集成电路工艺原理课件

INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言1/43集成电路工艺原理INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言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”INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言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INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言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INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言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：~50μmINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言6/43不足之处: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前言8/43Ti公司的Kilby12个器件，Ge晶体INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言9/43(FairchildSemi.)SiICINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言10/43J.Kilby－TI2000诺贝尔物理奖R.Noyce－Fairchild半导体Ge，Au线半导体Si，Al线INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言11/43简短回顾：一项基于科学的伟大发明Bardeen,Brattain,Shockley,FirstGe-basedbipolartransistorinvented1947,BellLabs.NobelprizeKilby(TI)&Noyce(Fairchild),Inventionofintegratedcircuits1959,NobelprizeAtalla,FirstSi-basedMOSFETinvented1960,BellLabs.Planartechnology,JeanHoerni,1960,FairchildFirstCMOScircuitinvented1963,Fairchild“Moore’slaw”coined1965,FairchildDennard,scalingrulepresented1974,IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994,USAINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言12/43•SSI(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100,000~1,000,000•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•SoC－－system-on-a-chip/SIP－－systeminpackagingVLSIINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言13/43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INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言14/43ExplosiveGrowthofComputingPowerPentiumIV1sttransistor19471stelectroniccomputerENIAC(1946)VacuumTuber1stcomputer(1832)MacroelectronicsMicroelectronicsNanoelectronicsINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言15/432003Itanium2®19714004®2001PentiumIV®1989386®2300134000410M42M1991486®1.2Mtransistor/chip10µm1µm0.1µmtransistorsizeHumanhairRedbloodcellBacteriaVirusINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言16/43Nocompletetechnologicalsolutionavailable!!!PhysicalgatelengthinnmYearGateSourceDrainsilicidemetalmetalchannelgateoxideWearehere.ITRS,theInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors:集成电路工艺原理第一讲前言17/43ITRS—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•工作电压下降集成电路工艺原理第一讲前言18/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言19/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言20/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言21/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言22/43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≈1.4INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言23/43NECINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言24/43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)497–503INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言25/43INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言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+p+p+INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言27/43CMOSINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言28/43BECppn+n-p+p+n+n+BJTINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言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平面工艺的发展GordenTeal(TI)INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言30/43生长结晶体管INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言31/43合金结晶体管扩散INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言32/43双扩散台面（MESA）晶体管气相扩散图形化-腐蚀INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言33/43平面工艺发明人：JeanHoerni－－Fairchild1958-1960:氧化p－n结隔离Al的蒸发……INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言34/43扩散光刻氧化掩蔽INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言35/43平面工艺基本光刻步骤光刻胶掩膜版INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言36/43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前言37/43Actualcross-sectionofamodernmicroprocessorchipfromIBMWCuINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言38/43IC技术发展历程•1960sBJT•气相掺杂＋外延•p-n结隔离•6－8次光刻INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言39/43IC技术发展历程•1970sE/DNMOS•LOCOS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EDINFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言40/43IC技术发展历程•1980sCMOS•低功耗、散热•集成度提高•12～14块光刻版INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言41/43最简单的ICCMOS工艺举例反相器或非门INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲前言42/43IC技术发展历程•1990sBiCMOSCMOS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前言43/43本节课主要内容CMOS工艺：光刻、氧化、扩散、刻蚀等硅技术的历史沿革和未来发展趋势：晶体管的诞生集成电路的发明平面工艺的发明CMOS技术的发明摩尔定律（Moore’slaw）VLSI、SoC、SIPConstant-field等比例缩小原则ITRS：技术代/节点