第2讲 集成电路技术基础知识

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2. 晶片直径(Wafer Diameter)
为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆 片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶 片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在 向12吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从2吋～12吋按比例画出的圆。由 此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。
电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
Intel 公司 CPU—386TM 通信终端新技术
电路规模：275,000个晶体管
生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
Intel 公司最新一代CPU—Pentium® 4
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电路规模：4千2百万个晶体管
生产工艺：0.13um
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PVD
2,500 additional square feet of "State of the Art" Class One Cleanroom is currently processing wafers! With increased 300mm & 200mm processing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, all in a Class One enviroment.
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电感
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电容
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集成电路设计与制造的主要流程框架
系 统 需 求 设计 掩膜版
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芯片制 造过程
单晶、外 延材料
芯片检测
封装
测 试
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功能要求
设计创意 + 仿真验证
行为设计（VHDL
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模块二
第2讲
集成电路技术
集成电路的基本认识
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各种封装好的集成电路
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集成电路芯片显微照片
通信终端技术与装备 通信终端新技术
目 录 CONTENTS
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• 集成电路（Integrated Circuit,简称IC）是20 世纪60年代初期发展起来的一种新型半导 体器件。把构成具有一定功能的电路所需 的半导体、电阻、电容等元件及它们之间 的连接导线全部集成在一小块硅片上，然 后焊接封装在一个管壳内的电子器件。
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集成电路特点
• 集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点 少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成 本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子 设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛 的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到 广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装 配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的 稳定工作 时间也可大大提高。
尺寸从2吋～12吋成比例增加的晶圆
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• 3.DRAM 的容量
RAM (Random-Access Memory)－随机存取存储器 分为动态存储器DRAM (Dynamic )和静态存储器 SRAM(Static)
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集成电路分类
• 按功能结构分类：模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合 集成电路 • 按制作工艺分类：半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电 路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。 • 按导电类型不同分类：双极型集成电路和单极型集成电路， 他们都是数字集成电路。
最快速度：2.4GHz
集成电路发展
• 摩尔定律：
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集成电路的集成度每18个 月就翻一番，特征尺寸每3年 缩小1/2。
戈登· 摩尔先生
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描述集成电路工艺技术水平的三个技术Βιβλιοθήκη Baidu标
1. 特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决 定的沟道几何长度) 减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要 取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规 模化生产是0.18μm、0.13μm工艺， Intel目前将大部分芯片生产制程转 换到0.09 μm 。
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12 英 寸 氧 化 扩 散 炉
As we look in this window we see the World's First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became fully operational in January of 1996.
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交流/直流
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芯 片 制 造 过 程
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硅片
由氧化、淀积、离子注入或蒸 发形成新的薄膜或膜层
用掩膜版 重复 20-30次
曝 光
刻 蚀
测试和封装
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国外某集成电路工厂外景
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净化厂房
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芯片制造净化 区域走廊
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投 影 式 光 刻 机
Here in the Fab Two Photolithography area we see one of our 200mm 0.35 micron ILine Steppers. this stepper can image and align both 6 & 8 inch wafers.
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集成电路分类
按集成度高低分类： • SSIC 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits) • MSIC 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits) • LSIC 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits) • VLSIC 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits)
1959年仙童公司制造的IC
诺伊斯
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集成电路发展
• • 第一阶段：1962年制造出集成了12个晶体管的小规模集成电路（SSI）芯片。 第二阶段：1966年制造出集成度为100～1000个晶体管的中规模集成电路 （MSI）芯片。 第三阶段：1967～1973年，制造出集成度为1000～100 000个晶体管的大规 模集成电路（LSI）芯片。 第四阶段：1977年研制出在30mm2的硅晶片上集成了15万个晶体管的超大规 模集成电路（VLSI）芯片。 第五阶段：1993年制造出集成了1000万个晶体管的16MB FLASH与256MB DRAM的特大规模集成电路（ULSI）芯片。 第六阶段：1994年制造出集成了1亿个晶体管的1GB DRAM巨大规模集成电路 （GSI）芯片。
在需要的位置上，形成晶体管、接触等
• 制膜：制作各种材料的薄膜
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集成电路工艺
• 图形转换：
– 光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻 – 刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀
• 掺杂：
– 离子注入 – 扩散 退火
• 制膜：
– 氧化：干氧氧化、湿氧氧化等 – CVD：APCVD、LPCVD、PECVD – PVD：蒸发、溅射
ULSI (1990) 107-108 <1 15-10
结深(um) 芯片面积 (mm2)
被加工硅片直 径(mm)
2-1.2 <10
50-75
1.2-0.5 10-25
100-125
0.5-.02 25-50
150
0.2-.01 50-100
>150
通信终端新技术 Intel 公司第一代 CPU—4004
Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle.
12 英 寸 氧 化 扩 散 炉 装 片 工 序
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12英寸氧 化扩散炉 取片工序 （已生长 Si3N4）
Process Specialties has developed the world's first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997.
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化学汽 相沉积 CVD
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化学 汽相 沉积 CVD
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检 测 工 序
Accuracy in metrology is never an issue at Process Specialties. We use the most advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools for precision thin film, resistivity, CD and step height measurement. Including our new Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin film measurement and mapping tool. We also use outside laboratories and our excellent working relationships with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration.
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IC在各个发展阶段的主要特征数据 通信终端新技术
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)
MSI (1966) 102-103 10-5 120-100
LSI (1971) 103-105 5-3 100-40
VLSI (1980) 105-107 3-1 40-15
） 行为仿真 是 综合、优化——网表 否
集成电路的设计过程：
时序仿真
是 布局布线——版图
否
后仿真
是 Sing off 集成电路芯片设计过程框架
From 吉利久教授
否
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集成电路制造工艺
• 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底
片)上的图形转移到半导体单晶片上
• 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂
集成电路发展
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1952 年 5 月，英国科学家达默第一次提出了集成电路的设想。 1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比为首的研究小组 研制出了世界上第一块集成电路
第一块集成电路：TI公司的Kilby12 个器件，Ge晶片
获得2000年Nobel物理奖
集成电路发展
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1959 年 美国仙童 / 飞兆公司（ Fairchilds ）的 R.Noicy 诺 依斯开发出用于 IC 的 Si 平面工艺技术，从而推动了 IC 制 造业的大发展。
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硅 片 清 洗 装 置
Here we see a technician loading 300mm wafers into the SemiTool. The wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties and SemiTool in 1995. Again these are the world's first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried).