集成电路工艺原理.ppt

1 43 集成电路工艺原理 2 43 大纲 1 教科书 1 王蔚 田丽 任明远 集成电路制造技术 原理与工艺 2 J D Plummer M D Deal P B Griffin 硅超大规模集成电路工艺技术 理论 实践与模型 参考书 C Y Chang S M Sze ULSITechnology 王阳元等 集成电路工艺原理 M Quirk J Serda 半导体制造技术 3 43 大纲 2 第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战 4 43 大纲 2 第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战 5 43 W Shockley J Bardeen W Brattain 1stpointcontacttransistorin1947 byBellLab 1956年诺贝尔物理奖 点接触晶体管 基片是N型锗 发射极和集电极是两根金属丝 这两根金属丝尖端很细 靠得很近地压在基片上 金属丝间的距离 50 m 6 43 不足之处 可靠性低 噪声大 放大率低等缺点 7 43 1948年W Shockley提出结型晶体管概念 1950年第一只NPN结型晶体管 8 43 Ti公司的Kilby12个器件 Ge晶体 9 43 FairchildSemi SiIC 10 43 J Kilby TI2000诺贝尔物理奖 R Noyce Fairchild 半导体Ge Au线 半导体Si Al线 11 43 简短回顾 一项基于科学的伟大发明 Bardeen Brattain Shockley FirstGe basedbipolartransistorinvented1947 BellLabs NobelprizeKilby TI Noyce Fairchild Inventionofintegratedcircuits1959 NobelprizeAtalla FirstSi basedMOSFETinvented1960 BellLabs Planartechnology JeanHoerni 1960 FairchildFirstCMOScircuitinvented1963 Fairchild Moore slaw coined1965 FairchildDennard scalingrulepresented1974 IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994 USA 12 43 SSI 小型集成电路 晶体管数10 100 门数100 VLSI 超大规模集成电路 晶体管数100 000 1 000 000ULSI 特大规模集成电路 晶体管数 1 000 000GSI 极大规模集成电路 晶体管数 109SoC system on a chip SIP systeminpackaging VLSI 13 43 摩尔定律 Moore sLaw 硅集成电路二年 或二到三年 为一代 集成度翻一番 工艺线宽约缩小30 芯片面积约增1 5倍 IC工作速度提高1 5倍 技术节点特征尺寸 DRAM 半导体电子 全球最大的工业 14 43 ExplosiveGrowthofComputingPower PentiumIV 1sttransistor1947 1stelectroniccomputerENIAC 1946 VacuumTuber 1stcomputer 1832 MacroelectronicsMicroelectronicsNanoelectronics 15 43 2003Itanium2 19714004 2001PentiumIV 1989386 2300 134000 410M 42M 1991486 1 2M transistor chip 10 m1 m0 1 m transistorsize HumanhairRedbloodcellBacteriaVirus 16 43 Nocompletetechnologicalsolutionavailable Physicalgatelengthinnm Year Wearehere ITRS theInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors Source Drain 17 43 ITRS InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors 由欧洲电子器件制造协会 EECA 欧洲半导体工业协会 ESIA 日本电子和信息技术工业协会 JEITA 韩国半导体工业协会 KSIA 台湾半导体工业协会 TSIA 和半导体工业协会 SIA 合作完成 器件尺寸下降 芯片尺寸增加互连层数增加掩膜版数量增加工作电压下降 18 43 19 43 20 43 21 43 22 43 器件几何尺寸 Lg Wg tox xj 1 k衬底掺杂浓度N k电压Vdd 1 k 器件速度 k芯片密度 k2 器件的等比例缩小原则Constant fieldScaling downPrinciple k 1 4 23 43 NEC 24 43 制备超小型晶体管已不再困难 而实现高性能则极具挑战 H Iwai Solid StateElectronics48 2004 497 503 25 43 26 43 基本器件 MOS器件 高密度 更低功耗 更大的设计灵活性NMOS PMOS CMOSBJT 模拟电路及高速驱动 CMOS n n p p 27 43 CMOS 28 43 BJT 29 43 单晶材料 450mm 18 Si成为IC主流的优势 Si SiO2界面的理想性能地壳丰富的Si含量单晶的简单工艺平面工艺的发展 GordenTeal TI 30 43 生长结晶体管 31 43 合金结晶体管 扩散 32 43 双扩散台面 MESA 晶体管 气相扩散图形化 腐蚀 33 43 平面工艺发明人 JeanHoerni Fairchild 1958 1960 氧化p n结隔离Al的蒸发 34 43 35 43 平面工艺基本光刻步骤 光刻胶 掩膜版 36 43 应用平面工艺可以实现多个器件的集成 37 43 Actualcross sectionofamodernmicroprocessorchipfromIBM 38 43 IC技术发展历程 1960sBJT 气相掺杂 外延p n结隔离6 8次光刻 39 43 IC技术发展历程 1970sE DNMOS LOCOS隔离技术LOCalOxidationofSilicon耗尽型NMOS面积减小 集成度提高光刻版数量与BJT相近 E D 40 43 IC技术发展历程 1980sCMOS 低功耗 散热集成度提高12 14块光刻版 41 43 最简单的ICCMOS工艺举例 42 43 IC技术发展历程 1990sBiCMOS CMOS实现高集成度的内部电路B