工学]微电子概论复习内容ppt

　　基本概念 微电子、集成电路、集成度 微电子的战略地位 对人类社会的巨大作用 集成电路的几种主要分类方法 按器件类型 按规模 一些英文缩写词 IC、VLSI、ULSI 、DRAM 、CMOSFET 集成电路的发展历史 微电子的特点 微电子学：电子学的一门分支学科 微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。 微电子学中的空间尺度通常是以微米(?m, 1?m＝10－6m)和纳米(nm, 1nm = 10-9m)为单位的。 微电子学是信息领域的重要基础学科 微电子的特点 微电子学是一门综合性很强的边缘学科 涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科九游科技有限公司,九游官方网站,九游j9学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科 微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向 微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等 集成电路（Integrated Circuit，IC）： 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）或陶瓷等基片上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。 集成电路分类 集成电路的分类 器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域 半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合 半导体中载流子的散射有几种模式，其主要特点是什么，影响因素有哪些？ 用电中性条件和热平衡条件分别推导掺杂浓度为ND的n型和掺杂浓度为NA的p型半导体中费米能级EF的表达式。 1、根据载流子输运情况，解释PN结的单向导电性 2、NPN管的工作原理和特性 3、讨论PMOS晶体管的工作原理和特性 pn结的单向导电性 PN 结加反向电压（反向偏置） 1. VGS VTN时，由于未形成导电沟道，所以不管VGS的大小如何，iD=0。场效应管的工作在截止区。如图4.4(a)所示。 ②随着VDS的增大，氧化物下部靠近漏极端的电压降低（∵VGS不变，∴VGD=VGS-VDS变小），即靠近漏极端的反型层变薄，沟道在此处的导电能力下降，从而导致iD关于VDS的特性曲线的斜率降低。 沟道的性质类似于可变电阻的性质，故称该区域为可变电阻区。如图4.5(b)所示。 ③当VDS增大到使氧化物与漏极之间的电压等于VTN时，靠近漏极端的反型层电荷密度为0，即iD关于VDS的特性曲线，称该状态为夹断状态。如图4.5(c)所示。 夹断状态时，夹断方程： ④当 第四章 集成电路工艺 图形转换： 光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻 刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀 掺杂： 离子注入 退火 扩散 制膜： 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等 CVD：APCVD、LPCVD、PECVD PVD：蒸发、溅射 集成电路工艺主要分为哪几大类，每一类中包括哪些主要工艺，并简述各工艺的主要作用 简述光刻的工艺过程 Salicide工艺 淀积多晶硅、刻蚀并形成侧壁氧化层； 淀积Ti或Co等难熔金属 RTP并选择腐蚀侧壁氧化层上的金属； 最后形成Salicide结构 第五章 半导体材料 集成电路材料概况（P115 图5.1） 材料的晶体结构：晶格结构、周期性、对称性、方向性 化学键：共价键、离子键、金属键、分子键 能带论 晶体缺陷：点、线、面、体缺陷 硅Si 硅在整个半导体材料占绝对优势。目前，90％以上的半导体器件和电路都是用Si来制作的。 硅材料的发展趋势： （1）提高硅的纯度,杂质含量＜10-9； （2）硅片的直径越做越大； （3）几何精度要求越来越高。 外生粒子、晶生粒子 锗硅合金 种类：无定形、结晶形和超晶格 制备方法： 结晶形：直拉法、水平法、热分解法和热压法 超晶格：分子束外延、金属有机化学气相沉积 特点：能带结构、禁带宽度可以 通过改变组分进行调节，制造工艺与Si工艺兼容，兼有GaAs优点 用途：微电子技术、太阳能电池 应变Si材料 CMOS器件中，向Si沟道材料中引入一定的应力，可改变载流子在沟道中的输运特性，提高迁移率。从而提高器件的速度性能。 全局应力、局域应力 只有在特定方向上施加应力，才可有效提高沟道迁移率。 pMOSFET----单轴压应力 （GeSi做源漏端材料） NMOSFET----单轴张应力（利用栅极SiN覆盖） 以Si和GaAs为代表的传统半导体材料的高速发展推动了微电子、光电子技术的迅猛发展。然而受材料性能所限，用这些材料制成的器件大都只能在200℃以下的热环境下工作，且抗辐射、耐高击穿电压性能以及发射可见光波长范围都不能满足现代电子技术发展对高温、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光等提出的新要求。而以氮化镓和碳化硅为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等独特的特性，它在光显示、光存储、光探测等光电子器件和高温、高频大功率电子等微电子器件领域有广阔的应用前景，成为半导体领域研究热点。 SOI材料 半导体/绝缘体材料系统是半导体与绝缘体相结合的材料系统。其典型代表是绝缘体上硅(SOI: Silicon On Insulator)。 SOI: 由于在器件的有源层和衬底之间的隔离层厚，电极与衬底之间的寄生电容大大的减少。器件的速度更快，功率更低。 SDB (Silicon Direct Bonding)直接键合与背面腐蚀BE（Back Etching）技术 SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离 Smart Cut智能切割 栅电极材料 Al-----与硅有好的兼容性 自对准工艺，不能满足高温处理要求 多晶硅-----与互联金属铝有较高的接触电阻 难熔金属硅化物------ 尺寸减小---耗尽效应、寄生电阻----掺杂解决-----栅工程和沟道零掺杂---GeSi、W/Ti等。 