工艺技术_半导体集成电路原理教材

1 半导体集成电路原理 2 微电子器件原理 半导体物理与器件 微电子工艺基础 集成电路 微波器件 MEMS 传感器 光电器件 课程地位 固体物理 半导体物理 3 定义 集成电路就是把许多分立组件制作在同一个半导体芯片上所形成的电路 在制作的全过程中作为一个整体单元进行加工 早在1952年 英国的杜默 GeoffreyW A Dummer 就提出集成电路的构想 1958年9月12日 德州仪器公司 TexasInstruments 的基尔比 JackKilby 1923 细心地切了一块锗作为电阻 再用一块pn结面做为电容 制造出一个震荡器的电路 并在1964年获得专利 首度证明了可以在同一块半导体芯片上能包含不同的组件 1964年 快捷半导体 FairchildSemiconductor 的诺宜斯 RobertNoyce 1927 1990 则使用平面工艺方法 即借着蒸镀金属 微影 蚀刻等方式 解决了集成电路中 不同组件间导线连结的问题 集成电路的发展 4 在1970年代 决定半导体工业发展方向的 有两个最重要的因素 那就是微处理器 microprocessor 与半导体内存 semiconductormemory 在微处理器方面 1968年 诺宜斯和摩尔成立了英特尔 Intel 公司 不久 葛洛夫 AndrewGrove 也加入了 1969年 一个日本计算器公司比吉康 Busicom 和英特尔接触 希望英特尔生产一系列计算器芯片 但当时任职于英特尔的霍夫 MacianE Hoff 却设计出一个单一可程序化芯片 5 1971年11月15日 世界上第一个微处理器4004诞生了 它包括一个四位的平行加法器 十六个四位的缓存器 一个储存器 accumulator 与一个下推堆栈 push downstack 共计约二千三百个晶体管 4004与其它只读存储器 移位缓存器与随机取内存 结合成MCS 4微电脑系统 从此之后 各种集成度更高 功能更强的微处理器开始快速发展 对电子业产生巨大影响 三十年后 英特尔的PentiumIII已经包含了一千万个以上的晶体管 6 在内存芯片方面 1965年 快捷公司的施密特 J D Schmidt 使用金氧半技术做成实验性的随机存取内存 1969年 英特尔公司推出第一个商业性产品 这是一个使用硅栅极 p型沟道的256位随机存取内存 发展过程中最重要的一步 就是1969年 IBM的迪纳 R H Dennard 发明了只需一个晶体管和一个电容器 就可以储存一个位的记忆单元 由于结构简单 密度又高 现今半导体制程的发展水平常以动态随机存取内存的容量为标志 7 大致而言 1970年有1K的产品 1974年进步到4K 栅极线宽10微米 1976年16K 5微米 1979年64K 3微米 1983年256K 1 5微米 1986年1M 1 2微米 1989年4M 0 8微米 1992年16M 0 5微米 1995年64M 0 3微米 1998年到256M 0 2微米 大约每三年进步一个世代 2001年就迈入千兆位大关 8 60年代发展出来的平面工艺 可以把越来越多的金氧半组件放在一块硅芯片上 从1960年的不到十个组件 倍数成长到1980年的十万个 以及1990年约一千万个 这个微芯片上集成的晶体管数目每两年翻一番的现象称为摩尔定律 Moore slaw 是Intel创始人摩尔 GordonMoore 在1964年的一次演讲中提出的 后来竟成了事实 今天 在一个几百平方毫米面积的芯片上 集成的晶体管数目已经超过10亿 9 中国半导体协会 CSIA 发布了2005年度中国十大IC设计公司排名 珠海炬力以12 575亿元人民币年销售额勇夺桂冠 它是MP3播放器芯片的主要供货厂商 中星微电子 2005年销售额为7 678亿元人民币 它的主要产品是 星光系列 