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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 1.3 集成电路分类 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。 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 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。 0.35um CMOS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 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