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1、半导体器件认知实验,重庆大学光电工程学院微电子实验室,实验目的及内容,一、实验目的1、通过实验，获得对半导体器件基本的感性认识。2、通过实验，使同学认识MOS管的基本结构和功能。3、通过实验，可以使同学了解集成器件的布线及基本功能区域。二、实验内容1、利用显微镜观察单管半导体器件及集成器件。2、利用显微镜观察半导体器件内部MOS管平面结构，分析其立体结构和功能原理。3、利用显微镜观察集成器件的布线方法及基本功能区域。,一、世界集成电路的发展历史,a）、集成电路的早期情况：1947年：贝尔实验室肖克莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；1950年：结型晶体管诞生；1950年：R
2、Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺；1951年：场效应晶体管发明；1956年：C S Fuller发明了扩散工艺；1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；1960年：H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺；1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管；,世界集成电路的发展历史,b）集成电路的中期情况：1963年：和首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺；1964年：Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍；1966年：美国RCA公司研制出C
3、MOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）；1967年：应用材料公司（Applied Materials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司；1971年：Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现；1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是MOS工艺，这是一个里程碑式的发明；1974年：RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802；1976年：16kb DRAM和4kb SRAM问世；,世界集成电路的发展历史,C）集成电路的快速发展期情况：1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，
4、标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；1979年：Intel推出5MHz 8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC；1981年：256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世；1984年：日本宣布推出1Mb DRAM和256kb SRAM；1985年：80386微处理器问世，20MHz；1988年：16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（ULSI）阶段；1989年：1Mb DRAM进入市场；1989年：486微处理器推出，25MHz，1m工艺，后来50MHz芯片采用 0.8m工艺；1992年：64M位
5、随机存储器问世；1993年：66MHz奔腾处理器推出,采用0.6工艺；1995年:Pentium Pro,133MHz，采用0.6-0.35工艺；1997年：300MHz奔腾问世,采用0.25工艺；1999年：奔腾问世，450MHz，采用0.25工艺，后采用0.18m工艺；2000年:1Gb RAM投放市场；2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18工艺；2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13工艺。,二、我国集成电路的发展历史,1）我国集成电路产业诞生于六十年代，共经历了三个发展阶段：1965年-1978年：以计算机和军工配套为目标，以开发逻辑电路为主要产 品，初步建立
6、集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件；1978年-1990年：主要引进美国二手设备，改善集成电路装备水平，在“治散治乱”的同时，以消费类整机作为配套重点，较好地解决了彩电集成电路的国产化；1990年-2000年：以908工程、909工程为重点，以CAD为突破口，抓好科技攻关和北方科研开发基地的建设，为信息产业服务，集成电路行业取得了新的发展。a)、908工程：1990年8月由国家投资十几个亿，在无锡建立了一个6英寸的半导体集成电路生产线；成立了华润微电子公司（无锡华润华晶微电子有限公司），后改为上华集团公司。B)、909工程：同年9月由信息产业部和上海市政府各出资50个亿，共计10
7、0个亿。从日本NEC公司引进了一条8英寸半导体集成电路生产线；成立了华虹公司。2）融入全球产业竞争：到2007年，我国集成电路产量达到411.7亿块，销售额为1251.3亿元，10年间产量和销售额分别扩大18.5倍与21倍之多，年均增速分别达到38.3%与40.5%，销售额增速远远高于同期全球年均6.4%的增速。截至2007年底，国内已建成的集成电路生产线有52条，量产的12英寸生产线3条、8英寸生产线14条。涌现出中芯国际、华虹NEC、宏力半导体、和舰科技、台积电(上海)、上海先进等IC制造代工企业，这些企业纷纷进入国际市场，融入全球产业竞争，全球代工业务市场占有率超过9%。目前，中芯国际已
8、成为全球第三大代工厂，代工水平达到了90nm。华虹NEC也已进入全球芯片加工企业前十名行列。,三、描述IC工艺技术水平的五个技术指标,1）集成度（Integration Level）集成度是以一个IC芯片所包含的元件(晶体管或门/数)来衡量，（包括有源和无源元件）。随着集成度的提高，使IC及使用IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积和重量减小、产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩大其应用领域，因此集成度是IC技术进步的标志。为了提高集成度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构，现已达到7层布线。晶片集成(
