微電子工藝常見術(shù)語和設(shè)計

1、微電子工藝常見術(shù)語和設(shè)計 課程介紹教學(xué)目標(biāo) 1、能夠正確使用常見的半導(dǎo)體術(shù)語； 2、能夠正確的描述一些基本的IC制造程序； 3、能簡單解釋和說明IC制造過程的每一步工藝； 4、能使用Silvaco公司的器件仿真軟件(ATLAS)和半導(dǎo)體工藝模擬軟件(Athena）完成雙極型器件或MOS器件的設(shè)計。教學(xué)安排1、理論教學(xué)：結(jié)合參考書目集中講解IC制造工藝流程中每個工藝步驟和工藝原理；2、實驗教學(xué):通過Silvaco公司的器件仿真軟件(ATLAS)和半導(dǎo)體工藝模擬軟件(Athena）完成雙極型器件或MOS器件的設(shè)計。3、考核方式：平時成績30%（文獻(xiàn)綜述），卷面成績70%（閉卷）。主要參考書1、半導(dǎo)

2、體制造技術(shù)：（Semiconductor Manufacturing Technology ）Michael Quirk,Julian Serda著，韓鄭生譯。2、半導(dǎo)體器件工藝原理：黃漢堯，李乃平著。3、微電子技術(shù)發(fā)展簡史摩爾定律-Moores Law我國微電子產(chǎn)業(yè)的歷史和現(xiàn)狀國際微電子技術(shù)的水平和前景Chapter 1 Introduction微電子技術(shù)與摩爾定律Microelectronics & Moores Law1、真空電子管：它是在一個抽成真空的玻璃泡中封有一些電極而制成的。真空二極電子管發(fā)明人：約翰.弗萊明（馬可尼電報公司,1904年）作用：整流、檢波，不具備放大作用真空三極電

3、子管發(fā)明人德.福雷斯特（1906年）作用：放大、檢波真空電子管的缺點： 體積大、不可靠、 能耗高、壽命有限。意義： 真空電子管的發(fā)明和應(yīng)用在電子技術(shù)史上具有劃時代的的意義，他為通訊、廣播、電視、計算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展鋪平了道路，并奠定了近代電子工業(yè)的基礎(chǔ)。第一代電子計算機(jī)：電子管計算機(jī)發(fā)明人：約翰.莫奇利，?？颂兀ㄙe夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院，1942-1946）ENIAC：（17468只電子管）重量：30噸，占地：167平方米，耗電：160千瓦，速度：幾千幾萬次秒 1946年2月14日，世界上第一臺電腦ENIAC在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生。 第二次世界大戰(zhàn)期間，美國軍方要求賓州大學(xué)約翰.莫奇利（Mauc

4、hly）博士和他的學(xué)生?？颂兀‥ckert）設(shè)計以真空管取代繼電器的“電子化”電腦-ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）， 電子數(shù)字積分器與計算器）， 目的是用來計算炮彈彈道。 這部機(jī)器使用了18800個真空管，長50英尺(15m)，寬30英尺（9m)， 占地1500平方英尺，重達(dá)30噸（大約是一間半的教室大，六只大象重）。它的計算速度是每秒可從事5000次的加法運算。功耗 174 KW/H 。2、晶體管晶體管發(fā)明人：肖克萊、巴丁、布拉頓（貝爾實驗室，）1956年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者特點： 尺寸小、無真空、可靠性高、重量輕、

5、能耗低蒸金箔塑料楔金屬基極鍺發(fā)射極集電極0.005cm的間距世界上第一個Ge點接觸型PNP晶體管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.晶體管的優(yōu)越性1、壽命是電子

6、管的1001000倍，電子管容易老化；2、質(zhì)量穩(wěn)定、耐沖擊、耐振動，電子管易碎；3、能耗低、使用前不預(yù)熱；4、生產(chǎn)工藝精密、工序簡單。意義 晶體管的發(fā)明是電子技術(shù)歷史 上具有劃時代意義的偉大事件， 它開創(chuàng)了一個新的時代固體 電子技術(shù)時代。奠定了現(xiàn)代電 子技術(shù)的基礎(chǔ)，揭開了微電子 技術(shù)和信息化的序幕，開創(chuàng)了 人類的硅文明時代。第二代電子計算機(jī)：晶體管計算機(jī)發(fā)明人：貝爾實驗室（）TRADIC：800只晶體管3、集成電路第一塊集成電路發(fā)明人杰克基爾比（Jack Kilby）德州儀器公司（Texas Instruments）2000年諾貝爾物理獎獲得者第一塊集成電路（相移振蕩器）元件數(shù)：五個（鍺集成電

7、路）時間：發(fā)明， 申請專利1958年第一塊集成電路：相移振蕩器，12個器件，Ge晶片第一塊商業(yè)集成電路發(fā)明人羅伯特諾伊斯（Robert Noyce）仙童半導(dǎo)體公司（1961年）（Fairchild Semiconductor International）背景 羅伯特諾伊斯在1959年7月完成了二氧化硅擴(kuò)散技術(shù)和PN結(jié)隔離技術(shù)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.集成電路的優(yōu)勢 體積小、重量輕、功耗低；可集成大量的元件，成本低； 可靠性高意義 集成電路的發(fā)明開拓了電子器件微型化的新紀(jì)元，引領(lǐng)人們走進(jìn)信息化社會。它的誕生使微處理器的出現(xiàn)成為可能，也使計算機(jī)走進(jìn)人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。它給人類社會的發(fā)展帶來了巨大的影響和推動作用，為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。摩爾定律(Moores Law)原始定義： 集成芯片上集成度每1824個月翻一番；廣義意義： 集成芯片的集成度、功能復(fù)雜度和性能都按指數(shù)速率改進(jìn)。摩爾定律的提出：1965年

