硅集成电路工艺基础1

Si集成电路工艺基础南开大学电子信息与光学工程学院何炜瑜本课程主要讲述硅集成电路制造的工艺，介绍各项工艺的物理基础和基本原理，主要包括氧化、扩散、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积、外延、光刻与刻蚀、金属化与多层互连，最后简要介绍集成电路的工艺集成。本课程也是从事微电子相关领域（如太阳电池、激光器、LED和TFT及其它半导体器件等）的研究和工作的基础课程。课程的主要内容本课程学习的目的通过学习本课程，可以：了解并掌握常用的半导体工艺技术；能够简要叙述集成电路每一个工艺过程；了解基本的集成电路制备过程；能够从事半导体工艺相关的工作。教材与参考书教材：关旭东，硅集成电路工艺基础，北京大学出版社，2003年10月。参考书：•MichaelQuirk,JulianSerda著，韩郑生等译，半导体制造技术(SemiconductorManufacturingTechnology)，电子工业出版社，2004年1月(中英文版)•StephenA.Campbell著，周润德译，微电子制造科学原理与工程技术（TheScienceandEngineeringofMicroelectronicFabrication），电子工业出版社，2004年1月（中/英文版均有）•张兴/黄如/刘晓彦，微电子学概论，北京大学出版社，2000年1月教学方式：课堂讲授为主，每周2学时。成绩评定：期末考试：80%，考勤+作业：20%。教学方式与成绩评定集成电路发展的简要历史集成电路产业的发展趋势集成电路的基本工艺流程前言1947年12月16日贝尔实验室WillianShockley、JohnBardeen、WalterBrattain，以Ge为半导体材料，发明了用于替代真空管的固态晶体管，成功使用一个电接触型的“可变电阻”----即今天被称为三极管“Transistor”的器件得到放大倍数为100的放大电路。第一个晶体管，美国Bell实验室，1947年。集成电路(IC)发展的简要历史这是微电子技术发展中第一个里程碑第一个晶体管的发明者：WillianShockley、JohnBardeen、WalterBrattain获得1956年诺贝尔物理学奖1950年代——晶体管技术不断发展1952年，第一个单晶Ge晶体管。1954年，第一个单晶硅晶体管，德州仪器公司，GordonTeal。1957年，加利福尼亚州的仙童半导体公司（FairChildSemiconductor）制造出第一个商用平面晶体管。——平面技术。1958年，德州仪器(TI)公司，制造出第一个集成电路(IC)器件，半导体产业向前迈进了重要的一步。第一个集成电路(IC)器件1958年7月24日，德州仪器（TexasInstruments）的雇员JackKilby，在笔记本中写道：如果电路元件，比如电阻、电容可以使用同种材料制造，则有可能将整个电路加工在单个片子上“singlechip”。当时的真空条件很差的情况下，Kilby于1958年9月12日制造了具有5个集成元件的简单振荡电路，1959年Kilby提交了专利申请US3,138,743：Miniaturizedelectroniccircuits并获得授权。2000年Kilby和其他两位物理学家一起分享了诺贝尔物理学奖。1961年，第一个Si集成电路(IC)产品，由德州仪器(TexasInstrument)的JackKilby制备完成。1960年代——集成电路产业快速发展1、在技术上，新材料和工艺技术不断出现，集成电路工艺快速进步。1960年，HHLoor和ECastellani发明了光刻工艺。1962年：美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管。1963年，C.T.Sah和F.M.Wanlass，首次提出CMOS技术，今天95%以上的集成电路都是基于CMOS工艺。1966年，美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列(50门)1966年，多晶硅栅技术出现。1968年，离子注入技术被应用于半导体器件制造中。2、半导体制造商激增。1961年，Signetics公司。1967年：应用材料公司（AppliedMaterials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司。1968年，RobertNoyce、GordonMoor、AndrewGrove成立了Intel公司。1969年，JerrySanders和其他FairChildSemiconductor科学家成立了AMD（AdvancedMicroDevices）公司。3、半导体产业出现分工。出现了专门从事供应的行业，这些行业提供半导体产业必需的化学材料和设备。1970年代——1、集成电路工艺技术迅速发展1971年，Intel采用nMOS技术制成了世界上第一个微处理器Intel4004，这也是一个里程碑的发明。在20世纪的整个70年代和80年代初，nMOS技术成为集成电路的主流技术。1974年，RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802；1976年，16kbDRAM和4kbSRAM问世；1978年，64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着非常大规模集成电路（VLSI）时代的来临；1979年，Intel推出5MHz8088微处理器，之后，IBM基于8088推出全球第一台PC；2、70年代生产设备实现了半自动操作3、出现了标准化组织1970年，SEMI(SemiconductorEquipmentandMeterialsInternational)国际半导体设备及材料协会成立。1977年，SIA(SemiconductorIndustryAssociation)半导体协会成立。4、建厂费用激增1980年代——1、工艺技术进步，低功耗的CMOS技术成为主流。1981年：256kbDRAM和64kbCMOSSRAM问世。