半导体集成电路工艺发展历程

半导体集成电路工艺发展历程

1半导体封装工艺中国能源技术部24个部门由13个部门的第五研究部组成。单片集成电路的发展历程经历了两个阶段:第一个阶段即建所后到1986年无锡分迁前,在数字集成电路领域取得了重大研究成果;第二阶段是在无锡分迁之后,调整专业方向,在模拟集成电路领域取得了突出的成就。1968年至2008年,24所发展的40年也是中国半导体集成电路发展的40年。40年来,24所创造了多个第一:全国第一块集成电路,全国第一块大规模集成电路,全国第一块GaAs单片集成电路,全国第一个产品实用化的DAC等。从艰苦创业时期在半导体集成电路各个领域全面铺开研究,到无锡分迁后收缩深化技术方向,再到主攻模拟与专用集成电路及规模化生产,反映了中国集成电路发展的艰难历程。一代工艺一代产品,高性能集成电路产品的迫切应用需求推动着半导体工艺技术的发展。40年来,24所的硅圆片尺寸从1968年的40mm发展到50mm、75mm、100mm,直到现在的150mm。光刻特征线宽从10μm降到0.5μm;晶体管的结深从3μm降到0.2μm;晶体管的特征频率从低频(MHz级)提高到射频(20GHz)。开发的工艺主要有:铝栅MOS/CMOS工艺、硅栅CMOS工艺、PN隔离标准双极工艺、宽带低噪声放大器工艺、GaAs单片集成工艺、等平面互补双极工艺、多晶硅发射极工艺、PN对通隔离高压双极工艺、等平面LOCOS隔离CBiCMOS、SOI及全介质隔离技术、VDMOS工艺、高压BiFET工艺、LC2MOS工艺、高速高压SOI互补双极工艺、亚微米BiCMOS工艺、GeSiHBT工艺、BCD工艺、MEMS兼容工艺等。以此为基础开发的产品门类包括:MOS大规模集成电路、超高速数字集成电路、线性集成电路和模拟/混合及专用集成电路(放大器、驱动器、电源、A/D转换器、D/A转换器等)。2发展过程的回顾2.1指导国内资本主义发展的集成制造技术1965年12月,13所原五室完成了GT31单片与非门和扩展器电路的产品设计定型。该电路是我国第一个有实用价值的IC产品,标志着我国的电子工业进入IC时代。1966年初,第五研究室设置了线性IC、场效应器件和数字IC等3个专题研究方向。经过一段时间的前期研究并取得一定成果后,设置了线性IC、MOS场效应IC、高速数字IC和微波及新材料等4个技术方向。在1970年3月搬迁至四川永川前,先后完成了我国第一种单片线性集成电路XT30和第一块MOS集成电路CT30的设计定型。此外,还有几种数字、线性、MOS产品完成了研制、开发工作。这标志着我国集成电路的研究已在各个领域铺开,并达到实用化水平。24所成立后,根据国家规划,以大规模、超大规模集成电路为主攻方向,主要研究范围为MOS大规模集成电路、双极超高速数字集成电路、线性集成电路和相关技术。其中,包括电路设计,工艺技术和测试技术全面结合,以产品开发为主线的综合性集成电路研制技术。这期间的工艺技术发展总是和电路品种的研制紧密结合,往往根据一个品种的需求开发一套特别的工艺技术。2.1.1mos-i工艺1972年6月,研制成功我国第一块大规模集成电路120位P沟铝栅9管单元静态移位寄存器电路。随后,开展了6μm硅栅MOS器件工艺的研究,主要完成了多晶硅栅代替铝栅器件结构、干法腐蚀多晶硅/SiO2等工艺技术的攻关研究。采用该项工艺技术研制的典型产品有:1978年2月,我国第一块N沟单管单元4kDRAM,1980年产品设计定型;1981年4月,6800微型处理机单板机中5种MOSLSIC设计定型;1983年,16kDRAM——M4116,1k×4SRAM——M2114设计定型。