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文档简介
微纳加工技术原理第一章微纳加工技术发展概述1主要内容1.11.21.3本课程的主要内容集成电路的发展MEMS技术简介1.4苏州纳米区简介231.1课程的主要内容第一章微纳加工技术发展概述第二章CMOS工艺流程第三章洁净室、晶圆片清洗与吸杂处理第四章光刻第五章薄膜淀积第六章刻蚀第七章热氧化和Si-SiO2界面第八章离子注入第九章扩散(已学)第十章后端工艺第十一章未来趋势与挑战4教材5作者:唐天同,王兆宏西安交通大学电子工业出版社,2010教材6(美)JamesD.Plummer,MichaelD.Deal,PeterB.Griffin著,
2005,电子工业出版社分数比例作业15%考勤15%实验20%考试50%71.2
集成电路工艺的发展1.2.2促成集成电路产生的几项关键发明1.2.3半导体器件1.2.1
集成电路工艺的发展历程8•
1959
and
1990
integrated
circuits.•
Progress
due
to:
-
Feature
size(特征尺寸)
reduction13%
years
(Moore’s
Law).
-
Increasing
chip
size(芯片尺寸)
≈
16%
per
year.1.2.1
集成电路工艺的发展历程Evolution
of
IntegratedCircuits
Fabrication9特征尺寸:工艺制造中晶圆片表面能刻印出图形的最小尺寸。OnApril
19,
1965
Electronics
Magazine
published
a
paperby
Gordon
Moore
in
which
he
made
a
prediction
about
thesemiconductor
industry
that
has
become
the
stuff
of
legend.“Thenumberoftransistorsincorporatedinachipwillapproximatelydoubleevery24months.”Known
as
Moore'sLaw,
his
prediction
has
enabledwidespread
proliferation
of
technology
worldwide,
and
todayhas
become
shorthand
for
rapid
technological
change.
Moore’s
Law1010亿GordonMoore:Intel创始人/pressroom/kits/events/moores_law_40th/index.htm?iid=tech_mooreslaw+body_presskit11•
The
era
of
“easy”
scaling
is
over.
We
are
now
in
a
period
where
technology
and
device
innovations
are
required.
Beyond
2020,
new
currently
unknown
inventions
will
be
required.IC最小特征尺寸的发展历史及规划Device
Scaling
Over
Time12•
1990
IBM
demo
of
Å
scale
“lithography”.•
Technology
appears
to
be
capable
of
making
structures
much
smaller
thancurrently
known
device
limits.
ITRS
at
/
13ITRS硅技术发展规划ITRS—InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors/
预言硅主导的IC技术蓝图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:///instruct/bachelor/jpkc/jcdlgy/supplement/2011ExecSum.pdf14Advantages
and
Challenges
Associated
with
the
Introduction
of
450mm
Wafers
:Aposition
paper
reportsubmitted
by
the
ITRS
Starting
Materials
Sub-TWG,
June
2005./papers.htmlLinewidth
vs.
Fab
Cost151.2.2促成集成电路产生的几项关键发明•
Invention
of
the
bipolartransistor(点接触晶体管)-
1947,
Bell
Labs.W.ShockleyJ.BardeenW.Brattain1956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:~50μm16171948年W.Shockley提出结型晶体管概念1950年第一只NPN结型晶体管18•
Grown
junction
transistortechnology
(生长结技术)of
the
1950s结型晶体管的制备19Ge•
Alloy
junction
technology(合金结技术)of
the
1950s.•
Double
diffused
transistortechnology(气相源扩散工艺,1956福勒和赖斯)in1957,Bell
Labs.PN结裸露在外面20加热Ge高温炉Si腐蚀形成台面结构211955年,IBM608,3000多个锗晶体管,重约1090kg第一个商用晶体管计算机221958年Jack·Kilby发明的世界上第一块基于锗的集成电路,德州仪器相移振荡器简易集成电路专利号:No.31838743,批准时间1964.6.26•
The
planar
process
(Hoerni
-
Fairchild仙童公司,
late
1950s).•
First
“passivated(钝化)”
junctions.平面工艺
planar
process23•
平面工艺:二氧化硅屏蔽的扩散技术光刻技术JeanHoerni•
Basic
lithography
process–––Apply
photoresistPatterned
exposureRemove
photoresist
regions––Etch
waferStrip
remaining
photoresist光刻
Photolithography2425Robert
Noyce与他发明的集成电路专利号:No.2981877,批准时间1961.4.26简短回顾:一项基于科学的伟大发明Bardeen,Brattain,Shockley,FirstGe-basedbipolartransistorinvented1947,BellLabs.NobelprizeKilby(TI)&Noyce(Fairchild),Inventionofintegratedcircuits1959,NobelprizeAtalla,FirstSi-basedMOSFETinvented1960,BellLabs.Planartechnology,JeanHoerni,1960,
