微电子技术基础第一章

1、微电子技术基础微电子技术基础西南科技大学理学院刘德雄Email:Phone么叫微电子技术？微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。n特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快，微电子技术对信息时代具有巨大的影响。2022-6-14西南科技大学2微电子技术产品2022-6-14西南科技大学3液晶电视主板传统彩电主板微电子技术产品2022-6-14西南科技大学4耐高温芯片Itanium2-a 处理器芯片2022-6-14西南科技大学5主要内容n一、微电子技术发展历史n二、微电子技术发展的规律与趋势n三、器件与集成电路制造工艺简介n四、本课程

2、的主要内容第一章 概 述一、微电子技术发展历史一些关键的半导体、微电子技术（工艺）1918年 柴可拉斯基晶体生长技术-CZ法/直拉法，Czochralski, Si单晶生长2022-6-14西南科技大学72022-6-14西南科技大学82022-6-14西南科技大学9一、微电子技术发展历史n1925年 布里吉曼晶体生长技术，Bridgman， GaAs及化合物半导体晶体生长n1947年 第一只晶体管(锗材料)（点接触式）， Bardeen、Brattain及Shockley，三人 同获1956年诺贝尔物理奖 2022-6-14西南科技大学10一、微电子技术发展历史肖克利( William Sh

3、ockley) 19101989巴丁(John Bardeen) 19081991 布拉坦(Walter Brattain) 19021987 贝尔实验室简介2022-6-14西南科技大学11贝尔电话实验室或贝尔实验室，最初是贝尔系统内从事包括电话交换机，电话电缆，半导体等电信相关技术的研究开发机构。贝尔实验室是公认的当今通信界最具创造性的研发机构，在全球拥有10000多名科学家和工程师，为朗讯科技公司及朗讯客户提供高技术的服务与支持。 1925年1月1日，当时朗讯总裁，华特基佛德（Walter Gifford）收购了西方电子公司的研究部门，成立一个叫做“贝尔电话实验室公司”的独立实体，后改称

4、贝尔实验室。两项信息时代的重要发明-晶体管和信息论都是贝尔实验室在40年代研究出来的。贝尔实验室在50和60年代的重大发明有太阳能电池，激光的理论和通信卫星。2022-6-14西南科技大学12一、微电子技术发展历史2022-6-14西南科技大学13一、微电子技术发展历史n1949 pn结,Shockleyn1952 -族化合物半导体,Welkern1952 扩散 ，高温深结n1954 第一个硅晶体管，Teal,贝尔实验室n1957 光刻胶,Andrus，光刻成本占35%n1957 氧化物掩蔽层，Frosch和Derrick,可阻止大部 分杂质的扩散 2022-6-14西南科技大学14一、微电子

5、技术发展历史n1957 CVD（化学气相淀积）外延晶体生长技术薄膜 ， Sheftal、Kokorish及Krasilov, 改善器件 性能、制造新颖器件 1957 异质结双极晶体管（HBT）,Kroemer（2000年诺 贝尔物理奖） n1958 离子注入,Shockley，低温浅结、精确控制掺杂 数目n1958 第一个（混合）集成电路,Kilby（2000年 诺贝尔物理奖）,由Ge单晶制作：1个BJT、3个电 阻、1个电容 2022-6-14西南科技大学15一、微电子技术发展历史世界上第一个集成电路2022-6-14西南科技大学16一、微电子技术发展历史n1959 第一个单片集成电路, N

6、oyce （2000年 诺贝尔物理奖）,6个器件的触发器n1960 平面化工艺，SiO2层（光刻）窗口（扩散） pn结n1960 第一个MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体 管)，Kahang及Atalla,n1963 CMOS(互补型金属-氧化物-半导体场效应晶体 管)，Wanlass及萨支唐，逻辑电路n1967 DRAM(动态随机存储器)，Dennardn1969 多晶硅自对准栅极，Kerwin，有效降低寄生效应2022-6-14西南科技大学17一、微电子技术发展历史n1969 MOCVD（金属有机化学气相淀积），Manasevit 及Simpson，GaAs外延 n1971 干法

7、刻蚀，Irving，CF4-O2，各向异性好n1971 分子束外延（MBE），极薄薄膜（原子级）、精 确控制n1971 微处理器（Intel4004,3mmX4mm，含2300 个MOS管，10m工艺），Hoff，2022-6-14西南科技大学18一、微电子技术发展历史2022-6-14西南科技大学19一、微电子技术发展历史 1989 化学机械抛光，Davari，各层介电层全面平坦化 （的关键） n1993 铜布线，铝在大电流下有严重的电迁移现象n1999年的 0.18微米工艺、2001年的0.13微米、2003年的90纳米（0.09微米），2005年的65纳米（0.065微米）， 2009年

