集成电路（IC）制程简论 第1章半导体IC的构造——既神奇又不可思议的半导体 1 第章 半导体IC的构造 ——既神奇又不可思议的半导体 1.1何谓半导体——导电的难易性 “半导体”这个词现在似乎无人不知、无人不晓，但仔细琢磨一下，其中却大有文章。铜导线等能顺利导电的物质称为“导体”； 相反，玻璃杯等不导电的物质称为“绝缘体”； 性质介于二者之间的称为“半导体”。 物质不同，通过电流的难易程度之所以存在差别，在于物质的“电阻的大小”不同。电阻越大，电流越难通过； 电阻越小，电流越容易顺利通过。 因此，根据各种物质电阻大小的不同可将其分为“导体~半导体~绝缘体”，如图11所示。应该指出的是，两块相同的材料，做成不同形状其电阻会有很大差别。因此，若用电阻率而非电阻进行考查，则电阻率仅由材料本身决定。图12表示电阻与电阻率的关系。 如图中所看到的，同属于半导体，但其电阻率却分布在1013倍的宽广范围内，这是半导体材料的主要特征之一。 图11按电阻率对绝缘体、半导体、导体的分类 图12电阻与电阻率的关系 为什么半导体的电阻率存在如此之大的差别呢？ 这是因为，即使同为半导体，其所处的状态不同，电阻率会发生很大的变化所致。例如，在几乎完全不含杂质（本征半导体）、原子呈规则排列的单晶状态下，电阻率就会相当高。也就是说，电流几乎不能通过。 然而，在相同的半导体物质中，哪怕是添加极微量的杂质（掺杂半导体），其原有的高电阻率会急剧下降。由此，电流会较为方便地通过其中。 除是否含有杂质之外，在半导体中还有由单一元素构成的“元素半导体”，由两种以上元素的化合物构成的“化合物半导体”以及由某些金属氧化物构成的“氧化物半导体”等各种类型。 认为“半导体就是硅”的人恐怕不少。实际上半导体材料有各种各样的种类，可按不同的使用要求，合理选择。 1.2神奇的硅——在地球表面的元素中储量排行第二 作为半导体材料，使用最多的是硅（元素符号Si，见图13），其在地球表面的元素中储量仅次于氧，排行第二。在路边随手捡起一块石头，里面就含有相当量的硅。可惜的是，这种硅并不是硅单质，而是与氧结合在一起而存在的。要想用于半导体，首先应使二者分离，制成单质硅。 图13硅（Si）在元素周期表中的位置 而且，实际集成电路（IC）使用的硅的纯度必须要达到99.999999999%（11个9），真可谓超高纯度!如果对比一下“纯金”的纯度为99.99%（4个9），就可以了解“对半导体的要求”是何等严格! 所谓单晶，是指原子在三维空间中呈规则有序排列的结构，其中体积最小且对称性又高的最小重复单元称为晶胞。换句话说，单晶是由晶胞在三维空间中周期性堆砌而成的。 单晶硅与金刚石（C）、锗（Ge）具有相同的“金刚石结构”，每个晶胞中含有8个原子。硅单晶中，每个硅原子与其周围的4个硅原子构成4个共价键（见图14、图15），因此晶体结构十分稳定。 若问为什么硅原子会形成4个共价键，这是由硅的化学本性，或说在周期表中的位置决定的。硅的原子序数是14，在元素周期表中位于第Ⅳ族，硅原子有14个电子，最外壳层有4个电子。因此，硅在与其他元素形成共价键时，表现为4价，这便是硅稳定性的原因所在。 地壳中含硅量约为27.72%。这种“不稀罕的元素”在集成电路中却大有用武之地，真可谓“天赐之物”也! 图16表示从金属硅（冶金级硅）到电子元器件的制程示意。 图14Si原子及其结合健 图15Si的晶体结构 图16从金属硅到电子元器件的制程 1.3集成电路中集成的是什么——三极管、电阻、电容 “集成电路”的英文名称为integrated circuits，简称IC。 顾名思义，集成电路是集多个电路元件为一体，共同起各种电气（电子）功能的组合电路。 稍为年长者，大都见过甚至亲手装过矿石收音机。为能收到电台的广播，要把分立的三极管、电阻、电容、二极管等插在印制线路板上，通过引线组成电路。 与此相对，现在最为普及的半导体集成电路是在一个硅单晶基片上做成多个具有三极管、电阻、电容等功能的元件，用铝布线连接在一起（图17），所起的作用可以与上述矿石收音机电路的作用完全相同，只是做成一体，又小又细，用肉眼看不到而已。 图17集成电路（IC）的变迁及尺寸的比较 现在，在工业生产的IC中，最小线宽已达90nm（最先进技术为45nm，65nm技术次之），与矿石收音机时代相比，尺寸仅为原来的5万分之一，面积仅为30亿分之一，由此可以想象其集成度高到什么程度。 电路的高度集成，不仅大大利于电子设备的小型化，而且由于电路同时具备各种各样的功能，从而有利于提高性能，降低功耗，增加可靠性。 不过，实际的硅IC，一般要在一块很薄的圆盘形单晶硅片上同时做出很多个，再划分成一个一个的IC芯片，最后要做成封装器件（图18）。 图18由硅圆片到芯片再到封装的关系 由于芯片又小又薄，而且脆，IC中布线又细又密，芯片若不封装，直接与印制线路板电气连接十分困难。