现代半导体器件物理与工艺(4)

16现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论61/

台联电（UMC ）：1980年，岛内第一家集成电路公司。在曹兴诚

的带领下，如今联电已成为仅次于台积电的台湾第二大半导体企

业，同时也是世界上第二大专业芯片代工厂。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论62/中芯国际（SMIC ）：中芯国际成立于2000年，公司总部位于中国上海，拥有三座芯片代工厂，包括一座后段铜制程代工厂。技术能力包括逻辑电路、混合信号/射频电路、高压电路、系统级芯片、嵌入式及其他存储器, 硅基液晶和影像感测器等。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论63/上海宏力(GSMC)：宏力于2000年11月18日奠基，一期项目总投资为16.3亿美元，

目前已建成两座12吋规格的厂房，其中一厂A 线(8吋线)已投入生产，预计2004年

下半年月生产能力可达27,000片八吋硅片，技术水平将达0.13微米。

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论64/

和舰科技（HJTC ）:和舰于2001年11月斥资15亿美元建立，坐落于风景优美、驰名中外的“人间天堂”---苏州工业园区，占地1.3平方公里，是一家具有雄厚外资，制造尖端集成电路的一流晶圆专工企业。

17现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论65/测试

测试不同于设计过程中的验证；测试指工艺过程中或封装

后进行的电学参数测量。

硅片测试是为了检验规格的一致性而在硅片级集成电路上

进行的电学参数测量。

硅片测试的目的是检验可接受的电学性能。

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论66/装配和封装装配和封装过程是取出性能良好的器件，将他们放入管壳，用引线将器件上的压点与管壳上的电极互相连接起来。封装为芯片提供一种保护并将它粘贴到更高级装配板上的措施。现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论67/封装形式现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论68/

集成电路的分类－按器件结构类型分类 双极集成电路：主要由双极晶体管构成z NPN 型双极集成电路z PNP 型双极集成电路优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低。 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS 晶体管构成z NMOS z PMOS z CMOS(互补MOS)功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高。 双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS 晶体管的集成电路为BiMOS 集成电路，综合了双极和MOS 器件两者的优点，但制作工艺复杂。

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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论69/按集成电路规模分类

集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目。

小规模集成电路(Small Scale IC ，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC ，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC ，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC ，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC ，ULSI)

巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC ，GSI ）

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论70/

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论71/按电路功能分类

数字集成电路(Digital IC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。

模拟集成电路(Analog IC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路。线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。

数模混合集成电路(Digital-Analog IC) ：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论72/

技术趋势

自从进入微电子时代之后，集成电路的最小线宽或最小特征尺寸(CD)以每年13%的速度缩小。在这一速度下，2010年时最小特征尺寸会缩小到50nm 。器件微小化结果，可以降低每种电路功能的单位成本(unit cost)。例如，对持续推进的新一代的动态随机存储器而言，每个存储器位的成本每年就减少了一半，当器件的尺寸缩小时，本征开关时间(intrinsic switching time )也随之减少。器件速度从1959年以来，加快了四个次方，变快的速度也扩展了集成电路的功能性产生速度

(functional throughput rate)。未来数字集成电路可以以每秒一兆位的速率进行信息处理和数值分析。器件变的越小，其所消耗的功率也越少，所以器件微小化也可以降低每次开关操作所需要的能量。从1959年至今，每个数字栅极的能量耗损已经减少了超过100万倍。

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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论73/DRAM的存储密度

从1978年动态随机存储器初次批量生产到1999年止，实际动态随机存储器的密度呈指数上升，每18个月密度就增加两，照这个速度下去，可以预期在2005年时，动态随机存储器的密度会达到80亿，2012年时则达640亿位。

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论74/

微处理器运算能力

微处理器运算能力随时间按指数增加，同样也是每18个月增加两倍的速率。目前一个奔腾(Pentium)系列的个人电脑和60年代晚期的超级电脑克菜一型

(CRAYl)有相同的运算能力，但它的体积却为原先的千分之一；如果按这个趋势继续下去，我们预期100GIPS 的微处理器将在2010年问世。

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论75/

不同技术的市场成长曲线

在现代电子时代初期(1950-1970年)双极型晶体管是技术的驱动力；1970-1990年，因为个人电脑和先进电子系统的快速成长，动态随机存储器和以MOSFET 为主的微处理器扮演了技术驱动力的角色；1990年以后，因便携式电子系统的快速成长，非挥发性半导体存储器成为技术的驱动力。

现代半导体器件物理与工艺

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概论76/

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现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度1热平衡时的能带和载流子浓度

2004,7,30

现代半导体器件物理与工艺

Physics and Technology of Modern

Semiconductor Devices

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度2

本章内容

半导体材料、基本晶体结构与共价键 能级与能带 本征载流子浓度

施主和受主

半导体器件物理

桂林电子科技大学

热平衡时的能带和载流子浓度3

导电性：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。

z 绝缘体: 电导率很低，约介于20-18S/cm～10-8S/cm,如熔融石英及玻璃；z 导体：电导率较高，介于104S/cm～106/cm，如铝、银等金属。z 半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。

1010101010101010101010101010101010101010101010101010金刚石1816141210864212?4?6?8

?18?16?14?12?10?8?6?4?2?12468

ρΩ?电阻率/(cm)

S σ?-1电导率/(cm )

Ge 锗()

硅(Si)

GaAs 砷化镓()

GaP 磷化镓()CdS 硫化镉()

铜银铝

铂

硫化铋

玻璃

(纯)硫熔融石英

半导体材料

现代半导体器件物理与工艺

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热平衡时的能带和载流子浓度4

半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。

正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。

半导体材料的类型：

z 元素半导体：硅(Si)、锗(Ge)

z 化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InAs）等

半导体材料

2

现代半导体器件物理与工艺

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热平衡时的能带和载流子浓度5

硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV 族元素。

?20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料；

?60年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。

Zn

周期II

III IV V VI

2 B

C N

硼

炭

氮

3

Mg

Al

Si

P

S

镁

铝

硅

磷

硫

4Ga

Ge

As

Se

锌

镓

锗

砷

硒

5Cd

In

Sn

Sb

Te

铬

铟

锡

锑

碲

6

Hg

Pb

汞

铅

硅的优势：硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的25%，仅次于氧，储量丰富。

元素(elements)半导体

半导体器件物理

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热平衡时的能带和载流子浓度6

类别：

z 二元化合物半导体：由两种元素组成。z 三元化合物半导体：由三种元素组成。

z 多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。

二元化合物半导体：

z IV－IV族元素化合物半导体：炭化硅（SiC）；

z III-V族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InAs）等；

z II-VI族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS ）、碲化镉（CdTe）等；

z IV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）

化合物(compound)半导体材料

现代半导体器件物理与工艺

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热平衡时的能带和载流子浓度7

三元化合物与多元化合物半导体：

?由III族元素铝(Al)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体Al x Ga x-1As即是一种三元化合物半导体，

?具有A x B 1-x C y D 1-y 形式的四元化合物半导体锗可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体Ga x In 1-x As y p 1-y 是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)及砷化镓(GaAs)所组成。化合物半导体的优势与不足：

?许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓(GaAs),主要用于高速光电器件。

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