到1983年,完成了“HMOS-I工艺”研究开发,典型工艺技术包括:氧化层制作、全离子注入掺杂、LPCVD薄膜制备和“吸杂”等。采用该项工艺技术研制的典型产品有:E/DMOS1k高速SRAM—M2115A于1983年设计定型;高速4kSRAM—M214于1984年设计定型。到1985年,完成了HCMOS-I工艺的研究开发,高速256×4位SRAM—HCMS6562设计定型。此外,还开展了短寿命少数载流子器件工艺的开发,先后完成了512位CCD模拟延迟线、BAD-32抽头模拟延迟线和C40200位横向滤波器等电路的设计定型。2.1.2亚纳第三只提出了在及其特定产品研发、测试和工艺过程中发挥作用的专项研究自1970年开始,我所开始ECL电路设计、工艺和测试技术研究,完成了以“泡发极”、钛铝金属化、集电极埋层掺砷等为代表的“标准ECL10K系列IC工艺技术”的研究。其中,创新的“泡发极”工艺技术实现了高浓度浅结器件制作;钛铝金属化实现了良好的欧姆接触;集电极埋层掺砷保证了有效外延层的厚度,这些为提高BJT的特征频率、制作高速双极数字电路创造了条件。到1977年,采用该工艺先后完成了S31双D主从触发器等六种电路的产品设计定型。超高速ECL电路的性能提高关键在于缩小器件的横向尺寸,减小分布参数,提高速度。1977年,二十四所开始“亚纳秒ECL电路工艺技术”的研究,完成了3～4μm薄外延层生长、PN结对通隔离、流线型结扩散(xj≈0.3μm)和窄条光刻等关键工艺技术攻关研究,探索研究了选择性外延多晶硅隔离技术等。采用该工艺研制成功的典型产品有:S14500MHzD型主从触发器、S18500MHz双D触发器S031000MHz分频器等9种电路。1980年,在资料缺乏和设备条件差的情况下,开始了ECL100K系列集成电路设计、测试和工艺研究;建立了以氧化物隔离和聚酰亚胺双层布线工艺为代表的“ECL100K系列IC工艺技术”。其中,选择性高压水汽氧化技术取得了突破,通过优化参数,实现了硅片结-氧化物隔离,从而完成了“等平面-I工艺”技术研究。1981年底,采用该工艺技术研制成功我国第一块ECL100K系列的3-5输入或/或非门电路,并于1983、1984年先后完成了3个电路品种的设计定型。S4020四输入二与非门电路采用ECL100系列IC工艺技术,其产品性能优于国外同类产品LS20的性能。1981年底,开展低功耗肖特基TTL系列电路的研制,并于1983年完成了6种电路的研制,其中有3种电路设计定型。1986年1月,ST300肖特基TTL门阵列电路通过技术鉴定。2.1.3运算放大器电路二十四所从1970年开始线性集成电路工艺技术的研究,包括高频低噪声模拟IC工艺,运算放大器工艺,集成稳压电源IC工艺,GaAs单片IC工艺(见表3)。高频低噪声模拟IC工艺是使晶体管在一定功率条件下频率和低噪声特性两方面兼容突出。完成了包括磷砷扩散、浅结制作、窄条光刻、多层金属膜的工艺技术攻关,实现了浅结薄基区及梳状细条减小RB等技术,从而实现了高频低噪声兼容工艺。采用该工艺技术的典型产品有:1979年设计定型的500MHz低噪声宽带放大器电路,填补了国内100～1000MHz频段低噪声放大器集成电路的空白。此后又相继设计定型了射频/中频放大器、锁相环电路、对数中频放大器等多个电路产品。运算放大器工艺技术是在高频低噪声工艺的基础上,重点针对运算放大器电路进行工艺优化设计,提高电路增益、带宽、输入阻抗、输出功率等参数。采用该套工艺,先后完成了高增益运放、低功耗运放、相敏整流电路等电路的设计定型。