第一章-微纳加工技术发展概述

微纳加工技术原理,第一章微纳加工技术发展概述,主要内容,1.1,1.2,1.3,本课程的主要内容,集成电路的发展,MEMS技术简介,1.4,苏州纳米区简介,3,4,1.1课程的主要内容,第一章微纳加工技术发展概述第二章CMOS工艺流程第三章洁净室、晶圆片清洗与吸杂处理第四章光刻第五章薄膜淀积第六章刻蚀第七章热氧化和Si-SiO2界面第八章离子注入第九章扩散（已学）第十章后端工艺第十一章未来趋势与挑战,5,教材,作者：唐天同，王兆宏,西安交通大学,电子工业出版社，2010,6,教材,(美)JamesD.Plummer,MichaelD.Deal,PeterB.Griffin著,2005，电子工业出版社,7,分数比例,作业15%考勤15%实验20%考试50%,8,1.2集成电路工艺的发展,1.2.2促成集成电路产生的几项关键发明,1.2.3半导体器件,1.2.1集成电路工艺的发展历程,9,1959and1990integratedcircuits.Progressdueto:-Featuresize(特征尺寸)reduction13%years(MooresLaw).-Increasingchipsize(芯片尺寸)16%peryear.,1.2.1集成电路工艺的发展历程,EvolutionofIntegratedCircuitsFabrication,特征尺寸：工艺制造中晶圆片表面能刻印出图形的最小尺寸。,10,OnApril19,1965ElectronicsMagazinepublishedapaperbyGordonMooreinwhichhemadeapredictionaboutthesemiconductorindustrythathasbecomethestuffoflegend.“Thenumberoftransistorsincorporatedinachipwillapproximatelydoubleevery24months.”KnownasMooresLaw,hispredictionhasenabledwidespreadproliferationoftechnologyworldwide,andtodayhasbecomeshorthandforrapidtechnologicalchange.,MooresLaw,10亿,11,GordonMoore：Intel创始人,12,Theeraof“easy”scalingisover.Wearenowinaperiodwheretechnologyanddeviceinnovationsarerequired.Beyond2020,newcurrentlyunknowninventionswillberequired.,IC最小特征尺寸的发展历史及规划,DeviceScalingOverTime,13,1990IBMdemoofscale“lithography”.Technologyappearstobecapableofmakingstructuresmuchsmallerthancurrentlyknowndevicelimits.,ITRSat,ITRS硅技术发展规划,14,ITRSInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,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,15,AdvantagesandChallengesAssociatedwiththeIntroductionof450mmWafers:ApositionpaperreportsubmittedbytheITRSStartingMaterialsSub-TWG,June2005.,Linewidthvs.FabCost,16,1.2.2促成集成电路产生的几项关键发明,Inventionofthebipolartransistor(点接触晶体管)-1947,BellLabs.,W.Shockley,J.Bardeen,W.Brattain,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：50m,17,18,1948年W.Shockley提出结型晶体管概念,1950年第一只NPN结型晶体管,19,Grownjunctiontransistortechnology（生长结技术）ofthe1950s,结型晶体管的制备,Ge,20,Alloyjunctiontechnology（合金结技术）ofthe1950s.,Doublediffusedtransistortechnology(气相源扩散工艺，1956福勒和赖斯)in1957，BellLabs.,PN结裸露在外面,加热,Ge,高温炉,Si腐蚀形成台面结构,21,1955年，IBM608，3000多个锗晶体管，重约1090kg,第一个商用晶体管计算机,22,1958年JackKilby发明的世界上第一块基于锗的集成电路，德州仪器,相移振荡器简易集成电路,专利号：No.31838743，批准时间1964.6.26,23,Theplanarprocess(Hoerni-Fairchild仙童公司,late1950s).,First“passivated(钝化)”junctions.,平面工艺planarprocess,平面工艺：,二氧化硅屏蔽的扩散技术,光刻技术,JeanHoerni,24,Basiclithographyprocess,ApplyphotoresistPatternedexposureRemovephotoresistregions,EtchwaferStripremainingphotoresist,光刻Photolithography,25,RobertNoyce与他发明的集成电路,专利号：No.2981877，批准时间1961.4.26,26,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“Mooreslaw”coined1965,FairchildDennard,scalingrulepresented1974,IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994,USA,27,基本器件,BJT：模拟电路及高速驱动,MOS器件：高密度、更低功耗、更大的设计灵活性NMOS,PMOS,CMOS,20世纪70年代,1.2.3半导体器件,PN结:,28,BJT,29,MOS:金属-氧化物-半导体,NMOS,栅极：开关作用，取决于电压大小。