半導(dǎo)體工藝原理-半導(dǎo)體工藝原理(貴州大學(xué))

微電子工藝

楊發(fā)順

fashun@126.com課程介紹教學(xué)目標(biāo)

1、能夠正確使用常見的半導(dǎo)體術(shù)語；2、能夠正確的描述一些基本的IC制造程序；3、能簡單解釋和說明IC制造過程的每一步工藝；4、能使用Silvaco公司的器件仿真軟件(ATLAS)和半導(dǎo)體工藝模擬軟件(Athena）完成雙極型器件或MOS器件的設(shè)計。教學(xué)安排1、理論教學(xué)：結(jié)合參考書目集中講解IC制造工藝流程中每個工藝步驟和工藝原理；2、實驗教學(xué):通過Silvaco公司的器件仿真軟件(ATLAS)和半導(dǎo)體工藝模擬軟件(Athena）完成雙極型器件或MOS器件的設(shè)計。3、考核方式：平時成績30%（文獻(xiàn)綜述），卷面成績70%（閉卷）。主要參考書1、半導(dǎo)體制造技術(shù)：（SemiconductorManufacturingTechnology）MichaelQuirk,JulianSerda著，韓鄭生譯。2、半導(dǎo)體器件工藝原理：黃漢堯，李乃平著。3、/reports.html微電子技術(shù)發(fā)展簡史摩爾定律--Moore’sLaw我國微電子產(chǎn)業(yè)的歷史和現(xiàn)狀國際微電子技術(shù)的水平和前景Chapter1Introduction微電子技術(shù)與摩爾定律

Microelectronics&Moore’sLaw1、真空電子管：它是在一個抽成真空的玻璃泡中封有一些電極而制成的。真空二極電子管發(fā)明人：約翰.弗萊明（馬可尼電報公司,1904年）作用：整流、檢波，不具備放大作用真空三極電子管發(fā)明人德.福雷斯特（1906年）作用：放大、檢波真空電子管的缺點：體積大、不可靠、能耗高、壽命有限。意義：真空電子管的發(fā)明和應(yīng)用在電子技術(shù)史上具有劃時代的的意義，他為通訊、廣播、電視、計算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路，并奠定了近代電子工業(yè)的基礎(chǔ)。第一代電子計算機(jī)：電子管計算機(jī)發(fā)明人：約翰.莫奇利，埃克特（賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院，1942-1946）ENIAC：（17468只電子管）重量：30噸，占地：167平方米，耗電：160千瓦，速度：幾千～幾萬次／秒

1946年2月14日，世界上第一臺電腦ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國軍方要求賓州大學(xué)約翰.莫奇利（Mauchly）博士和他的學(xué)生埃克特（Eckert）設(shè)計以真空管取代繼電器的“電子化”電腦--ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator），電子數(shù)字積分器與計算器），目的是用來計算炮彈彈道。這部機(jī)器使用了18800個真空管，長50英尺(~15m)，寬30英尺（~9m)，占地1500平方英尺，重達(dá)30噸（大約是一間半的教室大，六只大象重）。它的計算速度是每秒可從事5000次的加法運(yùn)算。功耗174KW/H。2、晶體管晶體管發(fā)明人：肖克萊、巴丁、布拉頓（貝爾實驗室，1947.12.23）1956年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者特點：尺寸小、無真空、可靠性高、重量輕、能耗低蒸金箔塑料楔金屬基極鍺發(fā)射極集電極0.005cm的間距世界上第一個Ge點接觸型PNP晶體管MethodofManufacturingSemiconductorDevices:Patent#:3,025,589

Theplanartransistor:

Inearly1958,JeanHoerniinventstechniquefordiffusingimpuritiesintothesilicontobuildplanartransistorsandthenusingaSiO2insulator.晶體管的優(yōu)越性1、壽命是電子管的100～1000倍，電子管容易老化；2、質(zhì)量穩(wěn)定、耐沖擊、耐振動，電子管易碎；3、能耗低、使用前不預(yù)熱；4、生產(chǎn)工藝精密、工序簡單。意義

晶體管的發(fā)明是電子技術(shù)歷史上具有劃時代意義的偉大事件，它開創(chuàng)了一個新的時代—固體電子技術(shù)時代。奠定了現(xiàn)代電子技術(shù)的基礎(chǔ)，揭開了微電子技術(shù)和信息化的序幕，開創(chuàng)了人類的硅文明時代。第二代電子計算機(jī)：晶體管計算機(jī)發(fā)明人：貝爾實驗室（1954.5.24）TRADIC：800只晶體管3、集成電路第一塊集成電路發(fā)明人杰克·基爾比（JackKilby）德州儀器公司（TexasInstruments）2000年諾貝爾物理獎獲得者第一塊集成電路（相移振蕩器）元件數(shù)：五個（鍺集成電路）時間：1958.9發(fā)明，1959.2申請專利1958年第一塊集成電路：相移振蕩器，12個器件，Ge晶片第一塊商業(yè)集成電路發(fā)明人羅伯特·諾伊斯（RobertNoyce）仙童半導(dǎo)體公司（1961年）（FairchildSemiconductorInternational）背景羅伯特·諾伊斯在1959年7月完成了二氧化硅擴(kuò)散技術(shù)和PN結(jié)隔離技術(shù)的研究。

