微纳加工技术发展概述详解

第一章微纳加工技术发展概述ppt课件当前第1页\共有56页\编于星期日\1点主要内容1.11.21.3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2当前第2页\共有56页\编于星期日\1点3当前第3页\共有56页\编于星期日\1点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4当前第4页\共有56页\编于星期日\1点教材5作者：唐天同，王兆宏西安交通大学电子工业出版社，2010当前第5页\共有56页\编于星期日\1点教材6(美)JamesD.Plummer,MichaelD.Deal,PeterB.Griffin著,

2005，电子工业出版社当前第6页\共有56页\编于星期日\1点分数比例作业15%考勤15%实验20%考试50%7当前第7页\共有56页\编于星期日\1点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

集成电路工艺的发展历程8当前第8页\共有56页\编于星期日\1点•

1959

and1990integratedcircuits.•

Progressdue

to:

-Feature

size(特征尺寸)reduction13%years

(Moore’sLaw).

-

Increasingchip

size(芯片尺寸)

≈16%

per

year.

集成电路工艺的发展历程EvolutionofIntegratedCircuitsFabrication9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。当前第9页\共有56页\编于星期日\1点OnApril19,

1965

Electronics

Magazine

publishedapaperby

Gordon

Mooreinwhich

hemadea

prediction

aboutthesemiconductor

industrythat

has

become

the

stuffof

legend.“Thenumberoftransistorsincorporatedinachipwillapproximatelydoubleevery24months.”Knownas

Moore'sLaw,

his

prediction

hasenabledwidespreadproliferationoftechnology

worldwide,andtodayhas

become

shorthandfor

rapidtechnologicalchange.

Moore’sLaw1010亿当前第10页\共有56页\编于星期日\1点GordonMoore：Intel创始人/pressroom/kits/events/moores_law_40th/index.htm?iid=tech_mooreslaw+body_presskit11当前第11页\共有56页\编于星期日\1点•

The

era

of

“easy”

scaling

is

over.

We

are

now

in

a

period

where

technology

and

device

innovations

are

required.

Beyond

2020,

new

currently

unknown

inventions

will

be

required.IC最小特征尺寸的发展历史及规划Device

Scaling

Over

Time12当前第12页\共有56页\编于星期日\1点•

1990

IBM

demo

of

Å

scale

“lithography”.•

Technology

appears

to

be

capable

of

making

structures

much

smaller

thancurrently

known

device

limits.

ITRS

at

13ITRS硅技术发展规划当前第13页\共有56页\编于星期日\1点ITRS—InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors预言硅主导的IC技术蓝图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http://14当前第14页\共有56页\编于星期日\1点AdvantagesandChallengesAssociated

with

theIntroductionof450mmWafers

:Apositionpaperreportsubmitted

bytheITRSStarting

Materials

Sub-TWG,June2005.Linewidth

vs.

Fab

Cost15当前第15页\共有56页\编于星期日\1点1.2.2促成集成电路产生的几项关键发明•

Invention

of

the

bipolartransistor(点接触晶体管)-

1947,

Bell

Labs.W.ShockleyJ.BardeenW.Brattain1956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：~50μm16当前第16页\共有56页\编于星期日\1点17当前第17页\共有56页\编于星期日\1点1948年W.Shockley提出结型晶体管概念1950年第一只NPN结型晶体管18当前第18页\共有56页\编于星期日\1点•

Grown

junction

transistortechnology

（生长结技术）of

the

1950s结型晶体管的制备19Ge当前第19页\共有56页\编于星期日\1点•

Alloy

junction

technology（合金结技术）of

the

1950s.•

Double

diffused

transistortechnology(气相源扩散工艺，1956福勒和赖斯)in1957，Bell

Labs.PN结裸露在外面20加热Ge高温炉Si腐蚀形成台面结构当前第20页\共有56页\编于星期日\1点211955年，IBM608，3000多个锗晶体管，重约1090kg第一个商用晶体管计算机当前第21页\共有56页\编于星期日\1点221958年Jack·Kilby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，批准时间当前第22页\共有56页\编于星期日\1点•

The

planar

process

(Hoerni

-

Fairchild仙童公司,

late

1950s).•

First

“passivated(钝化)”

junctions.平面工艺

planar

process23•

平面工艺：二氧化硅屏蔽的扩散技术光刻技术JeanHoerni当前第23页\共有56页\编于星期日\1点•

Basiclithographyprocess–––Apply

photoresistPatternedexposureRemove

photoresist

regions––EtchwaferStripremainingphotoresist光刻

Photolithography24当前第24页\共有56页\编于星期日\1点25Robert

Noyce与他发明的集成电路专利号：No.2981877，批准时间当前第25页\共有56页\编于星期日\1点简短回顾：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,

