【正文】 的基礎(chǔ)知識 一、本征半導(dǎo)體 1. 什么是本征半導(dǎo)體 是一種完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。 2022年 5月 25日 23 2. 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 在絕對零度時，不導(dǎo)電。 溫度 ? →載流子的濃度 ? 自由電子釋放能量跳回共價鍵 —— 復(fù)合。 本征激發(fā) 產(chǎn)生自由電子和空穴對。 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 Ni=Pi=A T e Eg／ 2kT 2022年 5月 25日 24 二、非本征半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會 使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。 自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。 (2) 摻入三價的雜質(zhì)元素 自由電子的濃度 ?? 空穴的濃度。自由電子為少數(shù)載流子。 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 2022年 5月 25日 25 電離能的大?。? 硅中摻磷為 ，摻硼為 (eV)。 這種電離能很小，雜質(zhì)可以在很低的溫度下電離。 2022年 5月 25日 26 雜質(zhì)的補償作用 同時摻入 P型和 n型兩種雜質(zhì)，它們會相互抵消。 其凈雜質(zhì)濃度稱之為 “ 有效雜質(zhì)濃度 ” 。 2022年 5月 25日 27 雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法 P 型半導(dǎo)體 N 型半導(dǎo)體 空間電荷 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 2022年 5月 25日 28 三、 PN 結(jié) 1. PN 結(jié)的形成 擴散運動 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 擴散運動： 多數(shù)載流子由于濃度的差別而形成的運動。 內(nèi)電場越強，多數(shù)載流子的運動越難以進行。 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ －－－－－－－－－－－－＋ ＋ ＋ ＋ 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 2022年 5月 25日 31 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋－－－－－－－－＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋ ＋ －－－－－－－－－－－－＋＋＋＋ 漂移運動： 少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的運動。 內(nèi)電場削弱，又有利于多數(shù)載流子的擴散運動， 而不利于少數(shù)載流子的漂移運動。 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 2022年 5月 25日 33 PN結(jié)的特性（ 1） 正向?qū)? 2022年 5月 25日 34 PN結(jié)的特性（ 2） 反向截止 2022年 5月 25日 35 BJT 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 平面型 P 型 N 型 P 型 N 型 P 型 N 型 發(fā)射極 基極 集電極 SiO2 集電極 SiO2 發(fā)射極 基極 發(fā)射極 基極 集電極 N 型 N 型 P 型 按材料分類： 硅管、鍺管。（材料革命） 鍺晶體管：漏電流大、工作電壓低、表面性能不穩(wěn)定，溫度性能差、可靠性和壽命不理想，等等。 直到現(xiàn)在硅片仍然是 IC的主體。 50項專利 12個器件， Ge晶片 獲得 2022年 Nobel物理獎 2022年 5月 25日 40 1959 Fairchild Camera amp。 67年營業(yè)額 2億， 68年 2位創(chuàng)立 intel公司， 69年半導(dǎo)體 工程師大會 400位與會者中未在仙童 工作過的只有 24位。 Instrument Corp The First Planar IC 第一個集成電路 （ 10個元件） 帶電阻 2022年 5月 25日 44 1962 RCA A New Form of Transistor – MOSFET MetalOxsideSemiconductor Field Effect Transistor 一個新型的晶體管 金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)管 2022年 5月 25日 45 1963 Fairchild Camera amp。 Instrument Corp The First Linear IC Operational Amplifier (The 181。A702) 開創(chuàng)了系統(tǒng)級芯片設(shè)計的里程碑 2022年 5月 25日 47 1967 Fairchild Camera amp。 2022年 5月 25日 50 1974 Intel The First GeneralPurpose Microprocessor The 8bit 8080 第一個通用 8位 微處理器 8080. 4004404080088080都稱為第一代 4位或 8位的微機 APPleI 2022年 5月 25日 51 1976 Zilog One of the Most Popular 8bit Microprocessors The Z80 Z80 CPU 芯片 . 4004的設(shè)計人范金創(chuàng)建了Zilog公司， 78年 開發(fā) 808616位微處理器，29000晶體管。 