多媒体处理芯片 中星微电子最初提供PC用的摄像头芯片 后来瞄准了手机用多媒体处理芯片市场 并成功地打开了欧美市场 排名第三到第十的分别是华大 士兰 大唐 上海华虹 杭州友旺 绍兴芯谷 北京清华同方和无锡华润 2005年中国前十大IC设计公司的销售额已经达到51 63亿元人民币 根据CCID的预测 2005年中国集成电路设计业的市场规模约131亿元人民币 前十大IC设计公司的份额已经40 10 如NEC公司用0 15 mCMOS工艺生产的4GBDRAM 芯片中含44亿个晶体管 芯片面积985 6mm2 英特尔公司用0 25 m工艺生产的333MHz的奔腾 处理器 在一个芯片中集成了750万个晶体管 集成电路之所以能迅速发展 完全由于巨大的经济效益 工业发达国家竞相投资 我国在 九五 期间投资100个亿组建了集成电路 909 专项工程 2002年推出首款可商业化 拥有自主知识产权 通用高性能的CPU 龙芯1号 它采用0 18 m工艺生产 主频最高达266MHz 今年研制的龙芯2号通过使用SPECECPU2000对龙芯2号的性能分析表明 相同主频下龙芯2号的性能已经明显超过PII的性能 是龙芯1号的3 5倍 11 预见根据国际半导体科技进程 InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductor 的推估 公元2014年 最小线宽可达0 035微米 内存容量更高达两亿五千六兆位 尽管新工艺 新技术的开发越来越困难 但相信半导体业在未来十五年内 仍会迅速的发展下去 12 2006年度中国集成电路设计前十大企业是 炬力集成电路设计有限公司中国华大集成电路设计集团有限公司 包含北京中电华大电子设计公司等 北京中星微电子有限公司大唐微电子技术有限公司深圳海思半导体有限公司无锡华润矽科微电子有限公司杭州士兰微电子股份有限公司上海华虹集成电路有限公司北京清华同方微电子有限公司展讯通信 上海 有限公司 13 2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是 中芯国际集成电路制造有限公司上海华虹 集团 有限公司华润微电子 控股 有限公司无锡海力士意法半导体有限公司和舰科技 苏州 有限公司首钢日电电子有限公司上海先进半导体制造有限公司台积电 上海 有限公司上海宏力半导体制造有限公司吉林华微电子股份有限公司 14 2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是 飞思卡尔半导体 中国 有限公司奇梦达科技 苏州 有限公司威讯联合半导体 北京 有限公司深圳赛意法半导体有限公司江苏新潮科技集团有限公司上海松下半导体有限公司英特尔产品 上海 有限公司南通富士通微电子有限公司星科金朋 上海 有限公司乐山无线电股份有限公司 15 第一章集成电路制造工艺 集成电路 IntegratedCircuit 制造工艺是集成电路实现的手段 也是集成电路设计的基础 16 集成电路制造工艺分类 1 双极型工艺 bipolar 2 MOS工艺3 BiMOS工艺 17 1 1双极型集成电路工艺 典型的PN结隔离工艺 P1 5 18 思考题 1 与分立器件工艺有什么不同 2 需要几块光刻掩膜版 mask 3 每块掩膜版的作用是什么 4 器件之间是如何隔离的 5 器件的电极是如何引出的 19 1 1 1工艺流程 三极管和一个电阻 衬底准备 P型 光刻n 埋层区 氧化 n 埋层区注入 清洁表面 20 1 1 1工艺流程 续1 生长n 外延 隔离氧化 光刻p 隔离区 p 隔离注入 p 隔离推进 21 1 1 1工艺流程 续2 光刻硼扩散区 硼扩散 氧化 22 1 1 1工艺流程 续3 光刻磷扩散区 磷扩散 氧化 23 1 1 1工艺流程 续4 光刻引线孔 清洁表面 24 1 1 1工艺流程 