现代半导体器件物理与工艺(全套ppt课件)-上

现代半导体器件物现代半导体器件物理与工艺理与工艺概概 论论Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices现代半导体器件物理与工艺概 论Physics and Te课程概论课程概论q课程名：现代半导体器件物理与工艺q学分学分：4 q时间：秋季学期1-16周q先修先修课程程：l固体物理学固体物理学l半半导体物理体物理 l热力学与力学与统计物理学物理学l量子力学量子力学l模模拟电子技子技术基基础l数字数字电子技子技术基基础课程概论课程名：现代半导体器件物理与工艺学习目标学习目标掌握半导体物理基本理论q掌握基本器件物理知识q掌握IC制造工艺知识qPspice建模q了解什么是微电子学和研究什么方面q了解微电子学的过去、现状和未来q初步了解集成电路设计、集成电路CAD方法等基本概念学习目标掌握半导体物理基本理论教材和参考资料教材和参考资料q半半导体器件物理与工体器件物理与工艺施敏施敏苏州大学出版社州大学出版社q半导体制造技术Michael Quirk et al.电子工业出版社q微电子学概论 张兴 北京大学出版社q固体物理黄昆高等教育出版社qHandbook of Semiconductor Fabrication TechnologyNew York:Marcel Dekker,c2000 q半导体中的杂质深能级 A.G.米尔恩斯 科学出版社q以及其他的papers、conferences、handouts教材和参考资料半导体器件物理与工艺施敏苏州大学出版社成绩考核成绩考核&致谢致谢q课程考核l平时实验：20l课外阅读：20l期末考试：60%q致谢l承蒙参考书目、论文为课件提供了理论l承蒙许多网站提供了各种资料l承蒙其他课件各种提供q声明l此课件仅仅用于课堂教学，不得用于其他商业用途成绩考核&致谢课程考核课程内容课程内容q概论Introduction q第一部分半导体物理 Semiconductor Physicsq第二部分半导体器件Semiconductor Devices课程内容概论Introduction 第一部分第一部分 半导体物理半导体物理q概述Introductionq第一章 热平衡时的能带和载流子浓度Band Level and Carriers density in Thermal Equilibriumq第二章 载流子输送现象 Carriers Transport Phenomena第一部分 半导体物理概述Introduction第二部分第二部分 半导体器件半导体器件q第四章 p-n结PN Junctionq第五章 双极型晶体管及相关器件Bipolar Junction Transistor&Related Devicesq第六章 MOSFET及相关器件Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor&Related Devicesq第七章 MESFET及相关器件Metal Semiconductor Field Effect Transistor&Related Devicesq第八章 微波二极管、量子效应和热电器件Microwave Diode,Quantum Effect&Pyroelectric Devicesq第九章 光电器件Photoelectric Devices第二部分 半导体器件第四章 p-n结PN Junc第三部分第三部分 半导体工艺半导体工艺q半半导体体产业介介绍q硅片制作中的沾硅片制作中的沾污控制控制q测量学和缺陷量学和缺陷检查q晶体生晶体生长和外延和外延q薄膜淀薄膜淀积q图形曝光与光刻形曝光与光刻q杂质掺杂第三部分 半导体工艺半导体产业介绍半导体器件物理研究什么？半导体器件物理研究什么？研究半导体器件中电子或空穴的运动规律电子或空穴的运动规律，如何通过“能带裁剪工能带裁剪工程程“(构造特定形状的势垒结构势垒结构)来控制载流子(电子、空穴)的运动，使其载流子的运动行为满足特定的要求满足特定的要求。以及在在不同器件结构下，研究其不同方面的电性能和光性能电性能和光性能。半导体器件物理研究什么？研究半导体器件中电子为什么要学习该课程？为什么要学习该课程？身为一个应用物理、电机工程、电子工程或材料科学领域的学生，你可能会自问:为什么要学习这为什么要学习这门课程？门课程？为什么要学习该课程？身为一个应用物理、电机工理由很简单理由很简单 自从1998年以来，电子工业是世界上规模最大的工业，其全球销售量超过一万亿美元。而半导体器件正是此工业的基础。另外，要更深入地了解电子学的相关课程，拥有半导体器件的最基本的知识是必要的，它也可以使你对现代这个由电子技术发展而来的信息时代有所贡献。19802000年的全球国民生产总值（WGP）及电子、汽车、半导体和钢铁工业的销售量，并外插此曲线到2010年止 理由很简单 自从1998年以来，电子工业是世界半导体工业的核心是什么？半导体工业的核心是什么？从上图中可以得知：电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速发展依赖于半导体工业的快速提高，而在半导体工业中其核心是集成电路（电集成、光集成、光电集成电集成、光集成、光电集成），集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速发展是以半导体物理、半导体器件、半导体制造工艺的发展为基础的。核心是：集成电路集成电路【Integrated Circuit：IC】通过一系列特定的平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连关系，“集成”在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂电子系统。半导体器件物理为其提供了基础知识，是半导体工业的发展平台。半导体工业的核心是什么？从上图中可以得知：核心是：集成电路【ICIC的战略地位的战略地位集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系。进入信息化社会的判据：半导体产值占工农业总产值的0.5%。