半导体工艺原理--半导体工艺原理(贵州大学)

对比
晶体管~750m 晶体管~100nm, 芯片2020mm 75002cm = 15000cm= 150m
对比
酷睿2四核CPU~7.3亿个晶体管 用电子管实现，将重达 7.310810g=7300,000kg
假定每个电子管~10g
集成电路的特征尺寸
最小图形 最小图形间距
微电子技术基本驱动力
摩尔定律(Moore’s Law)
原始定义：
集成芯片上集成度每18~24个月翻一番；
广义意义：
集成芯片的集成度、功能复杂度和性能都按指数速 率改进。
摩尔定律的提出：
1965年4月，摩尔在《电子学》杂志上
发表文章预言：半导体芯片上集成的
晶体管和电阻数量将每年翻一番。
摩尔定律的修正：
1975年修正： 芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番。
• 意义
晶体管的发明是电子技术历史
上具有划时代意义的伟大事件， 它开创了一个新的时代—固体
电子技术时代。奠定了现代电
子技术的基础，揭开了微电子 技术和信息化的序幕，开创了
人类的硅文明时代。
• 第二代电子计算机：晶体管计算机
发明人：贝尔实验室（1954.5.24） TRADIC：800只晶体管
• 3、集成电路
建成验收投产，这是一条从日本东芝公司全面引进3英寸色
和黑白电视机集成电路生产线。
我国的微电子技术的产业现状
龙芯2E处理器，4700万个晶体管。采用90nm的CMOS工艺，
布线层为七层铜金属，芯片面积6.8mm×5.2mm，最高工作频率 为1GHz，典型工作频率为800MHz，实测功耗5-7瓦。综合性能 已经达到高端Pentium Ⅲ以及中低端Pentium 4处理器的水平。
它的计算速度是每秒可从事5000次的加法运算。功耗 174 KW/H 。
• 2、晶体管
晶体管发明人：
肖克莱、巴丁、布拉顿 （贝尔实验室，1947.12.23） 1956年诺贝尔物理学奖获得者
特点：
尺寸小、无真空、可靠性高、 重量轻、能耗低
发 射 极
0.005cm 的间距
塑料楔
集 电 极
锗
蒸金箔
金属 基极
我国的微电子技术的历史
1956年，中国科学院应用物理所首先举办了半导体器件短期培训班。北京大
学、复旦大学、吉林大学、厦门大学和南京大学联合在北京大学开办了半导体
物理专业，共同培养第一批半导体人才。 1957年，相继研制出锗点接触二极管和三极管（即晶体管）。 1959年，天津拉制出硅（Si）单晶。 1960年，中科院在北京建立半导体研究所，同年在河北建立工业性专业化研
21世纪硅微电子芯片将沿着以下四个方向发展：1、继续 沿着Moore定律前进；2、片上系统（SOC）；3、灵巧芯片， 或赋予芯片更多的灵气；4、硅基的量子器件和纳米器件。
沿着Moore定律发展,必然会提出微电子加工尺度和器 件尺度的缩小有无极限的问题.对于加工技术极限,主要
是光刻精度，随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫
• •
1963: Densities and yields are improving. This circuit has four flip flops.