续5 蒸镀金属 反刻金属 25 1 1 1工艺流程 续6 钝化 光刻钝化窗口 后工序 26 1 1 2光刻掩膜版汇总 埋层区 隔离墙 硼扩区 磷扩区 引线孔 金属连线 钝化窗口 27 1 1 3外延层电极的引出 欧姆接触电极 金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触 金半接触势垒二极管 因此 外延层电极引出处应增加浓扩散 28 1 1 4埋层的作用 1 减小串联电阻 集成电路中的各个电极均从上表面引出 外延层电阻率较大且路径较长 2 减小寄生pnp晶体管的影响 第二章介绍 29 1 1 5隔离的实现 1 P 隔离扩散要扩穿外延层 与p型衬底连通 因此 将n型外延层分割成若干个 岛 2 P 隔离接电路最低电位 使 岛 与 岛 之间形成两个背靠背的反偏二极管 30 1 1 6其它双极型集成电路工艺简介 对通隔离 减小隔离所占面积泡发射区 减小发射区面积磷穿透扩散 减小串联电阻离子注入 精确控制参杂浓度和结深介质隔离 减小漏电流 31 1 1 7习题 P14 1 1工艺流程及光刻掩膜版的作用1 3 1 识版图1 5集成度与工艺水平的关系1 6工作电压与材料的关系 32 1 2MOS集成电路工艺 N阱硅栅CMOS工艺 P9 11 参考P阱硅栅CMOS工艺 33 思考题 1 需要几块光刻掩膜版 各自的作用是什么 2 什么是局部氧化 LOCOS LocalOxidationofSilicon 3 什么是硅栅自对准 SelfAligned 4 N阱的作用是什么 5 NMOS和PMOS的源漏如何形成的 6 衬底电极如何向外引接 34 1 2 1MOSIC主要工艺流程1 衬底准备 P型单晶片 35 1 2 1MOSIC主要工艺流程2 氧化 光刻N 阱 nwell 36 1 2 1MOSIC主要工艺流程3 N 阱注入 N 阱推进 退火 清洁表面 37 1 2 1MOSIC主要工艺流程4 长薄氧 长氮化硅 光刻场区 active反版 38 1 2 1MOSIC主要工艺流程5 场区氧化 LOCOS 清洁表面 场区氧化前可做N管场区注入和P管场区注入 39 1 2 1MOSIC主要工艺流程6 栅氧化 淀积多晶硅 多晶硅N 掺杂 反刻多晶 polysilicon poly 40 1 2 1MOSIC主要工艺流程7 P active注入 Pplus 硅栅自对准 41 1 2 1MOSIC主要工艺流程8 N active注入 Nplus Pplus反版 硅栅自对准 42 1 2 1MOSIC主要工艺流程9 淀积BPSG 光刻接触孔 contact 回流 43 1 2 1MOSIC主要工艺流程10 蒸镀金属1 反刻金属1 metal1 44 1 2 1MOSIC主要工艺流程11 绝缘介质淀积 平整化 光刻通孔 via 45 1 2 1MOSIC主要工艺流程12 蒸镀金属2 反刻金属2 metal2 46 1 2 1MOSIC主要工艺流程13 钝化层淀积 平整化 光刻钝化窗孔 pad 47 1 2 2MOSIC光刻掩膜版简图汇总 N阱 有源区 多晶 Pplus Nplus 引线孔 金属1 通孔 金属2 钝化 48 1 2 3MOSIC局部氧化的作用 2 减缓表面台阶 3 减小表面漏电流 1 提高场区阈值电压 49 1 2 4MOSIC硅栅自对准的作用 在硅栅形成后 利用硅栅的遮蔽作用来形成MOS管的沟道区 使MOS管的沟道尺寸更精确 寄生电容更小 50 1 2 5MOS管衬底电极的引出 NMOS管和PMOS管的衬底电极都从上表面引出 由于P Sub和N阱的参杂浓度都较低 为了避免整流接触 电极引出处必须有浓参杂区 51 1 2 6其它MOS工艺简介 双层多晶 易做多晶电容 多晶电阻 叠栅MOS器件 适合CMOS数 模混合电路 EEPROM等 多层金属 便于布线 连线短