IC的战略地位集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食据美国半导体协会（据美国半导体协会（SIASIA）预测）预测 电子信息服务业电子信息服务业 30万亿美元万亿美元相当于相当于1997年全世界年全世界GDP总总和和电子装备电子装备 6-8万亿元万亿元集成电路产值集成电路产值1万亿美元万亿美元GDP50万亿美元万亿美元2012年年据美国半导体协会（SIA）预测 2012年世界世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：ICE商业部）商业部）世界GDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：IC两个列子两个列子1985-1990年间世界半导体商品市场份额年间世界半导体商品市场份额日本公司日本公司美国公司美国公司39%37.9%51.4%50%人均人均IC产值年增长率产值年增长率 人均电子工业年增长率人均电子工业年增长率 人均人均GNP年增长率年增长率 日本日本美国美国 日本日本美国美国 日本日本美国美国2.2%1.1%0.1%80年代后期年代后期-90年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产年代初美国采取了一系列增强微电子技术创新和集成电路产业发展的措施，重新夺回领先地位。业发展的措施，重新夺回领先地位。90年代以来美国经济保持持续高速增年代以来美国经济保持持续高速增长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。长主要得益于信息产业的发展，而其基础是集成电路产业与技术创新。两个列子1985-1990年间世界半导体商品市场份额日本公司90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。市场变化市场变化日本市场缩减日本市场缩减市场份额90年代日本经济萧条的同时，集成电路市场份额严重下降。市场变中国台湾地区60年代后期人均年代后期人均GDP200-300美元美元（1967年为年为267美元）美元）70-80年代大力发展集成电路产业年代大力发展集成电路产业90年代年代IT业高速发展业高速发展97年人均年人均GDP=13559美元美元中国台湾地区60年代后期人均GDP200-300美元70-中国IT企业与Intel公司利润的比较同同样样，TI公公司司的的技技术术创创新新，数数字字信信号号处处理理器器（DSP）使使它它的的利利润润率率比比诺基亚高出诺基亚高出10个百分点。个百分点。中国IT企业与Intel公司利润的比较同样，TI公司的技术创q几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春；q全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年)；q固体照明工程，对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节q省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年)。微电子对传统产业的渗透与带动作用几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改对国家安全与国防建设的作用对国家安全与国防建设的作用q 在农业社会：大刀长矛等冷兵器；q 在工业化社会：枪、炮等热兵器q 信息化社会：IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战。对国家安全与国防建设的作用 在农业社会：大刀长矛等冷兵器；对信息社会的重要性对信息社会的重要性qInternet基础设施l 各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线.l 路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关.l终端设备：PC、NetPC、WebTV.l网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE.qInternet服务l 信息服务:极其大量的各种信息l 交易服务:高可靠、高保密.l 计算服务:“网络对信息社会的重要性Internet基础设施微电子产业的战略重要性微电子产业的战略重要性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）是否回答你的疑问？是否回答你的疑问？微电子产业的战略重要性2020年世界最大的30个市场领域：其器件的基础结构器件的基础结构人类研究半导体器件已经超过125年，迄今大约有60种主要的器件以及100种和主要器件相关的变异器件。但所有这些器件均可由几种基本器件结构所组成。金属-半导体用来做整流接触，欧姆接触；利用整流接触当作栅极、利用欧姆接触作漏极(drain)和源极(source)。p-n结是半导体器件的关键基础结构，其理论是半导体器件物理的基础。可以形成p-n-p双极型晶体管，形成p-n-p-n结构的可控硅器件。器件的基础结构人类研究半导体器件已经超过125年，迄今大约有异质结是快速器件和光电器件的关键构成要素。用MOS结构当作栅极，再用两个p-n结分别当作漏极和源极，就可以制作出MOFET。异质结是快速器件和光电用MOS结构当作栅极，再用两晶体管的发明晶体管的发明q1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain。qBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。q1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。晶体管的发明1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究集成电路的发明集成电路的发明q1952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。