薄膜晶体管

– 阴极(Cathode, K)：释放出电子流 – 屏极(Plate，P) ：吸引和收集阴极发射的电子 （集极） – 栅极(Gird, G)：控制电子流的流量
电子管的放大作用 直热式三极管灯丝（Filament）的制作材料

– 钨丝 – 钍钨合金 – 氧化硷土
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2．晶体管
半导体是制造晶体管的基本材料 本征半导体、自由电子和空穴 共价电子与 p-n结 二极管和三极管极其工作原理
P型衬底
P型
NPN晶体管
nMOS晶体管
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N+、P+，重掺杂
举例子
半导体集成电路工艺技术

双极集成电路工艺
砷 注 入
SiO2
p-Si 衬底
SiO2
（a）埋层制备
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半导体和半导体集成电路
双极集成电路工艺
N外延层
P衬底
N+ 埋层 (b) 外延层制备
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半导体集成电路工艺技术

双极集成电路工艺
微电子技术
张希清
光电子技术研究所
一、引言 二、晶圆 三、基本元件结构 四、集成电路 五、集成电路走向系统芯片 六、半导体材料的制备和表征
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一、引 言
微电子： 微型的电子电路 微电子技术： 微型电子电路技术
半 导 体 基 片 上
把 由 若 干 个
晶体管
电阻
电容等
实现某种特定功能的电子线路， 器件组成 集中制造在一块小小的半导体 芯片上。
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集成电路的设计和制作
设计和绘制电子线路图 集成电路的线路图转绘成芯片布局图 分解成与制造工艺对应的各个层次的布局图
数字化成“掩膜（Mask）”图纸
在半导体材料（例如硅晶片）上进行镀膜、光刻、酸洗、烧结 芯片测试、切割、分档
、引脚焊接、封装
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四、集成电路走向系统芯片
SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、 芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个 芯片上完成整个系统的功能 SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全盘考虑整 个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性 能的系统指标
3、向微米工艺的极限挑战
光刻技术
目前，由Intel为代表的多家公司正在开发“极 端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米； IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究 工作。 8
二、基本元件结构
电子管
晶体管
场效应管（厚膜） 薄膜晶体管
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1．电子管
电子管又称“真空管”（Vacuum Tube） 电子管拥有三个最基本的极
N型半导体 、P型半导体
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3、场效应管
场效应管与晶体管的区别 1. 晶体管是电流控制元件；场效应管是电压控制元件。 2. 晶体管参与导电的是电子—空穴，因此称其为双极型器件； 场效应管是电压控制元件，参与导电的只有一种载流子， 因此称其为单级型器件。 3. 晶体管的输入电阻较低，一般102~104； 场效应管的输入电阻高，可达109~1014 场效应管的分类 结型场效应管JFET
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100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路
100—1000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路
1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路 10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路
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第一代（以厘米为尺度的电子管）电子管计算机
（1946-1957）
第二代（以毫米为尺度的半导体）晶体管计算机 （1959-1964） 第三代小规模集成电路计算机（1964-1970） 第四代大规模集成电路计算机（1970-）
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电子元器件和线路越来越小、细，集成度越来越高，芯 片运行的速度越来越高快。
人的头发 Intel 80386 Intel 80486 Intel Pentium Intel P II Intel P III 最近已经达到 目前集成电路制造商进军 100微米 1.20微米工艺 0.80微米工艺 0.60微米工艺 0.35微米工艺 0.25微米工艺 0.13微米 ≤0.1微米工艺 33MHz 100MHz 200MHz 500MHz 800MHz 2 GMHz
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半导体集成电路工艺技术
集成电路工艺技术主要包括:
1、原始硅片工艺 硅单晶拉制到最终形成作为IC衬底和有源区的硅片的一整 套工艺技术。 2、掺杂工艺： 包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。 包括各种热生长技术和各种CVD技术。 3、微细图形加工工艺 ： 包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。 4、介质薄膜工艺： 5、金属薄膜工艺：包括真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术。
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一、引 言
微电子技术是信息社会生活和工作的基础。 信息化的关键是计算机和通讯机，其基础都是微电子技术。 微电子技术已经渗透到社会的各个领域，影响面极广，发 展微电子技术是当今高科技发展的关键问题。
微电子技术的核心是集成电路技术；集成电路的标志性产 品是CPU（即中央处理器）；
它广泛应用于人类社会的各个领域。如科技、经济、军事、 金融、文教乃至家庭生活。

