硅集成電路制造工藝第0章緒論

硅集成電路制造工藝第0章緒論2024/3/27硅集成電路制造工藝第0章緒論2硅集成電路制造工藝第0章緒論3硅集成電路制造工藝第0章緒論4硅集成電路制造工藝第0章緒論緒論引言集成電路制造工藝發(fā)展?fàn)顩r

集成電路工藝特點(diǎn)與用途

本課程內(nèi)容5硅集成電路制造工藝第0章緒論

早在1830年，科學(xué)家已于實(shí)驗(yàn)室展開對(duì)半導(dǎo)體的研究。

1874年，電報(bào)機(jī)、電話和無線電相繼發(fā)明等早期電子儀器亦造就了一項(xiàng)新興的工業(yè)──電子業(yè)的誕生。

1引言6硅集成電路制造工藝第0章緒論基本器件的兩個(gè)發(fā)展階段分立元件階段（1905～1959）真空電子管、半導(dǎo)體晶體管集成電路階段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產(chǎn)品向著高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化的方向發(fā)展。

7硅集成電路制造工藝第0章緒論什么是集成電路制造工藝集成電路工藝，是指用半導(dǎo)體材料制作集成電路產(chǎn)品的方法、原理、技術(shù)。不同產(chǎn)品的制作工藝不同，但可將制作工藝分解為多個(gè)基本相同的小單元（工序）——單項(xiàng)工藝。不同產(chǎn)品的制作就是將單項(xiàng)工藝按需要順序排列組合來實(shí)現(xiàn)的——工藝集成。8硅集成電路制造工藝第0章緒論微電子工業(yè)生產(chǎn)過程圖前工序：微電子產(chǎn)品制造的特有工藝后工序9硅集成電路制造工藝第0章緒論npn-Si雙極型晶體管芯片工藝流程

----硅外延平面工藝舉例舉例n+npn+ebc10硅集成電路制造工藝第0章緒論2集成電路制造工藝發(fā)展歷程誕生:1947年12月在美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室，發(fā)明了半導(dǎo)體點(diǎn)接觸式晶體管，采用的關(guān)鍵工藝技術(shù)是合金法制作pn結(jié)。合金法pn結(jié)示意圖加熱、降溫pn結(jié)InGeN-Ge11硅集成電路制造工藝第0章緒論合金結(jié)晶體管12硅集成電路制造工藝第0章緒論W.ShockleyJ.BardeenW.Brattain1stpointcontacttransistorin1947--byBellLab1956年諾貝爾物理獎(jiǎng)點(diǎn)接觸晶體管：基片是N型鍺，發(fā)射極和集電極是兩根金屬絲。這兩根金屬絲尖端很細(xì)，靠得很近地壓在基片上。金屬絲間的距離：~50μm13硅集成電路制造工藝第0章緒論不足之處:可靠性低、噪聲大、放大率低等缺點(diǎn)14硅集成電路制造工藝第0章緒論1958年在美國的德州儀器公司和仙童公司各自研制出了集成電路，采用的工藝方法是硅平面工藝。誕生15硅集成電路制造工藝第0章緒論平面工藝發(fā)明人：JeanHoerni－－Fairchild1958-1960:氧化p－n結(jié)隔離Al的蒸發(fā)……16硅集成電路制造工藝第0章緒論擴(kuò)散光刻氧化掩蔽17硅集成電路制造工藝第0章緒論平面工藝基本光刻步驟光刻膠掩膜版18硅集成電路制造工藝第0章緒論應(yīng)用平面工藝可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件的集成19硅集成電路制造工藝第0章緒論JackKilby’sFirstIntegratedCircuitPhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.1959年2月，德克薩斯儀器公司（TI）工程師J.kilby申請(qǐng)第一個(gè)集成電路發(fā)明專利；利用臺(tái)式法完成了用硅來實(shí)現(xiàn)晶體管、二極管、電阻和電容，并將其集成在一起的創(chuàng)舉。臺(tái)式法----所有元件內(nèi)部和外部都是靠細(xì)細(xì)的金屬導(dǎo)線焊接相連。