q1958年以（德州仪器公司）TI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。qIntle公司德诺宜斯（Robert Noyce）同时间发明了IC的单晶制造概念。Robert Noyce(Intel)Clair Kilby(TI)集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.D其他的重要里程碑其他的重要里程碑q布朗(Braun)在1874年发现金属和金属硫化物(如铜铁矿，copper pyrite)接触的阻值和外加 电压的大小及方向有关。q在1907年，朗德(Round)发现了电致发光效应(即发光二极管，1ight-emitting diode，LED)，观察到当在碳化硅晶体两端外加10V的电压时，晶体会发出淡黄色的光。q1952年伊伯斯(Ebers)为复杂的开关器件可控硅器件(thyristor)提出了一个基本的模型。q以硅pn结制成的太阳能电池(solar cell)则在1954年被阕平(Chapin)等人发明。太阳能电池是目前获得太阳能最主要的技术之一，它可以将太阳光直接转换成电能。q1957年，克罗马(Kroemer)提出了用异质结双极型晶体管(heterjunction bipolar transistor，HBT)来改善晶体管的特性，这种器件有可能成为更快的半导体器件。其他的重要里程碑布朗(Braun)在1874年发现金属和金属其他的重要里程碑（续）其他的重要里程碑（续）q1958年江崎(Esaki)则观察到重掺杂(heavily doped)的p-n结具有负电阻的特性，此发现促成了隧道二极管(tunnel diode，或穿透二极管)的问世隧道二极管以及所谓的隧穿现象(tunneling phenomenon，或穿透现象)对薄膜间的欧姆接触或载流子穿透理论有很大贡献。q1960年由姜(Kahng)及亚特拉(Atalla)发明的MOSFET，是先进集成电路最重要的器件。q1962年霍尔(HalI)等人第一次用半导体做出了激光(1aser)。q1963年克罗马(Kroemer)、阿法罗(Alferov)和卡查雷挪(Kazarinov)发表了异质结构激光(heterostructure laser)，奠定了现代激光二极管的基础，使激光可以在室温下连续工作。其他的重要里程碑（续）1958年江崎(Esaki)则观察到重其他的重要里程碑（续）其他的重要里程碑（续）q1963年冈(Gunn)提出的转移电子二极管(transferred-electron diode，TED)，又称为冈二极管(Gunn diode)，被广泛应用到侦测系统、远程控制和微波测试仪器。q姜士敦(Johnston)等人发明的碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATT diode）,是目前可以在毫米波频率下产生最高连续波（continuous wave,CW）功率器件。q1966年由密德（Mead）发明金半场效应晶体管（MESFET），并成为单片微波集成电路monolitl ic microwave integrate circuit,MMIC）的关键器件。三种重要的微波器件相继被发明制造出来：其他的重要里程碑（续）1963年冈(Gunn)提出的转移电子其他的重要里程碑（续）其他的重要里程碑（续）q1967年姜(Kahng)和施敏发明了一种非挥发性半导体存储器(nonvolatile semiconductor memory，NVSM)，可以在电源关掉以后，仍然保持其储存的信息。成为应用于便携式电子系统如手机、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器。q1970年波意尔(Boyle)和史密斯(Smith)发明电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)它被大量地用于手提式摄像机(vide camera)和光检测系统上。q1974年张立纲等明了共振式隧道二极管(resonant tunneling diode，RTD)，它是大部分量子效应(quantum-effect)器件的基础量子效应器件因为可以在特定电路功能下，大量地减少器件数量，所以具有超高密集度、超高速及更强的功能q1980年，Minura等人发明了调制掺杂场效应晶体管(modulation-doped field-effect transistor，MODFET)，如果选择适当的异质结材料，这将会是更快速的场效应晶体管。其他的重要里程碑（续）1967年姜(Kahng)和施敏发明了主要半导体器件列表主要半导体器件列表了解了多少？了解了多少？主要半导体器件列表了解了多少？计算机的发展历史计算机的发展历史第一台计算机1832The Babbage Difference Engine25,000个元件费用：7,470$计算机的发展历史第一台计算机ENIAC-第一台电子计算机(1946)ENIAC-第一台电子计算机(1946)Intel Pentium(IV)microprocessor体系架构：90纳米制程二级高速缓存：2MB三级高速缓存：无 主频速率：3.73 GHz时钟速度：3.73 GHz 前端总线：1066 MHzIntel Pentium(IV)microprocesAMD的双核心Opteron处理器AMD的双核心Opteron处理器国产处理器中国大陆国产处理器中国大陆龙芯一号（神州龙芯公司）基于0.18微米CMOS工，32位微处理器。支持最新版本的Linux、VxWork，Windows CE等操作系统。可广泛应用于工业控制、信息家电、通讯、网络设备、PDA、网络终端、存储服务器、安全服务器等产品上。国产处理器中国大陆龙芯一号（神州龙芯公司）基于0.18微米方舟科技的CPU 北大众志的CPU6 方舟科技的CPU 北大众志的CPU6 中国台湾中国台湾VIA C3处理器Rise Technology Rise mP6 中国台湾VIA C3处理器Rise Technology 其他优秀的处理器其他优秀的处理器q嵌入式CPU是指应用于各种信息设备里的CPU，一般功能不太强、主要是以低价格、低功耗为特征，著名的有ARM、MIPS等公司的CPU。q高性能CPU是指应用于服务器和超级计算机中的高性能CPU，例如Alpha、UltraSparc、PowerPC等等。IBM PowerPC 604SUN 0.13m UltraSPARC IV 内核其他优秀的处理器嵌入式CPU是指应用于各种信息设备里的CPU半导体器件物理研究的层次半导体器件物理研究的层次电子设计的抽象层次结构图器件是半导体器件物理的研究对象！半导体器件物理研究的层次电子设计的抽象层次结构图器件是半导体Moore Moore 定律和等比例缩小定律和等比例缩小1965,Intel的创始人之一Gordon Moore在他的论文“cramming more components onto integrated circuits”里预言：每18个月芯片集成度增加一倍。30年来这个预言基本正确，普遍认为这个定律可以适用到2010年。2002年达到每个芯片100,000,000个晶体管。2910年达到每个芯片1,000,000,000个晶体管。毫无疑问，在过去的四十年里，摩尔定律成为了科技进步速度的推动力。然而传统的光刻技术正在日益成为半导体制造工艺的瓶颈，在从0.18微米到0.13微米的工艺转换过程中各大厂商都碰到了很多困难（如现阶段CPU制造过程中晶体管本身存在的漏电问题），而最新的90nm制造工艺也迟迟无法投入量产。Moore定律再一次面临严峻的挑战，如果没有技术突破，这一领导行业40多年的经验公式将不再有效。不过不用担心，新的工艺、新的器件结构、纳米电子学为半导体工业带来了曙光！Moore 定律和等比例缩小1965,Intel的创始人之MooreMoore定律：处理器集成度提高定律：处理器集成度提高Moore定律：处理器集成度提高MooreMoore定律：存储器集成度的提高定律：存储器集成度的提高Moore定律：存储器集成度的提高器件按比例缩小原理器件按比例缩小原理在1974年第九期的IEEE Journal of Solid-State Circuits期刊上，Dennard提出了器件等比例缩小定律。基本思想：MOS器件的横向纵向尺寸（沟道长、宽度等横向尺寸和栅层厚度、结深等纵向尺寸）按一定比例K缩小，单位面积上的功耗可保持不变；这时器件所占的面积（因而成本）可随之缩小K2倍，器件性能可提高K3倍。所以器件越小，同样面积芯片可集成更多、更好的器件，低了器件相对成本。这是摩尔定律的物理基础，也正是这种物理特性，刺激了加速的技术创新。器件按比例缩小原理在1974年第九期的IEEE Journ三种形式的器件等比例缩小三种形式的器件等比例缩小最初的器件等比例缩小要求电压也减小，这就带来了器件的不稳定性问题，为了解决此问题，提出了修改的器件等比例缩小。三种形式的器件等比例缩小最初的器件等比例缩小要求电压也减小，半导体工艺技术半导体工艺技术很多重要的半导体技术其实是由多个以前发明的工艺技术延伸而来的。例如1798年就已经发明了图形曝光工艺，只是当初影像图形是从石片转移过来的。将叙述各种首次被应用到半导体工艺或制作半导体器件而被研发出来的具有里程碑意义的技术。具有里程碑意义的技术q1918年柴可拉斯基(Czochralski)发明了一种液态-固态单晶生长的技术（Cz法），至今仍广泛应用于大部分硅晶片晶体的生长。q1925年布理吉曼(Bridgman)发明另一种技术，被大量用于砷化镓和一些化合物半导体的晶体生长。q1952年魏可(Welker)发现砷化镓和其他的V族化合物也是半导体材料，相关这些化合物半导体的技术和器件才陆续被深入研究。半导体工艺技术很多重要的半导体技术其实是由多个以前发明的工艺具有里程碑意义的技术（续）具有里程碑意义的技术（续）q1855年菲克(Fick)提出了基本扩散理论。对半导体工艺而言，杂质原子(dopant)的扩散 (diffusion)是很重要的一种现象。q1952年范恩(Pfann)在其专利中提及利用扩散技术来改变硅的电导率的想法。q1957年安卓斯(Andrus)把古老的图形曝光技术应用在半导体器件的制作上，利用一些感光而且抗刻蚀的聚合物(即光阻)来做图形的转移。图形曝光技术是半导体工业中的一个关键性的技术，图形曝光的成本就占了35以上。q1957年弗洛区(Frosch)和德利克(Derrick)提出氧化物掩蔽层方式(oxide masking method)，发现氧化层可以阻止大部分杂质的扩散穿透。q同年，雪弗塔(Sheftal)等人提出用化学气相淀积(CVD)外延生长技术。是在具有晶格结构的晶体表面上，生长出一层半导体晶体薄膜的技术，这种技术对改善器件特性或制造新颖结构器件而言非常重要。具有里程碑意义的技术（续）1855年菲克(Fick)提出了基具有里程碑意义的技术（续）具有里程碑意义的技术（续）q1958年肖克莱(Shockley)提出了离子注入(ion implantation)技术来掺杂半导体，这种技术可以精确地控制掺杂原子的数目。从此扩散和离子注入两种技术可以相辅相成，用来掺杂。q1959年科比(Kilby)提出集成电路的雏型。它包含了一个BJT、三个电阻和一个电容，所有的器件都由锗做成，而且由接线相连成一个混合的电路。q1959年诺依斯(Noyce)提出一个在单一半导体衬底上做成的集成电路。q1960年由荷尼(Hoerni)提出平面(planar)工艺，整个半导体表面先生成一层氧化层，再用图形曝光刻浊工艺；将部分的氧化层移除，并留下一个窗口(window)，然后将杂质透过窗口掺杂到半导体表面后形成p-n结。q1963年由万雷斯(Wanlass)和萨支唐(Sah)提出CMOS的观念，CMOS优点是只有在逻辑状态转换时(如从0到1)才会产生大电流，而在稳定状态时只有极小的电流流过，所以功率耗损可以大幅度减少，对先进集成电路而言，CMOS技术是最主要的技术。具有里程碑意义的技术（续）1958年肖克莱(Shockley具有里程碑意义的技术（续）具有里程碑意义的技术（续）q1967年丹纳(Dennard)发明了一项由两个器件组成的极重要的电路，即动态随机存储器 (DRAM).存储单元器件包含了一个MOSFET和一个储存电荷的电容，其中MOSFET作为使电 容充电或放电的开关。应用在非便携式(non-portable)电子系统中的第一选择。