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离子注入系统的原理示意图离子注入到无定形靶中的高斯分布情况退 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

47、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)氧化工艺氧化：制备SiO2层SiO2的性质及其作用SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应氧化硅层的主要作用在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的组成部分扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层作为集成电路的隔离介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为对器件和

48、电路进行钝化的钝化层材料SiO2的制备方法热氧化法干氧氧化水蒸汽氧化湿氧氧化干氧湿氧干氧(简称干湿干)氧化法氢氧合成氧化化学气相淀积法热分解淀积法溅射法进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等化学汽相淀积(CVD)常压化学汽

49、相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积(PECVD)APCVD反应器的结构示意图 LPCVD反应器的结构示意图平行板型PECVD反应器的结构示意图化学汽相淀积(CVD)单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源 低温CVD氧化层：低于500中等温度淀积：500800高温淀积：900左右化学汽相淀积(CVD)多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅

50、极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。氮化硅的化学汽相淀积：中等温度(780820)的LPCVD或低温(300) PECVD方法淀积物理气相淀积(PVD)蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上蒸发原理图集成电路工艺图形转换：光刻：接

51、触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀掺杂：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、溅射作 业集成电路工艺主要分为哪几大类，每一类中包括哪些主要工艺，并简述各工艺的主要作用简述光刻的工艺过程集成电路制造工艺 CMOS集成电路制造工艺形成N阱初始氧化淀积氮化硅层光刻1版，定义出N阱反应离子刻蚀氮化硅层N阱离子注入，注磷形成P阱去掉光刻胶在N阱区生长厚氧化层，其它区域被氮化硅层保护而不会被氧化去掉氮化硅层 P阱离子注入，注硼推阱去掉N阱区的氧化层退火驱入形成场隔离区生长一层薄氧化层淀积一层氮化硅光刻场隔离区，

52、非隔离区被光刻胶保护起来反应离子刻蚀氮化硅场区离子注入去胶热生长厚的场氧化层去掉氮化硅层形成多晶硅栅 生长栅氧化层 淀积多晶硅离子注入：磷 光刻多晶硅栅 刻蚀多晶硅栅 形成硅化物淀积氧化层反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层淀积难熔金属Ti或Co等低温退火，形成C-47相的TiSi2或CoSi去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或Co高温退火，形成低阻稳定的TiSi2或CoSi2形成N管源漏区光刻，利用光刻胶将PMOS区保护起来离子注入磷或砷，形成N管源漏区形成P管源漏区光刻，利用光刻胶将NMOS区保护起来离子注入硼，形成P管源漏区形成接触孔 化学气相淀积磷硅玻璃层退火和致密光刻接触孔版反应离子

53、刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔形成第一层金属淀积金属钨(W)，形成钨塞形成第一层金属淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等光刻第一层金属版，定义出连线图形反应离子刻蚀金属层，形成互连图形形成穿通接触孔化学气相淀积PETEOS通过化学机械抛光进行平坦化光刻穿通接触孔版反应离子刻蚀绝缘层，形成穿通接触孔形成第二层金属淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等光刻第二层金属版，定义出连线图形反应离子刻蚀，形成第二层金属互连图形合金 形成钝化层 在低温条件下(小于300)淀积氮化硅 光刻钝化版 刻蚀氮化硅，形成钝化图形测试、封装，完成集成电路的制造工艺CMOS集成电路一般采用(100)晶向的

54、硅材料集成电路芯片的显微照片双极集成电路制造工艺制作埋层初始氧化，热生长厚度约为5001000nm的氧化层光刻1#版(埋层版)，利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氧化层刻蚀掉，并去掉光刻胶进行大剂量As+注入并退火，形成n+埋层双极集成电路工艺生长n型外延层利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层将硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚度和掺杂浓度一般由器件的用途决定形成横向氧化物隔离区热生长一层薄氧化层，厚度约50nm淀积一层氮化硅，厚度约100nm光刻2#版(场区隔离版形成横向氧化物隔离区利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氮化硅层-氧化层以及一半的外延硅层刻蚀掉进行硼离子注入形成横向氧化物隔离区去掉光