20硅集成電路制造工藝第0章緒論(FairchildSemi.)SiIC21硅集成電路制造工藝第0章緒論仙童（Fairchild）半導(dǎo)體公司1959年7月，諾依斯提出：可以用蒸發(fā)沉積金屬的方法代替熱焊接導(dǎo)線，這是解決元件相互連接的最好途徑。1966年，基爾比和諾依斯同時(shí)被富蘭克林學(xué)會(huì)授予巴蘭丁獎(jiǎng)?wù)?，基爾比被譽(yù)為“第一塊集成電路的發(fā)明家”而諾依斯被譽(yù)為“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論”的人。1969年，法院最后的判決下達(dá)，也從法律上實(shí)際承認(rèn)了集成電路是一項(xiàng)同時(shí)的發(fā)明。

22硅集成電路制造工藝第0章緒論J.Kilby－TI2000諾貝爾物理獎(jiǎng)R.Noyce－Fairchild半導(dǎo)體Ge，Au線半導(dǎo)體Si，Al線23硅集成電路制造工藝第0章緒論60年代的出現(xiàn)了外延技術(shù)，如：n-Si/n+-Si，n-Si/p-Si。一般雙極電路或晶體管制作在外延層上。70年代的離子注入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了淺結(jié)摻雜。IC的集成度提高得以實(shí)現(xiàn)。新工藝，新技術(shù)，不斷出現(xiàn)。（等離子技術(shù)的應(yīng)用，電子束光刻，分子束外延，等等）發(fā)展24硅集成電路制造工藝第0章緒論張忠謀：臺(tái)灣半導(dǎo)體教父全球第一個(gè)集成電路標(biāo)準(zhǔn)加工廠（Foundry）是1987年成立的臺(tái)灣積體電路公司，它的創(chuàng)始人張忠謀也被譽(yù)為“晶體芯片加工之父”。張忠謀25硅集成電路制造工藝第0章緒論戈登-摩爾提出摩爾定律英特爾公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一----戈登-摩爾早在1965年，摩爾就曾對(duì)集成電路的未來作出預(yù)測(cè)?！澳柖伞保杭呻娐飞夏鼙患傻木w管數(shù)目，將會(huì)以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長。

26硅集成電路制造工藝第0章緒論簡短回顧：一項(xiàng)基于科學(xué)的偉大發(fā)明Bardeen,Brattain,Shockley,FirstGe-basedbipolartransistorinvented1947,BellLabs.NobelprizeKilby(TI)&Noyce(Fairchild),Inventionofintegratedcircuits1959,NobelprizeAtalla,FirstSi-basedMOSFETinvented1960,BellLabs.Planartechnology,JeanHoerni,1960,FairchildFirstCMOScircuitinvented1963,Fairchild“Moore’slaw”coined1965,FairchildDennard,scalingrulepresented1974,IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994,USA27硅集成電路制造工藝第0章緒論SSI

(小型集成電路)，晶體管數(shù)

10~100，門數(shù)<10

?

MSI

(中型集成電路)，晶體管數(shù)

100~1,000，10<門數(shù)<100

?

LSI

(大規(guī)模集成電路)，晶體管數(shù)

1,000~100,000，門數(shù)>100

?

VLSI

(超大規(guī)模集成電路)，晶體管數(shù)

100,000~

1,000,000ULSI(特大規(guī)模集成電路)，晶體管數(shù)>1,000,000GSI(極大規(guī)模集成電路)，晶體管數(shù)>109，GrandScaleIntegrationSoC－－system-on-a-chip/SIP－－systeminpackagingVLSI28硅集成電路制造工藝第0章緒論摩爾定律（Moore’sLaw)硅集成電路二年（或二到三年）為一代，集成度翻一番，工藝線寬約縮小30%，芯片面積約增1.5倍，IC工作速度提高1.5倍技術(shù)節(jié)點(diǎn)特征尺寸DRAM半導(dǎo)體電子：全球最大的工業(yè)29硅集成電路制造工藝第0章緒論ExplosiveGrowthofComputingPowerPentiumIV1sttransistor19471stelectroniccomputerENIAC(1946)VacuumTuber1stcomputer(1832)Macroelectronics Microelectronics Nanoelectronics30硅集成電路制造工藝第0章緒論2003Itanium2?19714004?2001PentiumIV?1989386?2300134000410M42M1991486?1.2Mtransistor/chip10μm 1μm 0.1μm transistorsizeHumanhairRedbloodcellBacteriaVirus31硅集成電路制造工藝第0章緒論ITRS--InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors/

