第1章 半導(dǎo)體 概述

1、1第一章第一章 概述概述 一、集成電路的發(fā)展歷程一、集成電路的發(fā)展歷程 集成電路的由來(lái)集成電路的由來(lái) 摩爾定律之路摩爾定律之路二、集成電路的分類(lèi)二、集成電路的分類(lèi) 按器件導(dǎo)電類(lèi)型分類(lèi)按器件導(dǎo)電類(lèi)型分類(lèi) 按器件功能分類(lèi)按器件功能分類(lèi)三、集成電路工藝基礎(chǔ)三、集成電路工藝基礎(chǔ) 集成電路的材料集成電路的材料 集成電路工藝基礎(chǔ)集成電路工藝基礎(chǔ)四、集成電路的生產(chǎn)環(huán)境四、集成電路的生產(chǎn)環(huán)境2集成電路集成電路 集成電路，就是在一塊半導(dǎo)體單晶片上，通過(guò)一系列集成電路，就是在一塊半導(dǎo)體單晶片上，通過(guò)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

2、容等無(wú)源器件，并按照一定的電路互連關(guān)系和電阻、電容等無(wú)源器件，并按照一定的電路互連關(guān)系“組裝組裝”起來(lái)，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，執(zhí)行特定的電路或系起來(lái)，封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，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、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(dǎo)體分立元件電路?？煽啃院碗娦阅艿确矫婢鶅?yōu)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體分立元件電路。3 1958年，以美國(guó)德克薩斯儀器公司的年，以美國(guó)德克薩斯儀器公司的Kilby為首的研為首的研究小組研制成第一個(gè)集成電路。究小組研制成第一個(gè)集成電路。4摩爾定律摩爾定律 1965年，年，Intel公司的摩爾（公司的

3、摩爾（Moore）通過(guò)對(duì)過(guò)去近）通過(guò)對(duì)過(guò)去近十年集成電路發(fā)展的總結(jié)，提出了著名的摩爾定律，即集成十年集成電路發(fā)展的總結(jié)，提出了著名的摩爾定律，即集成電路芯片的集成度每電路芯片的集成度每18個(gè)月就會(huì)擴(kuò)大一倍，特征尺寸縮小個(gè)月就會(huì)擴(kuò)大一倍，特征尺寸縮小 倍，價(jià)格每?jī)赡晗陆狄话?。倍，價(jià)格每?jī)赡晗陆狄话搿?25集成電路的發(fā)展趨勢(shì)集成電路的發(fā)展趨勢(shì) 特征尺寸越來(lái)越?。惶卣鞒叽缭絹?lái)越?。?晶圓尺寸越來(lái)越大；晶圓尺寸越來(lái)越大； 芯片上的晶體管數(shù)越來(lái)越多；芯片上的晶體管數(shù)越來(lái)越多； 時(shí)鐘頻率越來(lái)越高；時(shí)鐘頻率越來(lái)越高； 電源電壓越來(lái)越低；電源電壓越來(lái)越低； 布線層數(shù)越來(lái)越多；布線層數(shù)越來(lái)越多； 輸入輸入/輸出

4、（輸出（I/O）引腳越來(lái)越多。）引腳越來(lái)越多。6 發(fā)展階段發(fā)展階段主要特征主要特征199019971999200120032006晶體管數(shù)晶體管數(shù)/芯片芯片10610711106211064010676106200106線寬（線寬（m）10.250.180.150.130.1時(shí)鐘頻率（時(shí)鐘頻率（MHz）757501200140016002000芯片面積（芯片面積（mm2）50100300385430520620金屬布線層次金屬布線層次6677778DRAM容量容量256M1G14G4G16G工作電壓（工作電壓（V）1.82.51.21.81.21.51.21.50.91.2晶圓直徑晶圓直徑mm

