微电子器件与电路张进宇ch01-1

微电子器件与电路MicroelectronicDevicesandCircuits清华大学微电子学研究所张进宇Email：[e-mail]：62771283(O)13641016023(cell)•集成电路，芯片•光刻，刻蚀，氧化，离子注入•摩尔定律•金属，绝缘体，半导体•晶体，非晶，单晶，多晶•薛定谔方程，能级，量子态，自旋，态密度•泡利不相容原理，费米狄拉克分布，•导带，价带，带隙，有效质量•载流子，空穴，电子23引言1．本课程的性质与对象：性质：半导体物理与晶体管补课复习，旨在对主流半导体器件做一个总体的、概括性的介绍和引导；基础知识：需要引入一些量子力学、固体物理和半导体物理方面的基础知识，同时也有一定的深度要求；专业课：重视基本概念和专业术语的介绍，要求达到能够从事初步的专业研究工作的能力，同时可以为进一步深入的专业学习打下一个必要的入门基础；对象：准备选择微电子学专业的同学，或希望以后进行跨专业、跨学科的学习或研究工作的同学，或对微电子学有兴趣的其它各专业的同学。4引言2．本课程的内容、目标及先修课程：内容：将覆盖微电子学专业所需掌握的主要基础知识，包括半导体物理基础、微电子器件制造工艺、几种主流微电子器件（例如PN结、Si-BJT/MOSFET等）的结构与原理、简单集成电路的分析与设计基础等。目标：通过本课程的学习，学生将全面了解半导体器件与微电子学专业的基础知识与基本技能，为学生进入微电子学研究领域或与微电子学相关的交叉学科，打下一个初步的基础。先修课程：高等数学，大学物理（含量子物理部分）5引言3．讲授与教材：基本上以课堂讲授为主，重概念，简计算。建议大家能够尽可能课堂上听懂。及时复习消化并完成布置的作业。推荐教材：《AnIntroductiontoSemiconductorDevices》（半导体器件导论），DonaldA.Neamen，清华大学出版社。4．参考书：顾祖毅等《半导体物理学》，电子工业出版社，1995年；曹培栋《微电子技术基础：双极、场效应晶体管原理》，电子工业出版社，2001年。6引言5．内容框架：共10章：第一章固体的晶体结构第二章固体理论概要第三章热平衡状态下的半导体第四章载流子输运与过剩载流子现象第五章pn结与金属-半导体接触第六章MOS场效应晶体管基础第七章MOSFET——概念的深入第八章半导体中的非平衡过剩载流子第九章pn结与肖特基结二极管第十章双极型晶体管6．成绩计算：1）课堂练习；2）作业；3）Project，一个基于Matlab的编程。无最终的考试！要求大家每次上课：1）带计算器；2）带演算纸；3）带讲义。78概述1.什么是微电子学？微电子学是研究微小尺度下固体材料（主要是锗、硅以及砷化镓等半导体材料）中载流子（电子和空穴）运动的规律并进而实现对电、磁、光、力、热等各种信号进行高速处理的一门高度集成化的电子科学分支。2.微电子学的主要研究内容：（1）固体电子学与微电子器件物理学（2）半导体工艺原理和集成电路制造技术（3）集成电路及微电子系统芯片设计原理与技术（4）微电子芯片的封装与测试技术（5）微电子芯片的可靠性理论与失效机理分析（6）各种传感器及新型MEMS器件原理与技术9概述3.微电子学的发展特点：(1)微电子科学技术是一门发展极为迅速的高技术学科（它历经半个多世纪的高速发展，至今仍然充满蓬勃的生机与活力）；1947年12月23日，美国贝尔实验室的三位科学家，肖克莱、巴丁、布拉顿发明晶体管结构，并首次观察到晶体管的电流放大效应，从而揭开了人类社会步入信息时代的序幕，为此，三位科学家共同分享了1956年的诺贝尔物理学奖。1948年1月，肖克莱提出了结型晶体管的理论。1949年，贝尔实验室做出了第一个实用化的锗PNP型晶体管。1952年，肖克莱又发明了生长结晶体管。10概述左起依次为：巴丁(J.Bardeen)(1908-1991)肖克莱(W.Shockley)(1910-1989)布拉顿(W.Brattain)(1902-1987)11概述右图为肖克莱、巴丁、布拉顿三人当年在贝尔实验室发明的第一只点接触结构的晶体管原型。