微电子概论课件

微电子概论陈迪第一章概述1.1什么是集成电路和微电子学1.2集成电路的发展历程1.3集成电路分类1.1什么是集成电路和微电子学•集成电路是指半导体集成电路，即以半导体晶体材料为基片，经加工制造，将元件、有源器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上，执行某种功能的微型化电路。微电子是研究电子在半导体和集成电路中的物理现象、物理规律，并致力于这些物理现象.物理规律的应用，包括器件物理.器件结构.材料制备.集成工艺.电路与系统设计.自动测试以及封装、组装等一系列的理论和技术问题。微电子学研究的对象除了集成电路以外，还包括集成光电子器件、集成超导器件等。1.2集成电路的发展历程电子卡尺18000个电子管重达30吨功率150千瓦占地170平方米运算速度为每秒5000次在晶体管发明之前，电路系统主要依靠真空电子管。1946年美国宾州大学利用3年时间研制开发完成了用于弹道轨迹计算的世界上第一台电子数字计算机。1947年，美国Bell实验室三位科学家发明晶体管，标志着微电子时代的到来。1958年，美德州仪器公司研制出第一块集成电路第一块集成电路的发明者基尔比第一块集成电路只有12个元器件1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片•除了按集成度分类外，还可以从其他特点加以分类，按器件结构类型分，有双极成电路和MOS集成电路，见图1-12。1.3集成电路分类第二章IC制造材料2.1概述2.2半导体材料2.3绝缘材料2.4金属材料2.1概述10-22~10-14S·cm-1SiO2、SiON、Si3N4等绝缘体10-9~10-2S·cm-1硅、锗、砷化镓、磷化铟等半导体105S·cm-1铝、金、钨、铜等导体电导率材料分类2.2半导体材料•2.2.1硅（Si）•硅是现代为电子工业的基础。在过去的40年中，基于硅材料的多种工艺技术得以发展，达到成熟，如双极型晶体管（BJT），结构场效应管（J-FET），P型、N型、互补型金属-氧化物-半导体场效应管（PMOS，NMOS,CMOS）及双级管CMOS（BICMOS）等。就集成度而言，1GB的DRAM早已该发成功，微处理器的总晶体管数早已超过一千万。最大的芯片面积已接近1000mm2。与此同时，先进工艺线的晶圆已达到300mm(12英寸)。芯片的速度也越来越快。•2.2.2多晶硅•多晶硅有着与单晶硅相似的特性，并且其特性可随晶体度与杂质原子而改变，故被广泛用于微电子工艺。在MOS及双极性器件中，多晶硅可用来制作栅极、形成源极与漏极（双极型器件的基区与发射区）的欧姆接触、基本连线、薄PN结的扩散源、高值电阻等。多晶硅层可用溅射法、蒸发或CVD法沉淀。•2.2.3砷化镓（GaAs）•GaAs和其他III/IV族化合物器件之所以能工作在超高速超高频，其原因在于这些材料具有更高的载流子迁移率和近乎半绝缘的电阻率等。•GaAs是优良的III/IV族化合物固态材料。GaAs的电子迁移率比Si高很多，GaAs为4×107cm2/(Vs),而Si为9×106cm2/(Vs),因此，GaAs晶体管传输延迟远小于同类型的Si管。所以，GaAs管可工作在更高的数据速率上。2.3绝缘材料如同电气系统，在IC的材料系统中，绝缘体同样起着不可缺少的作用。在制作IC时，必须同时制作器件之间、有缘层与导电层之间的绝缘层，以实现它们之间的电隔离。在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘更是必不可少的。•绝缘层的其他功能包括：•（1）充当离子注入及热扩散的掩膜。•（2）作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受外界影响。•（3）电隔离。•随着连线的几何尺寸持续的缩小，需要低价电常数的层间绝缘介质，以减小连线之间的寄生电容和串扰。•另一方面，对大容量动态随机存储器（DRAM）的要求，推动了低漏电、高介电常数介质材料的发展。2.4金属材料•金属材料有三个功能：1.