VLSI-01 前言

1、INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言1大綱（大綱（1）教科書：教科書：半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù) 張亞非等編著張亞非等編著參考書：參考書：C.Y. Chang, S.M. Sze, “ULSI Technology”王陽(yáng)元 等,“集成電路工藝原理”M. Quirk, J. Serda, “半導(dǎo)體制造技術(shù)”王蔚，田麗，任明遠(yuǎn)，王蔚，田麗，任明遠(yuǎn)，“集成電路制造技術(shù)原理與工藝集成電路制造技術(shù)原理與工藝”J.D. Plummer, M.D. Deal, P.B. Griffin, “硅超大規(guī)模集成電路工硅超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)藝技術(shù)-理論、實(shí)踐與模型理

2、論、實(shí)踐與模型”INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言2大綱大綱 （2）第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)第第三章三章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言3大綱大綱 （2）第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)第第三章三章 實(shí)驗(yàn)

3、室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言4W. ShockleyJ. BardeenW. Brattain1st point contact transistor in 1947 - by Bell Lab1956年諾貝爾物理獎(jiǎng)點(diǎn)接觸晶體管：基片是N型鍺，發(fā)射極和集電極是兩根金屬絲。這兩根金屬絲

4、尖端很細(xì)，靠得很近地壓在基片上。金屬絲間的距離：50mINFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言5不足之處不足之處: : 可靠性低、噪聲大、放大率低等缺點(diǎn)可靠性低、噪聲大、放大率低等缺點(diǎn)INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言6 1948年 W. Shockley 提出結(jié)型晶體管概念1950年 第一只NPN結(jié)型晶體管INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言7Ti 公司的公司的Kilby 12個(gè)器件，個(gè)器件，Ge 晶體晶體INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言8(Fairchild Semi.)Si

5、ICINFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言9J. KilbyTI2000諾貝爾物理獎(jiǎng)R. NoyceFairchild半導(dǎo)體半導(dǎo)體Ge，Au線線半導(dǎo)體半導(dǎo)體Si，Al線線INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言10簡(jiǎn)短回顧：一項(xiàng)基于科學(xué)的偉大發(fā)明簡(jiǎn)短回顧：一項(xiàng)基于科學(xué)的偉大發(fā)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集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言11 SSI (小型集成電路)，晶體管數(shù) 10100，門數(shù)10 MSI (中型集成電路)，晶體管數(shù) 1001,000，10門數(shù)100 VLSI (超大規(guī)模集成電路)，晶體管數(shù) 100,000 1,000,000 ULSI (特大規(guī)模集成電路) ，晶體管數(shù)1,000,000 GSI (極大規(guī)模集成電路) ，晶體管數(shù)109 SoCsystem-on-a-chip/SIPsystem in packagingVLSIINFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言12摩爾定律（摩爾定

8、律（Moores Law)硅集成電路二年（或二到三年）為一代，集成度翻一番，工藝硅集成電路二年（或二到三年）為一代，集成度翻一番，工藝線寬約縮小線寬約縮小30%，芯片面積約增，芯片面積約增1.5倍，倍，IC工作速度提高工作速度提高1.5倍倍技術(shù)節(jié)點(diǎn)特征尺寸DRAM半導(dǎo)體電子：全球最大的工業(yè)半導(dǎo)體電子：全球最大的工業(yè)INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 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集成電路工藝原理第一講第一講 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集成電路工藝原理第一講第一講 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:/ 預(yù)言硅主導(dǎo)的IC技術(shù)藍(lán)圖等比例縮小原則Scalin