5、/英寸英寸150/6200/8 300/12300/12300/12300/12特征參數(shù)特征參數(shù)7集成電路按類(lèi)型分類(lèi)按功能分類(lèi)雙極型MOS型BiMOS型數(shù)字電路模擬電路、PMOS NMOS CMOS組合邏輯電路時(shí)序邏輯電路線性電路非線性電路、BiMOS BiCMOS、TTL I2、L ECL集成電路的分類(lèi)集成電路的分類(lèi)8類(lèi)別類(lèi)別數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路模擬集成電路模擬集成電路MOS IC雙極雙極 ICSSI1001002000300ULSI100000001000000000GSI1000000000按照集成度分類(lèi)按照集成度分類(lèi)9集成電路的材料集成電路的材料 1.半導(dǎo)體半導(dǎo)體 集成電路是制作在

6、半導(dǎo)體襯底材料之上的，而且集成電集成電路是制作在半導(dǎo)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(dǎo)體材料的特性制成的：路中的基本元件也是依據(jù)半導(dǎo)體材料的特性制成的： 通過(guò)摻入雜質(zhì)，可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能；通過(guò)摻入雜質(zhì)，可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能； 當(dāng)半導(dǎo)體受到外界熱刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變當(dāng)半導(dǎo)體受到外界熱刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化；化； 光也可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通常稱(chēng)之為半導(dǎo)體的光電光也可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，通常稱(chēng)之為半導(dǎo)體的光電效應(yīng)。效應(yīng)。102.絕緣體絕緣體 絕緣材料也是不可缺少的，用于元件之間、有源層及導(dǎo)絕緣材料也是不可缺少的，用于元件之間、有源層及導(dǎo)線層

7、之間的絕緣，以實(shí)現(xiàn)它們之間的電氣隔離；在線層之間的絕緣，以實(shí)現(xiàn)它們之間的電氣隔離；在MOS器器件里，柵極與溝道之間的絕緣更是必不可少；充當(dāng)離子注入件里，柵極與溝道之間的絕緣更是必不可少；充當(dāng)離子注入及熱擴(kuò)散的掩膜，作為鈍化層，保護(hù)器件不受外界影響等作及熱擴(kuò)散的掩膜，作為鈍化層，保護(hù)器件不受外界影響等作用。用。 集成電路中常用的絕緣材料有二氧化硅、氮氧化硅和氮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。化硅等。113.金屬金屬 金屬材料在集成電路中主要用于形成器件內(nèi)部的接觸以金屬材料在集成電路中主要用于形成器件內(nèi)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(dǎo)體材料之及器件之間

8、的互連線。某些金屬和高度摻雜的半導(dǎo)體材料之間可以形成良好的接觸，接觸面的電阻遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體材料本間可以形成良好的接觸，接觸面的電阻遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體材料本身的電阻，稱(chēng)為歐姆接觸。集成電路中常用的金屬材料有鋁、身的電阻，稱(chēng)為歐姆接觸。集成電路中常用的金屬材料有鋁、金、鎢、銅等。金、鎢、銅等。 4.多晶硅（多晶硅（Polysilicon） 多晶硅本身是半絕緣的，摻入雜質(zhì)后可以變?yōu)閷?dǎo)體。它多晶硅本身是半絕緣的，摻入雜質(zhì)后可以變?yōu)閷?dǎo)體。它可以用來(lái)制作柵極、源極與漏極（或基區(qū)與發(fā)射區(qū)）的電可以用來(lái)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(lái)制作電阻。極、基本連線，也可以用來(lái)制作電阻。 1

9、2集成電路工藝基礎(chǔ)集成電路工藝基礎(chǔ) 從晶圓到集成電路成品大約需要經(jīng)過(guò)數(shù)百道工序，這些從晶圓到集成電路成品大約需要經(jīng)過(guò)數(shù)百道工序，這些工序可大致分為以下三類(lèi)：工序可大致分為以下三類(lèi)： 1、圖形轉(zhuǎn)換：通過(guò)曝光（、圖形轉(zhuǎn)換：通過(guò)曝光（Lithography）和刻蝕）和刻蝕（Etching），將掩膜版（類(lèi)似于照相底片）上的圖形轉(zhuǎn)），將掩膜版（類(lèi)似于照相底片）上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上。移到半導(dǎo)體單晶片上。 2、摻雜：通過(guò)擴(kuò)散（、摻雜：通過(guò)擴(kuò)散（Diffusion）或離子注入）或離子注入（Implantation），將各種雜質(zhì)按照設(shè)計(jì)要求，注入到），將各種雜質(zhì)按照設(shè)計(jì)要求，注入到硅晶片的特定位置上，形

