半导体技术基础 教学课件 作者 杜中一 主编 王永 姚伟鹏 副主编第1章 半导体技术概述.ppt

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1、第1章半导体技术概述1.1半导体技术1.1.1半导体集成电路发展史1．电信号处理工业的诞生1904年弗莱明在真空中加热的电丝（灯丝）前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。1906年德佛瑞斯特在在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管。真空管有两个重要的电子功能，开关和放大。它也是世界上第一台电子计算机的大脑，这台被称为电子数字集成器和计算机（ENIAC）的计算机于1947年在宾西法尼亚的摩尔工程学院进行首次演示。真空管有一系列的缺点。体积大，连接处易于变松导致真空泄漏、易碎、要

2、求相对较多的电能来运行，并且元件老化很快。基于真空管的计算机的主要缺点是由于真空管的烧毁而导致运行时间有限。这些问题成为许多实验室寻找真空管替代品的动力。2．晶体管的发明晶体管是半导体制成的固体电子元件。像金银铜铁等金属，它们导电性能好，叫做导体。木材、玻璃、陶瓷、云母等不易导电，叫做绝缘体。导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，就叫半导体。晶体管就是用半导体材料制成的，这类材料最常见的便是锗和硅两种。1947年12月23日，美国科学家巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士，在导体电路中正在进行用半导体晶体把声音信号

3、放大的实验。3位科学家惊奇地发现，在他们发明的器件中通过的一部分微量电流，竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流，因而产生了放大效应。这个器件，就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。这３位科学家因此共同荣获了1956年诺贝尔物理学奖。晶体管促进并带来了“固态革命”，进而推动了全球范围内的半导体电子工业。晶体管不但有真空管的功能，而且具有固态、体积小、重量轻、耗电低并且寿命长的优点。第一个晶体管3．集成电路的产生晶体管的问世被誉为本世纪最伟大的发明之一，它解决了电子管存在的大部分问题。可是单个晶体管的出

4、现，仍然不能满足电子技术飞速发展的需要。集成电路是在一块极其微小的半导体晶片上，将成千上万的晶体管、电阻、电容、包括连接线做在一起，它是材料、元件、晶体管三位一体的有机结合。本质上，集成电路是最先进的晶体管——外延平面晶体制造工艺的延续。1958年12月在美国德州仪器公司（TI）工作的基尔比（JackKilby）成功地制作出世界上第一片集成电路。同年，另一家美国著名的仙童电子公司也宣称研制成功集成电路。由该公司赫尔尼等人所发明的一整套制作微型晶体管的新工艺──“平面工艺”被移用到集成电路的制作中，使集成电路很

5、快从实验室研制试验阶段转入工业生产阶段。第一片集成电路4．工艺发展趋势及摩尔定律（Moore’sLaw）从1947年开始，半导体工业就已经呈现出在新工艺和工艺提高上的持续发展。工艺的提高导致了具有更高集成度和可靠性的集成电路的产生，从而推动了电子工业的革命。集成电路中器件的尺寸和数量是IC发展的两个共同标志。器件的尺寸是以设计中最小尺寸来表示的，叫做特征图形尺寸，通常用微米来表示。英特尔（Intel）公司的创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）在1964年预测了集成电路的发展趋势，提出了集成电路的集成

6、度会每十八个月翻一番，即单个芯片上晶体管的数目每十八个月翻一番，这个预言后来成为著名的摩尔定律并被证明十分准确。1.1.2半导体技术的发展趋势半导体集成电路产品的发展趋势主要体现在如下几个方面：1.特征图形尺寸减小，晶圆尺寸增大2.低成本，高可靠性3.缺陷密度减小，内部连线水平不断提高1.2半导体与电子制造1.2.1电子制造基本概念“电子制造”（electronicmanufacture）是一个描述电子产品从生产半导体晶圆片开始到生产出电子产品的物理实现过程。在半导体器件制作过程中，有前工程和后工程之分。二者

7、以硅圆片（wafer）切分成晶片（chip）为界，在此之前为前道工序，在此之后为后道工序。所谓前道工序是从整块晶圆片人手，经过多次重复的制膜、掺杂和光刻等工序，制成半导体芯片，开发材料的电子功能，以实现所要求的元器件特性。所谓后道工序是从由晶圆片切分好的一个一个的小晶片入手，进行装片、固定、键合连接、塑料灌封、引出接线端子、检查、打标等工序，完成作为器件、部件的封装体，以确保元器件的可靠性并便于与外电路连接。电子封装主要是完成后道工序。1.2.2电子制造业的技术核心为了达到系统延迟的最小化，芯片封装应更接近，

8、间距更小。因此半导体元器件向多引脚、轻重量、小尺寸、高速度发展，如图1-4所示。制造设备需求方面，半导体制程发展快速，线宽也不断朝向物理、化学、光学的极限前进。