微電子學(xué)概論課件

Part112微電子學(xué)：Microelectronics微電子學(xué)——微型電子學(xué)核心——集成電路物理電子學(xué):在以前主要是學(xué)習(xí)電子在真空中的運(yùn)動規(guī)律及其器件，現(xiàn)在內(nèi)容擴(kuò)展了，還包括微波方面的內(nèi)容。微電子學(xué):主要是學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件和集成電路的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用。固體電子學(xué):主要是學(xué)習(xí)電子材料方面的研制、應(yīng)用。3集成電路：IntegratedCircuit，縮寫IC通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能4集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架設(shè)計(jì)芯片檢測單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測試系統(tǒng)需求5微電子科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略地位6實(shí)現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計(jì)算機(jī)和/或通訊機(jī)，它們的基礎(chǔ)都是微電子1946年第一臺計(jì)算機(jī)：ENIAC7第一臺通用電子計(jì)算機(jī)：ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000個電子管組成大?。洪L24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30噸；功率：140KW；平均無故障運(yùn)行時間：7min8集成電路的作用小型化價格急劇下降功耗降低故障率降低9其次，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，發(fā)達(dá)國家在發(fā)展過程中都有一條規(guī)律集成電路（IC）產(chǎn)值的增長率（RIC）高于電子工業(yè)產(chǎn)值的增長率（REI）電子工業(yè)產(chǎn)值的增長率又高于GDP的增長率（RGDP）一般有一個近似的關(guān)系

RIC≈1.5~2REIREI≈3RGDP10晶體管的發(fā)明理論推動19世紀(jì)末20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的三個重要物理效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)整流效應(yīng)量子力學(xué)材料科學(xué)需求牽引：二戰(zhàn)期間雷達(dá)等武器的需求111947年12月23日第一個晶晶體管NPNGe晶體管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain獲得1956年Nobel物理獎12晶體管的的三位發(fā)發(fā)明人：：巴丁、、肖克萊萊、布拉拉頓13集成電路路的發(fā)明明1952年5月，英國國科學(xué)家家G.W.A.Dummer第一次提提出了集集成電路路的設(shè)想想1958年以德克克薩斯儀儀器公司司的科學(xué)學(xué)家基爾爾比(ClairKilby)為首的研研究小組組研制出出了世界界上第一一塊集成成電路，，并于1959年公布布了該該結(jié)果果141958年第一一塊集集成電電路：：TI公司的的Kilby，12個器件件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎獎15微電子子發(fā)展展史上上的幾幾個里里程碑碑1962年Wanlass、C.T.Sah———CMOS技術(shù)現(xiàn)現(xiàn)在集集成電電路產(chǎn)產(chǎn)業(yè)中中占95%以上1967年Kahng、S.Sze————非揮發(fā)發(fā)存儲儲器1968年Dennard———單晶體體管DRAM1971年Intel公司微微處理理器——計(jì)算機(jī)機(jī)的心心臟目前全全世界界微機(jī)機(jī)總量量約6億臺，，在美美國每每年由由計(jì)算算機(jī)完完成的的工作作量超超過4000億人年年工作作量。。