,N+：提供电子，提高开关时间。,绝缘层防止Na+、K+干扰。,沟道为P型。,30,n+,n+,p+,p+,G端为高电平时导通,G端为低电平时导通,31,反向器,输入：高电平，相当于1，输出0,输入：低电平，相当于0，输出1,没有形成回路，功耗低,32,CMOS,CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor):PMOS管和NMOS管互补共同构成的MOS集成电路。,33,MetalPlanarizationrequiredformultiplemetallayers,MetalDepositionPatterningFillDielectricPlanarizationContactviasContactDeposition,MultipleMetalLayers,34,ICsarewidelyregardedasoneofthekeycomponentsoftheinformationage.Basicinventionsbetween1945and1970laidthefoundationfortodayssiliconindustry.Formorethan40years,MooresLaw(adoublingofchipcomplexityevery2-3years)hasheldtrue.CMOShasbecomethedominantcircuittechnologybecauseofitslowDCpoweronsumption,highperformanceandflexibledesignoptions.Futureprojectionssuggestthesetrendswillcontinueatleast15moreyears.Silicontechnologyhasbecomeabasic“toolset”formanyareasofscienceandengineering.Computersimulationtoolshavebeenwidelyusedfordevice,circuitandsystemdesignformanyyears.CADtoolsarenowbeingusedfortechnologydesign.Chapter1alsocontainssomereviewinformationonsemiconductormaterialssemiconductordevices.Thesetopicswillbeusefulinlaterchaptersofthetext.,SummaryofKeyIdeas,RichardFeynman,1959,“TheresPlentyofRoomattheBottom”,35,一根头发=100微米=100000纳米,1.3MEMS技术简介,36,MEMS系统的定义,MICRO-ELECTRO-MECHANICALSYSTEMS，集物理、化学和生物的传感器、执行器与信息处理和存储为一体的微型集成系统。,36,37,(Tai,Fan&Muller),1970,1980,HNA1960,EDP,PressureSensor(Honeywell)AnodicBonding,KOH,SiPressureSensor(Motorola),MEMS的历史Siasamechanicalmaterial(Petersen),SFBTMAH1990,Thermo-pneumaticvalve(Redwood)SFBPressureSensor(NovaSensor)DRIE!,XeF2/BrF32,000,process(USPatent)1950,RGT(Nathansonetal),MetalLightValve(RCA),ADXLAccelerometerPolySiMicromotorIRimager(Honeywell)PolySiCombDrive(Tang,Howe),LIGAPolySibeams(Howe,Muller),BJTTransistorMetalsacrificial,IC,OpticalMEMSRFMEMSSiGyro(Draper)DMD(TI),BioMEMS,37,38,1987198719871987,Berkeley:Micromotor戴聿昌MEMSbecomesthenameinU.S.AnalogDevicesbeginsaccelerometerprojectFirstMEMSConference,IEEEMEMS,FirstEurosensorsconference,EuropeThemotorsstimulatingmajorinterestinWORLD！,1987年，MEMS的里程碑,38,39,1994年，DRIE技术问世,1994DRIE专利申请MEMS进入体硅加工时代,39,40,MEMS的产学研图谱,40,41,全球汽车MEMS传感器的销售额将在2012年增长16%，达到23.1亿美元。,42,灯光调节，刹车系统,汽车上的MEMS加速度计,一辆高端的汽车会有上百个传感器，包括3050个MEMS传感器。安全气囊高g值加速度计，约80%汽车侧翻保护低g值加速度计车辆动态控制（ESP）低g值加速度计、陀螺仪和组合惯性模块用于车身电子稳定系统TPMS轮胎压力实时监视系统发动机机油压力传感器刹车系统空气压力传感器发动机进气歧管压力传感器,柴油机共轨压力传感器,43,不同汽车种类的MEMS需求,44,加速度计和陀螺仪的应用分布,美新赵阳,46,47,手机和平板电脑中的运动传感器将是未来5年内热门技术中的热门,苹果引爆MEMS传感器应用热潮融合IMU扩大应用领域,48,智能手机中的MEMS器件,智能手机中的MEMS加速度计导航自由落体检测倾斜控制计步器手势检测单击/双击检测画面翻转图像防抖,49,影视革命：虚拟与现实的完美链接,50,造梦空间：虚拟摄影棚,51,NikeFuelBand,XsensBV,MotoACT