12概述1958年9月，美国德州仪器公司年轻的电子工程师JackKilby发明了第一块锗集成电路振荡器，这一发明具有十分重要的划时代意义，它揭开了微电子科学与技术发展史上一页全新的篇章，为此，JackKilby获得了2000年度诺贝尔物理学奖的殊荣。差不多也在同一时期，美国仙童半导体公司一位年轻的工程师、也是后来大名鼎鼎的Intel公司的创始人之一的BobNoyce也独立地发明了集成电路技术。13概述JackKilby及其发明的第一块集成电路14概述Noyce发明的第一块单片集成电路芯片1959年7月，诺伊斯基于硅平面工艺，发明了世界上第一块硅集成电路，该集成电路更适合商业化生产。1968年8月，诺伊斯与戈登·摩尔一起辞职，创办了著名的英特尔（Intel）公司晶圆片(Wafer)和芯片(Chips)Asingleintegratedcircuit,alsoknownasadie,chip,andmicrochipDevicesandLayersfromaSiliconChipSiliconsubstratedrainSiliconsubstrateTopprotectivelayerMetallayerInsulationlayersRecessedconductivelayerConductivelayerFigure1.5StagesofICFabricationDefectivedie1.2.3.ScribelineAsingledieAssemblyPackaging4.5.WafersslicedfromingotSinglecrystalsiliconFigure1.6集成电路规模Table1.120概述现代的集成电路芯片（Chip）都是制作在直径为200至300毫米的硅晶园片（Wafer）上。硅晶园片的直径也从早期的1至2英寸逐步发展到目前的8至12英寸，每个硅晶园片上可以同时制作出成千上万个完全相同的集成电路芯片。Wafer尺寸演化20001992198719811975196550mm100mm125mm150mm200mm300mmFigure1.4WaferFabPhotocourtesyofAdvancedMicroDevices-Dresden,©S.DoeringPhoto1.6CriticalDimensionCommonICFeaturesContactHoleLineWidthSpaceFigure1.924概述Intel公司在1970年推出的第一块容量仅为1Kbit的动态随机存取存储器（DRAM）25概述2001年问世的存储容量为4GBit的DRAM26概述Intel公司在1971年推出的第一块4位微处理器（CPU）芯片4004，内含2250个MOS晶体管27概述Intel公司在2001年推出的主频为1.7GHz的Pentium-4微处理器芯片，内含4200万个MOS晶体管28概述摩尔定律Moore’sLaw1965年，Moore总结集成电路技术的发展，预言IC集成度每年增加一倍，即技术每两年提高一代1975年，又提出修正，八十年代后提高速度将放慢，每三年技术提高一代，实际上每2至3年提高一代29概述Intel公司的CPU芯片按照摩尔定律发展的轨迹30概述Intel公司微处理器发展年表31概述(2)微电子科学技术是一门涉及多学科的综合性高技术（其内涵极为丰富）；主要研究内容：半导体材料、半导体器件物理、集成电路制造工艺、集成电路与系统的设计和测试以及半导体器件与集成电路的可靠性等。微电子科学技术涉及到量子力学、热力学与统计物理、固体物理学、材料科学、电路与系统、射频无线电技术、信号处理、计算机辅助设计、半导体化学、精密仪器、等离子体物理、真空技术、洁净技术、可靠性物理、测试与封装等多个学科和领域。