美國國歐特特泰克克公司司認(rèn)為為：微微處理理器、、寬頻頻道連連接和和智能能軟件件將是是21世紀(jì)改改變?nèi)巳祟惿缟鐣秃徒?jīng)濟(jì)濟(jì)的三三大技技術(shù)創(chuàng)創(chuàng)新16不斷提提高產(chǎn)產(chǎn)品的的性能能價格格比是是微電電子技技術(shù)發(fā)發(fā)展的的動力力集成電電路芯芯片的的集成成度每每三年年提高高4倍，而而加工工特征征尺寸寸縮小小倍倍，這這就是是摩爾定定律微電子子發(fā)展展的規(guī)規(guī)律17Part218我國微微電子子學(xué)的的歷史史1955年5所學(xué)校校在北北大聯(lián)聯(lián)合創(chuàng)創(chuàng)建半半導(dǎo)體體專業(yè)業(yè)北京大大學(xué)、、南京京大學(xué)學(xué)、復(fù)復(fù)旦大大學(xué)、、吉林林大學(xué)學(xué)、廈廈門大大學(xué)教師：：黃昆昆、謝謝稀德德、高高鼎三三、林林蘭英英學(xué)生：：王陽陽元、、許居居衍、、陳星星弼1977年在北北京大大學(xué)誕誕生第第一塊塊大規(guī)規(guī)模集集成電電路19我國微微電子子學(xué)的的歷史史1982年，成成立電電子計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)和大大規(guī)模模集成成電路路領(lǐng)導(dǎo)導(dǎo)小組組主任：：萬里里80年代：：初步步形成成三業(yè)業(yè)分離離的狀狀態(tài)制造業(yè)業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)業(yè)封裝業(yè)業(yè)20Part321集成電電路分分類集成電電路的的分類類器件結(jié)結(jié)構(gòu)類類型集成電電路規(guī)規(guī)模使用的的基片片材料料電路形形式應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域22集成電電路按按器件件結(jié)構(gòu)構(gòu)類型型分類類雙極集集成電電路：：主要要由雙雙極晶晶體管管構(gòu)成成NPN型雙極極集成成電路路PNP型雙極極集成成電路路金屬-氧化物物-半導(dǎo)體體(MOS)集成電電路：：主要要由MOS晶體管管(單極晶晶體管管)構(gòu)成NMOSPMOSCMOS(互補(bǔ)MOS)雙極-MOS(BiMOS)集成電電路：：同時時包括括雙極極和MOS晶體管管的集集成電電路為為BiMOS集成電電路，，綜合合了雙雙極和和MOS器件兩兩者的的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，但但制作作工藝藝復(fù)雜雜優(yōu)點(diǎn)是是速度度高、、驅(qū)動動能力力強(qiáng)，，缺點(diǎn)是是功耗耗較大大、集集成度度較低低功耗低低、集集成度度高，，隨著著特征征尺寸的的縮小小，速速度也也可以以很高高23集成電電路按按集成成電路路規(guī)模模分類類集成度度：每每塊集集成電電路芯芯片中中包含含的元元器件件數(shù)目目小規(guī)模模集成成電路路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模模集成成電路路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模模集成成電路路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)規(guī)模集集成電電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)規(guī)模集集成電電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集集成電路(GiganticScaleIC，GSI）24按結(jié)構(gòu)形式式的分類單片集成電電路：它是指電路路中所有的的元器件都都制作在同同一塊半導(dǎo)導(dǎo)體基片上上的集成電電路在半導(dǎo)體集集成電路中中最常用的的半導(dǎo)體材材料是硅，，除此之外外還有GaAs等混合集成電電路：厚膜集成電電路薄膜集成電電路25按電路功能能分類數(shù)字集成電電路(DigitalIC)：它是指處理理數(shù)字信號號的集成電電路，即采采用二進(jìn)制制方式進(jìn)行行數(shù)字計(jì)算算和邏輯函函數(shù)運(yùn)算的的一類集成成電路模擬集成電電路(AnalogIC)：它是指處理理模擬信號號(連續(xù)變化的的信號)的集成電路路線性集成電電路：又叫叫做放大集集成電路，，如運(yùn)算放放大器、電電壓比較器器、跟隨器器等非線性集成成電路：如如振蕩器、、定時器等等電路數(shù)模混合集集成電路(Digital-AnalogIC)：例如數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換器和模模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器等26集成電路的的分類27微電子的特特點(diǎn)微電子學(xué)：：電子學(xué)的的一門分支支學(xué)科微電子學(xué)以以實(shí)現(xiàn)電路路和系統(tǒng)的的集成為目目的，故實(shí)實(shí)用性極強(qiáng)強(qiáng)。