• 集成电路的优势
体积小、重量轻、功耗低；可集成大量的元件，成本低； 可靠性高
• 意义
集成电路的发明开拓了电子器件微型化的新纪元，引领
人们走进信息化社会。它的诞生使微处理器的出现成为 可能，也使计算机走进人们生产生活的各个领域。它给 人类社会的发展带来了巨大的影响和推动作用，为现代 信息技术奠定了基础。
势的预测，这与实际的增长倍数3200倍可以
算是相当接近了 。
4004,386和PentiumPro芯片
•
4004芯片,1971年,2300个晶体管
386 芯片,1985年,275000晶体管
Pentium Pro, 1995年,550万个晶体管
酷睿2四核CPU
Intel 酷睿i7 ExtremeEdition975处理器主 频高达3.30GHz，采用45nm工艺制造，晶 体管数量高达惊人的7.31亿个。
微电子技术与摩尔定律
Microelectronics & Moore’s Law
微电子技术发展简史 摩尔定律--Moore’s Law 我国微电子产业的历史和现状 国际微电子技术的水平和前景
1、真空电子管：
它是在一个抽成真空的玻璃
泡中封有一些电极而制成的。
真空二极电子管发明人：
约翰.弗莱明（马可尼电报公司,1904年）
第一代电子计算机：电子管计算机
发明人：约翰.莫奇利，埃克特
（宾夕法尼亚大学莫尔学院，1942-1946）
ENIAC：（17468只电子管） 重量：30吨，占地：167平方米， 耗电：160千瓦，速度：几千～几 万次／秒
1946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC在美国宾夕法尼亚大学诞生。
第二次世界大战期间，美国军方要求宾州大学约翰.莫奇利（Mauchly）博
市场版本：
半导体集成电路的密度或容量每18个月翻一番，或每三年增长4倍。
最初的Moore曲线--1965
Moore曲线—集成度和性能
Moore曲线—时钟频率
如果按摩尔本人“每两年翻一番”的预测， 26年中应包括13个翻番周期，每经过一个周 期，芯片上集成的元件数应提高2n倍 （0≤n≤12），因此到第13个周期即26年后元 件数应提高了212＝4096倍，作为一种发展趋
士和他的学生埃克特（Eckert）设计以真空管取代继电器的“电子化”电 脑--ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）， 电子数
字积分器与计算器）， 目的是用来计算炮弹弹道。
这部机器使用了18800个真空管，长50英尺(~15m)，宽30英尺（~9m)， 占地1500平方英尺，重达30吨（大约是一间半的教室大，六只大象重）。
Method of Manufacturing Semiconductor Devices: Patent #: 3,025,589
• 晶体管的优越性
1、寿命是电子管的100～1000倍，电子管容易老化； 2、质量稳定、耐冲击、耐振动，电子管易碎；
3、能耗低、使用前不预热；
4、生产工艺精密、工序简单。
第一块商业集成电路发明人
罗伯特· 诺伊斯（Robert Noyce）
仙童半导体公司（1961年） （Fairchild Semiconductor International）
背景
罗伯特· 诺伊斯在1959年7月完成 了二氧化硅扩散技术和PN结隔离 技术的研究。
1961: TI and Fairchild introduced the first logic IC’s (cost ~$50 in quantity!). This is a dual flip-flop with 4 transistors.
术、物理电子学
• 省级重点学科：微电子学与固体电子学 • 省级重点实验室：微纳电子与软件技术实验室 • 国家级特色专业：电子科学与技术 • 专用实验设备总值：2000万元 • 学术队伍：省管专家 7人；博导 9人
汽车电子调节器芯片
基准源芯片
智能功率MOS器件芯片照片
21世纪微电子芯片技术展望
微电子工艺
杨发顺
fashun@
课程介绍
• 教学目标
1、能够正确使用常见的半导体术语；
2、能够正确的描述一些基本的IC制造程序；
3、能简单解释和说明IC制造过程的每一步工艺； 4、能使用Silvaco公司的器件仿真软件(ATLAS)和 半导体工艺模拟软件(Athena）完成双极型器件或 MOS器件的设计。
0.1 0.07 (0.09) (0.065)
中国 (微米)
0.25
0.25/ 0.18
0.15/ 0.13
0.10/ 0.07
0.05 (0.045)
贵州大学的电子科学与技术学科
• 本科专业：电子科学与技术，电子信息科学与技术 • 硕士点：微电子学与固体电子学、电路与系统、电磁场与微波技 术、物理电子学，电子与通信工程，集成电路工程 • 博士点：微电子学与固体电子学、电路与系统、电磁场与微波技
电路产品。
1970年后，永川半导体研究所（现电子第24所）、上无 十四厂和北京878厂相继研制成功NMOS电路。之后，又研制 成CMOS集成电路。
我国的微电子技术的历史（续）
1973年，从国外引进单台设备，北京878厂，航天部陕西骊
山771所和贵州都匀4433厂，建成3英寸工艺线。
1982年，江苏无锡的江南无线电器材厂（742厂）IC生产线
外光）的发展和电子束投影曝技术的发展。现在看来， 这一极限在近期内将不会影响芯片的进步。 另一方面，来自器件结构（MOS）晶体管的某些物理 本质上的限制，如量子力学测不准原理和统计力学热涨
世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管
The planar transistor : In early 1958, Jean Hoerni invents technique for diffusing impurities into the silicon to build planar transistors and then using a SiO2 insulator.