1980年6月,完成双极-场效应晶体管兼容(BiCMOS)工艺的研究。采用该工艺,研制成功X56高输入阻抗放大器。1984年5月,完成了I2L与高压模拟器件工艺技术研究。采用该工艺,研制成功X3417连续可变斜率增量调制/解调器。该电路单片集成了280个元器件,其工艺难度和高集成度标志着二十四所的线性集成电路发展到了一个新水平。采用集成稳压电源IC工艺技术,于1971年底研制成功我国第一块集成稳压电源IC,先后设计定型多个多端可调式串联稳压正电源、负电源,多个三端固定式串联稳压电源(不同输出电压)。1977年,X63脉宽调制开关稳压电源IC设计定型;1986年1月,X2527脉宽调制器IC设计定型。GaAs单片IC工艺完成了正胶剥离、栅区深腐蚀、多层金属栅、快速升温合金等技术攻关。采用该工艺技术,于1981年4月研制成功G10GaAs-BFL单片门电路。该电路是国内第一个GaAs单片集成电路。此外,1979年,成功研制了全套彩色电视机电路共七种。1981年6月,成功研制了X80单片8位D/A转换器。该电路是国内第一个达到产品实用化的D/A转换器,标志着二十四所的线性集成电路工艺技术进入大规模集成领域。2.2关于模拟系统的研究1986年,为了加速大规模集成电路的发展,国家确定二十四所分迁部分技术力量在无锡建立分所,目标是MOS大规模逻辑集成电路的专业研究。二十四所按照国家规划,研究方向重新定位为模拟、专用集成电路。工艺技术的研究重点也作了相应调整。提高电路频率、速度,以及功率集成、混合信号电路等成为器件结构及工艺技术研究的目标;同时兼顾提高集成度、规模化生产。二十四所进入转型积累及二次创业时期。2.2.1se00系列产品的研制在50mm工艺线上,深入进行等平面工艺技术研究。利用负胶工艺,在国产光刻机上曝出了3μm的窄条,建立了等平面I、等平面II和等平面S工艺,把晶体管的特征频率提高到2GHz,大大提高了当时的工艺水平,研制出分频器SE100系列产品,达到国内领先水平。2.2.2“七八”前后的科研工作。在20瞄准我国深结工艺的需求,以X1525为载体进行深结工艺技术研究,建立起一套双极深结工艺,研制成功X1525产品,为建立75mm深结工艺线打下了坚实的基础。“八五”期间,引进的75mm线串线成功,并成功地生产出高频头电路X099产品,产量达上万只,为以后的规模生产积累了丰富的经验。1990年,在75mm线上进行双极深结工艺技术开发,研制生产了X497、X1525等产品,尤其是开关电源X1525,为我国当时航空、航天开关电源的使用起到了非常重要的作用。以X1525产品为载体建立的深结双极工艺,发展成为现在的B6035标准工艺,对后来的其他标准工艺建设起到了积极的作用。2.2.3中视频放大器一方面建立泡发射极工艺,优化光刻工艺条件,利用负胶工艺,在国产光刻机上刻出了3μm窄条,把晶体管的特征频率提高到1GHz以上,研制生产了一系列中视频放大器产品,如低燥声宽带放大器JF36、射频/中频/视频放大器JF37等;另一方面,瞄准抗核加固需求,积极开展全介质隔离工艺研究,成功开发出深槽腐蚀、多晶硅外延、正面磨抛的多晶硅全介质隔离的双极工艺,研制出ZP95电源核心芯片。2.2.4高压模拟开关的研制在1988-1993年,一方面,建立了8μmCMOS工艺,开发出模拟开关、延迟线、A/D转换器产品,如BD512延迟线、CM303高压模拟开关、X08088位A/D转换器等;另一方面,为提高模拟开关的隔离度,开发SOS工艺,并在SOS上研制出高性能的模拟开关CM4066、CM1606。瞄准当时VDMOS的市场需求,开展VDMOS工艺技术研究,建立了VDMOS工艺,研制出600V/1A的VDMOS管,并完成了批生产攻关。