微電子學(xué)中中的空間尺尺度通常是是以微米(m,1m＝10－6m)和納米(nm,1nm=10-9m)為單位的。。微電子學(xué)是是信息領(lǐng)域域的重要基基礎(chǔ)學(xué)科28微電子的特特點(diǎn)微電子學(xué)是是一門綜合合性很強(qiáng)的的邊緣學(xué)科科涉及了固體體物理學(xué)、、量子力學(xué)學(xué)、熱力學(xué)學(xué)與統(tǒng)計(jì)物物理學(xué)、材材料科學(xué)、、電子線路路、信號處處理、計(jì)算算機(jī)輔助設(shè)設(shè)計(jì)、測試試與加工、、圖論、化化學(xué)等多個個學(xué)科微電子學(xué)是是一門發(fā)展展極為迅速速的學(xué)科，，高集成度度、低功耗耗、高性能能、高可靠靠性是微電電子學(xué)發(fā)展展的方向微電子學(xué)的的滲透性極極強(qiáng)，它可可以是與其其他學(xué)科結(jié)結(jié)合而誕生生出一系列列新的交叉叉學(xué)科，例例如微機(jī)電電系統(tǒng)(MEMS)、生物芯片片等Part4固體材料：：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1導(dǎo)體體:106~104(cm)-1半導(dǎo)體:104~10-10(cm)-1絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性性和機(jī)制來來分：不同電阻特特性不同輸運(yùn)機(jī)機(jī)制2.半導(dǎo)體中的的載流子：能夠?qū)щ婋姷淖杂闪ＡＷ颖菊靼雽?dǎo)體體：n=p=ni電子：Electron，帶負(fù)電的的導(dǎo)電載流流子，是價價電子脫離離原子束縛縛后形成成的自由電電子，對應(yīng)應(yīng)于導(dǎo)帶中中占據(jù)的電電子空穴：Hole，帶正電的的導(dǎo)電載流流子，是價價電子脫離離原子束縛縛后形成成的電子空空位，對應(yīng)應(yīng)于價帶中中的電子空空位價帶：0K條件下被電電子填充的的能量最高高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被被電子填充充的能量最最低的能帶帶禁帶：導(dǎo)帶底與價價帶頂之間間能帶帶隙：導(dǎo)帶帶底與價帶帶頂之間的的能量差半導(dǎo)體的能能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價帶Eg半導(dǎo)體中載載流子的行行為可以等等效為自由由粒子，但但與真空中中的自由粒粒子不同，，考慮了晶晶格作用后后的等效粒粒子有效質(zhì)量可可正、可負(fù)負(fù)，取決于于與晶格的的作用電子和空穴穴的有效質(zhì)量m*施主和受主主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)導(dǎo)體的雜質(zhì)質(zhì)原子向半半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的的電子，并并成為帶正正電的離子子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)導(dǎo)體的雜質(zhì)質(zhì)原子向半半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的的空穴，并并成為帶負(fù)負(fù)電的離子子。如Si中摻的B本征載流子子濃度：n=p=ninp=ni2ni與禁帶寬度度和溫度有有關(guān)5.本征載流子子本征半導(dǎo)體體：沒有摻摻雜的半導(dǎo)導(dǎo)體本征載流子子：本征半半導(dǎo)體中的的載流子載流流子子濃濃度度電子子濃濃度度n,空穴穴濃濃度度p多子子：：多多數(shù)數(shù)載載流流子子n型半半導(dǎo)導(dǎo)體體：：電電子子p型半半導(dǎo)導(dǎo)體體：：空空穴穴少子子：：少少數(shù)數(shù)載載流流子子n型半半導(dǎo)導(dǎo)體體：：空空穴穴p型半半導(dǎo)導(dǎo)體體：：電電子子8.