2022年 5月 25日 54 1981 – Hewlett Packard (HP) The Fourth Stage in Microprocessor Development A 32Bit Microprocessor HP公司 32位的微處理器 它與 Intel公司的 8038680486Pentium構(gòu)成第四代 32位微機。 2022年 5月 25日 56 ? 1979年 3月 ? 16 Bit ? ? 5到 8MHz ? ? 1985年 10月 ? 32 Bit ? ? 16到 32 MHz ?1181。 1999年 2月，英特爾推出 Pentium III處理器，整合 950萬個晶體管， 工藝制造 2022年 8月 13日，英特爾開始 90nm制程的突破，業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應(yīng)變硅； 2022年順利過渡到了 65nm工藝 微處理器的發(fā)展 2022年 5月 25日 60 2022年英特爾推出 45nm正式量產(chǎn)工藝， 45nm技術(shù)是全新的技術(shù)，可以讓摩爾定律至少再服役 10年 。 運算速度可以提高 1000~10000倍，功耗下降 1000~10000倍。 隧道效應(yīng)三極管 2022年 5月 25日 65 集成度的提高 1950‘ S – 集成度約為 100；（ SSI） 1960?S – 集成度約為 1,000；（ MSI） 1970?初 – 集成度大于 1,000；（ LSI） 1970?末 – 集成度約為 100,000；（ VLSI） 1980?S – 集成度大于 1,000,000；（ ULSI） 現(xiàn)在：大于 10億個晶體管，條寬約為 米。 2022年 5月 25日 73 什么是外延生長 ? 集成電路工藝簡介 2022年 5月 25日 74 外延生長工藝 ? ―外延 ” 指在單晶襯底上生長一層新單晶的技術(shù) 。 2022年 5月 25日 75 生長外延層有哪些方法 ? 外延生長 2022年 5月 25日 76 外延生長 氣相外延生長 這是一種在集成電路制造中 最普遍 采用的硅外延工藝 ，該工藝?yán)眉訜醽硖峁┗瘜W(xué)過程進行所需的能量。 2022年 5月 25日 77 外延生長 金屬有機物氣相外延生長（ MOVPE： Metalanic Vapor Phase Epitaxy） 金屬有機物氣相外延生長： 開始于 20世紀(jì) 60年代后期 ，使用 III族元素有機化合物和 V族元素氫化物 。 在 超高真空中進行，產(chǎn)生轟擊襯底生長區(qū)的 III、 V族元素的分子束生長外延層。 2022年 5月 25日 78 掩模制版工藝 在外延的 晶圓 上，工程師可以開始集成電路制造的一系列工序 : (1)電路設(shè)計工程師為集成電路的制造設(shè)計出了一系列物理定義的抽象表達(dá) ? 版圖。 (3)制版就是要產(chǎn)生一套 分層 的版圖掩模 ，為將來進行圖形轉(zhuǎn)移 做準(zhǔn)備。厚的鉻。 接觸曝光制作 的 掩模圖案失真 較大，原因有： a、圖畫在紙上，熱脹冷縮、受潮起皺、鋪不平等引起失真； b、初縮時，照相機有失真； c、步進重復(fù)照相，同樣有失真； d、從掩模到晶圓上成像，還有失真。然后縮小 10～ 20倍，變成 5 5～ ㎝ 2或10 10～ 5 5㎝ 2的精細(xì)底片。 接下去 , 將初縮版裝入步進重復(fù)照相機，進一步縮小到 2 2㎝ 2或 ～ ㎝ 2，一步一幅印到 鉻 (Cr)板 上，形成一個陣列。任何版圖都將分解成一系列各種大小、不同位置和方向的矩形條的組合，如下圖所示。而后再將制出的初縮版裝入 步進重復(fù)照相機制 作 掩模 。 X射線掩模版的襯底材料與光學(xué)版不同 ， 要求對 X射線透明 ， 而不一定對可見光或紫外線透明 ，雖然 X射線可提高分辯率 ， 但問題是要想控制好掩模版上每一小塊區(qū)域的扭曲度是很困難的 。 這種技術(shù)采用電子束對抗蝕劑進行曝光，高速電子的波長很短、 分辨率很高 。 2022年 5月 25日 83 制膜 制作各種（氧化物或金屬）薄膜 摻雜 將各種雜質(zhì)摻雜在需要的位置上， 形成晶體管、接觸等 圖形轉(zhuǎn)換 —光刻和刻蝕 集成電路制造工藝 —器件制作 2022年 5月 25日 84 集成電路制造工藝 圖形轉(zhuǎn)換 圖形轉(zhuǎn)換 ： 將設(shè)計在掩膜版 (類似于照相底片 )上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上 光刻 是集成電路加工過程中的 重要工序 。 兩個工藝過程：光復(fù)印工藝、刻蝕工藝。 正膠 ： 分辨率高 ， 在超大規(guī)模集成電路工藝中 ， 一般只采用正膠 。 負(fù)膠：曝光后不可溶。 干法刻蝕 ： 主要指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基 (處于激發(fā)態(tài)的分子 、原子及各種原子基團等 )與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的 。 PR SiO2膜 硅片基底 刻蝕前 刻蝕中 刻蝕后 plasma CONFIDENTIAL 2022年 5月 25日 92 2. 干法刻蝕的原理及其優(yōu)缺點 干法刻蝕是將反應(yīng)氣體在腔體內(nèi)進行等離子化后對硅片上的膜進行加工的工藝。它是由電荷粒子（離子、電子）、中性粒子等組成的整體顯示電中性的電離氣體（例：太陽、霓虹燈等） 反應(yīng)氣體中的分子、原子在外部能量的激勵下被等離子化后能大大提高氣體與材料的反應(yīng)速度。 以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、電容、歐姆接觸 2022年 5月 25日 97 擴 散 替位式擴散： 雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位置： Ⅲ 、 Ⅴ 族元素 一般要在很高的溫度 (950～ 1280℃ )下進行 磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)擴散的掩蔽層 間隙式擴散： 雜質(zhì)離子位于晶格間隙： Na、 K、 Fe、 Cu、 Au 等元素 擴散系數(shù)要比替位式擴散大 6～ 7個數(shù)量級 2022年 5月 25