9、Wafer Scale Integration-WSI)和三维集成技术也正在研究开发。自IC问世以来，集成度不断提高，现正迈向巨大规模集成(Giga Scale Integration-GSl)。从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集成或片上系统(SoC)的时代。,描述IC工艺技术水平的五个技术指标,2）特征尺寸(Feature Size)/（Critical Dimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决
10、于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18m、0.15 m、0.13m工艺，Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0.09 m。3）晶片直径(Wafer Diameter)为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。,描述IC工艺技术水平的五个技术指标,4）芯片面积(Chip Area)随着集成度的提高，每芯片所包含的晶体管数不断增多，平均芯片面积也随之增大。芯片面积的增大也带来一系列新
11、的问题。如大芯片封装技术、成品率以及由于每个大圆片所含芯片数减少而引起的生产效率降低等。但后一问题可通过增大晶片直径来解决。5）封装(Package)IC的封装最初采用插孔封装THP(through-hole package)形式。为适应电子设备高密度组装的要求，表面安装封装(SMP)技术迅速发展起来。在电子设备中使用SMP的优点是能节省空间、改进性能和降低成本，因SMP不仅体积小而且可安装在印制电路板的两面，使电路板的费用降低60，并使性能得到改进。,集成电路制造工艺基本流程（一）,集成电路制造工艺基本流程（二）,集成电路制造工艺基本流程（三）,集成电路制造工艺基本流程（四）,集成电路制造工
12、艺基本流程（五）,集成电路制造工艺基本流程（六）,集成电路制造工艺基本流程（七）,集成电路制造工艺基本流程（八）,集成电路制造工艺基本流程（九）,集成电路制造工艺基本流程（十）,集成电路制造工艺基本流程（十一）,集成电路制造工艺基本流程（十二）,集成电路制造工艺基本流程（十三）,集成电路制造工艺基本流程（十四）,集成电路制造工艺基本流程（十五）,集成电路制造工艺基本流程（十六）,集成电路制造工艺基本流程（十七）,集成电路制造工艺基本流程（十八）,集成电路制造工艺基本流程（十九）,集成电路制造工艺基本流程（二十）,集成电路制造工艺基本流程（二十一）,集成电路制造工艺基本流程（二十二）,N沟道增强
13、型MOS管的工作原理,N沟道增强型MOS管的工作原理,图（a）,1vGS对iD及沟道的控制作用 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。从图（a）中可以看出，增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压Vds，而且不论Vds的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流iD0。,N沟道增强型MOS管的工作原理,图（b）,若在栅-源极间加上正向电压，即vGS0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使
14、栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子（少子）被吸引到衬底表面。当vGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图(b)所示。,N沟道增强型MOS管的工作原理,图（c）,vGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当vGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图(c)所示。vGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底表面的电子就越多，导电沟道越厚，沟道电阻越小。我们把开始形成沟道
15、时的栅-源极电压称为开启电压，用VT表示。由上述分析可知，N沟道增强型MOS管在vGSVT时，不能形成导电沟道，管子处于截止状态。只有当vGSVT时，才有沟道形成，此时在漏-源极间加上正向电压vDS，才有漏极电流产生。而且vGS增大时，沟道变厚，沟道电阻减小，iD增大。这种必须在vGSVT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。,半导体器件认知实验,半导体器件认知实验,MOS与CMOS晶体管,反相器电路,半导体器件认知实验,集成电路示例振荡器,半导体器件认知实验,无源像素被动式传感器（PPS）,有源像素主动式传感器（APS）,半导体器件认知实验,Pulsed bipolar CMOS
16、imager,半导体器件认知实验,TC5747 camera chip CMOS imager,N阱双层多晶硅双层金属CMOS工艺,(A)N 阱(B)N 阱+有源区(C)N 阱+有源区+多晶硅(D)N 阱+有源区+多晶硅+N 区离子注入,N阱双层多晶硅双层金属CMOS工艺,（E）N 阱+有源区+多晶硅+N 区离子注入+P 区离子注入（F）N 阱+有源区+多晶硅+N 区离子注入+P 区离子注入+有源区接触孔（G）N 阱+有源区+多晶硅+N 区离子注入+P 区离子注入+有源区接触孔+多晶硅接触孔,N阱双层多晶硅双层金属CMOS工艺,（H）N 阱+有源区+多晶硅+N 区离子注入+P 区离子注入+有源区接触孔+多晶硅接触孔+金属1（I）N 阱+有源区+多晶硅+N 区离子注入+P 区离子注入+有源区接触孔+多晶硅接触孔+金属1+通孔（J）N 阱+有源区+多晶硅+N 区离子注入+P 区离子注入+有源区 接触孔+多晶硅接触孔+金属1+通孔+金属2（K）以上电路版图构成 了一个CMOS的(二输入端或非门)电路。,N阱双层多晶硅双层金属CMOS工艺,N阱 双层多晶硅 双层金属CMOSIC-剖面图,
