1、W. ShockleyJ. BardeenW. Brattain第一个点接触式晶体管 1947 - by Bell Lab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：200250m19471947年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家肖年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家肖克利克利(William Shockley)(William Shockley)和他的两助手布和他的两助手布拉顿拉顿(Water Brattain (Water Brattain 、巴丁（、巴丁（John John bardeen)bardeen)在贝尔实验室工作时发
2、明了世界在贝尔实验室工作时发明了世界上第一个点接触型晶体管上第一个点接触型晶体管1956年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖Ti 公司的公司的Kilby 12个器件，个器件，Ge 晶体晶体1958年时，集成电路是如此的粗糙！杰克-基尔比 (Fairchild Semi.)Si IC第一个单片集成电路简短回顾简短回顾Bardeen, Brattain, Shockley, 第一个锗双极晶体管1947, Bell Labs. Nobel prizeAtalla, 第一个Si基MOSFET , 1958, Bell Labs.Kilby (TI) & Noyce (Fairchild),发明集成电路
3、, Nobel prize平面工艺, Jean Hoerni, 1960, Fairchild第一个CMOS 电路, 1963, Fairchild“Moores law” coined 1965, FairchildDennard, 定标法则, 1974, IBMFirst Si technology roadmap published 1994, USA摩尔定律（摩尔定律（Moores Law)硅集成电路二年（或二到三年）为一代，集成度翻两番，工艺硅集成电路二年（或二到三年）为一代，集成度翻两番，工艺线宽约缩小线宽约缩小30%，芯片面积约增，芯片面积约增1.5倍，倍，IC工作速度提高工作速
4、度提高1.5倍倍DRAM半导体电子：全球最大的工业半导体电子：全球最大的工业Pentium IV1st transistor19471st electronic computer ENIAC (1946)Vacuum Tuber1st computer(1832)Macroelectronics Microelectronics NanoelectronicsvIntel 公司公司CPU芯片集成度的发展芯片集成度的发展电路规模：电路规模：2300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um最快速度：最快速度：108KHz电路规模：电路规模：275,000个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：1.
5、5um最快速度：最快速度：33MHz电路规模：电路规模：4千千2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺：生产工艺：0.13um最快速度：最快速度：2.4GHzITRS International Technology Roadmap for Semiconductors http:/ v预言硅主导的IC技术蓝图等比例缩小原则Scaling down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
6、增加工作电压下降器件几何尺寸：器件几何尺寸：Lg，Wg，tox，xj 1/k衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度N k电压电压Vdd 1/k 器件速度器件速度 k芯片密度芯片密度 k2器件的等比例缩小原则器件的等比例缩小原则Constant-field Scaling-down Principle 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ： 例如例如 数模数模(D/A)转换器和模数转换器和模数(A/D)转换器等。转换器等。数字集成电路数字集成电路(Digital IC)： 是指处理数字
7、信号的集成电路，即采用二进制方式进是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)： 是指处理模拟信号是指处理模拟信号(连续变化的信号连续变化的信号)的集成电路，的集成电路， 通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路 ： 线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。压比较器、跟随器等。 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电
