第一章 集成电路制造工艺

今天，在一个几百平方毫米面积的芯片上，集 成的晶体管数目已经超过10亿。
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如NEC公司用0.15mCMOS工艺生产的4GB DRAM, 芯 片中含44亿个晶体管，芯片面积985.6mm2。 英特尔公司用0.25 m工艺生产的333MHz的 奔腾Ⅱ处理 器，在一个芯片中集成了750万个晶体管。
集成电路之所以能迅速发展，完全由于巨大的经济 效益。工业发达国家竞相投资。我国在“九五” 期间投 资100个亿组建了集成电路“909”专项工程。2002年推 出首款可商业化、拥有自主知识产权、通用高性能的 CPU-龙芯1号，它采用0.18 m工艺生产，主频最高达 266MHz。 去年研制的龙芯2号通过使用SPECE CPU2000对龙芯2 号的性能分析表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显 超过PII的性能，是龙芯1号的3-5倍
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•
大致而言，
• 1970年有1K的产品；
• 1974年进步到4K (栅极线宽10微米)； • 1976年16K （5微米）；
• 1979年64K (3微米)；
• 1983年256K （1.5微米）； • 1986年1M （1.2微米）； • 1989年4M (0.8微米)； • 1992年16M (0.5微米)； • 1995年64M (0.3微米)； • 1998年到256M (0.2微米)， • 大约每三年进步一个世代，2001年就迈入千兆位大关。
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加上未上市的公司重新排一 下名
• 排名 • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 13 企业名称 08年销售额（亿元）
Hale Waihona Puke Baidu
深圳海思半导体有限公司 30.94 中国华大集成电路设计集团有限公司 14.43 大唐微电子技术有限公司 8.36 杭州士兰微电子股份有限公司 8,12 泰景（上海）信息技术有限公司 7.00 展讯通信（上海）有限公司 6.9 炬力集成电路设计有限公司 6.78 无锡华润矽科微电子有限公司 6.24 上海华虹集成电路有限公司 6.24 北京中星微电子有限公司 6.22 福州瑞芯微电子有限公司 5.0 北京同方微电子有限公司 3.97 锐迪科微电子（上海）有限公司 3.4 日电电子(中国)有限公司 2,82
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2009年最具潜力中国IC设计公司
• • • • • • • • • • 1、上海摩威电子科技有限公司 2、卓胜微电子（上海）有限公司 3、北京希图视鼎科技有限公司 4、硅谷数模半导体（中国）有限公司 5、澜起科技（上海）有限公司 6、创毅视讯科技有限公司 7、杭州国芯科技有限公司 8、北京海尔集成电路设计有限公司 9、北京炬力北方微电子有限公司 10、深圳市华芯飞科技有限公司
GND
Vi T
Vo
R
VDD
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1.1.3 外延层电极的引出
欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延 层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极 管）。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。
钝化层
E
N+
B P
C
N+
SiO2
E B
N+
C
N+
P+
光刻胶 SiO2
N–-epi
P+
P
N–-epi
P+
P-Sub
N+埋层
• 2006年度中国集成电路设计前十大企业是： • 炬力集成电路设计有限公司 • 中国华大集成电路设计集团有限公司(包含北京 中电华大电子设计公司等) • 北京中星微电子有限公司 • 大唐微电子技术有限公司 • 深圳海思半导体有限公司 • 无锡华润矽科微电子有限公司 • 杭州士兰微电子股份有限公司 • 上海华虹集成电路有限公司 •
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中国半导体协会(CSIA)发布了2005年度 中国十大IC设计公司排名。
• 珠海炬力以12.575亿元人民币年销售额勇夺桂冠。它
是MP3播放器芯片的主要供货厂商
。
• 中星微电子，2005年销售额为7.678亿元人民币。它 的主要产品是“星光系列”多媒体处理芯片，中星微 电子最初提供PC用的摄像头芯片。后来瞄准了手机用 多媒体处理芯片市场，并成功地打开了欧美市场。 排名第三到第十的分别是华大、士兰、大唐、上海华虹、 杭州友旺、绍兴芯谷、北京清华同方和无锡华润。 2005年中国前十大IC设计公司的销售额已经达到51.63亿 元人民币，根据CCID的预测，2005年中国集成电路设计 业的市场规模约131亿元人民币，前十大IC设计公司的份 额已经40%。 12
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预见