32概述(3)微电子科学技术是一门具有极强渗透性的新兴学科（其外延非常广阔）；微电子科学技术可以不断地与其它相关学科相结合或交叉融合，从而诞生出一系列的新兴交叉学科。例如：与机械、光学等学科结合，导致了微机电系统（MEMS）的出现；与生物科学结合，诞生了生物芯片（Bio-Chip）技术；与铁电材料技术结合，形成了集成铁电学（IntegratedFerroelectrics）；33第一章固体的晶体结构第一章固体的晶体结构本章学习要点：1.了解半导体材料及其特点；2.认识固体材料的三种主要结构类型；3.理解几种基本的晶体结构以及晶向、晶面的概念；4.了解不同固体材料中原子价键的区别；5.熟悉晶体材料中的主要缺陷与杂质；6.了解半导体单晶材料的主要生长方法；7.了解微电子单项工艺之一：氧化工艺过程。34本章基本框架1.1半导体材料1.2固体材料的三种主要结构类型1.3晶体的空间点阵结构1.4晶体中原子之间的价键1.5晶体中的缺陷与杂质1.6半导体单晶材料的生长1.7微电子单项工艺之一：热氧化工艺过程1.8总结351.1半导体材料1.1半导体材料1.半导体材料的主要特征：（1）电导率介于导体和绝缘体之间；（2）电导率随温度的升高而增大；（3）电导率随掺杂或光照等外界因素的改变而发生很大程度的变化。半导体材料在元素周期表中主要位于第四主族，例如锗（Ge）、硅（Si）等元素，或者也可以是由第三主族与第五主族元素构成的化合物材料，例如砷化镓（GaAs）材料等。361.1半导体材料371.1半导体材料元素周期表中与半导体材料相关的部分元素：381.1半导体材料2.半导体材料的分类：（1）元素半导体：完全由同一种元素构成的半导体材料，例如硅（Si）、锗（Ge）等。（2）化合物半导体：由两种或两种以上不同元素构成的半导体材料，例如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、碳化硅（SiC）、铝镓砷（AlGaAs）等。化合物半导体材料又可进一步划分为：二元化合物半导体材料：GaAs等；三元化合物半导体材料：AlxGa1-xAs等；四元化合物半导体材料：In1-xGaxAs1-yPy等；维伽定律（Vegard’sLaw）：多元化合物半导体材料的晶格常数、禁带宽度等晶体特征参数与其摩尔组分x、y之间成近似的线性关系。391.1半导体材料几种不同类型的半导体材料：401.2固体材料的三种主要结构类型1.2固体材料的三种主要结构类型固体：处于凝固状态下的物体，通常具有一定的形状和体积。按其内部原子的排列情况可分为以下三种主要的结构类型，即单晶、多晶和非晶。固体材料的三种主要结构类型及其特征：（1）单晶：长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以上）；（2）多晶：长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）；（3）非晶：基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）。411.2固体材料的三种主要结构类型固体材料的三种主要结构类型二维示意图：（a）非晶（b）多晶（c）单晶421.3晶体的空间点阵结构1.3晶体的空间点阵结构1.晶胞、原胞与基矢：晶格（Lattice）：晶体中原子的周期性排列情况，分为简单晶格和复式晶格两大类。格点（Latticepoint）：晶格中用来表示原子阵列的点；晶胞（Unitcell）：也称为单胞，通常是以格点为顶点、以三个独立方向上的周期为边长所构成的平行六面体。它是晶体中的一个小的单元，可以用来不断重复，从而得到整个晶体，通常能够反映出整块晶体所具有的对称性；431.3晶体的空间点阵结构二维晶格点阵示意图二维晶胞示意图原胞（Primitivecell）：能够不断重复得到整个晶体的最小晶胞，通常未必能够反映出整块晶体所具有的对称性；基矢（Basisvector）：即晶胞的三个相互独立的边矢量。441.3晶体的空间点阵结构右图是一个一般意义