Fairchild
FirstCMOScircuitinvented1963,Fairchild“Moore’slaw”coined1965,FairchildDennard,scalingrulepresented1974,IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994,USA26基本器件BJT:模拟电路及高速驱动MOS器件:高密度、更低功耗、更大的设计灵活性
NMOS,PMOS,CMOS20世纪70年代1.2.3
半导体器件PN结:27BECppn+n-p+p+n+n+BJT28GateSourceDrain衬底SubstrateMOS:金属-氧化物-半导体NMOS29栅极:开关作用,取决于电压大小。N+:提供电子,提高开关时间。绝缘层防止Na+、K+干扰。沟道为P型。n+n+p+p+G端为高电平时导通G端为低电平时导通3031反向器输入:高电平,相当于1,输出0输入:低电平,相当于0,输出1没有形成回路,功耗低CMOSCMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor):PMOS管和NMOS管互补共同构成的MOS集成电路。32•
Metal
Planarizationrequired
for
multiplemetal
layers––––––Metal
DepositionPatterningFill
DielectricPlanarizationContact
viasContact
DepositionMultiple
Metal
Layers33•
ICs
are
widely
regarded
as
one
of
the
key
components
of
the
information
age.•
Basic
inventions
between
1945
and
1970
laid
the
foundation
for
today‘ssilicon
industry.•
For
more
than
40
years,
"Moore's
Law"
(a
doubling
of
chip
complexity
every2-3
years)
has
held
true.•
CMOS
has
become
the
dominant
circuit
technology
because
of
its
low
DC
poweronsumption,
high
performance
and
flexible
design
options.
Future
projectionssuggest
these
trends
will
continue
at
least
15
more
years.•
Silicon
technology
has
become
a
basic
“toolset”
for
many
areas
of
science
and
engineering.•
Computer
simulation
tools
have
been
widely
used
for
device,
circuit
and
system
design
for
many
years.
CAD
tools
are
now
being
used
for
technology
design.•
Chapter
1
also
contains
some
review
information
on
semiconductor
materials
semiconductor
devices.
These
topics
will
be
useful
in
later
chapters
of
the
text.Summary
of
Key
Ideas34Richard
Feynman,1959“There’s
Plenty
of
Room
at
the
Bottom”35
一根头发=100微米=100000纳米1.3MEMS技术简介MEMS系统的定义MICRO-ELECTRO-MECHANICALSYSTEMS,集物理、化学和生物的传感器、执行器与信息处理和存储为一体的微型集成系统。3636(Tai,
Fan
&
Muller)19701980
HNA1960EDP
Pressure
Sensor
(Honeywell)Anodic
BondingKOHSi
PressureSensor(Motorola)MEMS的历史
Si
as
a
mechanical
material
(Petersen)SFB
TMAH
1990Thermo-pneumatic
valve
(Redwood)
SFB
Pressure
Sensor
(NovaSensor)
DRIE
!!XeF2/BrF3
2,000process
(US
Patent)
1950RGT
(Nathanson
et
al)Metal
Light
Valve
(RCA)
ADXLAccelerometerPolySi
Micromotor
IR
imager
(Honeywell)
PolySi
Comb
Drive
(Tang,
Howe)
LIGAPolySi
beams(Howe,
Muller)
BJT
TransistorMetal
sacrificialIC
Optical
MEMS
RF
MEMS
Si
Gyro
(Draper)DMD
(TI)Bio
MEMS37371987198719871987Berkeley:
Micromotor
戴聿昌
MEMS
becomes
the
name
in
U.S.Analog
Devices
begins
accelerometer
projectFirst
MEMS
Conference,
IEEE
MEMS
First
Eurosensors
conference,
EuropeThe
motors
stimulating
major
interest
in
WORLD!
1987年,MEMS的里程碑38381994年,DRIE技术问世
1994
DRIE专利申请MEMS进入体硅加工时代
3939MEMS的产学研图谱4040全球汽车MEMS传感器的销售额将在2012年增长16%,达到23.1亿美元。41灯光调节,刹车系统……汽车上的MEMS加速度计一辆高端的汽车会有上百个传感器,包括30~50个MEMS传感器。
安全气囊
高g值加速度计,约80%汽车
侧翻保护
低g值加速度计
车辆动态控制(ESP)
低g值加速度计、陀螺仪和组合
惯性模块用于车身电子稳定系统
TPMS轮胎压力实时监视系统
发动机机油压力传感器
刹车系统空气压力传感器
发动机进气歧管压力传感器
柴油机共轨压力传感器42不同汽车种类的MEMS需求43加速度计和陀螺仪的应用分布44美新赵阳46手机和平板电脑中的运动传感器将是未来5年内热门技术中的热门苹果引爆MEMS传感器应用热潮
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