8、路。v 标准通用集成电路标准通用集成电路 通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。需求量大，通用性强。v专用集成电路专用集成电路 根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称集成电路简称ASIC（Application Specific Integrated Circuit)，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。装形
9、式多样。描述集成电路工艺技术水平的描述集成电路工艺技术水平的三个技术指标三个技术指标减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18m、0.13m工艺，工艺， Intel目前将大部分芯片生产制程转换到目前将大部分芯片生产制程转换到0.06 m 。尺寸从尺寸从2吋吋12吋成比例增加的晶圆吋成比例增加的晶圆中国中国IC产业分布图产业分布图近年中国集成电路与分立器件制
10、造前十大企业是：近年中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：近年中国集成电路封装测试前十大企业是：近年中国集成电路封装测试前十大企业是：近年中国集成电路设计前十大企业是：近年中国集成电路设计前十大企业是： 集成电路（集成电路（Integrated Circuit） 制造工艺是集成电路实现的手段，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。也是集成电路设计的基础。基础电路制造工艺基础电路制造工艺集成电路制造工艺简介集成电路制造工艺简介生产工厂简介生产工厂简介国外某集成电路工厂外景国外某集成电路工厂外景净化厂房净化厂房域域走走廊廊Here in the Fab Two Photolith
11、ography area we see one of our 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image and align both 6 & 8 inch wafers. 投投影影式式光光刻刻机机Here we see a technician loading 300mm wafers into the SemiTool. The wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties and SemiTool in 1995
12、. Again these are the worlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried). 硅硅片片清清洗洗装装置置As we look in this window we see the Worlds First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became fully ope
13、rational in January of 1996. 12英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle. 12英英寸寸氧氧化化扩扩散散炉炉装装片片工工序序Process Specialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 12英寸氧英寸氧化扩散炉化扩散炉取片工序取片
14、工序（已生长（已生长Si3N4）2,500 additional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is currently processing wafers! With increased 300mm & 200mm processing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, all in
15、 a Class One enviroment.PVDAccuracy in metrology is never an issue at Process Specialties. We use the most advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools for precision thin film, resistivity, CD and step height measurement. Including our new Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin fi
16、lm measurement and mapping tool. We also use outside laboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 检检测测工工序序Above you are looking at a couple of views of the facilities on the west side of Fab One. Here you can see