“集成电路”(Integrated Circuit，IC) 把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、 实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块 小小的半导体芯片上
集成度发展神速 1962：几个、 1965：近100个（IC ） 1967：100~1000个（中规模IC ） 1967-1973：1000—10000个（LSIC） 1978：达10万~100万个单元（VLSIC） 目前集成度已突破千万单元
光致抗蚀剂 钝化层 N外延层
N+
P
（c）隔离区窗口制备
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半导体和半导体集成电路
双极集成电路工艺
沟道隔断区硼离子注入
N N+
N
P
(d) 氧化物隔离区制备(1)
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半导体集成电路工艺技术

双极集成电路工艺
N P+ N+
N
SiO2 P+ 沟道隔断区
P
(e) 氧化物隔离区制备(2)
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半导体集成电路工艺技术
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超大规模集成电路
Intel 386芯片 1.2微米、几十万个晶体管 P4 0.09微米、4200万个晶体管
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半导体材料和半导体集成电路

集成电路中的基本元件结构
阳极 P 集电极 基极 发射极 N P N+ 源极 栅极 漏极 N+ 金属 N+
阴极 N
P型衬底 阱 PN结二极管
P型衬底

双极集成电路工艺
光致抗蚀剂 SiO2 P+
基区硼离子注入
N P基区
N+埋层
(f)基区制备
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半导体集成电路工艺技术
双极集成电路工艺
光致抗蚀剂 SiO2… P+ N+埋层
(g)基区引线孔制备
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半导体集成电路工艺技术
双极集成电路工艺
砷离子注入
பைடு நூலகம்
发射区 基区 集电区 埋层
N+集电区
(h)发射区制备
分 立 元 件
集成 电路 IC
系统芯片
System On A Chip
(简称SOC)
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MOS型场效应管JFET
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增强型MOS场效应管
N沟道增强型MOS场效应管结构
源极S →发射极E
栅极G→基极B 漏极D→集电极C
电极—金属 绝缘层—氧化物 基体—半导体 因此称之为MOS管
衬底B
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Sect
耗尽型MOS场效应管
N沟道耗尽型MOS场效应管结构
耗尽型MOS管存在 原始导电沟道
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1、微电子技术应用
微电子技术被广泛应用于社会的各个行业
微电子技术与计算机技术相辅相成，推动了信息
技术的高速度发展
传统工业的行业改造和技术更新 使商业领域的传统账册产生了根本的变化 与其他技术的结合和渗透发展成新的技术
现代化的军事与国防也离不开微电子技术
深刻地、广泛地影响着人们的生活
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微电子无处不在：
公共汽车IC卡、银行储蓄卡和信用卡、小区智
能卡、电子手表、语言贺卡和玩具、电子琴、手机、
洗衣机、电视机、电话机等等日常生活用品中都有 芯片（微电子）。
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2、微电子技术发展及现状
1948年BELL实验室发明第一只晶体管——微电子技术 第一个里程碑；
1959年硅平面工艺的发展和集成电路的发明——微电 子技术第二个里程碑； 1971年微机的问世——微电子技术第三个里程碑。
大规模芯片生产已达到0.25微米工艺 ，0.06微米已应用于显示， 目前最窄：32纳米。 摩尔定律 ：集成度（容量）每1、2、1.5年（65、97年、媒体） 翻一番，而价格保持不变甚至下降。
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大规模集成电路的集成度是微电子技术的重要标志； 单晶片的尺寸已经从原来的5英寸发展到了今天的8英寸、
12英寸。
+++++++

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Sect
结型场效应管
结型场效应管（JFET)结构
D N沟道结型场效应管 G P+ N
导电沟道
P+
S
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4、薄膜晶体管 (TFT )
ATO= Al2O3/TiO2超晶格
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Ga-doped ZnO
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三、集成电路