2.3器件结构及工艺技术二十四所经过一段艰苦创业时期后,迎来了发展时期。1993年初,二十四所整体搬迁重庆,。开始了多项工艺技术的整合优化提高及新工艺技术的开发进程,工艺技术及产品全面转移到75mm工艺线。同时,调整了工艺技术的研究重点,提高频率、速度,以及功率集成,混合信号电路成为器件结构及工艺技术研究的目标;同时兼顾提高集成度、规模化生产,与国内国际行业接轨。2.3.1等平面s合成s工艺技术1994年起,将前期并存的多种工艺技术进行了清理和优化,最终将原来的双极等平面工艺和宽带低噪声放大器工艺整合,形成较完善的等平面S工艺。1995-1997年,派出技术人员出国培训,学习国外先进的工艺技术,为建立100mm线打下了基础。进一步清理优化现有工艺技术,成功地实现了从50mm工艺线向75mm工艺线技术的转移。2.3.2双极体系建立工艺1994年起,一方面清理工艺,另一方面,针对CMOS工艺的特点,结合原有50mm线的工艺技术,在75mm线上完成了CMOS、VDMOS、深结双极工艺的建立,保证了CMOS、双极深结工艺项目研制生产任务的完成。从原来8μmCMOS工艺提高到5μmCMOS工艺,深结双极工艺也提高到5μm特征尺寸,为后来建立B6035标准工艺打下了基础。2.3.3mm线双极工艺及工艺的基本研究成功完成了75mm线SDBSOI片制备技术的新新工艺开发。以此为基础,结合原来的双极工艺,建立起了75mm线SDBSOI双极工艺。另外,针对当时无法进一步降低基区结深的设备工艺条件,为提高晶体管的特征频率,开展了多晶硅发射极工艺技术研究,并成功地解决了多晶硅发射极工艺中多晶硅界面氧化层厚度控制与处理等关键技术问题,建立了75mm线多晶硅发射极工艺。研制出SDA9700、SW244、SW003A、SW215等产品。2.4发展时期1998年后的工艺发展2.4.1双极、c、nmos工艺、结晶发射极工艺的完善将电路设计与工艺技术研究彻底分离,专业分工更加细化。二十四所半导体IC工艺技术进入了更专业的发展进程。1998年,根据发展需要,集中了原来所有75mm线工艺技术,完成各种项目研制,并且开始进行批量化的民品生产。1999-2001年,进一步完善了75mm线双极、CMOS工艺、VDMOS工艺、多晶硅发射极工艺;在完成各种项目研制的同时,实现月产2000片高压三极管、放电管的规模化生产。2.4.2gx-pcm联合工艺的建立及完善1999年,完成了2μmCBiCMOS工艺技术引进,在引进的100mm线上,完成了双极工艺、CMOS工艺串线,为后来的75mm线工艺向100mm线工艺全面转移做准备。一方面,消化吸收2μmCBiCMOS工艺技术,在100mm线上建立2μmCBiCMOS工艺,大幅度提升工艺技术水平;另一方面,按照75mm线的工艺技术要求,首先将75mm的5μm双极深结工艺(B6035工艺)转移到100mm线上。到2002年,完成了75mm线工艺向100mm线工艺的全面转移,进行了工艺优化,将光刻线宽从原来的5μm提升到2μm,晶体管特征频率也从原来的1～2GHz提高到5GHz。随后,进一步规范工艺,建立了高压模拟集成电路工艺、高压运放工艺、中高速运放工艺、CBiCMOS工艺、8μm硅栅自对准/非自对准CMOS工艺、3μm硅栅自对准CMOS工艺、多晶硅发射极工艺等7套标准工艺及其他非标准或特殊工艺。同时,建立起与各套工艺技术相应的PCM检测体系和模型参数库。2.4.3100mm线工艺技术全面发展,规模化量产为了向模拟电路Foundry线发展,除继续优化标准工艺外,还建立了与之相应的PCM检测体系和模型参数库。