q1969年柯文(Kerwin)等人提出了多晶硅自对准栅极工艺，这个工艺不但改善了器件的可靠性，还降低了寄生电容。q同年，门纳赛维(Manasevit)和辛浦生(simpson)提出金属有机化学气相淀积技术(MOCVD)。对化合物半导体而言，这是二种非常重要的外延技术。q1971年尔文(Irving)等人提出，利用CF4-O2的混合气体来到蚀硅晶片。当器件的尺寸变小，为了增加图形转移的可靠度，干法刻蚀(dry etching)技术取代了湿法腐蚀技术。q同年，卓以和(Cho)提出了分子束外延(MBE)技术，可以近乎完美地控制原于的排列，所以也可以控制外延层组成和掺杂浓度，这项技术也带来了许多光器件和量子器件的发明。具有里程碑意义的技术（续）1967年丹纳(Dennard)发具有里程碑意义的技术（续）具有里程碑意义的技术（续）q1971年霍夫(Hoff)等人制造出来第一个微处理器(microprocessor)，将一个简单电脑的中央处理单元(CPU)放在一个芯片上，这就是如图的四位微处理器(Intel 4004)，其芯片大小是3mm4mm，并且包含了2300个MOSFET.它是由p型沟道多晶硅栅极工艺做成，设计规范是8um。这是半导体工业上一个重大的突破。具有里程碑意义的技术（续）1971年霍夫(Hoff)等人制造q1982年由朗(Rung)等人提出沟槽式绝缘技术，用以隔绝CMOS器件。目前这种方法几乎已取代了所有其他的绝缘技术。q1989年达阀利(Davari)等人提出了化学机械抛光方法（CMP），以得到各层介电层的全面平坦化(global planarization)，这是多层金属布线的关键技术。q1993年帕拉查克（Paraszczak）等人提出在尺寸长度小到100nm时，以铜导线取代铝导线的想法。在亚微米器件中，电致迁移(electromigration)即当强电流通过导线时，使导线的金属离子迁移的情形。铜的抗电致迁移高且电阻率比铝低。器件尺寸等比例缩小后，要求开发新的技术，工业界认为三个关键的技术是：沟槽式隔离（trench isolation）、化学机械抛光(chemical-mechanical polishing，CMP)和铜布线1982年由朗(Rung)等人提出沟槽式绝缘技术，用以隔绝C一些关键的半导体技术列表一些关键的半导体技术列表一些关键的半导体技术列表半导体芯片的制造框图半导体芯片的制造框图半导体芯片的制造框图典型的半导体芯片的制造流程典型的半导体芯片的制造流程典型的半导体芯片的制造流程半导体芯片制造的关键步骤半导体芯片制造的关键步骤硅片制造工艺流程，光刻为核心半导体芯片制造的关键步骤硅片制造工艺流程，光刻为核心半导体制造企业半导体制造企业半导体制造企业可划分为2类：设计/制造企业：许多企业都集合了芯片设计和芯片制造，从芯片的前端设计到后端加工都在企业内部完成。Intel、IBM、Motorola、Samsung、Hynix、Infineon、Philips、STmicroelectronics等。代工企业：在芯片制造业中，有一类特殊的企业，专门为其他芯片设计企业制造芯片，这类企业称为晶圆代工厂（foundry）。代工的出现是由于现代技术的飞速发展，越来越多的技术需要更加细致的分工，这样可以部分降低企业的成本或风险。比如显卡和主板，它的核心是图形处理器和芯片组，是由象nVIDIA、ATI，INTEL、AMD、VIA、SIS、ALI等一些顶级的芯片研发公司设计出来，然后委托给某些工厂加工成芯片和芯片组。半导体制造企业半导体制造企业可划分为2类：设计/制造企业：代著名代工企业著名代工企业台积电（TSMC）：如ATI和nVIDIA公司设计的图形处理芯片，或者VIA，SIS，ALI设计的主板南北桥芯片组基本都是由TSMC和UMC这两家公司负责生产。TSMC是由台湾“半导体教父”张忠谋先生创建。著名代工企业台积电（TSMC）：如ATI和nVIDIA公司设台联电（UMC）：1980年，岛内第一家集成电路公司。在曹兴诚的带领下，如今联电已成为仅次于台积电的台湾第二大半导体企业，同时也是世界上第二大专业芯片代工厂。台联电（UMC）：1980年，岛内第一家集成电路公司。在曹兴中芯国际（SMIC）：中芯国际成立于2000年，公司总部位于中国上海，拥有三座芯片代工厂，包括一座后段铜制程代工厂。技术能力包括逻辑电路、混合信号/射频电路、高压电路、系统级芯片、嵌入式及其他存储器,硅基液晶和影像感测器等。中芯国际（SMIC）：中芯国际成立于2000年，公司总部位于上海宏力(GSMC)：宏力于2000年11月18日奠基，一期项目总投资为16.3亿美元，目前已建成两座12吋规格的厂房，其中一厂A线(8吋线)已投入生产，预计2004年下半年月生产能力可达27,000片八吋硅片，技术水平将达0.13微米。上海宏力(GSMC)：宏力于2000年11月18日奠基，一期和舰科技（HJTC）:和舰于2001年11月斥资15亿美元建立，坐落于风景优美、驰名中外的“人间天堂”-苏州工业园区，占地1.3平方公里，是一家具有雄厚外资，制造尖端集成电路的一流晶圆专工企业。和舰科技（HJTC）:和舰于2001年11月斥资15亿美元建测试测试q测试不同于设计过程中的验证；测试指工艺过程中或封装后进行的电学参数测量。q硅片测试是为了检验规格的一致性而在硅片级集成电路上进行的电学参数测量。q硅片测试的目的是检验可接受的电学性能。测试测试不同于设计过程中的验证；测试指工艺过程中或封装后进行装配和封装装配和封装装配和封装过程是取出性能良好的器件，将他们放入管壳，用引线将器件上的压点与管壳上的电极互相连接起来。封装为 芯片提供一种保护并将它粘贴到更高级装配板上的措施。装配和封装装配和封装过程是取出性能良好的器件，将他们放入管壳封装形式封装形式封装形式集成电路的分类按器件结构类型分类集成电路的分类按器件结构类型分类q双极集成电路：主要由双极晶体管构成l NPN型双极集成电路l PNP型双极集成电路优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低。q金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管构成lNMOSlPMOSlCMOS(互补MOS)功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高。