第一章 概 述.ppt

微电子技术基础,西南科技大学理学院刘德雄2011.02.18,2020/6/8,西南科技大学,2,主要内容一、微电子技术发展历史二、微电子技术发展的规律与趋势三、器件与集成电路制造工艺简介四、本课程的主要内容,第一章概述,一、微电子技术发展历史,一些关键的半导体、微电子技术（工艺）1918年柴可拉斯基晶体生长技术-CZ法/直拉法，Czochralski,Si单晶生长,2020/6/8,西南科技大学,4,2020/6/8,西南科技大学,5,2020/6/8,西南科技大学,6,一、微电子技术发展历史,1925年布里吉曼晶体生长技术，Bridgman，GaAs及化合物半导体晶体生长1947年第一只晶体管(锗材料)（点接触式），Bardeen、Brattain及Shockley，三人同获1956年诺贝尔物理奖,2020/6/8,西南科技大学,7,一、微电子技术发展历史,肖克利(WilliamShockley)19101989,巴丁(JohnBardeen)19081991,布拉坦(WalterBrattain)19021987,2020/6/8,西南科技大学,8,一、微电子技术发展历史,2020/6/8,西南科技大学,9,一、微电子技术发展历史,1949pn结,Shockley1952-族化合物半导体,Welker1952扩散,Pfann，高温深结1954第一个硅晶体管，Teal,贝尔实验室1957光刻胶,Andrus，光刻成本占35%1957氧化物掩蔽层，Frosch和Derrick,可阻止大部分杂质的扩散,2020/6/8,西南科技大学,10,一、微电子技术发展历史,1957CVD（化学气相淀积）外延晶体生长技术薄膜，Sheftal、Kokorish及Krasilov,改善器件性能、制造新颖器件1957异质结双极晶体管（HBT）,Kroemer（2000年诺贝尔物理奖）1958离子注入,Shockley，低温浅结、精确控制掺杂数目1958第一个（混合）集成电路,Kilby（2000年诺贝尔物理奖）,由Ge单晶制作：1个BJT、3个电阻、1个电容,2020/6/8,西南科技大学,11,一、微电子技术发展历史,世界上第一个集成电路,2020/6/8,西南科技大学,12,一、微电子技术发展历史,1959第一个单片集成电路,Noyce（2000年诺贝尔物理奖）,6个器件的触发器1960平面化工艺，SiO2层（光刻）窗口（扩散）pn结1960第一个MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)，Kahang及Atalla,1963CMOS(互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体管)，Wanlass及萨支唐，逻辑电路1967DRAM(动态随机存储器)，Dennard1969多晶硅自对准栅极，Kerwin，有效降低寄生效应,2020/6/8,西南科技大学,13,一、微电子技术发展历史,1969MOCVD（金属有机化学气相淀积），Manasevit及Simpson，GaAs外延1971干法刻蚀，Irving，CF4-O2，各向异性好1971分子束外延（MBE），极薄薄膜（原子级）、精确控制1971微处理器（Intel4004,3mmX4mm，含2300个MOS管，10m工艺），Hoff，,2020/6/8,西南科技大学,14,一、微电子技术发展历史,2020/6/8,西南科技大学,15,一、微电子技术发展历史,1989化学机械抛光，Davari，各层介电层全面平坦化（的关键）1993铜布线，铝在大电流下有严重的电迁移现象1999年的0.18微米工艺、2001年的0.13微米、2003年的90纳米（0.09微米），2005年的65纳米（0.065微米），2009年的32纳米1960s的25mm(1英寸），1970s的51mm(2英寸），1980s的100mm(4英寸），1990s的200mm(8英寸），2000的300mm(12英寸），现在400mm(16英寸),2020/6/8,西南科技大学,16,二、微电子技术发展的规律与趋势,2020/6/8,西南科技大学,17,2020/6/8,西南科技大学,18,2020/6/8,西南科技大学,19,2020/6/8,西南科技大学,20,2020/6/8,西南科技大学,21,2020/6/8,西南科技大学,22,2020/6/8,西南科技大学,23,2020/6/8,西南科技大学,24,2020/6/8,西南科技大学,25,2020/6/8,西南科技大学,26,2020/6/8,西南科技大学,27,2020/6/8,西南科技大学,28,2020/6/8,西南科技大学,29,2020/6/8,西南科技大学,30,2020/6/8,西南科技大学,31,2020/6/8,西南科技大学,32,2020/6/8,西南科技大学,33,2020/6/8,西