我国的微电子技术的水平
四核的龙芯3A芯片，采用65纳米工艺，主频1GHz，晶体管数 目达到4.25亿个，达到世界先进水平。
芯片面积 ~300mm2
中国集成电路发展的Roadmap
年份 (年 ) 世界 (微米)
1999 0.18
2001 0.15
2003 0.13
2005
2008
2011 0.05 (0.045)
作用：整流、检波， 不具备放大作用
• 真空三极电子管发明人
德.福雷斯特（1906年）
作用：放大、检波
• 真空电子管的缺点：
体积大、不可靠、 能耗高、寿命有限。
• 意义：
真空电子管的发明和应用在电子技术史上具有 划时代的的意义，他为通讯、广播、电视、计 算机等技术的发展铺平了道路，并奠定了近代 电子工业的基础。
究所――第十三所（河北半导体研究所）。
1962年，我国研究制成硅外延工艺，并开始研究采用照相制版，光刻工艺。
我国的微电子技术的历史（续）
1963年，河北省半导体研究所制成硅平面型晶体管。
1965年12月，国内首先鉴定了DTL型（二极管――晶体管
逻辑）数字逻辑电路。1966年底，上海元件五厂鉴定了TTL
第一块集成电路（相移振荡器）
元件数：五个（锗集成电路）
时间：1958.9发明， 1959.2申请专利
第一块集成电路发明人 杰克· 基尔比（Jack Kilby） 德州仪器公司（Texas Instruments） 2000年诺贝尔物理奖获得者
1958年第一块集成电路：相移振荡器，12个器件，Ge晶片
1、半导体制造技术：（Semiconductor Manufacturing
Technology ）Michael Quirk,Julian Serda著，韩郑生译。
2、半导体器件工艺原理：黄汉尧，李乃平著。 3、/reports.html
Chapter 1 Introduction
尺寸更小 速度更快，频率更高 功能更复杂 采用更大的晶圆(wafer)
更 大 的 晶 圆
1.5英寸~18英寸
Perpetual Innovation Machine 永恒的创新机器
紧跟摩尔曲线，否则就会落后。 摩尔定律使人们用简略的语言谈论事物(技术)。 0.35m, 0.25 m, 0.18 m, 0.13 m 90nm, 65nm, 45nm，35nm, 22nm ……
*头发丝的直径一般为0.05-0.08毫米=50000-80000nm **每一代工艺的特征尺寸大约是上一代工艺的0.7倍
摩尔定律前景：退出历史舞台
从技术的角度看：全面而彻底的芯 片测试几乎成为不可能 ，采用现行工艺
的半导体器件不能正常工作。
从经济的角度看：芯片制造工艺线成本 大幅增加。
目前一条8英寸0.35μ m工艺线的投资约20 亿美元，但在几年内一条12英寸0．09μ m 工艺线的投资将超过100亿美元。如此巨额 投资已非单独一个公司，甚至一个发展中 国家所能单独负担的。
• 教学安排
1、理论教学：结合参考书目集中讲解IC制造工
艺流程中每个工艺步骤和工艺原理；
2、实验教学:通过Silvaco公司的器件仿真软件
(ATLAS)和半导体工艺模拟软件(Athena）完成
双极型器件或MOS器件的设计。
3、考核方式：平时成绩30%（文献综述），卷面
成绩70%（闭卷）。
• 主要参考书