q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。集成电路的分类按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶按集成电路规模分类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。q小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)q中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)q大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)q超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)q特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)q巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）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现代半导体器件物理与工艺(全套ppt课件)-上按电路功能分类按电路功能分类q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。q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。q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。按电路功能分类数字集成电路(Digital IC)：它是指处技术趋势技术趋势 自从进入微电子时代之后，集成电路的最小线宽或最小特征尺寸(CD)以每年13%的速度缩小。在这一速度下，2010年时最小特征尺寸会缩小到50nm。器件微小化结果，可以降低每种电路功能的单位成本(unit cost)。例如，对持续推进的新一代的动态随机存储器而言，每个存储器位的成本每年就减少了一半，当器件的尺寸缩小时，本征开关时间(intrinsic switching time)也随之减少。器件速度从1959年以来，加快了四个次方，变快的速度也扩展了集成电路的功能性产生速度(functional throughput rate)。未来数字集成电路可以以每秒一兆位的速率进行信息处理和数值分析。器件变的越小，其所消耗的功率也越少，所以器件微小化也可以降低每次开关操作所需要的能量。从1959年至今，每个数字栅极的能量耗损已经减少了超过100万倍。技术趋势 自从进入微电子时代之后，集成电路的最小线宽或最小特DRAMDRAM的存储密度的存储密度从1978年动态随机存储器初次批量生产到1999年止，实际动态随机存储器的密度呈指数上升，每18个月密度就增加两，照这个速度下去，可以预期在2005年时，动态随机存储器的密度会达到80亿，2012年时则达640亿位。DRAM的存储密度从1978年动态随机存储器初次微处理器运算能力微处理器运算能力微处理器运算能力随时间微处理器运算能力随时间按指数增加，同样也是每按指数增加，同样也是每18个月增加两倍的速率。个月增加两倍的速率。目前一个奔腾目前一个奔腾(Pentium)系系列的个人电脑和列的个人电脑和60年代晚期年代晚期的超级电脑克菜一型的超级电脑克菜一型(CRAYl)有相同的运算能力，有相同的运算能力，但它的体积却为原先的千分但它的体积却为原先的千分之一；如果按这个趋势继续之一；如果按这个趋势继续下去，我们预期下去，我们预期100GIPS的的微处理器将在微处理器将在2010年问世。年问世。微处理器运算能力微处理器运算能力随时间不同技术的市场成长曲线不同技术的市场成长曲线在现代电子时代初期(1950-1970年)双极型晶体管是技术的驱动力；1970-1990年，因为个人电脑和先进电子系统的快速成长，动态随机存储器和以MOSFET为主的微处理器扮演了技术驱动力的角色；1990年以后，因便携式电子系统的快速成长，非挥发性半导体存储器成为技术的驱动力。不同技术的市场成长曲线在现代电子时代初期(1950-1970 本章内容本章内容q半半导体材料、基本晶体体材料、基本晶体结构与共价构与共价键 q能能级与能与能带q本征本征载流子流子浓度度 q施主和受主施主和受主 本章内容半导体材料、基本晶体结构与共价键 导电性：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。l绝缘体:电导率很低，约介于20-18S/cm10-8S/cm,如熔融石英及玻璃；l导 体：电导率较高，介于104S/cm106/cm，如铝、银等金属。l半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。半导体材料半导体材料导电性：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。绝缘体:p 半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。p 半导体材料的类型：l 元素半导体：硅(Si)、锗(Ge)l 化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InAs）等半导体材料半导体材料 半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV族元素。20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料；60年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。硅的优势：硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的25%，仅次于氧，储量丰富。