55、刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成厚的场氧化层隔离区去掉氮化硅层形成基区光刻3#版(基区版)，利用光刻胶将收集区遮挡住，暴露出基区基区离子注入硼形成接触孔：光刻4#版(基区接触孔版)进行大剂量硼离子注入刻蚀掉接触孔中的氧化层形成发射区光刻5#版(发射区版)，利用光刻胶将基极接触孔保护起来，暴露出发射极和集电极接触孔进行低能量、高剂量的砷离子注入，形成发射区和集电区金属化淀积金属，一般是铝或Al-Si、Pt-Si合金等光刻6#版(连线版)，形成金属互连线合金：使Al与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触，一般是在450、N2-H2气氛下处理2030分钟形成钝化层在低温条件下(小于300)淀积氮化硅光刻7

56、#版(钝化版)刻蚀氮化硅，形成钝化图形隔离技术PN结隔离场区隔离绝缘介质隔离沟槽隔离PN结隔离工艺绝缘介质隔离工艺LOCOS隔离工艺LOCOS隔离工艺沟槽隔离工艺接触与互连Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料, 但Al连线也存在一些比较严重的问题电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等Cu连线工艺有望从根本上解决该问题IBM、Motorola等已经开发成功目前，互连线已经占到芯片总面积的7080%；且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加几个概念场区有源区栅结构材料Al-二氧化硅结构多晶硅-二氧化硅结构难熔金属硅化物/多晶硅-二氧化硅结构Salicide工艺淀积多晶硅、刻蚀并形成侧壁氧化层；淀

57、积Ti或Co等难熔金属RTP并选择腐蚀侧壁氧化层上的金属；最后形成Salicide结构集成电路封装工艺流程集成电路芯片的显微照片各种封装类型示意图 集成电路工艺小结前工序图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术薄膜制备技术：主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发) 等掺杂技术：主要包括扩散和离子注入等技术 集成电路工艺小结后工序划片封装测试老化筛选 集成电路工艺小结辅助工序超净厂房技术超纯水、高纯气体制备技术光刻掩膜版制备技术材料准备技术作 业设计制备NMOSFET的工艺，并画出流程图写一篇对本课程感想的小论文集成电路设计 集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、

58、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求 集成电路的设计过程: 设计创意 + 仿真验证集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化网表时序仿真布局布线版图后仿真否是否否是Sing off设计业引 言半导体器件物理基础：包括PN结的物理机制、双极管、MOS管的工作原理等 器件 小规模电路 大规模电路 超大规模电路 甚大规模电路电路的制备工艺：光刻、刻蚀、氧化、离子注入、扩散、化学气相淀积、金属蒸发或溅射、封装等工序 集成电路设计：另一重要环节，最能反映人的能动性 结合具体的电路，具体的系统，设计出各种各样的电路掌握正确的设计方法，可以以不变应万变

59、，随着电路规模的增大，计算机辅助设计手段在集成电路设计中起着越来越重要的作用引 言 什么是集成电路？(相对分立器件组成的电路而言) 把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在单个芯片上，整个电路就在这个芯片上，把这个芯片放到管壳中进行封装，电路与外部的连接靠引脚完成。什么是集成电路设计？ 根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的集成电路。 设计的基本过程 （举例） 功能设计 逻辑和电路设计 版图设计集成电路设计的最终输出是掩膜版图，通过制版和工艺流片可以得到所需的

60、集成电路。 设计与制备之间的接口：版图主要内容 IC设计特点及设计信息描述 典型设计流程 典型的布图设计方法及可测性设计技术设计特点和设计信息描述 设计特点(与分立电路相比) 对设计正确性提出更为严格的要求 测试问题 版图设计：布局布线 分层分级设计(Hierarchical design)和模块化设计 高度复杂电路系统的要求 什么是分层分级设计？ 将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。一般来说，级别越高，抽象程度