Fairchild

FirstCMOScircuitinvented1963,Fairchild“Moore’slaw”coined1965,FairchildDennard,scalingrulepresented1974,IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994,USA26当前第26页\共有56页\编于星期日\1点基本器件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,CMOS20世纪70年代

半导体器件PN结:27当前第27页\共有56页\编于星期日\1点BECppn+n-p+p+n+n+BJT28当前第28页\共有56页\编于星期日\1点GateSourceDrain衬底SubstrateMOS:金属-氧化物-半导体NMOS29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。当前第29页\共有56页\编于星期日\1点n+n+p+p+G端为高电平时导通G端为低电平时导通30当前第30页\共有56页\编于星期日\1点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，功耗低当前第31页\共有56页\编于星期日\1点CMOSCMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor):PMOS管和NMOS管互补共同构成的MOS集成电路。32当前第32页\共有56页\编于星期日\1点•

Metal

Planarizationrequiredfor

multiplemetal

layers––––––MetalDepositionPatterningFillDielectricPlanarizationContact

viasContact

DepositionMultipleMetalLayers33当前第33页\共有56页\编于星期日\1点•

ICs

are

widely

regarded

as

one

of

the

key

components

of

the

information

age.•

Basic

inventions

between

1945

and

1970

laid

the

foundation

for

today‘ssilicon

industry.•

For

more

than

40

years,

"Moore's

Law"

(a

doubling

of

chip

complexity

every2-3

years)

has

held

true.•

CMOS

has

become

the

dominant

circuit

technology

because

of

its

low

DC

poweronsumption,

high

performance

and

flexible

design

options.

Future

projectionssuggest

these

trends

will

continue

at

least

15

more

years.•

Silicon

technology

has

become

a

basic

“toolset”

for

many

areas

of

science

and

engineering.•

Computer

simulation

tools

have

been

widely

used

for

device,

circuit

and

system

design

for

many

years.

CAD

tools

are

now

being

used

for

technology

design.•

Chapter

1

also

contains

some

review

information

on

semiconductor

materials

semiconductor

devices.

These

topics

will

be

useful

in

later

chapters

of

the

text.Summary

of

Key

Ideas34当前第34页\共有56页\编于星期日\1点Richard

Feynman,1959“There’s

Plenty

of

Room

at

the

Bottom”35

一根头发=100微米=100000纳米1.3MEMS技术简介当前第35页\共有56页\编于星期日\1点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。3636当前第36页\共有56页\编于星期日\1点(Tai,

Fan

&

Muller)19701980

HNA1960EDP

Pressure

Sensor

(Honeywell)Anodic

BondingKOHSi

PressureSensor(Motorola)MEMS的历史

Si

as

a

mechanical

material

(Petersen)SFB

TMAH

1990Thermo-pneumatic

valve

(Redwood)

SFB

Pressure

Sensor

(NovaSensor)

DRIE

!!XeF2/BrF3

2,000process

(US

Patent)

1950RGT

(Nathanson

et

al)Metal

Light

Valve

(RCA)

ADXLAccelerometerPolySi

Micromotor

IR

imager

(Honeywell)

PolySi

Comb

Drive

(Tang,

Howe)

LIGAPolySi

beams(Howe,

Muller)

BJT

TransistorMetal

sacrificialIC

Optical

MEMS

RF

MEMS

Si

Gyro

(Draper)DMD

(TI)Bio

MEMS3737当前第37页\共有56页\编于星期日\1点1987198719871987Berkeley:

Micromotor戴聿昌

MEMS

becomes

the

name

in

U.S.Analog

Devices

begins

accelerometer

projectFirst

MEMS

Conference,

IEEE

MEMS

First

Eurosensors

conference,

EuropeThe

motors

stimulating

major

interest

in

WORLD！

1987年，MEMS的里程碑3838当前第38页\共有56页\编于星期日\1点1994年，DRIE技术问世

1994

DRIE专利申请MEMS进入体硅加工时代

3939当前第39页\共有56页\编于星期日\1点MEMS的产学研图谱4040当前第40页\共有56页\编于星期日\1点全球汽车MEMS传感器的销售额将在2012年增长16%，达到23.1亿美元。41当前第41页\共有56页\编于星期日\1点灯光调节，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30~50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42当前第42页\共有56页\编于星期日\1点不同汽车种类的MEMS需求43当前第43页\共有56页\编于星期日\1点加速度计和陀螺仪的应用分布44当前第44页\共有56页\编于星期日\1点美新赵阳当前第45页\共有56页\编于星期日\1点46当前第46页\共有56页\编于星期日\1点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47当前第47页\共有56页\编于星期日\1点……

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