元素元素(elements)(elements)半导体半导体硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV族元类别：l二元化合物半导体：由两种元素组成。l三元化合物半导体：由三种元素组成。l多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。二元化合物半导体：lIVIV族元素化合物半导体：炭化硅（SiC）；lIII-V族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InAs）等；lII-VI族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）等；lIV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）化合物化合物(compound)(compound)半导体材料半导体材料类别：二元化合物半导体：化合物(compound)半导体材料三元化合物与多元化合物半导体：由III族元素铝(Al)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体AlxGax-1As即是一种三元化合物半导体，具有AxB1-xCyD1-y形式的四元化合物半导体锗可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体GaxIn1-xAsyp1-y是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)及砷化镓(GaAs)所组成。化合物半导体的优势与不足：许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓(GaAs),主要用于高速光电器件。与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。化合物化合物(compound)(compound)半导体材料半导体材料三元化合物与多元化合物半导体：化合物半导体的优势与不足：化合半导体的晶格结构：l半导体的结构特点：半导体材料是单晶体，它在三维空间是周期性地排列着的。即使当原子热振动时，仍以其中心位置作微量振动。l晶格(lattice)：晶体中原子的周期性排列称为晶格。l单胞(unit cell)：周期性排列的最小单元，用来代表整个晶格，将此单胞向晶体的四面八方连续延伸，即可产生整个晶格。晶体结构晶体结构半导体的晶格结构：晶体结构单胞及其表示：l右图是一个简单的三维空间单胞。l晶格常数：单胞与晶格的关系可用三个向量a a、b b及c c来表示，它们彼此之间不需要正交，而且在长度上不一定相同，称为晶格参数。l每个三维空间晶体中的等效格点可用下面的向量组表示：R Rma a+nb b+pc c 其中m、n及p是整数。晶体结构晶体结构单胞及其表示：每个三维空间晶体中的等效格点可用下面的向量组表几种常见基本晶胞：l简单立方晶格(simple cubic,sc)：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。l体心立方晶格(body-centered,bcc)：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠(sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。xzyxz基本晶体结构基本晶体结构几种常见基本晶胞：xzyxz基本晶体结构l面心立方晶格(face-centered cubic,fcc):除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper)、金(gold)及铂(platinum)。l密集六方结构：z基本晶体结构基本晶体结构面心立方晶格(face-centered cubic,fcl金刚石晶格结构：此结构属于面心立方晶体家族，可被视为两个相互套构的面心立方副晶格，此两个副晶格偏移的距离为立方体体对角线的1/4(a的长度)。此两个副晶格中的两组原子虽然在化学结构上相同，但以晶格观点看却不同。硅和锗都是金刚石晶格结构。l闪锌矿结构(zincblende lattice)：大部分的III-V族化合物半导体(如GaAs)具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格的结构类似，只是两个相互套构的面心立方副晶格中的组成原子不同，其中一个副晶格为III族原子(Ga)，另一个副晶格为V族原子(As)。基本晶体结构基本晶体结构金刚石晶格结构：此结构属于面心立方晶体家族，可被视为两个相互例1:假使将圆球放入一体心立方晶格中，并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触，试计算出这些圆球占此体心立方单胞的空间比率。yxz解：每单胞中的圆球(原子)数为(1/8)8(角落)+1(中心)2；相邻两原子距离沿图中立方体的对角线=a；每个圆球半径=a；每个圆球体积=；单胞中所能填的最大空间比率=圆球数每个圆球体积/每个单胞总体积=因此整个体心立方单胞有68%为圆球所占据，32%的体积是空的。基本晶体结构基本晶体结构例1:假使将圆球放入一体心立方晶格中，并使中心圆球与立方体例2硅在300K时的晶格常数为5.43。请计算出每立方厘米体积中的硅原子数及常温下的硅原子密度。解：每个单胞中有8个原子，因此每立方厘米体积中的硅原子数为 8/a3=8/(5.43108)3=51022（个原子/cm3）密度=每立方厘米中的原子数每摩尔原子质量/阿伏伽德罗常数 =5102228.09/(6.021023)g/cm3 =2.33g/cm3基本晶体结构基本晶体结构例2解：每个单胞中有8个原子，因此每立方厘米体积中的硅原子 由于不同平面的原子空间不同。因此沿着不同平面的晶体特性并不同，且电特性及其他器件特性与晶体方向有着重要的关联。密勒指数(Miller indices)：是界定一晶体中不同平面的简单方法。这些指数可由下列步骤确定：找出平面在三坐标轴上的截距值(以晶格常数为计量单位)；取这三个截距值的倒数，并将其化简成最简单整数比；将此结果以“(hkl)”表示，即为单一平面的密勒指数。