集成电路制造工艺 ppt课件
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集成电路制造 工艺
2020/11/29
1
集成电路的发展历史
集成电路 Integrated Circuit，缩写IC
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等
有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电 路
互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化 镓）
上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能
2020/11/29
2
集成电路芯片显微照片
2020/11/29
3
各种封装好的集成电路
2020/11/29
4
历史的回顾
1.1900年普朗克发表了著名的《量子论》 揭开了现代物理学的新纪元，并深深地 影响了20世纪人类社会的发展。
2.之后的2，30年时间里，包括爱因斯坦 在内的一大批物理学家逐步完善了量子理 论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理 论基础
SSI
<102
<100
<30
MSI
102103 100500 30100
LSI
103105 5002000 100300
VLSI 105107 >2000
>300
ULSI 107109
GSI
>109
2020/11/29
27
按电路的功能分类
➢数字集成电路(Digital IC)： 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进
–NMOS
–PMOS
–CMOS(互补MOS)
• 双极-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极 和MOS晶体管的集成电路。综合了双极和MOS 器件两者的优点，但制作工艺复杂。
2020/11/29
26
按集成度分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目
类别
数字集成电路
模拟集成电路
MOS IC 双极IC
生产工艺：0.13um
最快速度：2.4GHz
24
集成电路的分类
–器件结构类型 –集成度 –电路的功能 –应用领域
2020/11/29
25
按器件结构类型分类
• 双极集成电路：主要由双极型晶体管构成
–NPN型双极集成电路
–PNP型双极集成电路
• 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由 MOS晶体管(单极型晶体管)构成
2020/11/29
15
CMOS工艺特征尺寸发展进程
年份 1989年 1993年
特征尺寸 1.0µm
0.6µm
水平标志 微米（M） 亚微米 （SM）
1997年
2001年
0.25µm
0.18µm
深亚微米 超深亚微米 （DSM） （UDSM）
Ultra Deep Sub Micron，UDSM
0.8—0.35μm称为亚微米，0.25μm及其以下称为深亚微米 ，
2020/11/29
5
2020/11/29
世界上第一个点接触型晶体管
1947年圣诞前夕，贝尔实验 室的科学家肖克利(William Shockley)和他的两助手布拉 顿(Water Brattain 、巴丁 （John bardeen)在贝尔实 验室工作时发明了世界上第 一个点接触型晶体管
由于三人的杰出贡献，他们分享了 1956年的诺贝尔物理学奖
行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。 ➢模拟集成电路(Analog IC)：
6
锗多晶材料制备的点接触晶体管
2020/11/29
7
集成电路的发明
1959年
杰克-基尔比
2020/11/29
8
2020/11/29
9
1959年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片
集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（2000年）得主，
202K0/11i/l2b9 y博士来复旦给师生讲课，2001年5月
0.18 μm以下为超深亚微米， 0.05μm及其以下称为纳米级
2020/11/29
16
集成电路发展的特点
➢特征尺寸越来越小 ➢硅圆片尺寸越来越大 ➢芯片集成度越来越大 ➢时钟速度越来越高 ➢电源电压/单位功耗越来越低 ➢布线层数/I/0引脚越来越多
2020/11/29
17
摩尔定律
一个有关集成电路发展趋势的著名预言， 该预言直至今日依然准确。
集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集 成度每三年翻两番 ，而加工特征尺寸缩小 2 倍。 即由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博 士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。
2020/11/29
18
❖ 集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线
2020/11/29
19
2020/11/29
电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
22
❖Intel 公司CPU—386TM
2020/11/29
电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
23
❖Intel 公司最新一代CPU—Pentium® 4
2020/11/29
电路规模：4千2百万个晶体管
超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)
特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI） VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。中文中 把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意义。
100-40 1.2-0.5 10-25 100-125
105-107 3-1
40-15 0.5-.02 25-50
150
2020/11/29
ULSI (1990) 107-108
<1 15-10 0.2-.01 50-100 >150
21
❖Intel 公司第一代CPU—4004
2020/11/29
20
发展 阶段
主要特征 元件数/芯片
特征线宽(um)
栅氧化层厚度 (nm)
结深(um)
芯片面积 (mm2)
被加工硅片直 径(mm)
❖IC在各个发展阶段的主要特征数据
MSI (1966)
LSI (1971)
VLSI (1980)
102-103 10-5
120-100 2-1.2 <10 50-75
103-105 5-3
10
2020/11/29
Hale Waihona Puke Baidu
11
2020/11/29
12
2020/11/29
13
集成电路的发展
• 从此IC经历了：
– SSI – MSI – LSI
• 现已进入到：
– VLSI – ULSI – GSI
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14
小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)
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1
集成电路的发展历史
集成电路 Integrated Circuit，缩写IC
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等