根据国际半导体科技进程 (International Technology Roadmap for Semiconductor) 的推估，公元2014年，最小线宽可达0.035微 米，内存容量更高达两亿五千六兆位，尽管新 工艺、新技术的开发越来越困难，但相信半导 体业在未来十五年内，仍会迅速的发展下去。
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60年代发展出来的平面工艺，可以把越 来越多的金氧半组件放在一块硅芯片上，从 1960年的不到十个组件，倍数成长到1980年 的十万个，以及1990年约一千万个，这个微芯 片上集成的晶体管数目每两年翻一番的现象称 为摩尔定律 (Moore’s law)，是Intel创始人摩 尔(Gordon Moore)在1964年的一次演讲中提 出的，后来竟成了事实。
N+
N-
N+
N24
P-Sub
1.1.1 工艺流程（续2） 光刻硼扩散区 硼扩散 氧化
P+ P-Sub
N+
N-
P+
N+
N-
P+
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1.1.1 工艺流程（续3） 光刻磷扩散区 磷扩散 氧化
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
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1.1.1 工艺流程（续4） 光刻引线孔 清洁表面
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• 在二十世纪70年代是集成电路大发展的时期，决定半 导体工业发展方向的，有两个最重要的因素，那就是 微处理器 (micro processor)与半导体内存 (semiconductor memory) 。 • 在微处理器方面：
• 1968年，诺宜斯和摩尔成立了英特尔 (Intel) 公司， 不久，葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了。 • 1969年，一个日本计算器公司比吉康 (Busicom) 和英 特尔接触，希望英特尔生产一系列计算器芯片，但当 时任职于英特尔的霍夫 (Macian E. Hoff) 却设计出 一个单一可程序化芯片，
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第一章 集成电路制造工艺
集成电路（Integrated Circuit）
制造工艺是集成电路实现的手段， 也是集成电路设计的基础。
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集成电路制造工艺分类 1. 双极型工艺（bipolar）
2. MOS工艺 3. BiMOS工艺
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§1-1 双极型集成电路工艺
(典型的PN结隔离工艺)
(P1~5)
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思考题
1.与分立器件工艺有什么不同？ 2.需要几块光刻掩膜版(mask)?
3.每块掩膜版的作用是什么？
4.器件之间是如何隔离的？ 5.器件的电极是如何引出的？
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1.1.1 工艺流程(三极管和一个电阻）
衬底准备（P型）氧化 光刻n+埋层区 n+埋层区注入 清洁表面
P-Sub
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1.1.1 工艺流程（续1） 生长n-外延 隔离氧化 光刻p+隔离区 p+隔离注入 p+隔离推进
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• 2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企 业是： • 中芯国际集成电路制造有限公司 • 上海华虹(集团)有限公司 • 华润微电子(控股)有限公司 • 无锡海力士意法半导体有限公司 • 和舰科技(苏州)有限公司 • 首钢日电电子有限公司 • 上海先进半导体制造有限公司 • 台积电(上海)有限公司 • 上海宏力半导体制造有限公司 • 吉林华微电子股份有限公司
北京清华同方微电子有限公司 展讯通信(上海)有限公司
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2008年中国十大集成电路设计企业
2月25日中国半导体行业协会官方公布了名单：列表如下： • 排名 企业名称 08年销售额（亿元） 1 深圳海思半导体有限公司 30.94 2 中国华大集成电路设计集团有限公司 14.43 3 大唐微电子技术有限公司 8.36 4 杭州士兰微电子股份有限公司 8,12 5 炬力集成电路设计有限公司 6.78 6 无锡华润矽科微电子有限公司 6.24 7 上海华虹集成电路有限公司 6.14 8 北京中星微电子有限公司 6.22 9 北京同方微电子有限公司 3.97 10 日电电子(中国)有限公司 2,82