10、成晶體管、接觸等。硅晶片的特定位置上，形成晶體管、接觸等。13 3、制膜：通過(guò)氧化或汽相淀積的方法，制造各種材料的、制膜：通過(guò)氧化或汽相淀積的方法，制造各種材料的薄膜。薄膜。 這些工序要反復(fù)進(jìn)行幾十次，如這些工序要反復(fù)進(jìn)行幾十次，如Pentium 4 CPU要要經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)26道光刻工序，每次需要使用不同的掩膜，再加上摻道光刻工序，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(gè)雜以及金屬鍍膜等很多處理步驟，一個(gè)CPU制造工序達(dá)數(shù)制造工序達(dá)數(shù)百道。百道。14晶圓通過(guò)氧化、淀積、外延生長(zhǎng)形成新的膜層通過(guò)光刻形成設(shè)計(jì)圖形通過(guò)離子注入、擴(kuò)散摻入雜質(zhì)晶圓檢測(cè)封裝測(cè)試使用掩膜集成電路制造工

11、藝流程集成電路制造工藝流程15集成電路的生產(chǎn)環(huán)境集成電路的生產(chǎn)環(huán)境 在集成電路的生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制微粒的導(dǎo)入、在集成電路的生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制微粒的導(dǎo)入、產(chǎn)生和滯留。不同類(lèi)型的產(chǎn)品，在不同的工序中，對(duì)潔凈產(chǎn)生和滯留。不同類(lèi)型的產(chǎn)品，在不同的工序中，對(duì)潔凈等級(jí)有不同的要求。潔凈等級(jí)是按單位體積空氣中，粒徑等級(jí)有不同的要求。潔凈等級(jí)是按單位體積空氣中，粒徑在在0.15m范圍的懸浮微粒數(shù)來(lái)劃分的。范圍的懸浮微粒數(shù)來(lái)劃分的。16潔凈等級(jí)每立方米（m3）中微粒的最大允許數(shù)0.1m0.2m0.3m0.5m1m5mISO1102ISO210026104ISO31000265106358ISO410,0

12、002650106035383ISO5100,00026,50010,600353083229ISO61,000,000265,000106,00035,3008320293ISO7353,00083,2002930ISO83,530,000832,00029,300ISO935,300,0008,320,000293,000ISO14664-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)潔凈等級(jí)作了如上規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)潔凈等級(jí)作了如上規(guī)定17潔凈室（） 作業(yè)區(qū) 緩沖區(qū)更衣?lián)Q鞋更潔凈服風(fēng)淋室門(mén)廳排水排氣處理去離子水氮?dú)獾葍艋照{(diào)機(jī)組制品材料作業(yè)人員緩沖區(qū)潔凈室凈化流程潔凈室凈化流程18芯芯片片制制造造車(chē)車(chē)間間19 為了營(yíng)造合格的生產(chǎn)環(huán)境

13、，除了空氣潔凈度要求外，還為了營(yíng)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(guān)的技術(shù)與管理辦法：要采用很多相關(guān)的技術(shù)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(nèi)所有氣流方向均以由上往下為主，盡量減少突兀的室內(nèi)空間設(shè)計(jì)或機(jī)臺(tái)擺放，使粉塵在潔凈室內(nèi)回旋停滯的機(jī)會(huì)與空間設(shè)計(jì)或機(jī)臺(tái)擺放，使粉塵在潔凈室內(nèi)回旋停滯的機(jī)會(huì)與時(shí)間減至最低程度；時(shí)間減至最低程度； 所有材料均以不易產(chǎn)生靜電的材質(zhì)為主，并采用各種靜所有材料均以不易產(chǎn)生靜電的材質(zhì)為主，并采用各種靜電防護(hù)措施；電防護(hù)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水的使用也只限于去離子水。一則防止水中微粒污染晶20圓，二則防止水