栅绝缘材料 SiO2-----尺寸减小----氮氧化硅---防止B+离子扩散、较高的介电常数、低的漏电流密度、高的抗老化击穿 尺寸进一步减小-----高k材料（表5.1）----增加介质层的物理厚度 源漏材料 金属源漏的肖特基MOSFET-----降低肖特基势垒高度 金属硅化物源漏材料 杂质分凝 界面控制 存储电容材料 1、DRAM 2、FLASH 3、FeRAM 4、MRAM 5、PCRAM 6、RRAM 第九章 光电子器件 辐射跃迁和光吸收： 在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：吸收、自发发射和受激发射 第十章 微机电系统 MEMS技术简介 MEMS技术应用 微机械制造技术 MEMS器件 LOCOS隔离工艺 衬底材料 GaN材料 目前最常用的方法： 重点：各种存储单元的基本结构及基本原理 发光器件：将电能转换为光能 发光二极管(Light Emitting Diode，缩写为LED) 半导体激光器(LD激光二极管) 光电探测器：利用电子学方法检测光信号的 太阳能电池：将光能转换为电能 PIN、雪崩二极管、CCD工作原理 三类光电器件 两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收 (b) 自发发射 (c) 受激发射 * 第一章 绪论 第二章半导体物理和器件物理基础 平衡的pn结：没有外加偏压 能带结构 载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持动态平衡(相等)，形成自建场和自建势 自建场和自建势 PN 结加正向电压（正向偏置） pn 结变窄 p接正、n接负 外电场 IF 内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。 pn 结加正向电压时，pn结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，pn结处于导通状态。 内电场 p n － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + – PN 结变宽 外电场 内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。 IR P接负、N接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。 – + PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。 内电场 P N + + + － － － － － － + + + + + + + + + － － － － － － － － － + + + + + + － － － PN结的特性 单向导电性： 正向偏置 反向偏置 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流 正向导通电压Vbi~0.7V(Si) 反向击穿电压Vrb 双极晶体管 双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成： 分为：NPN和PNP两种形式 基区宽度远远小于少子扩散长度 发射区 收集区 基区 发射结 收集结 发射极 收集极 基极 基区：最薄， 掺杂浓度最低 发射区：掺 杂浓度最高 发射结 集电结 B E C N N P 基极 发射极 集电极 结构特点： 集电区： 面积最大 NPN晶体管的电流输运 NPN晶体管的电流转换 电子流 空穴流 2.三极管内部载流子的运动规律 B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO 基区空穴向发射区的扩散可忽略。 发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。 进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。 从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。 集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。 晶体管的电流增益（放大系数） 共基极直流放大系数?0 交流放大系数? 两者的关系 共发射极直流放大系数?0 交流放大系数 ? ∵α、α0接近1 ∴β、β0远大于1 晶体管的直流特性曲线 共发射极的直流特性曲线 三个区域： 饱和区 放大区 截止区 MIS结构 MIS结构是MOSFET的基本组成部分，分析MIS结构在外加电场作用下的变化是理解MOSFET工作原理的基础。 理解反型层如何形成 1.(c) (d) 图，在电场作用下，半导体表面多数载流子 被排斥，由电离施主或者电离受主形成空间电荷层。 2. 少数载流子被吸引到半导体表面，形成反型层，可以 导电。 3. 分析(d)图---电子导电沟道是如何形成？ P型硅：栅极加上正偏压，半导体表面的空穴排斥走， 由电离受主构成负空间电荷区，同时表面吸引了少量 电子（少数载流子）。 VG电压增大,空间电荷区加宽，吸引的表面电子增大 VG大于某一阈值，吸引到表面的电子浓度迅速增大， 在表面形成一个电子导电层。 继续增大电压，反型层中电子增加，耗尽层电荷不变 MOSFET的输出特性曲线 N沟道增强型MOSFET的工作条件 2. VGS为大于等于VTN的某个确定值，导电沟道形成。如图4.4(b)所示。在VDS的作用下，会形成电流iD。 ①当VDS很小（几百mV以内）时，反型层的厚度在整个沟道上基本不变，漏极电流iD随VDS的增加而增大。 沟道的性质类似于线性电阻的性质，故称场效应管在该电压范围（VGS=VTN，VDS很小时）的工作区域为线 导电沟道形成过程 （4.1） 式中， 是使漏极端反型层电荷密度为0时的漏源 电压。 由②和③可知，场效应管工作的可变电阻区为 （ ， ） 线性电阻区和可变电阻区可统一称为电阻区。 即 向源极方向移动。此时，源极的电子进入沟道向漏极移动，到达反型层电荷密度为0的点后进入空间电荷区（耗尽层），接着在电场的作用下进入漏极。 这一过程类似于双极型晶体管中电子穿越反偏的集电结。 当 继续增大时，漏极电流 基本保持 不变，类似于双极型晶体管（当 继续增加，电流 基本保持不变）。如图4.5(d)所示。 时，沟道中反型层电荷密度为0的点 时，称场效应管工作在饱和区（即 达到了饱和，不再随 的增加而增加）或放大区。 3. 时，不同的 对应不同的特性曲线。 当 ， 的不同会产生不同厚度的反型层。 越大，反型层越厚，沟道的导电能力就越强， 作用下，产生的漏源电流 反之亦然。 在相同 就越大； 4. MOSFET的直流特性曲线 VDS=VGS-VT CMP 三个关键硬件： Polishing pad Wafer carrier Slurry dispenser *

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