第1章半導體概述

第1章半導體概述第一頁，共21頁。集成電路

集成電路，就是在一塊半導體單晶片上，通過一系列特定的加工工藝，制作出許多晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，并按照一定的電路互連關系“組裝”起來，封裝在一個外殼內，執(zhí)行特定的電路或系統(tǒng)功能。這種新型電子器件在體積、重量、耗電、壽命、可靠性和電性能等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的半導體分立元件電路。第二頁，共21頁。1958年，以美國德克薩斯儀器公司的Kilby為首的研究小組研制成第一個集成電路。第三頁，共21頁。摩爾定律

1965年，Intel公司的摩爾（Moore）通過對過去近十年集成電路發(fā)展的總結，提出了著名的摩爾定律，即集成電路芯片的集成度每18個月就會擴大一倍，特征尺寸縮小倍，價格每兩年下降一半。第四頁，共21頁。集成電路的發(fā)展趨勢

特征尺寸越來越小；晶圓尺寸越來越大；芯片上的晶體管數(shù)越來越多；時鐘頻率越來越高；電源電壓越來越低；布線層數(shù)越來越多；輸入/輸出（I/O）引腳越來越多。第五頁，共21頁。發(fā)展階段主要特征199019971999200120032006晶體管數(shù)/芯片106~10711×10621×10640×10676×106200×106線寬（μm）10.250.180.150.130.1時鐘頻率（MHz）757501200140016002000芯片面積（mm2）50~100300385430520620金屬布線層次66~7777~8DRAM容量256M1G1~4G4G16G工作電壓（V）1.8~2.51.2~1.81.2~1.51.2~1.50.9~1.2晶圓直徑mm/英寸150/6200/8300/12300/12300/12300/12特征參數(shù)第六頁，共21頁。集成電路的分類第七頁，共21頁。類別數(shù)字集成電路模擬集成電路MOSIC雙極ICSSI<100<100<30MSI100～1000100～50030～100LSI1000～100000500～2000100～300VLSI100000～>2000>300ULSI～1000000000GSI>1000000000按照集成度分類第八頁，共21頁。集成電路的材料

1.半導體集成電路是制作在半導體襯底材料之上的，而且集成電路中的基本元件也是依據(jù)半導體材料的特性制成的：通過摻入雜質，可以顯著改變半導體的導電性能；當半導體受到外界熱刺激時，其導電能力將發(fā)生顯著變化；光也可改變半導體的電導率，通常稱之為半導體的光電效應。第九頁，共21頁。2.絕緣體絕緣材料也是不可缺少的，用于元件之間、有源層及導線層之間的絕緣，以實現(xiàn)它們之間的電氣隔離；在MOS器件里，柵極與溝道之間的絕緣更是必不可少；充當離子注入及熱擴散的掩膜，作為鈍化層，保護器件不受外界影響等作用。集成電路中常用的絕緣材料有二氧化硅、氮氧化硅和氮化硅等。第十頁，共21頁。3.金屬金屬材料在集成電路中主要用于形成器件內部的接觸以及器件之間的互連線。某些金屬和高度摻雜的半導體材料之間可以形成良好的接觸，接觸面的電阻遠小于半導體材料本身的電阻，稱為歐姆接觸。集成電路中常用的金屬材料有鋁、金、鎢、銅等。4.多晶硅（Polysilicon）多晶硅本身是半絕緣的，摻入雜質后可以變?yōu)閷w。它可以用來制作柵極、源極與漏極（或基區(qū)與發(fā)射區(qū)）的電極、基本連線，也可以用來制作電阻。第十一頁，共21頁。集成電路工藝基礎

從晶圓到集成電路成品大約需要經(jīng)過數(shù)百道工序，這些工序可大致分為以下三類：1、圖形轉換：通過曝光（Lithography）和刻蝕（Etching），將掩膜版（類似于照相底片）上的圖形轉移到半導體單晶片上。2、摻雜：通過擴散（Diffusion）或離子注入（Implantation），將各種雜質按照設計要求，注入到硅晶片的特定位置上，形成晶體管、接觸等。第十二頁，共21頁。3、制膜：通過氧化或汽相淀積的方法，制造各種材料的薄膜。這些工序要反復進行幾十次，如Pentium4CPU要經(jīng)過26道光刻工序，每次需要使用不同的掩膜，再加上摻雜以及金屬鍍膜等很多處理步驟，一個CPU制造工序達數(shù)百道。第十三頁，共21頁。晶圓通過氧化、淀積、外延生長形成新的膜層通過光刻形成設計圖形通過離子注入、擴散摻入雜質晶圓檢測封裝測試使用掩膜集成電路制造工藝流程第十四頁，共21頁。集成電路的生產(chǎn)環(huán)境

在集成電路的生產(chǎn)過程中必須嚴格控制微粒的導入、產(chǎn)生和滯留。不同類型的產(chǎn)品，在不同的工序中，對潔凈等級有不同的要求。潔凈等級是按單位體積空氣中，粒徑在0.1~5μm范圍的懸浮微粒數(shù)來劃分的。第十五頁，共21頁。潔凈等級每立方米（m3）中微粒的最大允許數(shù)≥0.1μm≥0.2μm≥0.3μm≥0.5μm≥1μm≥5μmISO1102ISO210026104ISO31000265106358ISO410,0002650106035383ISO5100,00026,50010,600353083229ISO61,000,000265,000106,00035,3008320293ISO7353,00083,2002930ISO83,530,000832,00029,300ISO935,300,0008,320,000293,000ISO14664-1標準對潔凈等級作了如上規(guī)定第十六頁，共21頁。潔凈室凈化流程第十七頁，共21頁。芯片制造車間第十八頁，共21頁。為了營造合格的生產(chǎn)環(huán)境，除了空氣潔凈度要求外，還要采用很多相關的技術與管理辦法：所有氣流方向均以由上往下為主，盡量減少突兀的室內空間設計或機臺擺放，使粉塵在潔凈室內回旋停滯的機會與時間減至最低程度；所有材料均以不易產(chǎn)生靜電的材質為主，并采用各種靜電防護措施；水的使用也只限于去離子水。一則防止水中微粒污染晶第十九頁，共21頁。