VLSI-01 前言

1、INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言1大纲（大纲（1）教科书：教科书：半导体集成电路制造技术半导体集成电路制造技术 张亚非等编著张亚非等编著参考书：参考书：C.Y. Chang, S.M. Sze, “ULSI Technology”王阳元 等,“集成电路工艺原理”M. Quirk, J. Serda, “半导体制造技术”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”J.D. Plummer, M.D. Deal, P.B. Griffin, “硅超大规模集成电路工硅超大规模集成电路工艺技术艺技术-理论、实践与模型理

2、论、实践与模型”INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言2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INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言3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

3、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INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言4W. ShockleyJ. BardeenW. Brattain1st point contact transistor in 1947 - by Bell Lab1956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

4、尖端很细，靠得很近地压在基片上。金属丝间的距离：50mINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言5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INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言6 1948年 W. Shockley 提出结型晶体管概念1950年 第一只NPN结型晶体管INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言7Ti 公司的公司的Kilby 12个器件，个器件，Ge 晶体晶体INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言8(Fairchild Semi.)Si

5、ICINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言9J. KilbyTI2000诺贝尔物理奖R. NoyceFairchild半导体半导体Ge，Au线线半导体半导体Si，Al线线INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言10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, First Ge-based bipolar transistor invented 1947, Bell Labs. Nobel prizeKilby (TI) & Noyce (Fairchild),

6、Invention of integrated circuits 1959, Nobel prizeAtalla, First Si-based MOSFET invented 1960, Bell Labs.Planar technology, Jean Hoerni, 1960, Fairchild First CMOS circuit invented 1963, Fairchild“Moores law” coined 1965, FairchildDennard, scaling rule presented 1974, IBMFirst Si technology roadmap

7、published 1994, USAINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言11 SSI (小型集成电路)，晶体管数 10100，门数10 MSI (中型集成电路)，晶体管数 1001,000，10门数100 VLSI (超大规模集成电路)，晶体管数 100,000 1,000,000 ULSI (特大规模集成电路) ，晶体管数1,000,000 GSI (极大规模集成电路) ，晶体管数109 SoCsystem-on-a-chip/SIPsystem in packagingVLSIINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言12摩尔定律（摩尔定

8、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INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言13Explosive Growth of Computing PowerPentium IV1st transistor19471st electronic computer ENIAC (1946)Vacuum Tu

9、ber1st computer(1832)Macroelectronics Microelectronics NanoelectronicsINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言142003Itanium 2 19714004 2001Pentium IV 1989386 2300134 000410M42M1991486 1.2Mtransistor /chip10 m 1 m0.1 mtransistor sizeHuman hair Red blood cell Bacteria VirusINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言15No

10、 complete technological solution available !Physical gate length in nmYearGateSourceDrainsilicidemetalmetalchannelgate oxideWe are here.ITRS, the International Technology Roadmap for Semiconductors:http:/ 前言前言16ITRS International Technology Roadmap for Semiconductors http:/ 预言硅主导的IC技术蓝图等比例缩小原则Scalin

11、g down由欧洲电子器件制造协会（EECA）、欧洲半导体工业协会（ESIA）、日本电子和信息技术工业协会（JEITA）、韩国半导体工业协会（KSIA）、台湾半导体工业协会（TSIA）和半导体工业协会（SIA）合作完成。器件尺寸下降，芯片尺寸增加互连层数增加掩膜版数量增加工作电压下降http:/ 前言前言17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 Principlek1.4INFO13

12、0024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言18NECINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言19基本器件MOS器件：高密度、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+INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言20CMOSINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言21B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTINFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言22单晶材料：450mm/18”Si成为IC主流的优势：Si/SiO2界面的理想

13、性能地壳丰富的Si含量单晶的简单工艺平面工艺的发展Gorden Teal (TI)INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言23生长结晶体管生长结晶体管INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言24合金结晶体管合金结晶体管扩散扩散INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言25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INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言26平面工艺发明人：平面工艺发明人：Jean Hoerni Fairchild1958-1960:氧化氧化p

14、n结隔离结隔离Al的蒸发的蒸发INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言27 1955年，成就了“本世纪最伟大发明”的“晶体管之父”的肖克利（W.Shockley）博士，离开贝尔实验室返回故乡圣克拉拉，创建“肖克利半导体实验室”。INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言28 第二年，八位年轻的科学家从美国东部陆续到达硅谷，加盟肖克利实验室。他们是： 诺依斯（N. Noyce）、 摩尔（R.Moore）、 布兰克（J.Blank）、 克莱尔（E.Kliner）、 赫尔尼（赫尔尼（J.Hoerni）、）、 拉斯特（J.Last）、 罗伯茨（S.Bobe

15、rts） 格里尼克（V.Grinich）。肖克利是天才的科学家，却缺乏经营能力；他雄心勃勃，但对管理一窍不通。特曼曾评论说：“肖克利在才华横溢的年轻人眼里是非常有吸引力的人物，但他们又很难跟他共事。”一年之中，实验室没有研制出任何象样的产品。INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言29 扩散、掩模、照相、光刻，整个过程叫做平面处理技术，它标志着硅晶体管批量生产的一大飞跃，也仿佛为“仙童”们打开了一扇奇妙的大门，使他们看到了一个无底的深渊：用这种方法既然能做一个晶体管，为什么不能做它几十个、几百个，乃至成千上万呢？1959年1月23日，诺依斯在日记里详细地记录了这一闪光的设想。INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言30扩散扩散光刻光刻氧化氧化掩蔽掩蔽INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言31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INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言32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INFO130024.01集成电路工艺原理第一讲第一讲 前言前言33Actual