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• 2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是： • 飞思卡尔半导体(中国)有限公司 • 奇梦达科技(苏州)有限公司 • 威讯联合半导体(北京)有限公司 • 深圳赛意法半导体有限公司 • 江苏新潮科技集团有限公司 • 上海松下半导体有限公司 • 英特尔产品(上海)有限公司 • 南通富士通微电子有限公司 • 星科金朋(上海)有限公司 • 乐山无线电股份有限公司
1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此，将n型外延层分割 成若干个“岛” 。 N -epi N -epi 2. P+隔离接电路最低电位，使“岛” 与“岛” 之间形成两个背靠背的 反偏二极管。
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
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1.1.1 工艺流程（续5） 蒸镀金属 反刻金属
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
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1.1.1 工艺流程（续6） 钝化 光刻钝化窗口后工序
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
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1.1.2 光刻掩膜版汇总 埋层区隔离墙硼扩区 磷扩区 引线孔 金属连线钝化窗口
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集成电路的发展
定义：集成电路就是把许多分立组件制作在同一个半导 体芯片上所形成的电路。在制作的全过程中作为一个整 体单元进行加工。 1952年，英国的杜默 (Geoffrey W. A. Dummer) 就提 出集成电路的构想。 1958年9月12日，德州仪器公司(Texas Instruments)的 基尔比 (Jack Kilby， 1923~ )，细心地切了一块 锗作为电阻，再用一块pn结面做为电容，制造出一个震 荡器的电路，并在1964年获得专利，首度证明了可以在 同一块半导体芯片上包含不同的组件。 1964年，快捷半导体(Fairchild Semiconductor)的诺 宜斯(Robert Noyce，1927~1990)，则使用平面工艺方 法，即借着蒸镀金属、微影、蚀刻等方式，解决了集成 电路中，不同组件间导线连结的问题。
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•
在 内存芯片方面： 1965年，快捷公司的施密特 (J. D. Schmidt) 使用金属氧化物半导体技术做成实验性的随机存 取内存。 1969年，英特尔公司推出第一个商业性产品，这 是一个使用硅栅极、p型沟道的256位随机存取内 存。
发展过程中最重要的一步，就是1969年，IBM 的迪纳 (R. H. Dennard) 发明了只需一个晶体管 和一个电容器，就可以储存一个位的记忆单元； 由于结构简单，密度又高，现今半导体制造的发 展水平常以动态随机存取内存的容量为标志。
吉林大学珠海学院电子系10级专业课
半导体集成电路
授课教师 王东红
1
课程地位
集成电路 传感器 光电器件 微波器件 MEMS
微电子工艺基础
半导体物理与器件
固体物理
半导体物理
微电子器件原理
2
课程地位
集成电路 传感器 光电器件 微波器件 MEMS
微电子工艺基础
半导体物理与器件
固体物理
半导体物理
微电子器件原理
•
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• 1971年11月15日，世界上第一个微处理器4004 诞生了，它包括一个四位的平行加法器、十六 个四位的缓存器、一个储存器 (accumulator) 与一个下推堆栈 (push-down stack)，共计约 二千三百个晶体管；4004与其它只读存储器、 移位缓存器与随机取内存，结合成MCS-4微电 脑系统；从此之后，各种集成度更高、功能更 强的微处理器开始快速发展，对电子业产生巨 大影响。三十年后，英特尔的Pentium III已 经包含了一千万个以上的晶体管。
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1.1.4 埋层的作用 1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从 上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长。 2.减小寄生pnp晶体管的影响（第二章介绍）
钝化层
E
N+
B
C
N+
SiO2
E B
N+
C
N+
P+
光刻胶 SiO2
N–-epi
P
P+
P
N–-epi
P+
P-Sub
N+埋层
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1.1.5 隔离的实现