1961:TIandFairchildintroducedthefirstlogicIC’s(cost~$50inquantity!).Thisisadualflip-flopwith4transistors.1963:Densitiesandyieldsareimproving.Thiscircuithasfourflipflops.集成電路的優(yōu)勢體積小、重量輕、功耗低；可集成大量的元件，成本低；可靠性高意義集成電路的發(fā)明開拓了電子器件微型化的新紀(jì)元，引領(lǐng)人們走進(jìn)信息化社會。它的誕生使微處理器的出現(xiàn)成為可能，也使計算機(jī)走進(jìn)人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。它給人類社會的發(fā)展帶來了巨大的影響和推動作用，為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。摩爾定律(Moore’sLaw)原始定義：集成芯片上集成度每18~24個月翻一番；廣義意義：集成芯片的集成度、功能復(fù)雜度和性能都按指數(shù)速率改進(jìn)。摩爾定律的提出：1965年4月，摩爾在《電子學(xué)》雜志上發(fā)表文章預(yù)言：半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年翻一番。摩爾定律的修正：

1975年修正：芯片上集成的晶體管數(shù)量將每兩年翻一番。市場版本：半導(dǎo)體集成電路的密度或容量每18個月翻一番，或每三年增長4倍。

最初的Moore曲線--1965Moore曲線—集成度和性能Moore曲線—時鐘頻率如果按摩爾本人“每兩年翻一番”的預(yù)測，26年中應(yīng)包括13個翻番周期，每經(jīng)過一個周期，芯片上集成的元件數(shù)應(yīng)提高2n倍（0≤n≤12），因此到第13個周期即26年后元件數(shù)應(yīng)提高了212＝4096倍，作為一種發(fā)展趨勢的預(yù)測，這與實際的增長倍數(shù)3200倍可以算是相當(dāng)接近了。

4004,386和PentiumPro芯片4004芯片,1971年,2300個晶體管386芯片,1985年,275000晶體管PentiumPro,1995年,550萬個晶體管酷睿2四核CPU

Intel酷睿i7ExtremeEdition975處理器主頻高達(dá)3.30GHz，采用45nm工藝制造，晶體管數(shù)量高達(dá)驚人的7.31億個。對比晶體管~100nm,芯片2020mm晶體管~750

m75002cm=15000cm=150m對比酷睿2四核CPU~7.3億個晶體管用電子管實現(xiàn)，將重達(dá)7.310810g=7300,000kg假定每個電子管~10g集成電路的特征尺寸最小圖形最小圖形間距微電子技術(shù)基本驅(qū)動力尺寸更小速度更快，頻率更高功能更復(fù)雜采用更大的晶圓(wafer)更大的晶圓1.5英寸~18英寸PerpetualInnovationMachine

永恒的創(chuàng)新機(jī)器

緊跟摩爾曲線，否則就會落后。摩爾定律使人們用簡略的語言談?wù)撌挛?技術(shù))。

0.35m,0.25m,0.18m,0.13m90nm,65nm,45nm，35nm,22nm……*頭發(fā)絲的直徑一般為0.05-0.08毫米=50000-80000nm**每一代工藝的特征尺寸大約是上一代工藝的0.7倍

摩爾定律前景：退出歷史舞臺從技術(shù)的角度看：全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能，采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作。

從經(jīng)濟(jì)的角度看：芯片制造工藝線成本大幅增加。目前一條8英寸0.35μm工藝線的投資約20億美元，但在幾年內(nèi)一條12英寸0．09μm工藝線的投資將超過100億美元。如此巨額投資已非單獨(dú)一個公司，甚至一個發(fā)展中國家所能單獨(dú)負(fù)擔(dān)的。我國的微電子技術(shù)的歷史

1956年，中國科學(xué)院應(yīng)用物理所首先舉辦了半導(dǎo)體器件短期培訓(xùn)班。北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、廈門大學(xué)和南京大學(xué)聯(lián)合在北京大學(xué)開辦了半導(dǎo)體物理專業(yè)，共同培養(yǎng)第一批半導(dǎo)體人才。

1957年，相繼研制出鍺點接觸二極管和三極管（即晶體管）。

1959年，天津拉制出硅（Si）單晶。

1960年，中科院在北京建立半導(dǎo)體研究所，同年在河北建立工業(yè)性專業(yè)化研究所――第十三所（河北半導(dǎo)體研究所）。

1962年，我國研究制成硅外延工藝，并開始研究采用照相制版，光刻工藝。我國的微電子技術(shù)的歷史（續(xù)）

1963年，河北省半導(dǎo)體研究所制成硅平面型晶體管。

1965年12月，國內(nèi)首先鑒定了DTL型（二極管――晶體管邏輯）數(shù)字邏輯電路。1966年底，上海元件五廠鑒定了TTL電路產(chǎn)品。

1970年后，永川半導(dǎo)體研究所（現(xiàn)電子第24所）、上無十四廠和北京878廠相繼研制成功NMOS電路。之后，又研制成CMOS集成電路。我國的微電子技術(shù)的歷史（續(xù)）

1973年，從國外引進(jìn)單臺設(shè)備，北京878廠，航天部陜西驪山771所和貴州都勻4433廠，建成3英寸工藝線。

1982年，江蘇無錫的江南無線電器材廠（742廠）IC生產(chǎn)線建成驗收投產(chǎn)，這是一條從日本東芝公司全面引進(jìn)3英寸彩色和黑白電視機(jī)集成電路生產(chǎn)線。我國的微電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀龍芯2E處理器，4700萬個晶體管。采用90nm的CMOS工藝，布線層為七層銅金屬，芯片面積6.8mm×5.2mm，最高工作頻率為1GHz，典型工作頻率為800MHz，實測功耗5-7瓦。綜合性能已經(jīng)達(dá)到高端PentiumⅢ以及中低端Pentium4處理器的水平。我國的微電子技術(shù)的水平

四核的龍芯3A芯片，采用65納米工藝，主頻1GHz，晶體管數(shù)目達(dá)到4.25億個，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

芯片面積~300mm2年份(年)199920012003200520082011世界(微米)0.180.150.130.1(0.09)0.07(0.065)0.05(0.045)中國(微米)0.250.25/0.180.15/0.130.10/