集成电路工艺原理-课件

1/43集成电路工艺原理2/43大纲（1）教科书：1.王蔚，田丽，任明远，“集成电路制造技术－原理与工艺”2.J.D.Plummer,M.D.Deal,P.B.Griffin,“硅超大规模集成电路工艺技术-理论、实践与模型”参考书：C.Y.Chang,

S.M.Sze,“ULSITechnology”王阳元等,“集成电路工艺原理”M.Quirk,J.Serda,“半导体制造技术”3/43大纲（2）第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战4/43大纲（2）第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战5/43W.ShockleyJ.BardeenW.Brattain1stpointcontacttransistorin1947--byBellLab1956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：~50μm6/43不足之处:可靠性低、噪声大、放大率低等缺点7/431948年W.Shockley提出结型晶体管概念1950年第一只NPN结型晶体管8/43Ti公司的Kilby12个器件，Ge晶体9/43(FairchildSemi.)SiIC10/43J.Kilby－TI2000诺贝尔物理奖R.Noyce－Fairchild半导体Ge，Au线半导体Si，Al线11/43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,USA12/43SSI

(小型集成电路)，晶体管数

10~100，门数<10

•

MSI

(中型集成电路)，晶体管数

100~1,000，10<门数<100

•

LSI

(大规模集成电路)，晶体管数

1,000~100,000，门数>100

•

VLSI

(超大规模集成电路)，晶体管数

100,000~

1,000,000ULSI(特大规模集成电路)，晶体管数>1,000,000GSI(极大规模集成电路)，晶体管数>109

SoC－－system-on-a-chip/SIP－－systeminpackagingVLSI13/43摩尔定律（Moore’sLaw)硅集成电路二年（或二到三年）为一代，集成度翻一番，工艺线宽约缩小30%，芯片面积约增1.5倍，IC工作速度提高1.5倍技术节点特征尺寸DRAM半导体电子：全球最大的工业14/43ExplosiveGrowthofComputingPowerPentiumIV1sttransistor19471stelectroniccomputerENIAC(1946)VacuumTuber1stcomputer(1832)Macroelectronics Microelectronics Nanoelectronics15/432003Itanium2®19714004®2001PentiumIV®1989386®2300134000410M42M1991486®1.2Mtransistor/chip10µm 1µm 0.1µm transistorsizeHumanhairRedbloodcellBacteriaVirus16/43Nocompletetechnologicalsolutionavailable!!!PhysicalgatelengthinnmYearGateSourceDrainsilicidemetalmetalchannelgateoxideWearehere.ITRS,theInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors:/SourceDrain17/43ITRS—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/instruct/bachelor/jpkc/jcdlgy/supplement/2011ExecSum.pdf18/4319/4320/4321/4322/43器件几何尺寸：Lg，Wg，tox，xj

→×1/k衬底掺杂浓度N

→×k电压Vdd

→×1/k

⇒器件速度→×k芯片密度→×k2器件的等比例缩小原则Constant-fieldScaling-downPrinciplek≈1.423/43NEC24/43制备超小型晶体管已不再困难而实现高性能则极具挑战H.Iwai,Solid-StateElectronics48(2004)497–50325/4326/43基本器件MOS器件：高密度、更低功耗、更大的设计灵活性

NMOS,PMOS,CMOSBJT：模拟电路及高速驱动CMOSn+n+p+p+27/43CMOS28/43BECppn+n-p+p+n+n+BJT29/43单晶材料：~450mm/18”Si成为IC主流的优势：Si/SiO2界面的理想性能地壳丰富的Si含量单晶的简单工艺平面工艺的发展GordenTeal(TI)30/43生长结晶体管31/43合金结晶体管扩散32/43双扩散台面（MESA）晶体管气相扩散图形化-腐蚀33/43平面工艺发明人：JeanHoerni－－Fairchild1958-1960:氧化p－n结隔离Al的蒸发……34/43扩散光刻氧化掩蔽35/43平面工艺基本光刻步骤光刻胶掩膜版36/43应用平面工艺可以实现多个器件的集成37/43Actualcross-sectionofamodernmicroprocessorchipfromIBMWCu38/43IC技术发展历程1960sBJT气相掺杂＋外延p-n结隔离6－8次光刻39/43IC技术发展历程1970sE/DNMOSLOCOS隔离技术LOCalOxidationofSilicon耗尽型NMOS面积减小，集成度提高光刻版数量与BJT相近ED40/43IC技术发展历程1980sCMOS低功耗、散热集成度提高12～14块光刻版41/43最简单的ICCMOS工艺举例反相器或非门42/43IC技术发展历程19