預(yù)言硅主導(dǎo)的IC技術(shù)藍(lán)圖由歐洲電子器件制造協(xié)會(huì)（EECA）、歐洲半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（ESIA）、日本電子和信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)（JEITA）、韓國半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（KSIA）、臺(tái)灣半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（TSIA）和半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）合作完成。器件尺寸下降，芯片尺寸增加互連層數(shù)增加掩膜版數(shù)量增加工作電壓下降32硅集成電路制造工藝第0章緒論器件幾何尺寸：Lg，Wg，tox，xj

→×1/k襯底摻雜濃度N

→×k電壓Vdd

→×1/k

?器件速度→×k芯片密度→×k2器件的等比例縮小原則Constant-fieldScaling-downPrinciplek≈1.433硅集成電路制造工藝第0章緒論NEC34硅集成電路制造工藝第0章緒論電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)：更小，更快，更冷現(xiàn)有的工藝將更成熟、完善；新技術(shù)不斷出現(xiàn)。當(dāng)前，光刻工藝線寬已達(dá)0.045微米。由于量子尺寸效應(yīng)，集成電路線寬的物理極限約為0.035微米，即35納米。另外，硅片平整度也是影響工藝特征尺寸進(jìn)一步小型化的重要因素。微電子業(yè)的發(fā)展面臨轉(zhuǎn)折。上世紀(jì)九十年代納電子技術(shù)出現(xiàn)，并越來越受到關(guān)注。

未來35硅集成電路制造工藝第0章緒論近10年來，“輕晶圓廠”（fab-light）或“無晶圓廠”（fabless）模式的興起，而沒有芯片設(shè)計(jì)公司反過來成為IDM（IntegratedDeviceManufacturer）。5年前英特爾做45納米時(shí)，臺(tái)積電還停留在90納米，中間隔了一個(gè)65納米。但到45納米，臺(tái)積電開始“搶先半步”。即遵循“摩爾定律”的英特爾的路線是45、32、22納米，臺(tái)積電的路線則是40、28、20納米。36硅集成電路制造工藝第0章緒論3集成電路工藝特點(diǎn)及用途超凈

環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈室，ULSI在100級(jí)超凈室制作，超凈臺(tái)達(dá)10級(jí)。超純指所用材料方面，如襯底材料、功能性電子材料、水、氣等；

Si、Ge單晶純度達(dá)11個(gè)9。高技術(shù)含量設(shè)備先進(jìn)，技術(shù)先進(jìn)。高精度光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級(jí)，制備的介質(zhì)薄膜厚度也在納米量級(jí)，而精度更在上述尺度之上。大批量，低成本圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)使之得以實(shí)現(xiàn)。37硅集成電路制造工藝第0章緒論超凈環(huán)境38硅集成電路制造工藝第0章緒論39硅集成電路制造工藝第0章緒論21世紀(jì)硅微電子技術(shù)的三個(gè)主要發(fā)展方向特征尺寸繼續(xù)等比例縮小集成電路(IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC)----SoC是一個(gè)通過IP設(shè)計(jì)復(fù)用達(dá)到高生產(chǎn)率的軟/硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科，例如MEMS、DNA芯片等----其核心是將電子信息系統(tǒng)中的信息獲取、信息執(zhí)行與信息處理等主要功能集成在一個(gè)芯片上，而完成信息處理處理功能。微電子技術(shù)的三個(gè)發(fā)展方向40硅集成電路制造工藝第0章緒論工藝課程學(xué)習(xí)主要應(yīng)用制作微電子器件和集成電路微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanicolSystemMEMS)的所依托的微加工技術(shù)