集成电路工艺原理ppt课件.ppt

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1、INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程集成电路工艺原理1INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程大纲（大纲（1）教科书：教科书：1.王蔚，田丽，任明远，王蔚，田丽，任明远，“集成电路制造技术原理与工艺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硅超大规

2、模集成电路工艺技术技术-理论、实践与模型理论、实践与模型”参考书：参考书：C.Y.Chang,S.M.Sze,“ULSITechnology”王阳元等,“集成电路工艺原理”M.Quirk,J.Serda,“半导体制造技术”2INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程大纲大纲（2）第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第

3、七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章 未来趋势与挑战未来趋势与挑战3INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程大纲大纲（2）第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第

4、九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章 未来趋势与挑战未来趋势与挑战4INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程W.ShockleyJ.BardeenW.Brattain1stpointcontacttransistorin1947-byBellLab1956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：50m5INFO130024.02集成电路工

5、艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程不足之处不足之处:可靠性低、噪声大、放大率低等缺点可靠性低、噪声大、放大率低等缺点6INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1948年W.Shockley提出结型晶体管概念1950年第一只NPN结型晶体管7INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定

6、性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程Ti 公司的公司的Kilby 12个器件，个器件，Ge 晶体晶体8INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程(Fairchild Semi.)Si IC9INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程J.KilbyTI2000诺贝尔物理奖R.NoyceFairchild半导体半导体Ge，

7、Au线线半导体半导体Si，Al线线10INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程简短回顾：一项基于科学的伟大发明简短回顾：一项基于科学的伟大发明Bardeen,Brattain,Shockley,FirstGe-basedbipolartransistorinvented1947,BellLabs.Nobel prizeKilby(TI)&Noyce(Fairchild),Inventionofintegratedcircuits1959,Nobel prizeA

8、talla,FirstSi-basedMOSFETinvented1960,BellLabs.Planartechnology,Jean Hoerni,1960,Fairchild FirstCMOScircuitinvented1963,Fairchild“Mooreslaw”coined1965,FairchildDennard,scalingrulepresented1974,IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994,USA11INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定

9、性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程SSI(小型集成电路)，晶体管数10100，门数10MSI(中型集成电路)，晶体管数1001,000，10门数100VLSI(超大规模集成电路)，晶体管数100,0001,000,000ULSI(特大规模集成电路)，晶体管数1,000,000GSI(极大规模集成电路)，晶体管数109SoCsystem-on-a-chip/SIPsysteminpackagingVLSI12INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过

10、程摩尔定律（摩尔定律（Moores Law)硅集成电路二年（或二到三年）为一代，集成度翻一番，工艺硅集成电路二年（或二到三年）为一代，集成度翻一番，工艺线宽约缩小线宽约缩小30%，芯片面积约增，芯片面积约增1.5倍，倍，IC工作速度提高工作速度提高1.5倍倍技术节点特征尺寸DRAM半导体电子：全球最大的工业半导体电子：全球最大的工业13INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程Explosive Growth of Computing PowerPentium I

11、V1st transistor19471st electronic computer ENIAC(1946)Vacuum Tuber1st computer(1832)Macroelectronics Microelectronics Nanoelectronics14INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程2003Itanium2197140042001PentiumIV19893862300134 000410M42M19914861.2Mtransisto

12、r/chip10 m 1 m0.1 mtransistor sizeHuman hair Red blood cell Bacteria Virus15INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程No complete technological solution available!Physical gate length in nmYearGateSourceDrainsilicidemetalmetalchannelgate oxideWe are here.

13、ITRS,the International Technology Roadmap for Semiconductors:http:/ 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程ITRSInternationalTechnologyRoadmapforSemiconductorshttp:/ 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程18INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内

14、环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程19INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程20INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程21INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程

15、器件几何尺寸：器件几何尺寸：Lg，Wg，tox，xj 1/k衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度N k电压电压Vdd 1/k 器件速度器件速度 k芯片密度芯片密度 k2器件的等比例缩小原则器件的等比例缩小原则Constant-field Scaling-down Principlek1.422INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程NEC23INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定

16、部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程制制备备超超小小型型晶晶体体管管已已不不再再困困难难而而实实现现高高性性能能则则极极具具挑挑战战H.Iwai,Solid-StateElectronics48(2004)49750324INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程25INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程基本器件MOS器件：高

17、密度、更低功耗、更大的设计灵活性NMOS,PMOS,CMOSBJT：模拟电路及高速驱动CMOSn+n+p+p+26INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程CMOS27INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程BECppn+n-p+p+n+n+BJT28INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消

18、弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程单晶材料：450mm/18”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GordenTeal(TI)29INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程生长结晶体管生长结晶体管30INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，

19、引起不同程度的病理生理过程合金结晶体管合金结晶体管扩散扩散31INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程双扩散台面（双扩散台面（MESA）晶体管）晶体管气相扩散气相扩散图形化图形化-腐蚀腐蚀32INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程平面工艺发明人：平面工艺发明人：Jean Hoerni Fairchild1958-1960:氧化氧

20、化pn结隔离结隔离Al的蒸发的蒸发33INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程扩散扩散光刻光刻氧化氧化掩蔽掩蔽34INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程平面工艺基本光刻步骤平面工艺基本光刻步骤光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版35INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环

21、境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程应用平面工艺可以实现多个器件的集成应用平面工艺可以实现多个器件的集成36INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程Actual cross-section of a modern microprocessor chip from IBMWCu37INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程

22、度的病理生理过程IC技术发展历程技术发展历程1960sBJT气相掺杂外延p-n结隔离68次光刻38INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程IC技术发展历程技术发展历程1970sE/DNMOSLOCOS隔离技术LOCalOxidationofSilicon耗尽型NMOS面积减小，集成度提高光刻版数量与BJT相近ED39INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，

23、引起不同程度的病理生理过程IC技术发展历程技术发展历程1980sCMOS低功耗、散热集成度提高1214块光刻版40INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程最简单的最简单的IC CMOS工艺举例工艺举例反相器反相器或非门或非门41INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程IC技术发展历程技术发展历程1990sBiCMOSCMOS实现高

24、集成度的内部电路BJT实现输出驱动电路光刻版20块CMOSBJT42INFO130024.02集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程本节课主要内容本节课主要内容CMOS工艺：工艺：光刻、氧化、扩散、刻蚀等光刻、氧化、扩散、刻蚀等硅技术的历史沿革和未硅技术的历史沿革和未来发展趋势：来发展趋势：晶体管的诞生晶体管的诞生集成电路的发明集成电路的发明平面工艺的发明平面工艺的发明CMOS技术的发明技术的发明摩尔定律（摩尔定律（Moores law）VLSI、SoC、SIPConstant-field等比例缩小原则等比例缩小原则ITRS：技术代：技术代/节点节点43