8、的32纳米n1960s的25mm(1 英寸）， 1970s的51mm(2英寸）， 1980s的100mm(4英寸）， 1990s的200 mm(8英寸），2000的 300mm(12英寸），现在400mm (16英寸)2022-6-14西南科技大学20二、微电子技术发展的规律与趋势2022-6-14西南科技大学212022-6-14西南科技大学222022-6-14西南科技大学232022-6-14西南科技大学242022-6-14西南科技大学252022-6-14西南科技大学26Moore定律定律 性能价格比性能价格比 在过去的在过去的20年中，改进年中，改进了了1,000,000倍倍 在今

9、后的在今后的20年中，还将年中，还将改进改进1,000,000倍倍 很可能还将持续很可能还将持续 40年年2022-6-14西南科技大学27等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律2022-6-14西南科技大学28等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律1974年由年由Dennard基本指导思想是：保持基本指导思想是：保持MOS器件器件内部电场不变：内部电场不变：恒定电场规律，恒定电场规律，简称简称CE律律等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能集成电路的性能电源电

10、压也要缩小相同的倍数电源电压也要缩小相同的倍数2022-6-14西南科技大学29漏源电流方程：漏源电流方程：由于由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均缩小了均缩小了 倍，倍，Cox增大了增大了 倍，因此，倍，因此，IDS缩小缩小 倍。门延迟时间倍。门延迟时间tpd为：为：其中其中VDS、IDS、CL均缩小了均缩小了 倍，所以倍，所以tpd也缩小也缩小了了 倍。标志集成电路性能的功耗延迟积倍。标志集成电路性能的功耗延迟积PW tpd则缩小了则缩小了 3倍。倍。ICWLVVVVdsoxsGSTHDSDS2oxoxoxtC0tVCIpdDSLDSoxLWLCC2022-6-14西南科技大学

11、30参数参数 CE(恒场恒场)律律 CV(恒压恒压)律律 QCE(准恒场准恒场)律律 器件尺寸器件尺寸L, W, tox等等 1/ 1/ 1/ 电源电压电源电压 1/ 1 / 掺杂浓度掺杂浓度 2 阈值电压阈值电压 1/ 1 / 电流电流 1/ 2/ 负载电容负载电容 1/ 1/ 1/ 电场强度电场强度 1 门延迟时间门延迟时间 1/ 1/ 2 1/ 功耗功耗 1/ 2 3/ 2 功耗密度功耗密度 1 3 3 功耗延迟积功耗延迟积 1/ 3 1/ 2/ 3 栅电容栅电容 面积面积 1/ 2 1/ 2 1/ 2 集成密集成密度度 2 2 2 2022-6-14西南科技大学31微电子技术的微电子技

12、术的三个发展方向三个发展方向2022-6-14西南科技大学322022-6-14西南科技大学332022-6-14西南科技大学342022-6-14西南科技大学35第二个关键技术：互连技术第二个关键技术：互连技术铜互连已在铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；技术代中使用；但是在但是在0.13um以后，铜互连与低介电常以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究开发有待研究开发微电子器件的特征尺寸继续缩小微电子器件的特征尺寸继续缩小2022-6-14西南科技大学36互连技术与器件特征尺寸的缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小（资料来源：

13、（资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998）2022-6-14西南科技大学37第三个关键技术第三个关键技术新型器件结构新型器件结构新型材料体系新型材料体系高高K介质介质金属栅电极金属栅电极低低K介质介质SOI材料材料微电子器件的特征尺寸继续缩小微电子器件的特征尺寸继续缩小2022-6-14西南科技大学38SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅绝缘衬底上的硅)技术技术2022-6-14西南科技大学39SOI技术：优点技术：优点完全实现了介质隔离完全实现了介质隔离, , 彻底消除了体彻底消除了体硅硅CMOSCMOS集成电路中的寄生闩锁效应

14、集成电路中的寄生闩锁效应速度高速度高集成密度高集成密度高工艺简单工艺简单减小了热载流子效应减小了热载流子效应短沟道效应小短沟道效应小, ,特别适合于小尺寸器件特别适合于小尺寸器件体效应小、寄生电容小，特别适合于体效应小、寄生电容小，特别适合于低压器件低压器件2022-6-14西南科技大学40SOISOI材料价格高材料价格高衬底浮置衬底浮置表层硅膜质量及其界面质量表层硅膜质量及其界面质量SOI技术：缺点技术：缺点2022-6-14西南科技大学41三、器件与集成电路制造工艺简介 n硅外延平面晶体管制造工艺 3DK3 NPN型开关管2022-6-14西南科技大学42工艺流程-前工序n衬底制备（=10