17、one of our 18.5 Meg/Ohm DI water systems and one of four 10,000 CFM air systems feeding this fab (left picture), as well as one of our waste air scrubber units (right picture). Both are inside the building for easier maintenance, longer life and better control. 去去离离子子水水生生产产装装置置空空气气净净化化动动力力装装置置Here w
18、e are looking at the Incoming material disposition racks 库房库房集成电路中的基本元件结构集成电路中的基本元件结构1. 双极型工艺（双极型工艺（bipolar）2. CMOS工艺工艺1.1.与分立器件工艺有什么不同？与分立器件工艺有什么不同？2.2.埋层的作用是什么？埋层的作用是什么？3.3.需要几块光刻掩膜版需要几块光刻掩膜版(mask)?(mask)?4.4.每块掩膜版的作用是什么？每块掩膜版的作用是什么？5.5.器件之间是如何隔离的？器件之间是如何隔离的？6.6.器件的电极是如何引出的？器件的电极是如何引出的？P-Sub衬底准备（衬
19、底准备（P型）型）光刻光刻n+埋层埋层区区氧化氧化n+埋层区注入埋层区注入 清洁表面清洁表面P-Sub生长生长n-外延外延 隔离氧化隔离氧化 光刻光刻p+隔离区隔离区p+隔离注入隔离注入 p+隔离推进隔离推进N+N+N-N-3.3.外延层淀积外延层淀积4.4.第二次光刻第二次光刻PP+ +隔离扩散孔光刻隔离扩散孔光刻光刻硼扩散区光刻硼扩散区P-SubN+N+N-N-P+P+P+硼扩散硼扩散5.5.第三次光刻第三次光刻PP型基区扩散孔光刻型基区扩散孔光刻光刻磷扩散区光刻磷扩散区 磷扩散磷扩散P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP6.6.第四次光刻第四次光刻N+发射区扩散孔光刻发射区扩散孔光刻
20、氧化氧化光刻引线孔光刻引线孔清洁表面清洁表面P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP7.7.第五次光刻第五次光刻引线接触孔光刻引线接触孔光刻 氧化氧化蒸镀金属蒸镀金属反刻金属反刻金属P-SubN+N+N-N-P+P+P+PP8.8.第六次光刻第六次光刻金属化内连线光刻金属化内连线光刻 ALSiO2BPP+P-SUBN+ECN+-BLN-epiP+Epitaxial layer 外延层Buried Layer1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从减小串联电阻（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）上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）BP-SubSiO2光刻胶光
21、刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB2.减小寄生减小寄生pnp晶体管的影响晶体管的影响1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此，将型衬底连通。因此，将n型外延层分割成若干型外延层分割成若干个个“岛岛” 。2. P+隔离接电路最低电位，使隔离接电路最低电位，使“岛岛” 与与“岛岛” 之间形成两个背靠背的反偏二极之间形成两个背靠背的反偏二极管。管。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiSiO2P+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+N+CECEBB钝化层钝化层埋层区埋层区隔离墙隔
22、离墙硼扩区硼扩区磷扩区磷扩区 引线孔引线孔金属连线金属连线欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极（金半接触势垒二极管）管）。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。BP-SubSiO2光刻胶光刻胶N+埋层埋层N-epiP+P+P+SiO2N-epiPPN+N+N+钝化层钝化层N+CECEBB金属与半导体接触？金属与半导体接触？形成欧姆接触的方法？形成欧姆接触的方法？低势垒，高复合，高低势垒，高复合，高掺杂掺杂双阱双阱CMOS工艺流工艺流程程退火的作用是什么？退火的
23、作用是什么？* p 阱的形成阱的形成1. 第二层掩膜第二层掩膜(光刻光刻2) “p阱注入阱注入”2. p阱注入阱注入 硼注入硼注入 4. STI槽刻蚀槽刻蚀 在外延层上选择刻蚀开隔离区在外延层上选择刻蚀开隔离区5.5.去光刻胶去光刻胶 * STI氧化物填充氧化物填充 沟槽衬垫氧化硅沟槽衬垫氧化硅1. （改善硅与沟槽填充氧化物之间的界面特性）（改善硅与沟槽填充氧化物之间的界面特性） 2. 沟槽沟槽CVD氧化物填充氧化物填充 隔离槽隔离槽CVD氧化硅氧化硅 * STI 氧化层抛光氧化层抛光 氮化物去除氮化物去除1 . 沟 槽 氧 化 物 抛 光沟 槽 氧 化 物 抛 光 ( C M P ) Che