从引进100mm工艺线开始,就进行了PCM相关技术的研究,利用PCM进行工艺监控与指导工艺控制。到2005年,PCM监测体系全面完善,包括PCM设计、测试及数据管理分析应用等各方面都进入实用化阶段,各套工艺技术的所有产品都插入PCM图形,运用更加准确的PCM测试数据进行工艺检测与诊断分析。全面开展各工艺技术的器件模型库建设,加上设计规则、DRC、LVS等,逐步建立并完善了各工艺的PDK,初步建立起模拟IC的Foundry线,为规模化量产奠定了基础。在新技术开发方面,突破了1.5μm窄沟深槽腐蚀、多晶硅回填、平整化、双极工艺与SOI工艺兼容等关键技术瓶颈,建立了100mmSOI双极工艺、互补双极工艺,使全介质隔离工艺迈上一个新的台阶,处于国内领先水平。研制生产的SOI产品品种和数量都成倍增长,达到了10余个品种。正是这些标准工艺套路和新工艺技术的不断涌现,使二十四所的研制生产能力达到了空前的水平。100mm线月产达到3000片的规模,突破了年生产40多万只电路大关,年产值达到3000多万,接近二十四所1995年以前的年总产值。为了进一步提高工艺技术水平,早在2003年,就进行了150mm0.8μm设备的安装调试;2004年调试成功。经过几年的努力,在100mm线上已成功开发出M3010CMOS工艺、B4020工艺、VDMOS工艺;并研制生产出SB904、SB903、SW208、SA179等产品,为建立150mm0.5μm线打下了基础。3低通量模拟技术模拟IC涉及数据转换器(如A/D、D/A转换器等)、线性和非线性放大器(如运算放大器、射频放大器、对数放大器、电压比较器、模拟乘法器等)、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器等,种类繁多,性能要求各不相同。高速放大器将继续向更高速度、更低噪声、更大动态范围等方向发展;A/D、D/A转换器将继续向更高速度、更高精度等方向发展;一般功率放大器将继续向更大功率、更高效率方向发展;低功耗电路,特别是便携式设备应用电路,将继续向更低功耗、更低电源电压方向发展。从工艺角度来说,无论是A/D、D/A转换器,还是高速低噪声放大器,需要解决的核心问题是集成高速度、低噪声、VT精度高的器件。目前,模拟IC的单片工艺主流技术有双极、BiCMOS、CMOS工艺,其中,双极和BiCMOS工艺使用普遍。随着CMOS工艺的发展,模拟与数字混合电路有向CMOS工艺发展的趋势。BiCMOS工艺是数字/模拟混合信号处理电路常采用的技术;互补双极工艺是高速线性电路的良好制作技术;CMOS工艺是低功耗模拟IC常采用的技术;SiGe工艺是制作高性能射频放大器的潜在优势技术,可与GaAs技术相竞争。在双极工艺领域,互补双极工艺是目前国际上应用最为广泛的模拟IC工艺。它集成高性能互补的纵向NPN和PNP管、高品质的无源器件,结合SOI等技术,能极大地提高模拟IC的性能。二十四所将进一步对新开发的高/低压SOI互补双极工艺进行拓展和优化,形成标准的工艺平台。新开发的工艺主要有:双极/互补双极-JFET兼容工艺、亚微米SOI双极工艺。Si/SiGeHBT的出现为双极型晶体管的发展注入了崭新的活力。SiGeHBT与成熟的硅工艺兼容,使得它可以进一步优化自身的结构和性能。它可以在同一个芯片上集成MOS晶体管、肖特基管、多晶硅电阻、金属膜电阻、MIM电容等器件,再加上现有的成熟硅(尤其是CMOS)设计单元库,使SiGeHBT工艺在性能/价格比、功耗、噪声、集成度、设计自由度等方面具有明显优势。目前,