15、-3cm，N+,400m）n外延（N, =0.3-0.5cm，1-10m）n基区氧化/一次氧化（光刻掩蔽膜/钝化表面， 500-600nm）n基区光刻（刻出基区扩散窗口）n硼预淀积（扩散足够的B杂质，N型）n减薄蒸金（减到200-250m；减薄：避免背面B扩 散到内部/利于划片；蒸金：金扩散杂质源，）2022-6-14西南科技大学43工艺流程-前工序n硼再分布（再分布/二次氧化/金扩散。再分布：控制 结深与表面浓度；金扩散:减少集电区少子寿命，缩 短开关管底存储时间，提高开关速度。）n刻发射区/二次光刻（刻出发射区窗口）n磷预淀积（形成发射区：=30-40，BVceo8V, BVcbo7V。）

16、n磷再分布（再分布/三次氧化；再分布：达到设计要 求，如=50-60；三次氧化：光刻引线孔的掩蔽膜， 200-300nm。）2022-6-14西南科技大学44工艺流程-前工序n刻引线孔/三次光刻（刻出基区、发射区的电极引线接触窗口。）n蒸铝（真空蒸高纯Al）n铝反刻/四次光刻（刻蚀掉电极引线以外的铝层，用三次光刻的反版）n合金（550-580，形成Al-Si欧姆接触。）2022-6-14西南科技大学45工艺流程-前工序n初测（测、BV，不合格作记号。）n划片（用金刚刀，激光）n烧结（用银浆将管芯固定在管壳底座上，使集电极与底座金属板及集电极管脚相连，并形成欧姆接触。）n键合（用金丝/硅铝丝将发

17、射极、基极与底座上相应的管脚相连接。）2022-6-14西南科技大学46工艺流程-后工序n中测（检查划片、压片、烧结、键合工序的质量 n封帽（管壳的材料、形状及质量对性能影响极 大）n（21）工艺筛选（高温老化、功率老化、高低温循 环实验）n（22）总测（全面测试、等级分类）（23）打印 包装、入库。 2022-6-14西南科技大学47辅助工序：n超净厂房技术n超纯水、高纯气体制备技术n光刻掩膜版制备技术n材料准备技术2022-6-14西南科技大学48PN结隔离双极型集成电路制造工艺 工艺流程n衬底制备（=8-13cm，P型,（111）晶面，300 400m）n埋层氧化（埋层扩散的掩蔽膜，1-

18、1.5m；埋层作用 降低集电极串联电阻）n埋层光刻（刻埋层扩散区窗口）n埋层扩散（N+,R20/）n外延（N型Si，=0.3-0.5cm，8-10m）n隔离氧化（隔离扩散的掩蔽膜，0.6-1m）2022-6-14西南科技大学49 工艺流程n隔离光刻（刻隔离墙扩散窗口）n隔离扩散（形成P+型隔离墙：P+扩散要穿透外延层 与P-Si衬底连通，将N型外延层分割成若 干独立得“岛”；两步扩散） n(9)背面蒸金（真空蒸高纯金）n(10)基区氧化（基区扩散掩蔽膜：0.5-0.8m；金扩散：提高开关速度，消除从P型扩散区到衬底 的P-N-P晶体管效应）2022-6-14西南科技大学50工艺流程n基区光刻（

19、刻出基区及各扩散电阻的窗口）n基区扩散（预淀积硼；硼再分布/氧化，氧化：发射区磷扩散的掩蔽膜，0.5-0.6m；）n发射区光刻（刻出发射区、集电区窗口）n发射区扩散（磷预淀积；再分布/三次氧化）n刻引线孔（刻出电极引线欧姆接触窗口）n蒸铝（真空蒸高纯Al）n铝反刻（刻蚀掉电极引线以外的铝层）2022-6-14西南科技大学51工艺流程n（18）初测n（19）划片 n（20）烧结n（21）键合n（22）中测n（23）封帽n（24）工艺筛选n（25）总测n（26）打印、包装、入库。2022-6-14西南科技大学52集成电路的特有工艺 a隔离扩散n目的：形成穿透外延层的P+（N+）隔离墙,将外延层分割成若干彼此独立的隔离“岛”。电路中相互需要隔离的晶体管和电阻等元件分别做在不同的隔离岛上。n工作时：P+接低电压（接地），N型隔离岛接高电压。n元件间的隔离：两个背靠背的反向PN结-PN结隔离。2022-6-14西南科