形成器件本身的接触线2.形成器件间的互连线3.形成焊盘•铝，铬，钛，钼，铊，钨等纯金属和合金薄层在VLSI制造中起着重要作用。这是由于这些金属及合金有着独特的属性。如对Si及绝缘材料有良好的附着力，高导电率，可塑性，容易制造，并容易与外部连线相连。•纯金属薄层用于制作与工作区的连线，器件间的互联线，栅及电容、电感、传输线的电极等。0.35umCMOS工艺的多层互联线第三章IC制造工艺•3.1概述•3.2薄膜的制备•3.3光刻•3.4掺杂集成电路制造工艺•图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上•掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等•制膜：制作各种材料的薄膜集成电路制造工艺流程图多晶硅放入坩埚内加热到1440℃熔化。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚内被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度99.7%的钨丝悬挂“硅籽晶”探入熔融硅中，以2~20转/分钟的转速及3~10毫米/分钟的速率从熔液中将单晶硅棒缓慢拉出。这样就会得到一根纯度极高的单硅晶棒，理论上最大直径可达45厘米，最大长度为3米。3.2光刻技术•光刻制造过程中，往往需采用20-30道光刻工序，现在技术主要采有紫外线(包括远紫外线)为光源的光刻技术。光刻工序包括翻版图形掩膜制造，硅基片表面光刻胶的涂敷、曝光、显影、腐蚀、以及光刻胶去除等工序。•(1)光刻胶的涂敷•所谓光刻胶，是对光、电子束或X线等敏感，具有在显影液中溶解性的性质，同时具有耐腐蚀性的材料。•一般说来，正型胶：的分辩率高。•负型胶：具有高感光度以及和下层的粘接性能好等特点。(2)曝光•根据曝光时掩模的光刻胶的位置关系，可分为接触式曝光、接近式曝光和投影曝光三种。•(3)显影•将显影液全面地喷在光刻胶上，或将曝光后的样片浸在显影液中几十秒钟，则正型光刻胶的曝光部分(或负胶的未曝光部分)被溶解。显影后的图形精度受显影液的浓度，温度以及显影的时间等影响。显影后用纯水清洗。(4)腐蚀(etching)•经过上述工序后，以复制到光刻胶上的集成电路的图形作为掩模，对下层的材料进行腐蚀。腐蚀技术是利用化学腐蚀法把材料的某一部分去除的技术。•腐蚀技术分为两大类：•湿法腐蚀—进行腐蚀的化学物质是溶液；•干法腐蚀(一般称刻蚀)—进行的化学物质是气体。•（5）光刻胶的去除•经腐蚀完成图形复制以后，再用剥离液去除光刻胶。•3.3.2离子注入离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。※离子注入的优点：＊掺杂的均匀性好＊温度低：小于600℃＊可以精确控制杂质分布＊可以注入各种各样的元素＊横向扩展比扩散要小得多。＊可以对化合物半导体进行掺杂离子注入系统的原理示意图：•3.4氧化工艺•氧化：制备SiO2层•SiO2的性质及其作用•SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应•3.5化学汽相淀积(CVD)•化学汽相淀积(ChemicalVaporDeposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程•CVD技术特点：–具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点–CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等第四章IC有源元件和工艺流程•4.1概述•4.2双极型硅工艺•4.3MOS工艺概述•4.4PMOS工艺•4.5NMOS工艺•4.6CMOS工艺•4.7BICMOS工艺4.1概述IC材料、工艺、器件和电路材料工艺器件电路形式电路规模Si-BipolarD,BJT,R,C,LTTL,ECL,CMLLSINMOSD,NMOS,R,CNMOS,SCFLVLSICMOSD,P/N-MOS,R,CCMOS,SCFLULSI,GSIBiCMOSD,BJT,P/N-MOS,R,CECL,CMOSVLSI,ULSISilicon硅Si/GeD,HBT/HEMTECL/SCFLLSIMESFETD,MESFET,R,C,LSCFLLSI,VLSIHEMTD,E/D-HEMT,R,C,LSCFLLSI,VLSIGaAs砷化镓HBTD,HBT,R,C,LECL,CMLMSI,LSIHEMTD,HEMT,R,C,LSCFL,CMLMSIInP磷化铟HBTD,HBT,R,C,LECL,CMLMSI4.2双极型硅工艺p+p+n+n-pn+n+p-SiO2BECBuriedLayerMetalpn-Isolationpn-Isolation早期的双极性硅工艺：NPN三极管先进的双极性硅工艺：NPN三极管4.3MOS工艺概述•MOS工艺的特征尺寸特征尺寸:最小线宽最小栅长4.4PMOS工艺•1970年前，标准的MOS工艺是铝栅P沟道l铝栅，栅长为20m。lN型衬底，p沟道。l氧化层厚1500Å。l电源电压为-12V。l速度低，最小门延迟约为80100ns。l集成度低，只能制作寄存器等中规模集成电路。铝栅PMOS工艺特点：•标准硅栅PMOS工艺硅栅工艺的优点：l自对准的，它无需重叠设计，减小了电容，提高了速度。l无需重叠设计，减小了栅极尺寸，漏、源极尺寸也可以减小，即减小了晶体管尺寸，提高了速度，增加了集成度。l增加了电路的可靠性4.5NMOS工艺由于电子的迁移率e大于空穴的迁移率h，即有e2.5h,因而，N沟道FET的速度将比P沟道FET快2.5倍。那么，为什么MOS发展早期不用NMOS工艺做集成电路呢？问题是NMOS工艺遇到了难关。所以,直到1972年突破了那些难关以后,MOS工艺才进入了NMOS时代。5.7.4NMOS工艺流程4.6CMOS工艺•进入80年代以来，CMOSIC以其近乎零的静态功耗而显示出优于NMOS，而更适于制造VLSI电路，加上工艺技术的发展，致使CMOS技术成为当前VLSI电路中应用最广泛的技术。1Poly-,P阱CMOS工艺流程N阱CMOS工艺主要步骤形成n阱区确定nMOS和pMOS有源区场和栅氧化（thinox）形成多晶硅并刻蚀成图案p+扩散n+扩散刻蚀接触孔沉积第一金属层并刻蚀成图案沉积第二金属层并刻蚀成图案形成钝化玻璃并刻蚀焊盘4.7BICMOS工艺•CMOS的主要优点是集成密度高而功耗低，工作频率随着工艺技术的改进已接近TTL电路，但驱动能力尚不如双极型器件，所以近来又出现了在IC内部逻辑部分采用CMOS技术，而I/O缓冲及驱动部分使用双极型技术的一种称为BiCMOS的工艺技术。单层多晶硅,单层金属CMOS双极性器件的附加工序l形成n阱区形成掩埋集电极n+层l形成有源区l形成沟道阻隔区形成深透集电极n+层l阈值电压调整l确定多晶硅图形l形成n+有源区l形成p+有源区形成双极性晶体管p+基区l形成接触孔l形成金属连线BICMOS工艺特点就是在CMOS工艺基础上加入双极性器件的特殊工序第五章基本的门电路•5.1数字电路的主要性能•5.2饱和型与非饱和型双极型数字集成电路•5.3TTL门•5.4CMOS门电路•5.5双极型电路信号与MOS电路的比较•5.6BICMOS电路5.1数字电路的主要性能•电路的性能包括很多方面，但最重要的是速度、功耗和所占硅片的面积。•1．速度•速度是指电路能够可靠工作时的最大频率。一个反相器的最大工作频率可近似表达•电路的速度越高，则电路在每秒内可以处理的数据量就越大。•一个数字电路中会有成千上万个电路单元，面每个电路单元由于其功能和设计的不同，它们的响应时间会有差异，因此最高时钟频率取决于响应最慢的电路单元或者最慢的通路(path)。•2．功耗•所有的电路都需要有直流电源供电，从电源中获得的能量在电路中将以热的形式耗散掉。由于硅材料的性质决定了晶体管的性能会随温度有明显的变化，因而通常电路的PN结温度不能超过200℃、(一般商用电路，其最高工作温度规定为65℃或75℃)，这样就对电路的总功耗有一限制。•由于电路中器件数目增加时。电