過剩剩載載流流子子由于于受受外外界界因因素素如如光光、、電電的的作作用用，，半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中載載流流子子的的分分布布偏偏離離了了平平衡衡態(tài)態(tài)分分布布，，稱稱這這些些偏偏離離平平衡衡分分布布的的載載流流子子為為過過剩剩載載流流子子公式不成立載流流子子的的產(chǎn)產(chǎn)生生和和復(fù)復(fù)合合：：電電子子和和空空穴穴增增加加和和消消失失的的過過程程電子子空空穴穴對對：：電電子子和和空空穴穴成成對對產(chǎn)產(chǎn)生生或或復(fù)復(fù)合合影響響遷遷移移率率的的因因素素：：有效效質(zhì)質(zhì)量量平均均弛弛豫豫時時間間（（散散射射〕體現(xiàn)現(xiàn)在在：：溫溫度度和和摻雜雜濃濃度度半導(dǎo)導(dǎo)體體中中載載流流子子的的散散射射機(jī)機(jī)制制：：晶格格散散射射（（熱熱運(yùn)運(yùn)動動引引起起））電離離雜雜質(zhì)質(zhì)散散射射Part5半導(dǎo)導(dǎo)體體物物理理學(xué)學(xué)微電電子子學(xué)學(xué)研研究究領(lǐng)領(lǐng)域域半導(dǎo)導(dǎo)體體器器件件物物理理集成成電電路路工工藝藝集成成電電路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)和和測測試試微電電子子學(xué)學(xué)發(fā)發(fā)展展的的特特點(diǎn)點(diǎn)向高高集集成成度度、、低低功功耗耗、、高高性性能能高高可可靠靠性性電電路路方方向向發(fā)發(fā)展展與其其它它學(xué)學(xué)科科互互相相滲滲透透，，形形成成新新的的學(xué)學(xué)科科領(lǐng)領(lǐng)域域：：光光電電集集成成、、MEMS、生物物芯芯片片半導(dǎo)導(dǎo)體體概概要要固體體材材料料分分成成：：超導(dǎo)導(dǎo)體體、、導(dǎo)導(dǎo)體體、、半半導(dǎo)導(dǎo)體體、、絕絕緣緣體體什么么是是半半導(dǎo)導(dǎo)體體？？半導(dǎo)導(dǎo)體體及及其其基基本本特特性性晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)單胞胞對于于任任何何給給定定的的晶晶體體，，可可以以用用來來形形成成其其晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的最最小小單單元元注：：（a）單單胞胞無無需需是是唯唯一一的的（b）單單胞胞無無需需是是基基本本的的晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)三維維立立方方單單胞胞簡立立方方、、體體心心立立方方、、面面立立方方固體體材材料料分分成成：：超導(dǎo)導(dǎo)體體、、導(dǎo)導(dǎo)體體、、半半導(dǎo)導(dǎo)體體、、絕絕緣緣體體固體體材材料料的的能能帶帶圖圖半導(dǎo)導(dǎo)體體的的能能帶帶本征征激激發(fā)發(fā)有效效質(zhì)質(zhì)量量的的意意義義自由由電電子子只只受受外外力力作作用用；；半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的電電子子不不僅僅受受到到外外力力的的作作用用，，同同時時還還受受半半導(dǎo)導(dǎo)體體內(nèi)內(nèi)部部勢勢場場的的作作用用意義義：：有有效效質(zhì)質(zhì)量量概概括括了了半半導(dǎo)導(dǎo)體體內(nèi)內(nèi)部部勢勢場場的的作作用用，，使使得得研研究究半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中電電子子的的運(yùn)運(yùn)動動規(guī)規(guī)律律時時更更為為簡簡便便（（有有效效質(zhì)質(zhì)量量可可由由試試驗(yàn)驗(yàn)測測定定））與理理想想情情況況的的偏偏離離晶格格原原子子是是振振動動的的材料料含含雜雜質(zhì)質(zhì)晶格格中中存存在在缺缺陷陷點(diǎn)缺缺陷陷（（空空位位、、間間隙隙原原子子））線缺缺陷陷（（位位錯錯））面缺缺陷陷（（層層錯錯））間隙隙式式雜雜質(zhì)質(zhì)、、替替位位式式雜雜質(zhì)質(zhì)雜質(zhì)質(zhì)原原子子位位于于晶晶格格原原子子間間的的間間隙隙位位置置，，該該雜雜質(zhì)質(zhì)稱稱為為間間隙隙式式雜雜質(zhì)質(zhì)。。