南科技大学,34,2020/6/8,西南科技大学,35,2020/6/8,西南科技大学,36,2020/6/8,西南科技大学,37,三、器件与集成电路制造工艺简介,硅外延平面晶体管制造工艺3DK3NPN型开关管,2020/6/8,西南科技大学,38,工艺流程-前工序,衬底制备（=10-3cm，N+,400m）外延（N,=0.3-0.5cm，1-10m）基区氧化/一次氧化（光刻掩蔽膜/钝化表面，500-600nm）基区光刻（刻出基区扩散窗口）硼预淀积（扩散足够的B杂质，N型）减薄蒸金（减到200-250m；减薄：避免背面B扩散到内部/利于划片；蒸金：金扩散杂质源，）,2020/6/8,西南科技大学,39,工艺流程-前工序,硼再分布（再分布/二次氧化/金扩散。再分布：控制结深与表面浓度；金扩散:减少集电区少子寿命，缩短开关管底存储时间，提高开关速度。）刻发射区/二次光刻（刻出发射区窗口）磷预淀积（形成发射区：=30-40，BVceo8V,BVcbo7V。）磷再分布（再分布/三次氧化；再分布：达到设计要求，如=50-60；三次氧化：光刻引线孔的掩蔽膜，200-300nm。）,2020/6/8,西南科技大学,40,工艺流程-前工序,刻引线孔/三次光刻（刻出基区、发射区的电极引线接触窗口。）蒸铝（真空蒸高纯Al）铝反刻/四次光刻（刻蚀掉电极引线以外的铝层，用三次光刻的反版）合金（550-580，形成Al-Si欧姆接触。）,2020/6/8,西南科技大学,41,工艺流程-前工序,初测（测、BV，不合格作记号。）划片（用金刚刀，激光）烧结（用银浆将管芯固定在管壳底座上，使集电极与底座金属板及集电极管脚相连，并形成欧姆接触。）键合（用金丝/硅铝丝将发射极、基极与底座上相应的管脚相连接。）,2020/6/8,西南科技大学,42,工艺流程-后工序,中测（检查划片、压片、烧结、键合工序的质量封帽（管壳的材料、形状及质量对性能影响极大）（21）工艺筛选（高温老化、功率老化、高低温循环实验）（22）总测（全面测试、等级分类）（23）打印包装、入库。,2020/6/8,西南科技大学,43,辅助工序：,超净厂房技术超纯水、高纯气体制备技术光刻掩膜版制备技术材料准备技术,2020/6/8,西南科技大学,44,PN结隔离双极型集成电路制造工艺,工艺流程衬底制备（=8-13cm，P型,（111）晶面，300400m）埋层氧化（埋层扩散的掩蔽膜，1-1.5m；埋层作用降低集电极串联电阻）埋层光刻（刻埋层扩散区窗口）埋层扩散（N+,R20/）外延（N型Si，=0.3-0.5cm，8-10m）隔离氧化（隔离扩散的掩蔽膜，0.6-1m）,2020/6/8,西南科技大学,45,工艺流程,隔离光刻（刻隔离墙扩散窗口）隔离扩散（形成P+型隔离墙：P+扩散要穿透外延层与P-Si衬底连通，将N型外延层分割成若干独立得“岛”；两步扩散）(9)背面蒸金（真空蒸高纯金）(10)基区氧化（基区扩散掩蔽膜：0.5-0.8m；金扩散：提高开关速度，消除从P型扩散区到衬底的P-N-P晶体管效应）,2020/6/8,西南科技大学,46,工艺流程,基区光刻（刻出基区及各扩散电阻的窗口）基区扩散（预淀积硼；硼再分布/氧化，氧化：发射区磷扩散的掩蔽膜，0.5-0.6m；）发射区光刻（刻出发射区、集电区窗口）发射区扩散（磷预淀积；再分布/三次氧化）刻引线孔（刻出电极引线欧姆接触窗口）蒸铝（真空蒸高纯Al）铝反刻（刻蚀掉电极引线以外的铝层）,2020/6/8,西南科技大学,47,工艺流程,（18）初测（19）划片（20）烧结（21）键合（22）中测（23）封帽（24）工艺筛选（25）总测（26）打印、包装、入库。,2020/6/8,西南科技大学,48,集成电路的特有工艺,a隔离扩散目的：形成穿透外延层的P+（N+）隔离墙,将外延层分割成若干彼此独立的隔离“岛”。电路中相互需要隔离的晶体管和电阻等元件分别做在不同的隔离岛上。工作时：P+接低电压（接地），N型隔离岛接高电压。元件间的隔离：两个背靠背的反向PN结-PN结隔离。,2020/6/8,西南科技大学,49,集成电路的特有工艺,b.埋层扩散集电极引线从正面引出，从集电极到发射极的电流必须从高阻的外延层流过，这相当于在体内引入了一个大的串联电阻，导致饱和压降增大。低阻埋层（N+型薄层）:有效降低了集电区的串联电阻。,2020/6/8,西南科技大学,50,四、本课程的主要内容,1.衬底制备单晶生长；晶片的切、磨、抛；2.薄膜技术氧化、外延、蒸发；3.掺杂技术扩散、离子注入；4.图形加工制版、光刻（曝光、腐蚀）；5.工艺集成双极工艺、MOS技术、MEMS技术,2020/6/8,西南科技大学,51,五、本课程教学的特点,1侧重原理阐述；2硅材料；3平面工艺。,2020/6/8,西南科技大学,52,六、参考书,1施敏，半导体制造工艺基础（第二版），安徽大学出版社2.庄同曾，集成电路制造工艺-原理与实践，电子工业出版社3.MichaelQuirk,半导体制造技术，