24、mical-mechanical polishing 2. 氮化物去除氮化物去除 三多晶硅栅结构工艺三多晶硅栅结构工艺1栅氧化层的生长栅氧化层的生长为什么要重新生长栅氧化层？为什么要重新生长栅氧化层？2多晶硅淀积多晶硅淀积 4多晶硅栅刻蚀多晶硅栅刻蚀 四轻掺杂漏（四轻掺杂漏（LDD）注入工艺）注入工艺* n- 轻掺杂漏注入轻掺杂漏注入1第五层掩膜第五层掩膜(光刻光刻5) “n-LDD注入注入”2n- LDD注入注入 砷注入砷注入 LDD的作用是什么？的作用是什么？ 大质量的掺杂材料使得硅片的上表面成为非晶态，大质量的掺杂材料使得硅片的上表面成为非晶态，有助于维持浅结和获得更均匀的掺杂浓度。有助
25、于维持浅结和获得更均匀的掺杂浓度。五侧墙的形成五侧墙的形成1淀积二氧化硅淀积二氧化硅 六源六源/漏注入工艺漏注入工艺* n+ 源源/漏注入漏注入1第七层掩膜第七层掩膜(光刻光刻7) “n+源源/漏注入漏注入”2n+源漏注入源漏注入 砷注入砷注入* p+ 源源/漏注入漏注入1第八层掩膜第八层掩膜(光刻光刻8) “p+源源/漏注入漏注入” 2p+源源/漏注入漏注入 硼注入硼注入3退火退火 侧墙的作用？侧墙的作用？ 保护沟道，在注入过程中阻止掺杂原子的进入保护沟道，在注入过程中阻止掺杂原子的进入七接触七接触(孔孔)的形成的形成* 钛金属接触的制作钛金属接触的制作1钛的淀积钛的淀积 钛淀积钛淀积 2退
26、火退火 钛硅化物接触形成钛硅化物接触形成 3钛刻蚀钛刻蚀 接触形成工艺的目的：接触形成工艺的目的：在所有硅的有源区形成金属接触。金在所有硅的有源区形成金属接触。金属接触可以属接触可以使硅和随后淀积的导电材料更加紧密的结合起来。使硅和随后淀积的导电材料更加紧密的结合起来。钛是做金属接触的理想材料。钛是做金属接触的理想材料。钛的硅化物在有源区（源，漏，钛的硅化物在有源区（源，漏，栅）保留下来。栅）保留下来。但是但是钛不与钛不与SiO2SiO2反应，从而容易的除去，反应，从而容易的除去，而而不需要额外的掩膜。不需要额外的掩膜。八局部互连八局部互连(LI：local interconnect)工艺工艺
27、* LI氧化硅介质的形成氧化硅介质的形成1氮化硅化学气相淀积氮化硅化学气相淀积 氮化硅氮化硅CVDCVD ( (将硅的有源区保护起来，使之与随后的掺杂淀积层隔绝将硅的有源区保护起来，使之与随后的掺杂淀积层隔绝) )2掺杂氧化物的化学气相淀积掺杂氧化物的化学气相淀积 二氧化硅要用磷或硼掺杂，可以提高玻璃的介电特性。二氧化硅要用磷或硼掺杂，可以提高玻璃的介电特性。另外退火时候玻璃能够流动，得到平坦的表面另外退火时候玻璃能够流动，得到平坦的表面 3. 氧化层抛光（氧化层抛光（CMP） 4第九层掩膜第九层掩膜(光刻光刻9 9) “局部互连局部互连” 局部互连刻蚀局部互连刻蚀 * TI金属的制作金属的制
28、作1.金属钛淀积金属钛淀积(PVD工艺工艺) 钛衬垫于局部互联沟道的底部和侧壁上，充当钨和二氧钛衬垫于局部互联沟道的底部和侧壁上，充当钨和二氧化硅的粘合剂化硅的粘合剂2. 氮化钛氮化钛(TiN)淀积淀积 TiNTiN淀积于钛金属层的表面，充当金属钨的阻挡层淀积于钛金属层的表面，充当金属钨的阻挡层3. 钨淀积钨淀积(CVD工艺工艺) 4. 磨抛钨磨抛钨(CMP工艺工艺) 九通孔九通孔1和钨塞和钨塞1的形成的形成 * 通孔通孔1的制作的制作1第一层层间介质氧化物淀积（第一层层间介质氧化物淀积（CVD） 2氧化物磨抛（氧化物磨抛（CMP） 3第十层第十层 掩膜掩膜(光刻光刻10) “ILD-1” 第
29、一层层间介质刻蚀第一层层间介质刻蚀 * 钨塞钨塞1的制作的制作 1. 金属淀积钛阻挡层（金属淀积钛阻挡层（PVD） 钨充当将钨限制在通孔中的粘合剂钨充当将钨限制在通孔中的粘合剂 2. 淀积氮化钛（淀积氮化钛（CVD） 氮化钛充当钨的扩散阻挡层氮化钛充当钨的扩散阻挡层 3淀积钨（淀积钨（CVD）十第一层金属（金属十第一层金属（金属1）互连的形成）互连的形成* 金属金属1互连的制作互连的制作1金属钛阻挡层淀积（金属钛阻挡层淀积（PVD） 钛充当钨塞和下层金属铝之间的良好键合钛充当钨塞和下层金属铝之间的良好键合 2淀积铝铜合金（淀积铝铜合金（PVD） 铝不稳定，铝中加入铝不稳定，铝中加入1 1的铜，
30、提高了铝的稳定性的铜，提高了铝的稳定性 3淀积氮化钛（淀积氮化钛（PVD） 氮化钛充当下一次光刻中的抗反射层氮化钛充当下一次光刻中的抗反射层4第十一层掩膜第十一层掩膜(光刻光刻11) “金属金属1互连互连” 金属刻蚀金属刻蚀 十一十一. 通孔通孔2和钨塞和钨塞2的形成的形成 * 通孔通孔2的制作的制作 1. ILD-2间隙填充间隙填充 2ILD-2氧化物淀积氧化物淀积 3ILD-2氧化物平坦化（氧化物平坦化（CMP）4第十二层掩膜第十二层掩膜(光刻光刻12) ILD-2刻蚀刻蚀 * 钨塞钨塞2的制作的制作1金属淀积钛阻挡层（金属淀积钛阻挡层（PVD） 2淀积氮化钛（淀积氮化钛（CVD） 3淀积钨（淀积钨（CVD）4磨抛钨（磨抛钨（CMP） 十三十三. 制作第三层金属（金属制作第三层金属（金属3）直到）直到 制作压点和合金制作压点和合金 Table 17.2
