集成电路工艺原理

集成电路工艺原理
第一讲 前言
33/43
1958-1960: 氧化 p－n结隔离 Al的蒸发 ……
平面工艺发明人：Jean Hoerni －－ Fairchild
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
氧化
34/43
扩散 掩蔽 光刻
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
第一讲 前言
27/43
CMOS
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
28/43
BJT
B
E
C
p+
p
n+ nn+ p
n+ p+
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
单晶材料：~450mm/18” Gorden Teal (TI)
29/43
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
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言 简短回顾：一项基于科学的伟大发明
11/43
Bardeen, Brattain, Shockley, First Ge-based bipolar transistor invented 1947, Bell Labs. Nobel prize Kilby (TI) & Noyce (Fairchild), Invention of integrated circuits 1959, Nobel prize Atalla, First Si-based MOSFET invented 1960, Bell Labs. Planar technology, Jean Hoerni, 1960, Fairchild First CMOS circuit invented 1963, Fairchild “Moore’s law” coined 1965, Fairchild Dennard, scaling rule presented 1974, IBM First Si technology roadmap published 1994, USA
第一讲 前言
8/43
Ti 公司的Kilby 12个器件，Ge 晶体
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
9/43
(Fairchild Semi.)
Si IC
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
J. Kilby－TI 2000诺贝尔物理奖
10/43
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
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
7/43
1948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
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
19/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
20/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
21/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言 器件的等比例缩小原则
Constant-field Scaling-down Principle 器件几何尺寸：Lg，Wg，tox，xj →×1/k 衬底掺杂浓度N 电压Vdd ⇒ 器件速度 芯片密度 →×k →×1/k →×k →×k2 k≈1.4
平面工艺基本光刻步骤
掩膜版
35/43
光刻胶
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
应用平面工艺可以实现多个器件的集成
36/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
37/43
Actual cross-section of a modern microprocessor chip from IBM
Physical gate length in nm
Gate
Drain
silicide metal
metal
Source
Year
Drain
channel
gate oxide
No complete technological solution available !!!
ITRS, the International Technology Roadmap for Semiconductors: http://www.itrs.net/
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
13/43
摩尔定律（Moore’s Law) 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
DRAM 技术节点 特征尺寸
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
1st point contact transistor in 1947 -- by Bell Lab
5/43
J. Bardeen W. Brattain
W. Shockley
1956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：~50μm
410M 42M 1.2M 134 000 2300
10 µ m Human hair
1µ m Red blood cell Bacteria
0.1 µ m Virus
transistor size
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
Source
We are here.
16/43
参考书：
• • • C.Y. Chang, S.M. Sze, “ULSI Technology” 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 大纲 （2）
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章 前言 晶体生长 实验室净化及硅片清洗 光刻 热氧化 热扩散 离子注入 薄膜淀积 刻蚀 后端工艺与集成 未来趋势与挑战
Explosive Growth of 前言 Computing Power 第一讲
集成电路工艺原理
14/43
1st electronic computer ENIAC (1946)
Pentium IV 1st computer(1832) 1st transistor Vacuum Tuber 1947
Macroelectronics
Microelectronics
Nanoelectronics
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
1971 4004 ® 1989 386 ®
15/43
1991 486 ®
2001 Pentium IV ®
2003 Itanium 2®
transistor /chip
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
25/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
基本器件
26/43
MOS器件：高密度、更低功耗、更大的设计灵活性 NMOS, PMOS, CMOS BJT：模拟电路及高速驱动
n+
n+
p+
p+
INFO130024.02
集成电路工艺原理
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
IC技术发展历程 •1980s CMOS
40/43
•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
最简单的IC CMOS工艺举例 反相器 或非门
41/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
生长结晶体管
30/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
合金结晶体管
31/43
扩散
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
双扩散台面（MESA）晶体管
32/43
气相扩散 图形化-腐蚀
INFO130024.02
22/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
23/43
NEC
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
制 备 超 小 型 晶 体 管 已 不 再 困 难
24/43
H. Iwai, Solid-State Electronics 48 (2004) 497–503
而 实 现 高 性 能 则 极 具 挑 战
Cu W
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
IC技术发展历程 •1960s BJT
38/43
•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
IC技术发展历程 •1970s E/D NMOS
39/43
E
D
•LOCOS隔离技术 LOCal Oxidation of Silicon •耗尽型NMOS面积减小，集成度提高 •光刻版数量与BJT相近
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
17/43
ITRS— International Technology Roadmap for Semiconductors http://www.itrs.net/ 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。
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 大纲（1）
教科书：
2/43
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”
3/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言 大纲 （2）
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章 前言 晶体生长 实验室净化及硅片清洗 光刻 热氧化 热扩散 离子注入 薄膜淀积 刻蚀 后端工艺与集成 未来趋势与挑战
4/43
INFO130024.02
http://sme.fudan.edu.cn/instruct/bachelor/jpkc/jcdlgy/supplement/2011ExecSum.pdf
•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
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
18/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
Leabharlann Baidu
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－－system in packaging
CMOS工艺：
光刻、氧化、扩散、刻蚀等
第一讲 前言
IC技术发展历程
42/43
BJT
•1990s BiCMOS
CMOS
CMOS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
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第一讲 前言
本节课主要内容
43/43
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’s law） VLSI、SoC、SIP Constant-field等比例缩小原则 ITRS：技术代/节点