(010)aaa(001)O(100)yxzaaaO(100)yxzaaaO(100)yxz基本晶体结构基本晶体结构 由于不同平面的原子空间不同。因此沿着不同平面关于密勒指数的一些其他规定：l()：代表在x轴上截距为负的平面，如lhkl：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用100表示(100)，(010)，(001)，六个平面。lhkl：代表一晶体的方向，如100方向定义为垂直于(100)平面的方向，即表示x轴方向。而111则表示垂直于(111)平面的方向。l：代表等效方向的所有方向组，如代表100、010、001、六个等效方向的族群。例 如图所示平面在沿着三个坐标轴的方向有三个截距a、3a、2a，其的倒数分别为1/a、1/3a和1/2a。它们的最简单整数比为6:2:3(每个分数乘6a所得)。因此这个平面可以表示为(623)平面。a3a2azyx基本晶体结构基本晶体结构关于密勒指数的一些其他规定：例 如图所示平面在沿着三个坐标 在金刚石晶格中，每个原子被四个最邻近的原子所包围。右下图是其二维空间结构简图。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种 共 用 电 子 对 的 结 构 称 为 共共 价价 键键(covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。共价键产生在两个相同元素的原子间，或具有相似外层电子结构的不同元素原子之间，每个原子核拥有每个电子的时间相同。然而这些电子大部分的时间是存在两个原子核间。原子核对电子的吸引力使得两个原子结合在一起。44444半导体的共价键结合半导体的共价键结合 在金刚石晶格中，每个原子被四个最邻近的原子所包围。右下 砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微量离子键成分，即Ga离子与其四个邻近As离子或As离子与其四个邻近Ga离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时间比在Ga原子中稍长。4Ga4Ga4Ga4Ga4As半导体的共价键结合半导体的共价键结合 砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。4Si4Si4Si4Si空穴导电电子4Si4Si4Si4Si空穴导电电子半导体的共价键结合半导体的共价键结合载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的 其中m0是自由电子的质量，q是电荷量，0是真空介电常数（free-space permittivity），h是普朗克常数（Plank constant），n是正整数，称为主量子数 孤立原子的能级孤立原子的能级 孤立原子而言，电子的能级是分离的。例如，孤立氢原子的玻尔能级模型：能级与能带能级与能带 其中m0是自由电子的质量，q是电荷量，0是真空介 但当两个原子接近时，由于两原子间的交互作用，会使得双重简并能级一分为二。如有N个原子形成一个固体，不同原子外层电子的轨道重叠且交互作用。将造成能级的移动。当N很大时，将形成一连续的能带。此N个能级可延伸几个电子伏特，视晶体内原子的间距而定。右图描述此效应，其中a参数代表平衡状态下晶体原子的间距。能级分裂成能带能级分裂成能带 首先考虑两个相同原子，当彼此距离很远时，对同一个主量子数(如n1)而言，其能级为双重简并(degenerate)，亦即两个原子具有相同的能量。a 原子间距 电子能量能级与能带能级与能带 但当两个原子接近时，由于两原子间的交互作用，会使得双 在 平 衡 状态下的原子间距时，能带将再度分裂，使得每个原子在较低能带有4个量子态，而在较高能带也有4个量子态。下图是N个孤立硅原子形成一硅晶体的能带形成图。当原子与原子间的距离缩短时，N个硅原子的3s及3p副外层将彼此交互作用及重叠。价带导带3s3s2N2N个状态个状态2N2N个电子个电子4N个状态4N个电子4N个状态0个电子5.43 晶格原子间距6N6N个状态个状态2N2N个电子个电子3p3p能级与能带能级与能带 在平衡状态下的原子间距时，能带将再度分裂，使得每个原 导带底部与价带顶部间的禁止能量间隔(EC-EV)称为禁带宽度Eg，如图左边所示。它表示将半导体价带中的电子断键，变成自由电子并送到导带，而在价带中留下一个空穴所需的能量。在绝对零度时，电子占据最低能态，因此在较低能带(即价带)的所有能态将被电子填满，而在较高能带(即导带)的所有能态将没有电子，导带的底部称为EC，价带的顶部称为EV。EgECEV价带导带3s3s2N2N个状个状态态2N2N个电个电子子4N个状态4N个电子4N个状态0个电子5.43 晶格原子间距6N6N个状个状态态2N2N个电个电子子3p3p能级与能带能级与能带 导带底部与价带顶部间的禁止能量间隔(EC-EV)称为其中p为动量，m0为自由电子质量。自由电子的动能可表示为：画出E相对p的图，将得到如图所示的抛物线图。有效质量有效质量其中p为动量，m0为自由电子质量。自由电子的动能可表示为：画电子有效质量视半导体的特性而定。其大小同样可通过该材料的能量-动量曲线所表征的能量与动量关系式，由E与对p的二次微分可以得到：在半导体晶体中，导带中的电子类似自由电子，可在晶体中自由移动。但因为原子核的周期性电势，前式不再适合。但可将自由电子质量换成有效质量mn(下标符号n表示电子)，仍可得到相同形式的关系，即 Eg 空穴能量 电子能量 导带（mn 0.25m0）价带（mp=m0）有效质量有效质量电子有效质量视半导体的特性而定。其大小同样可通过该材料的能量 右图为一特殊半导体的简单能量与动量关系式，其中导带中有效质量mn0.25m0(上抛物线)，而价带中空穴有效质量mpm0(下抛物线)。可以看出，电子能量可由上半部抛物线得出，而空穴能量可由下半部抛物线得出。两抛物线在p0时的间距为禁带宽度Eg。可见，抛物线的曲率越小，对应的二次微分越大，则有效质量越小。空穴也可以用类似的方法表示(其中有效质量为mp，下标符合