間隙隙式式雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子一一般般比比較較小小，，如如Si、Ge、GaAs材料料中中的的離離子子鋰鋰（（0.068nm）。。雜質(zhì)質(zhì)原原子子取取代代晶晶格格原原子子而而位位于于晶晶格格點(diǎn)點(diǎn)處處，，該該雜雜質(zhì)質(zhì)稱稱為為替替位位式式雜雜質(zhì)質(zhì)。。替位位式式雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子的的大大小小和和價價電電子子殼殼層層結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)要要求求與與被被取取代代的的晶晶格格原原子子相相近近。。如如Ⅲ、Ⅴ族元元素素在在Si、Ge晶體體中中都都為為替替位位式式雜雜質(zhì)質(zhì)。。間隙隙式式雜雜質(zhì)質(zhì)、、替替位位式式雜雜質(zhì)質(zhì)單位位體體積積中中的的雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子數(shù)數(shù)稱稱為為雜雜質(zhì)質(zhì)濃濃度度施主主：摻摻入入在在半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子，，能能夠夠向向半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中提提供供導(dǎo)導(dǎo)電電的的電電子子，，并成成為為帶帶正正電電的的離離子子。。如如Si中的的P和AsN型半半導(dǎo)導(dǎo)體體As半導(dǎo)導(dǎo)體體的的摻摻雜雜施主主能能級級受主主：摻摻入入在在半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的雜雜質(zhì)質(zhì)原原子子，，能能夠夠向向半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中提提供供導(dǎo)導(dǎo)電電的的空空穴穴，，并成成為為帶帶負(fù)負(fù)電電的的離離子子。。如如Si中的的BP型半半導(dǎo)導(dǎo)體體B半導(dǎo)導(dǎo)體體的的摻摻雜雜受主主能能級級半導(dǎo)導(dǎo)體體的的摻摻雜雜Ⅲ、Ⅴ族雜雜質(zhì)質(zhì)在在Si、Ge晶體體中中分分別別為為受受主主和和施施主主雜雜質(zhì)質(zhì)，，它它們們在在禁禁帶帶中中引引入入了了能能級級；；受受主主能能級級比比價價帶帶頂頂高高，，施施主主能能級級比比導(dǎo)導(dǎo)帶帶底底低低，，均均為為淺淺能能級級，，這這兩兩種種雜雜質(zhì)質(zhì)稱稱為為淺淺能能級級雜雜質(zhì)質(zhì)。。雜質(zhì)質(zhì)處處于于兩兩種種狀狀態(tài)態(tài)：：中中性性態(tài)態(tài)和和離離化化態(tài)態(tài)。。當(dāng)當(dāng)處處于于離離化化態(tài)態(tài)時時，，施施主主雜雜質(zhì)質(zhì)向向?qū)?dǎo)帶帶提提供供電電子子成成為為正正電電中中心心；；受受主主雜雜質(zhì)質(zhì)向向價價帶帶提提供供空空穴穴成成為為負(fù)負(fù)電電中中心心。。點(diǎn)缺缺陷陷弗倉倉克克耳耳缺缺陷陷間隙隙原原子子和和空空位位成成對對出出現(xiàn)現(xiàn)肖特基基缺陷陷只存在在空位位而無無間隙隙原子子間隙原原子和和空位位這兩兩種點(diǎn)點(diǎn)缺陷陷受溫溫度影影響較較大，，為熱缺陷陷，它們們不斷斷產(chǎn)生生和復(fù)復(fù)合，，直至至達(dá)到到動態(tài)態(tài)平衡衡，總總是同時存存在的?？瘴槐憩F(xiàn)為為受主作作用；間隙原原子表現(xiàn)為為施主作作用點(diǎn)缺陷陷替位原原子（（化合合物半半導(dǎo)體體）位錯位錯是是半導(dǎo)導(dǎo)體中中的一一種缺缺陷，，它嚴(yán)嚴(yán)重影影響材材料和和器件件的性性能。。