微电子工艺常见术语和设计

1、微电子工艺常见术语和设计 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。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1、半导

2、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、微电子技术发展简史摩尔定律-Moores 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Chapter 1 Introduction微电子技术与摩尔定律Microelectronics & Moores Law1、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）作用：整流、检波，不具备放大作用真空三极电

3、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。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（Mauc

4、hly）博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）。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，）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、

5、能耗低蒸金箔塑料楔金属基极锗发射极集电极0.005cm的间距世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管Method of Manufacturing Semiconductor Devices: Patent #: 3,025,589 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.晶体管的优越性1、寿命是电子

6、管的1001000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。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（）TRADIC：800只晶体管3、集成电路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第一块集成电路（相移振荡器）元件数：五个（锗集成电

7、路）时间：发明， 申请专利1958年第一块集成电路：相移振荡器，12个器件，Ge晶片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 ICs (cost $50 in quantity!). This is a dual flip-flop with 4 transistors. 1963: De

8、nsities 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。摩尔定律(Moores Law)原始定义： 集成芯片上集成度每1824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

9、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。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-1965Moore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（0n12），因此到第13个周期即26年后元件数应提高了2124096倍，作为一种发展趋势的预测，这与实际的增长倍数3200倍可以算是相当接近了 。 4004,386和Pent

10、iumPro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，采用45nm工艺制造，晶体管数量高达惊人的亿个。 对比晶体管100nm, 芯片2020mm晶体管750m75002cm = 15000cm= 150m对比酷睿2四核亿个晶体管用电子管实现，将重达10810g=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 尺寸更小 速度更快，频率更高 功能更复杂 采用

11、更大的晶圆(wafer) 更大的晶圆英寸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)。 m, 0.25 m, 0.18 m, 0.13 m 90nm, 65nm, 45nm，35nm, 22nm *头发丝的直径一般为毫米=50000-80000nm*每一代工艺的特征尺寸大约是上一代工艺的倍 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m工艺线的投资约2

12、0亿美元，但在几年内一条12英寸009m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。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

13、，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生产线建成验收投产，这是一条从日本东芝公司全面引进3英

14、寸彩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，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 以及中低端Pentium 4处理器的水平。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，晶体管数目达到亿个，达到世界先进水平。 芯片面积300mm2年份(年)199920012003200520082011世界(微米)0.180.150.130.1(0.09)0.07(0.065)0.05(0.045)中

15、国(微米)0.250.25/0.180.15/0.130.10/0.070.05(0.045)中国集成电路发展的Roadmap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

16、纪微电子芯片技术展望 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落等，可能会使MOSFET缩小到一定程度后不能再正常工作，这就有可能改变

17、今日硅芯片以CMOS为基础的局面。 为了突破MOS器件的物理极限，发展下一代微电子芯片，科技界正在研究各种可能的新一代微电子器件，包括：单电子晶体管、量子隧道器件、分子器件（或统称纳电子学）、厚膜器件和功能器件等等。如果它们中有所突破，那么只要信息化社会发展有需要，微电子芯片仍将沿着Moore定律发展。微电子技术发展水平和趋势硅器时代The future 前景More than Moore 新工艺 新材料、新结构-石墨烯 新的信息处理器件 新的信息系统(异质集成，全光集成，量子计算等)工艺技术水平指标1. 集成度（Integration Level） 是以一个IC芯片所包含的元件(晶体管或门/

18、数)来衡量，（包括有源和无源元件） 。2. 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)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。3. 晶圆直径(Wafer Diameter)4. 芯片面积(Chip Area)5. 封装(Package)集成电路芯片制造基础1、先进的IC生产线或称为标准生产线 （Foundry）包括七大要素（气、试剂、材料、净化间、人、设备、水）：气体（Gas）：纯度要求99.999%，主要杂质氮化物、水汽；酸（Acid）：纯度99.999%99.9999%； 材料（Material ）：高纯度的单晶材料、封装材料；超净间（Clean Room）：人（Man）：高素质、高层次的科技管理人才；设备（Equipment）：包括各种工艺设备、监控和分析仪器。 H2O 表1 IC工业用超纯水技术标准 公司指标TIIBMRCAGI电子部电阻