而且直接拿芯片操作也易产生裂纹甚至断裂等缺陷，因此封装是必不可少的。 所谓封装是把IC芯片安置在基板上，经引线、键合、封接，最后封装成一个整体。封装具有电气特性保持、物理保护、散热防潮、应力缓和、节距变换、通用化、规格化等功能。而封装涉及到的有薄厚膜、微小连接、多层基板、封接封装等几大类关键技术。 诸位若打开你的微机看一看，首先见到的可能就是这种被封装的IC，常称之为“封装芯片”。封装有各种形式，一般都有多条腿（电气连接用），容易使人连想起蚰蜒，故常有此称呼。实际上，IC就隐藏在其中。 1.4半导体元件与集成电路——集成电路面面观 矿石收音机时代就已使用的二极管、三极管、电阻、电容等分立元件至今仍在生产、出售、使用。如前节所述，IC中更是大量存在具有相同功能的元件，为与通常的分立元件相区别，称前者为“半导体元件”。 这些半导体元件，一般可分成两大类（图19）。 图19半导体集成电路（IC）的功能及按规模的分类（20世纪80年代以前的分类法） 第一大类为有源元件（又称为能动元件，主动元件），指在IC中具有使电气信号放大、变换等积极功能的元件，例如三极管、二极管等。 第二大类为无源元件（又称为受动元件，被动元件），指在IC芯片中起受动作用的元件，例如电阻、电容等。 这些半导体元件在IC中成千上万，数量很多，为对集成电路有初步了解，应该先从以下几个方面考虑。 ① 功能方面： 该集成电路有哪些功能，起什么作用。 ② 性能方面： 运行速度、工作电压、功耗各是多少。 ③ 集成度方面： IC中含有多少（数量级）半导体元件。 ④ 集成密度方面： 半导体元件在芯片上挤得有多满，或说单位面积上装有多少半导体元件。 ⑤ 技术方面： 为实现上述要求，采用了哪些技术。 从1958年集成电路发明算起，在50余年的时间里，IC在上述各个方面都有突飞猛进的发展，其更新换代的速度令人惊奇。仅从集成度方面看，如图110所示，在前30年就先后更换了四五代。在其后的近20年中，集成度继续按摩尔定律向前进展。截至2008年，一个芯片上的元件数甚至超过60G。与集成度按几何级数增加相比，表征栅长和线宽的特征尺寸更能直观地反映技术进步和工艺难度，因此现在一般按生产线的特征尺寸（设计基准）表征产业化水平。 图110IC集成度的飞跃性进展 1.5二极管的功能——3种类型的二极管 硅集成电路中埋入大量称作“二极管”的元件。二极管具有“整流作用”和“电荷积蓄作用”，按其结构和作用，可分为三大类（见图111）： PN结二极管； MOS二极管； 栅极控制二极管（GCD），即场效应管。 （1） PN结二极管 完全不含杂质的纯粹的硅单晶为“本征半导体”，在室温条件下具有很高的电阻率。前面已经指出，硅为Ⅳ族元素，其最外壳层有4个电子。若在其中掺杂锑（最外壳层有5个电子）等微量杂质，每个掺杂原子将贡献出一个“多余”的电子在硅内运动，犹如“自由电子”。这种掺杂从质量上讲是微量的，但从原子数目来讲却 图111三大类二极管的构造及特征 不可轻视。如此将出现大量的“自由电子”，致使硅的电阻率明显下降。这种掺杂半导体（或区域）的载流子为电子，其电荷为负（negative），故称为N型半导体（或N型区域）。 另一方面，若在硅中掺杂极少量的硼等Ⅲ族元素（最外壳层有3个电子），由于与硅相比缺一个电子，将出现所谓“空穴”，由于这种载流子所带电荷为正（positive），故称为P型半导体（或P型区域）。 PN结二极管是由这两种不同导电类型的半导体（区域）相接合而形成的，其最大特征是整流作用，如图111（a）电流电压特性曲线所示。在IC中，由于PN结二极管广泛用于不同区域的电气隔离（PN隔离），因此极为有用。 （2） MOS二极管 这种二极管由硅（Si）基板上薄的氧化硅（SiO2）层与其上的金属（M）电极构成。其特征是随电极上所加的电压不同电容会发生变化（见图111（b））。广泛用于MOS三极管及DRAM存储器。 （3） 栅极控制二极管（GCD） 由PN结二极管与MOS二极管组合而成，通过栅极电压可控制PN结二极管的击穿电压（见图111（c））。 1.6三极管的功能——可以比作通过水闸的水路 图112三极管的作用可以比作 通过设有水闸的水路 IC中，最重要且最普遍的元件可以说是三极管，由于它具有开关、振荡、放大等功能，是绝对不可缺少的。 三极管的作用可以比作通过设有水闸的水路。如图112所示，水从水源通过设有水闸的水路，水闸下方设一水泵，泵吸水加速排入排水沟。 即使水泵运转，只要水闸关闭，就不会有水通过。在这种状态下，慢慢提升水闸，开始有一段时间水仍然不能通过，但从闸板高于闸槽底的那一时刻起，便有水开始通过，而后随着水闸提升，水流也逐渐增加。 在这种情况下，泵的吸力越强，水闸提升得越高，水路的断面积越大，流过水路的水量就越多（见图112）。