本征半半導(dǎo)體體載流流子濃濃度本征半半導(dǎo)體體無任何何雜質(zhì)質(zhì)和缺缺陷的的半導(dǎo)導(dǎo)體載流子子輸運(yùn)運(yùn)半導(dǎo)體體中載載流子子的輸輸運(yùn)有有三種種形式式：漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和和復(fù)合合熱運(yùn)動動在無電電場作作用下下，載載流子子永無無停息息地做做著無無規(guī)則則的、、雜亂亂無章章的運(yùn)運(yùn)動，，稱為為熱運(yùn)運(yùn)動晶體中中的碰碰撞和和散射射引起起凈速度度為零零，并并且凈凈電流流為零零平均自自由時時間為為熱運(yùn)動動當(dāng)有外外電場場作用用時，，載流流子既既受電電場力力的作作用，，同時時不斷斷發(fā)生生散射射載流流子子在在外外電電場場的的作作用用下下為為熱運(yùn)運(yùn)動動和漂移移運(yùn)運(yùn)動動的疊疊加加，，因因此此電電流流密密度度是是恒恒定定的的散射射的的原原因因載流流子子在在半半導(dǎo)導(dǎo)體體內(nèi)內(nèi)發(fā)發(fā)生生撒撒射射的的根本本原原因因是周期期性性勢勢場場遭遭到到破破壞壞附加加勢勢場場使得得能能帶帶中中的的電電子子在在不不同同狀狀態(tài)態(tài)間間躍躍遷遷，，并并使使得得載載流流子子的的運(yùn)運(yùn)動動速速度度及及方方向向均均發(fā)發(fā)生生改改變變，，發(fā)發(fā)生生散散射射行行為為。。由于于受受外外界界因因素素如如光光、、電電的的作作用用，，半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中載載流流子子的的分分布布偏偏離離了了平平衡衡態(tài)態(tài)分分布布，，稱稱這這些些偏偏離離平平衡衡分分布布的的載載流流子子為為過過剩剩載載流流子子，，也也稱稱為為非非平平衡衡載載流流子子過剩剩載載流流子子非平平衡衡載載流流子子的的光光注注入入小注注入入條條件件小注注入入條條件件：：注注入入的的非非平平衡衡載載流流子子濃濃度度比比平平衡衡時時的的多多數(shù)數(shù)載載流流子子濃濃度度小小的的多多N型材材料料P型材材料料非平平衡衡載載流流子子壽壽命命假定定光光照照產(chǎn)產(chǎn)生生和和，，如如果果光光突突然然關(guān)關(guān)閉閉，，和和將將隨隨時時間間逐逐漸漸衰衰減減直直至至0，衰衰減減的的時時間間常常數(shù)數(shù)稱稱為為壽壽命命，也常常稱稱為為少少數(shù)數(shù)載載流流子子壽壽命命單位位時時間間內(nèi)內(nèi)非非平平衡衡載載流流子子的的復(fù)復(fù)合合概概率率非平平衡衡載載流流子子的的復(fù)復(fù)合合率率復(fù)合合n型材材料料中中的的空空穴穴當(dāng)時時，，，，故故壽壽命命標(biāo)標(biāo)志志著著非非平平衡衡載載流流子子濃濃度度減減小小到到原原值值的的1/e所經(jīng)經(jīng)歷歷的的時時間間；；壽壽命命越越短短，，衰衰減減越越快快PN結(jié)雜雜質(zhì)質(zhì)分分布布PN結(jié)是是同同一一塊塊半半導(dǎo)導(dǎo)體體晶晶體體內(nèi)內(nèi)P型區(qū)區(qū)和和N型區(qū)區(qū)之之間間的的邊邊界界PN結(jié)是是各各種種半半導(dǎo)導(dǎo)體體器器件件的的基基礎(chǔ)礎(chǔ)，，了了解解它它的的工工作作原原理理有有助助于于更更好好地地理理解解器器件件典型型制制造造過過程程合金金法法擴(kuò)散散法法反向向擊擊穿穿電流流急急劇劇增增加加可逆逆雪崩崩倍倍增增齊納納過過程程不可可逆逆熱擊擊穿穿Part6半導(dǎo)導(dǎo)體體的的導(dǎo)導(dǎo)電電性性半導(dǎo)導(dǎo)體體中中載載流流子子的的輸輸運(yùn)運(yùn)有有三三種種形形式式：：漂移移擴(kuò)散散產(chǎn)生生和和復(fù)復(fù)合合散射射的的原原因因載流流子子在在半半導(dǎo)導(dǎo)體體內(nèi)內(nèi)發(fā)發(fā)生生撒撒射射的的根根本本原原因因是是周周期期性性勢勢場場遭遭到到破破壞壞附加加勢勢場場使使得得能能帶帶中中的的電電子子在在不不同同狀狀態(tài)態(tài)間間躍躍遷遷，，并并使使得得載載流流子子的的運(yùn)運(yùn)動動速速度度及及方方向向均均發(fā)發(fā)生生改改變變，，發(fā)發(fā)生生散散射射行行為為。。平衡衡載載流流子子在某某以以熱熱平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)下下的的載載流流子子稱稱為為平平衡衡載載流流子子非簡并半半導(dǎo)體處處于熱平平衡狀態(tài)態(tài)的判據(jù)據(jù)式（只受溫溫度T影響）由于受外外界因素素如光、、電的作作用，半半導(dǎo)體中中載流子子的分布布偏離了了平衡態(tài)態(tài)分布，，稱這些些偏離平平衡分布布的載流流子為過過剩載流流子，也也稱為非非平衡載載流子過剩載流流子非平衡載載流子的的光注入入小注入條條件小注入條條件：注入的的非平衡衡載流子子濃度比比平衡時時的多數(shù)數(shù)載流子子濃度小小的多N型材料P型材料pn結(jié)PN結(jié)雜質(zhì)分分布PN結(jié)是同一一塊半導(dǎo)導(dǎo)體晶體體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間間的邊界界PN結(jié)是各種種半導(dǎo)體體器件的的基礎(chǔ)，，了解它它的工作作原理有有助于更更好地理理解器件件典型制造造過程合金法擴(kuò)散法6.PN結(jié)擊穿PN結(jié)擊穿(junctionbreakdown)：PN結(jié)反向電壓壓超過某一一數(shù)值時時，反向向電流急劇增加加的現(xiàn)象稱稱為“PN結(jié)擊穿”，這時的電電壓稱為為擊穿電壓壓（VR）。