集成电路工艺原理课件.ppt

1、INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言1/43集成电路工艺原理INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言2/43大纲（大纲（1 1）教科书：教科书：1.1.王蔚，田丽，任明远，王蔚，田丽，任明远，“集成电路制造技术原理与工艺集成电路制造技术原理与工艺”2.J.D.Plummer,M.D.Deal,P.B.Griffin,“2.J.D.Plummer,M.D.Deal,P.B.Griffin,“硅超大规模集成电路工艺硅超大规模集成电路工艺技术技术-理论、实践与模型理论、实践与模型”参考书：参考书：C.Y.Chang,S.M.Sze,“ULSI Te

2、chnology”王阳元 等,“集成电路工艺原理”M.Quirk,J.Serda,“半导体制造技术”INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言3/43大纲大纲 （2 2）第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章 未来趋势与挑战未来趋势与挑战INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前

3、言前言4/43大纲大纲 （2 2）第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章 未来趋势与挑战未来趋势与挑战INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言5/43W.ShockleyW.ShockleyJ.BardeenJ.BardeenW.BrattainW.Brattain1st point cont

4、act transistor in 1947 -by Bell Lab1956年诺贝尔物理奖点接触晶体管：基片是N 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：5050m mINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言6/43不足之处不足之处:可靠性低、噪声大、放大率低等缺点可靠性低、噪声大、放大率低等缺点INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言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INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前

5、言8/43Ti Ti 公司的公司的Kilby 12Kilby 12个器件，个器件，Ge Ge 晶体晶体INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言9/43(Fairchild Semi.)(Fairchild Semi.)Si ICSi ICINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言10/43J.KilbyTI2000诺贝尔物理奖R.NoyceFairchild半导体半导体GeGe，AuAu线线半导体半导体Si Si，AlAl线线INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言11/43简短回顾：一项基于科学的伟大发明简短回顾：一项基于

6、科学的伟大发明Bardeen,Brattain,ShockleyBardeen,Brattain,Shockley,First Ge-based bipolar transistor invented 1947,Bell Labs.Nobel prizeNobel prizeKilbyKilby(TI)&NoyceNoyce(FairchildFairchild),Invention of integrated circuits 1959,Nobel prizeNobel prizeAtallaAtalla,First Si-based MOSFET invented 1960,Bell La

7、bs.Planar technology,Jean HoerniJean Hoerni,1960,FairchildFairchild First CMOS circuit invented 1963,FairchildFairchild“MooreMoores law”coined 1965,FairchildFairchildDennardDennard,scaling rule presented 1974,IBMFirst Si technology roadmap published 1994,USAINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言12/43 SSI(

8、小型集成电路)，晶体管数10100，门数10MSI(中型集成电路)，晶体管数1001,000，10门数100VLSI(超大规模集成电路)，晶体管数100,0001,000,000 ULSI(特大规模集成电路)，晶体管数1,000,000 GSI (极大规模集成电路)，晶体管数109 SoCsystem-on-a-chip/SIPsystem in packagingVLSIINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言13/43摩尔定律（摩尔定律（Moores Law)Moores Law)硅集成电路二年（或二到三年）为一代，集成度翻一番，工艺硅集成电路二年（或二到三年）为一

9、代，集成度翻一番，工艺线宽约缩小线宽约缩小30%30%，芯片面积约增，芯片面积约增1.51.5倍，倍，ICIC工作速度提高工作速度提高1.51.5倍倍技术节点特征尺寸DRAMDRAM半导体电子：全球最大的工业半导体电子：全球最大的工业INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言14/43Explosive Growth of Computing PowerExplosive Growth of Computing PowerPentium IVPentium IV1st transistor19471st electronic computer1st electronic

10、computer ENIAC(1946)ENIAC(1946)Vacuum Tuber1st computer(1832)Macroelectronics Microelectronics NanoelectronicsINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言15/4320032003Itanium 2 197119714004 20012001Pentium IV 19891989386 23002300134 000134 000410M410M42M42M19911991486 1.2M1.2Mtransistor/chiptransistor/chip10 m1