有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电 路
互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化 镓）
上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能
2020/11/29
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集成电路芯片显微照片
2020/11/29
3
各种封装好的集成电路
2020/11/29
4
历史的回顾
1.1900年普朗克发表了著名的《量子论》 揭开了现代物理学的新纪元，并深深地 影响了20世纪人类社会的发展。
2.之后的2，30年时间里，包括爱因斯坦 在内的一大批物理学家逐步完善了量子理 论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理 论基础
SSI
<102
<100
<30
MSI
102103 100500 30100
LSI
103105 5002000 100300
VLSI 105107 >2000
>300
ULSI 107109
GSI
>109
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按电路的功能分类
➢数字集成电路(Digital IC)： 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进
–NMOS
–PMOS
–CMOS(互补MOS)
• 双极-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极 和MOS晶体管的集成电路。综合了双极和MOS 器件两者的优点，但制作工艺复杂。
2020/11/29
26
按集成度分类
集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目
类别
数字集成电路
模拟集成电路
MOS IC 双极IC
生产工艺：0.13um
最快速度：2.4GHz
24
集成电路的分类
–器件结构类型 –集成度 –电路的功能 –应用领域
2020/11/29
25
按器件结构类型分类
• 双极集成电路：主要由双极型晶体管构成
–NPN型双极集成电路
–PNP型双极集成电路
• 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由 MOS晶体管(单极型晶体管)构成
2020/11/29
15
CMOS工艺特征尺寸发展进程
年份 1989年 1993年
特征尺寸 1.0µm
0.6µm
水平标志 微米（M） 亚微米 （SM）
1997年
2001年
0.25µm
0.18µm
深亚微米 超深亚微米 （DSM） （UDSM）
Ultra Deep Sub Micron，UDSM
0.8—0.35μm称为亚微米，0.25μm及其以下称为深亚微米 ，
2020/11/29
5
2020/11/29
世界上第一个点接触型晶体管
1947年圣诞前夕，贝尔实验 室的科学家肖克利(William Shockley)和他的两助手布拉 顿(Water Brattain 、巴丁 （John bardeen)在贝尔实 验室工作时发明了世界上第 一个点接触型晶体管
由于三人的杰出贡献，他们分享了 1956年的诺贝尔物理学奖
行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。 ➢模拟集成电路(Analog IC)：
6
锗多晶材料制备的点接触晶体管
2020/11/29
7
集成电路的发明
1959年
杰克-基尔比
2020/11/29
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2020/11/29
9
1959年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片
集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（2000年）得主，
202K0/11i/l2b9 y博士来复旦给师生讲课，2001年5月
0.18 μm以下为超深亚微米， 0.05μm及其以下称为纳米级
2020/11/29
16
集成电路发展的特点
➢特征尺寸越来越小 ➢硅圆片尺寸越来越大 ➢芯片集成度越来越大 ➢时钟速度越来越高 ➢电源电压/单位功耗越来越低 ➢布线层数/I/0引脚越来越多
2020/11/29
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摩尔定律
一个有关集成电路发展趋势的著名预言， 该预言直至今日依然准确。
集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集 成度每三年翻两番 ，而加工特征尺寸缩小 2 倍。 即由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博 士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。
2020/11/29
18
❖ 集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线
2020/11/29
19
2020/11/29
电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
22
❖Intel 公司CPU—386TM
2020/11/29
电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
23
❖Intel 公司最新一代CPU—Pentium® 4
2020/11/29
电路规模：4千2百万个晶体管
超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)
特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI） VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。中文中 把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意义。
100-40 1.2-0.5 10-25 100-125
105-107 3-1
40-15 0.5-.02 25-50
150
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ULSI (1990) 107-108
<1 15-10 0.2-.01 50-100 >150
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❖Intel 公司第一代CPU—4004
2020/11/29
20
发展 阶段
主要特征 元件数/芯片
特征线宽(um)
栅氧化层厚度 (nm)
结深(um)
芯片面积 (mm2)
被加工硅片直 径(mm)
❖IC在各个发展阶段的主要特征数据
MSI (1966)
LSI (1971)
VLSI (1980)
102-103 10-5
120-100 2-1.2 <10 50-75
103-105 5-3
10
2020/11/29
Hale Waihona Puke Baidu
11
2020/11/29
12
2020/11/29
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集成电路的发展
• 从此IC经历了：
– SSI – MSI – LSI
• 现已进入到：
– VLSI – ULSI – GSI
2020/11/29
14
小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)