1984年：日本宣布推出1MbDRAM和256kbSRAM。1985年：80386微处理器问世，20MHz。1987年，IBM研制成功0.1μmMOSFET,标志着当代超深亚微米MOS技术基本成熟。同年，Intel在386CPU中引入1.2μmCMOS技术——至此CMOS技术占据了集成电路中的统治地位。1988年：16MDRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（ULSI）阶段。1989年，486微处理器推出，25MHz，1µm工艺，后来50MHz芯片采用0.8µm工艺。2、生产设备自动化包括全部的重要硅片加工步骤，大幅度减少工艺中的操作者，这使得硅片制造厂的启动成本快速增加，到80年代后期，上涨到接近10亿美元。1990年代——1、芯片的最小特征尺寸(CriticalDesign,CD)进一步缩小到1μm以下，进入ULSI时代。1993年：66MHz奔腾处理器推出,采用0.6µｍ工艺。1995年:PentiumPro,133MHz，采用0.6-0.35µｍ工艺。1997年：300MHz奔腾Ⅱ问世,采用0.25µｍ工艺。1999年：奔腾Ⅲ问世，450MHz，采用0.25µｍ工艺，后采用0.18µm工艺。2000年:1GbRAM投放市场。2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18µｍ工艺。2、金属化与多层互连技术的发展（Cu互连），使得芯片的集成度、速度进一步提高，同时降低了功耗，减少工艺步骤。3、集成电路设计全部采用计算机CAD。2000年代——最小特征尺寸（CriticalDesign）越来越小2001年：intel宣布2001年下半年采用0.13μｍ工艺。2003年：奔腾4E系列推出，采用90nm工艺。2005年：intel酷睿2系列上市，采用65nm工艺。2007年：采用45nm基于High-K工艺的intel酷睿2E7/E8/E9上市。2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。IC规模分类IC规模缩写芯片集成的器件数量SmallScaleIntegration（小规模）SSI2to50MediumScaleIntegration（中规模）MSI50to5,000LargeScaleIntegration（大规模）LSI5,000to100,000VeryLargeScaleIntegration（非常大规模）VLSI100,000to10,000,000UltraLargeScaleIntegration（超大规模）ULSI10,000,000to1,000,000,000SuperLargeScaleIntegration（甚大规模）SLSIOver1,000,000,0001、提高芯片性能1)缩小最小特征尺寸(CriticalDesign)。特征尺寸：芯片上的物理尺寸，如线宽、间距、接触孔等。2000年，SolidStateTechnology的技术总结与展望：19881992199519971999200120022005CD(m)1.00.50.350.250.180.150.130.10集成电路产业的发展趋势2)提高集成度到了1980年代，这一定律的速率放缓到18个月。摩尔定律：随着半导体工艺技术的发展，每过12个月集成电路的晶体管数量增加一倍，而价格保持不变。Intel的创建者之一GordenMoore于1964年发现这一定律。摩尔定律3)降低功耗半导体工业的发展路线图199519971999200120042007最小特征尺寸（μm）0.350.250.180.130.100.07动态随机存储器(DynamicRandomAccessMemory,简称DRAM芯片)每片芯片的字节数每字节的成本（毫分）64M0.017256M0.0071G0.0034G0.00116G0.000564G0.0002微处理器（Microprocessor）每cm2面积的晶体管数每个晶体管的成本（毫分）4M17M0.513M0.225M0.150M0.0590M0.02专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits，ASIC)每cm2面积的晶体管数每个晶体管的成本（毫分）2M0.34M0.17M0.0513M0.0325M0.0240M0.01硅片尺寸（mm）200200200-300300300300特征尺寸和硅片尺寸特征尺寸越来越小，同时硅片尺寸越来越大，因而集成电路的规模越来越大。集成电路几何学上的限制密集排列的每一个硅原子由原子核和外层电子构成。原子具有一定的尺寸，这决定了集成电路的特征尺寸不可能无限小下去。集成电路器件的限制•原子尺寸为：数Å；•需要一定数量的原子才能形成器件；•这使得集成电路的最小特征尺寸限制在100Å即0.01微米左右；•这一最小特征尺寸大约包含30个硅原子。目前已知的特征尺寸最小的晶体管，由日本NEC公司于1997年制备完成（14nm）2提高芯片的可靠性随着生产过程超净化的实现，化学试剂纯度的可控制，以及各种检测和测试技术的提高，使芯片的可靠性越来越高。随着集成电路产业的发展，对超净环境的要求越来越高。3降低价格1946到1996年，半导体微芯片的价格下降了一亿倍。集成电路的基本工艺流程第一章硅的晶体结构1.1硅晶体结构的特点单晶结构---晶体由单一的晶格连续组成多晶结构---晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成非晶结构---固体原子无规则地堆积而成晶格：配置有原子、分子、离子或其集团的空间点阵，可以看成是由质点在三维空间按一定规则周期重复性排列所构成，这种周期性结构为晶格。晶胞：能够最大限度地反映晶体对称性质的最小单元。晶格常数：晶胞的边长300K时，a＝5.4305Å（Si），5.6463Å（Ge）1晶胞简立方晶格kaajaaiaa321体心立方晶格ijka1a2a3o)(2)(2)(2321kjiaakjiaakjiaa面心立方晶格a1a2a3)(