VRIVPN結(jié)擊穿機(jī)制熱效應(yīng)齊納擊穿（隧道擊穿）雪崩擊穿器件設(shè)計(jì)計(jì)中要考考慮的最最重要問問題之一一：結(jié)的的擊穿。。雪崩擊穿穿6.1PN結(jié)擊穿PN結(jié)加大的的反向偏偏壓載流子從從電場獲獲得能量量載流子與與勢壘區(qū)區(qū)晶格碰碰撞能量足夠夠大時價價帶電子子被激發(fā)發(fā)到導(dǎo)帶帶產(chǎn)生電電子－空空穴對新形成的的電子、、空穴被被電場加加速，碰碰撞出新新的電子子、空穴穴載流子倍倍增硅PN結(jié)發(fā)生雪雪崩擊穿穿的電場場強(qiáng)度為為105-106V/cm屬于非破破壞性可可逆擊穿穿。在高電場場下耗盡盡區(qū)的共共價鍵斷斷裂產(chǎn)生生電子和和空穴，，即有些些價電子子通過量量子力學(xué)學(xué)的隧道道效應(yīng)從從價帶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到導(dǎo)導(dǎo)帶，從從而形成成反向隧隧道電流流。屬于非破破壞性可可逆擊穿穿。隧道擊穿穿機(jī)制用于于描述具具有低擊穿電電壓的結(jié)。如如硅PN結(jié)，VB<4.5V雪崩擊穿穿機(jī)制適用用于在高電壓下下?lián)舸┑慕Y(jié)，如如硅PN結(jié)，VB>6.7V6.2PN結(jié)擊穿齊納擊穿穿（隧道道擊穿））熱擊穿熱損耗局部升溫溫電流增加加屬于破壞壞性不可可逆擊穿穿6.3PN結(jié)擊穿Part7集成電路路制造工工藝集成電路路設(shè)計(jì)與與制造的的主要流流程框架架設(shè)計(jì)芯片檢測單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測試

系統(tǒng)需求集成電路路制造工工藝圖形轉(zhuǎn)換換：將設(shè)計(jì)在在掩膜版版(類似于照照相底片片)上的圖形形轉(zhuǎn)移到到半導(dǎo)體體單晶片片上摻雜：根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)的需要要，將各各種雜質(zhì)質(zhì)摻雜在在需要的的位置上上，形成成晶體管管、接觸觸等制膜：制作各種種材料的的薄膜圖形轉(zhuǎn)換換：光刻刻光刻三要要素：光刻膠、、掩膜版版和光刻刻機(jī)光刻膠又又叫光致致抗蝕劑劑，它是是由光敏敏化合物物、基體體樹脂和和有機(jī)溶溶劑等混混合而成成的膠狀狀液體光刻膠受受到特定定波長光光線的作作用后，，導(dǎo)致其其化學(xué)結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生生變化，，使光刻刻膠在某某種特定定溶液中中的溶解解特性改改變正膠：分辨率高高，在超超大規(guī)模模集成電電路工藝藝中，一一般只采采用正膠膠負(fù)膠：分辨率差差，適于于加工線線寬≥3m的線條正膠：曝曝光后可可溶負(fù)膠：曝曝光后不不可溶圖形轉(zhuǎn)換換：光刻刻幾種常見見的光刻刻方法接觸式光光刻：分分辨率較較高，但但是容易易造成掩掩膜版和和光刻膠膠膜的損損傷。接近式曝曝光：在在硅片和和掩膜版版之間有有一個很很小的間間隙(10～25m)，可以大大大減小小掩膜版版的損傷傷，分辨辨率較低低投影式曝曝光：利利用透鏡鏡或反射射鏡將掩掩膜版上上的圖形形投影到到襯底上上的曝光光方法，，目前用用的最多多的曝光光方式圖形轉(zhuǎn)換換：光刻刻超細(xì)線條條光刻技技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外外線(EUV)電子束光光刻X射線離子束光光刻圖形轉(zhuǎn)換換：刻蝕蝕技術(shù)濕法刻蝕蝕：利用液態(tài)態(tài)化學(xué)試試劑或溶溶液通過過化學(xué)反反應(yīng)進(jìn)行行刻蝕的的方法干法刻蝕蝕：主要指利利用低壓壓放電產(chǎn)產(chǎn)生的等等離子體體中的離離子或游游離基(處于激發(fā)發(fā)態(tài)的分分子、原原子及各各種原子子基團(tuán)等等)與材料發(fā)發(fā)生化學(xué)學(xué)反應(yīng)或或通過轟轟擊等物物理作用用而達(dá)到到刻蝕的的目的圖形轉(zhuǎn)換換：刻蝕蝕技術(shù)濕法腐蝕蝕：濕法化學(xué)學(xué)刻蝕在在半導(dǎo)體體工藝中中有著廣廣泛應(yīng)用用：磨片片、拋光光、清洗洗、腐蝕蝕優(yōu)點(diǎn)是選選擇性好好、重復(fù)復(fù)性好、、生產(chǎn)效效率高、、設(shè)備簡簡單、成成本低缺點(diǎn)是鉆鉆蝕嚴(yán)重重、對圖圖形的控控制性較較差干法刻蝕蝕濺射與離離子束銑銑蝕：通過高能能惰性氣氣體離子子的物理理轟擊作作用刻蝕蝕，各向異性性性好，，但選擇擇性較差差等離子刻刻蝕(PlasmaEtching)：利用放電電產(chǎn)生的的游離基基與材料料發(fā)生化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)，形成成揮發(fā)物物，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)刻蝕。。選擇性性好、對對襯底損損傷較小小，但各各向異性性較差反應(yīng)離子子刻蝕(ReactiveIonEtching，簡稱為為RIE)：通過活性性離子對對襯底的的物理轟轟擊和化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)雙重作作用刻蝕蝕。具有有濺射刻刻蝕和等等離子刻刻蝕兩者者的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，同時時兼有各各向異性性和選擇擇性好的的優(yōu)點(diǎn)。。目前，，RIE已成為VLSI工藝中應(yīng)應(yīng)用最廣廣泛的主主流刻蝕蝕技術(shù)擴(kuò)散與離離子注入入摻雜：將將需要的的雜質(zhì)摻摻入特定定的半導(dǎo)導(dǎo)體區(qū)域域中，以以達(dá)到改改變半導(dǎo)導(dǎo)體電學(xué)學(xué)性質(zhì)，，形成PN結(jié)、電阻阻、歐姆姆接觸磷(P)、砷(As)———N型硅硼(B)———P型硅摻雜工藝：：擴(kuò)散、離離子注入擴(kuò)散散替位式擴(kuò)散散：雜質(zhì)離離子占據(jù)硅硅原子的位位：Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很很高的溫度度(950～1280℃℃)下進(jìn)行磷、硼、砷砷等在二氧氧化硅層中中的擴(kuò)散系系數(shù)均遠(yuǎn)小小于在硅中中的擴(kuò)散系系數(shù)，可以以利用氧化化層作為雜雜質(zhì)擴(kuò)散的的掩蔽層間隙式擴(kuò)散散：雜質(zhì)離離子位于晶晶格間隙：：Na、K、Fe、Cu、Au等元素?cái)U(kuò)散系數(shù)要要比替位式式擴(kuò)散大6～7個數(shù)量級離子注入離子注入：：將具有很很高能量的的雜質(zhì)離子子射入半導(dǎo)導(dǎo)體襯底中中的摻雜技技術(shù)，摻雜雜深度由注注入雜質(zhì)離離子的能量量和質(zhì)量決決定，摻雜雜濃度由注注入雜質(zhì)離離子的數(shù)目目(劑量)決定摻雜的均勻勻性好溫度低：小小于600℃可以精確控控制雜質(zhì)分分布可以注入各各種各樣的的元素橫向擴(kuò)展比比擴(kuò)散要小小得多。可以對化合合物半導(dǎo)體體進(jìn)行摻雜雜退火火退火：也叫熱處理理，集成電電路工藝中中所有的在在氮?dú)獾炔徊换顫姎夥辗罩羞M(jìn)行的的熱處理過過程都可以以稱為退火火。激活雜質(zhì)：：使不在晶晶格位置上上的離子運(yùn)運(yùn)動到晶格格位置，以以便具有電電活性，產(chǎn)產(chǎn)生自由載載流子，起起到雜質(zhì)的的作用消除損傷退火方式：：爐退火快速退火：：脈沖激光光法、掃描描電子束、、連續(xù)波激激光、非相相干寬帶頻頻光源(如鹵光燈、、電弧燈、、石墨加熱熱器、紅外外設(shè)備等)集成電路工工藝圖形轉(zhuǎn)換：：光刻：接觸觸光刻、接接近光刻、、投影光刻刻、電子束束光刻刻蝕：干法法刻蝕、濕濕發(fā)刻蝕摻雜：離子注入退退火擴(kuò)散制膜：氧化：干氧氧氧化、濕濕氧氧化等等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸發(fā)、濺濺射圖形曝光與與刻蝕圖形曝光（（lithography）是利用掩掩模版（mask）上的幾何何圖形，通通過光化學(xué)學(xué)反應(yīng)，將將圖案轉(zhuǎn)移移到覆蓋在在半導(dǎo)體晶晶片上的感感光薄膜層層上（光致致抗蝕劑、、光刻膠、、光阻）的的一種工藝藝步驟。這些圖案可可用來定義義集成電路路中各種不不同區(qū)域，，如離子注注入、接觸觸窗與壓焊焊墊區(qū)。而而由圖形曝曝光所形成成的抗蝕劑劑圖案，并并不是電路路器件的最最終部分，，而只