11、0 m 1 m 1 m0.1 m0.1 mtransistor sizetransistor sizeHuman hair Red blood cell Bacteria VirusHuman hair Red blood cell Bacteria VirusINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言16/43No complete technological No complete technological solution available!solution available!Physical gate length in nmPhysical gate le

12、ngth in nmYearYearGateSourceDrainsilicidemetalmetalchannelgate oxideWe are here.We are here.ITRS,the International Technology ITRS,the International Technology Roadmap for Semiconductors:Roadmap for Semiconductors:http:/ 前言前言17/43ITRS International Technology Roadmap for Semiconductors http:/ 前言前言18

13、/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言19/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言20/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言21/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言22/43器件几何尺寸：器件几何尺寸：L Lg g，WWg g，t toxox，x xj j 1/1/k k衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度N N k k电压电压V Vdddd 1/1/k k 器件速度器件速度 k k芯片密度芯片密度 k k2 2器件的等比例缩小原则器件的等比例缩小原则Constant-field

14、 Scaling-down PrincipleConstant-field Scaling-down Principlekk1.41.4INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言23/43NECNECINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言24/43制制备备超超小小型型晶晶体体管管已已不不再再困困难难而而实实现现高高性性能能则则极极具具挑挑战战H.Iwai,H.Iwai,Solid-State Electronics 48(2004)497503INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言25/43INFO130024.02集成

15、电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言26/43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+n+n+p+p+p+p+INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言27/43CMOSCMOSINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言28/43B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTBJTINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言29/43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

16、艺的发展Gorden Teal(TI)INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言30/43生长结晶体管生长结晶体管INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言31/43合金结晶体管合金结晶体管扩散扩散INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言32/43双扩散台面（双扩散台面（MESAMESA）晶体管）晶体管气相扩散气相扩散图形化图形化-腐蚀腐蚀INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言33/43平面工艺发明人：平面工艺发明人：Jean Hoerni Jean Hoerni FairchildFairchild

17、1958-1960:1958-1960:氧化氧化p pn n结隔离结隔离AlAl的蒸发的蒸发INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言34/43扩散扩散光刻光刻氧化氧化掩蔽掩蔽INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言35/43平面工艺基本光刻步骤平面工艺基本光刻步骤光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言36/43应用平面工艺可以实现多个器件的集成应用平面工艺可以实现多个器件的集成INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言37/43Actual cross-section of

18、a modern microprocessor chip from IBMActual cross-section of a modern microprocessor chip from IBM WCuINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言38/43ICIC技术发展历程技术发展历程1960s BJT气相掺杂外延p-n结隔离68次光刻INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言39/43ICIC技术发展历程技术发展历程1970s E/D NMOSLOCOS隔离技术 LOCal Oxidation of Silicon耗尽型NMOS面积减小，集成度提

19、高光刻版数量与BJT相近E ED DINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言40/43ICIC技术发展历程技术发展历程1980s CMOS低功耗、散热集成度提高1214块光刻版INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言41/43最简单的最简单的IC CMOSIC CMOS工艺举例工艺举例反相器反相器或非门或非门INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言42/43ICIC技术发展历程技术发展历程1990s BiCMOSCMOS实现高集成度的内部电路BJT实现输出驱动电路光刻版20块CMOSBJTINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言43/43本节课主要内容本节课主要内容CMOSCMOS工艺：工艺：光刻、氧化、扩散、刻蚀等光刻、氧化、扩散、刻蚀等硅技术的历史沿革和未硅技术的历史沿革和未来发展趋势：来发展趋势：晶体管的诞生晶体管的诞生集成电路的发明集成电路的发明平面工艺的发明平面工艺的发明CMOSCMOS技术的发明技术的发明摩尔定律（摩尔定律（Moores lawMoores law）VLSIVLSI、SoCSoC、SIPSIPConstant-fieldConstant-field等比例缩小原则等比例缩小原则ITRSITRS：技术代：技术代/节点节点