11、g down由歐洲電子器件制造協(xié)會(huì)（EECA）、歐洲半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（ESIA）、日本電子和信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì)（JEITA）、韓國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（KSIA）、臺(tái)灣半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（TSIA）和半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）合作完成。器件尺寸下降，芯片尺寸增加互連層數(shù)增加掩膜版數(shù)量增加工作電壓下降http:/ 前言前言17器件幾何尺寸：器件幾何尺寸：Lg，Wg，tox，xj 1/k襯底摻雜濃度襯底摻雜濃度N k電壓電壓Vdd 1/k 器件速度器件速度 k芯片密度芯片密度 k2器件的等比例縮小原則器件的等比例縮小原則Constant-field Scaling-down Principlek1.4INFO13

12、0024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言18NECINFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言19基本器件MOS器件：高密度、更低功耗、更大的設(shè)計(jì)靈活性 NMOS, PMOS, CMOSBJT：模擬電路及高速驅(qū)動(dòng)CMOSn+n+p+p+INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言20CMOSINFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言21B E Cppn+n-p+p+n+n+BJTINFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言22單晶材料：450mm/18”Si成為IC主流的優(yōu)勢(shì)：Si/SiO2界面的理想

13、性能地殼豐富的Si含量單晶的簡(jiǎn)單工藝平面工藝的發(fā)展Gorden Teal (TI)INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言23生長(zhǎng)結(jié)晶體管生長(zhǎng)結(jié)晶體管INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言24合金結(jié)晶體管合金結(jié)晶體管擴(kuò)散擴(kuò)散INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言25雙擴(kuò)散臺(tái)面（雙擴(kuò)散臺(tái)面（MESA）晶體管）晶體管氣相擴(kuò)散氣相擴(kuò)散圖形化圖形化-腐蝕腐蝕INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言26平面工藝發(fā)明人：平面工藝發(fā)明人：Jean Hoerni Fairchild1958-1960:氧化氧化p

14、n結(jié)隔離結(jié)隔離Al的蒸發(fā)的蒸發(fā)INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言27 1955年，成就了“本世紀(jì)最偉大發(fā)明”的“晶體管之父”的肖克利（W.Shockley）博士，離開(kāi)貝爾實(shí)驗(yàn)室返回故鄉(xiāng)圣克拉拉，創(chuàng)建“肖克利半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室”。INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言28 第二年，八位年輕的科學(xué)家從美國(guó)東部陸續(xù)到達(dá)硅谷，加盟肖克利實(shí)驗(yàn)室。他們是： 諾依斯（N. Noyce）、 摩爾（R.Moore）、 布蘭克（J.Blank）、 克萊爾（E.Kliner）、 赫爾尼（赫爾尼（J.Hoerni）、）、 拉斯特（J.Last）、 羅伯茨（S.Bobe

15、rts） 格里尼克（V.Grinich）。肖克利是天才的科學(xué)家，卻缺乏經(jīng)營(yíng)能力；他雄心勃勃，但對(duì)管理一竅不通。特曼曾評(píng)論說(shuō)：“肖克利在才華橫溢的年輕人眼里是非常有吸引力的人物，但他們又很難跟他共事?！币荒曛?，實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有研制出任何象樣的產(chǎn)品。INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言29 擴(kuò)散、掩模、照相、光刻，整個(gè)過(guò)程叫做平面處理技術(shù)，它標(biāo)志著硅晶體管批量生產(chǎn)的一大飛躍，也仿佛為“仙童”們打開(kāi)了一扇奇妙的大門，使他們看到了一個(gè)無(wú)底的深淵：用這種方法既然能做一個(gè)晶體管，為什么不能做它幾十個(gè)、幾百個(gè)，乃至成千上萬(wàn)呢？1959年1月23日，諾依斯在日記里詳細(xì)地記錄了這一閃光的設(shè)想。INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言30擴(kuò)散擴(kuò)散光刻光刻氧化氧化掩蔽掩蔽INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言31平面工藝基本光刻步驟平面工藝基本光刻步驟光刻膠光刻膠掩膜版掩膜版INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言32應(yīng)用平面工藝可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件的集成應(yīng)用平面工藝可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)器件的集成INFO130024.01集成電路工藝原理第一講第一講 前言前言33Actual