半导体微加工技术.pdf

半导体微加工技术半导体微加工技术半导体微加工技术半导体微加工技术 徐骏 南京大学物理系 徐骏 南京大学物理系 2006年年9月月 授课内容授课内容授课内容授课内容 1 1 1 1 前言 前言 前言 前言 半导体 半导体 半导体 半导体VLSIVLSI工艺流程概述工艺流程概述工艺流程概述工艺流程概述 半导体各工艺简介 半导体各工艺简介 半导体各工艺简介 半导体各工艺简介 总结 总结 总结 总结 参考文献参考文献参考文献参考文献 VLSI Technology VLSI Technology VLSI Technology VLSI Technology S M SzeS M SzeS M SzeS M Sze McgranMcgranMcgranMcgran Hill Hill Hill Hill Book Company 1983 Book Company 1983 Book Company 1983 Book Company 1983 Semiconductor Devices Physics 1982年 Intel80286 微处理器上有13万4千 个晶体管 1971 1 MHz 5V 5k Components Intel Pentium III MicroprocessorIntel Pentium III Microprocessor 1994 100 MHz 3 3V 3M Components Intel Pentium IV MicroprocessorIntel Pentium IV Microprocessor 1999 1 2 GHz 1 8V 42M Components IC技术发展IC技术发展 Moore s law the number of transistors that can be integrated on a die would double every 14 18 months Gorden Moore 1965 2 42 42 22 22 02 02 42 42 02 01 41 4Battery power W Battery power W 1831831741741701701601601301309090HighHigh perfperf power W power W 0 60 60 60 60 90 91 21 21 51 51 81 8Power supply V Power supply V 10109 9 1010 9 9 8 8 9 9 7 7 8 8 6 6 7 7 Wiring levelsWiring levels 22002200180018001400140011001100800800600600Clock rate MHz Clock rate MHz 1472147214081408128012801024102410241024768768Signal pins chipSignal pins chip 354354308308269269235235170170 214214170170Chip size mmChip size mm 2 2 70170128428411511547471414 2626 7 7 Mtrans cmMtrans cm 2 2 353550507070100100130130180180Feature size nm Feature size nm 201420142011201120082008200520052002200219991999YearYear SIA Roadmap For Cost Performance MPU L1 on chip SRAM cache 4004 8008 8080 8085 8086 286 386 486 Pentium proc 0 001 0 01 0 1 1 10 100 1000 19701980199020002010 Year Transistors MT Average 2X every 1 96 years Transistors on lead microprocessors double every 2 yearsTransistors on lead microprocessors double every 2 years Courtesy Intel Die Size GrowthDie Size Growth 4004 8008 8080 8085 8086 286 386 486 Pentium proc P6 1 10 100 19701980199020002010 Year Die size mm 7 growth per year 2X growth in 10 years Die size grows by 14 to satisfy Moore s LawDie size grows by 14 to satisfy Moore s Law Courtesy Intel Power DissipationPower Dissipation P6 Pentium proc 486 386 286 8086 8085 8080 8008 4004 0 1 1 10 100 197119741978198519922000 Year Power Watts Lead Microprocessors power continues to increaseLead Microprocessors power continues to increase Courtesy Intel Power Removal is Immediate Problem 2003 Power Removal is Immediate Problem 2003 Mainframe Chips liquid cooled 主要有 硅片大直径化技术 微细图形加工技术 多层布线技术 CAD设计技术 半导体工艺技术的发展是许多技术发展的综合结果半导体工艺技术的发展是许多技术发展的综合结果 Chip made with 0 35 m technology with 0 25 m technology with 0 18 m technology CAD Computer Aided Design 300 mm 200 mm 150 mm Early Integrated CircuitsEarly Integrated Circuits Bipolar logic 1960 s n n S G D DEVICE CIRCUIT GATE MODULE SYSTEM TodayToday s s Design Design LevelLevel 随着集成电路技术的不断发展 当 前 微 电 子 技 术 已 进 入 集 成 系 统 芯 片 System on Chip SOC 的时代 即将整 个系统或子系统集成在一个硅芯片上 今 后 更可以将各种物理的 化学的和生物 的传感器 信息获取器件 和信息处理 存储 运算和执行的系统集成在一起 形 成一个更为广义的集成系统芯片 R D of IC Industry in ChinaR D of IC Industry in China 我国的晶体管 集成电路的发展起始于50年代中期 1956年 第一只Ge合金晶体管诞生 1965年 第一片集成电路制成 由于历史的原因 现在我们已落后于世界先进水平 目前 约有60家单位从事半导体的研究 设计和制造 我国芯片厂目前分为四类 我国芯片厂目前分为四类 国营 中国华晶 中外合资 上海华虹 贝岭 首钢NEC等 外商独资 中芯国际天津厂等 台商 宏力 中芯集成电路等 1995年 可生产256K SRAM 1M DRAM 材料 Si Ge GaAs CAD Panda VLSI CAD VLSI 0 3 m 8 inch wafer ASIC Application Specific Integration Circuit 国内目前大规模生产的最高技术水平为0 25 m 大于1 m的产品占总产出的62 北京八大处新区正 在建0 09 m的芯片厂 任重而道远任重而道远任重而道远任重而道远 二 半导体二 半导体VLSI工艺流程概述工艺流程概述 CMOS PROCESS CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor 下面我们来看看如何制作下面我们来看看如何制作n Well CMOS Step 1 N Well Diffusion Step 2 Thin Oxide Grown Step 3 Si3N4Ion Implant Barrier Step 4 N Guardring Implanted Step 5 P Guarding Implanted Step 6 Thick Oxide Grown Step 7 Si3N4and Thin Oxide Strip Step 8 Gate Oxide Grown Step 9 Poly I Layer Step 10 Pch Drain D and Source S Step 11 Nch Drain D and Source S Step 12 SiO2Layer Deposited Step 13 Contact Openings Cut Step 14 Metallization i e Metal 1 反相器的制作反相器的制作 pMOSFETnMOSFET VSS VDD S D D S GG n type silicon substrate p well p p n n n well Polysilicon Metal IN OUT Inverter D S S D D S S D P P Well MaskWell Mask 掩膜版的设计 PolyPoly Silicon Connector MaskSilicon Connector Mask P P Source Drain MaskSource Drain Mask Self Aligned Gate NN Source Drain MaskSource Drain Mask Self Aligned Gate Source Drain Contacts MaskSource Drain Contacts Mask Local Interconnect MetalLocal Interconnect Metal CMOS Process OverviewCMOS Process Overview 16 16 MasksMasks 103103 Process Ste