9、4月，摩爾在電子學(xué)雜志上發(fā)表文章預(yù)言：半導(dǎo)體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年翻一番。摩爾定律的修正： 1975年修正：芯片上集成的晶體管數(shù)量將每兩年翻一番。市場版本：半導(dǎo)體集成電路的密度或容量每18個月翻一番，或每三年增長4倍。 最初的Moore曲線-1965Moore曲線集成度和性能Moore曲線時鐘頻率如果按摩爾本人“每兩年翻一番”的預(yù)測，26年中應(yīng)包括13個翻番周期，每經(jīng)過一個周期，芯片上集成的元件數(shù)應(yīng)提高2n倍（0n12），因此到第13個周期即26年后元件數(shù)應(yīng)提高了2124096倍，作為一種發(fā)展趨勢的預(yù)測，這與實際的增長倍數(shù)3200倍可以算是相當(dāng)接近了 。 4004,386和Pent

10、iumPro芯片4004芯片,1971年,2300個晶體管386 芯片,1985年,275000晶體管Pentium Pro, 1995年,550萬個晶體管酷睿2四核CPU Intel 酷睿i7 ExtremeEdition975處理器主頻高達(dá)，采用45nm工藝制造，晶體管數(shù)量高達(dá)驚人的億個。 對比晶體管100nm, 芯片2020mm晶體管750m75002cm = 15000cm= 150m對比酷睿2四核億個晶體管用電子管實現(xiàn)，將重達(dá)10810g=7300,000kg假定每個電子管10g集成電路的特征尺寸最小圖形最小圖形間距微電子技術(shù)基本驅(qū)動力 尺寸更小 速度更快，頻率更高 功能更復(fù)雜 采用

11、更大的晶圓(wafer) 更大的晶圓英寸18英寸Perpetual Innovation Machine永恒的創(chuàng)新機(jī)器 緊跟摩爾曲線，否則就會落后。 摩爾定律使人們用簡略的語言談?wù)撌挛?技術(shù))。 m, 0.25 m, 0.18 m, 0.13 m 90nm, 65nm, 45nm，35nm, 22nm *頭發(fā)絲的直徑一般為毫米=50000-80000nm*每一代工藝的特征尺寸大約是上一代工藝的倍 摩爾定律前景：退出歷史舞臺 從技術(shù)的角度看：全面而徹底的芯片測試幾乎成為不可能 ，采用現(xiàn)行工藝的半導(dǎo)體器件不能正常工作。 從經(jīng)濟(jì)的角度看：芯片制造工藝線成本大幅增加。 目前一條8英寸m工藝線的投資約2

12、0億美元，但在幾年內(nèi)一條12英寸009m工藝線的投資將超過100億美元。如此巨額投資已非單獨一個公司，甚至一個發(fā)展中國家所能單獨負(fù)擔(dān)的。我國的微電子技術(shù)的歷史 1956年，中國科學(xué)院應(yīng)用物理所首先舉辦了半導(dǎo)體器件短期培訓(xùn)班。北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、吉林大學(xué)、廈門大學(xué)和南京大學(xué)聯(lián)合在北京大學(xué)開辦了半導(dǎo)體物理專業(yè)，共同培養(yǎng)第一批半導(dǎo)體人才。 1957年，相繼研制出鍺點接觸二極管和三極管（即晶體管）。 1959年，天津拉制出硅（Si）單晶。 1960年，中科院在北京建立半導(dǎo)體研究所，同年在河北建立工業(yè)性專業(yè)化研究所第十三所（河北半導(dǎo)體研究所）。 1962年，我國研究制成硅外延工藝，并開始研究采用照相制版

13、，光刻工藝。 我國的微電子技術(shù)的歷史（續(xù)） 1963年，河北省半導(dǎo)體研究所制成硅平面型晶體管。 1965年12月，國內(nèi)首先鑒定了DTL型（二極管晶體管邏輯）數(shù)字邏輯電路。1966年底，上海元件五廠鑒定了TTL電路產(chǎn)品。 1970年后，永川半導(dǎo)體研究所（現(xiàn)電子第24所）、上無十四廠和北京878廠相繼研制成功NMOS電路。之后，又研制成CMOS集成電路。我國的微電子技術(shù)的歷史（續(xù)） 1973年，從國外引進(jìn)單臺設(shè)備，北京878廠，航天部陜西驪山771所和貴州都勻4433廠，建成3英寸工藝線。 1982年，江蘇無錫的江南無線電器材廠（742廠）IC生產(chǎn)線建成驗收投產(chǎn)，這是一條從日本東芝公司全面引進(jìn)3英

14、寸彩色和黑白電視機(jī)集成電路生產(chǎn)線。 我國的微電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀 龍芯2E處理器，4700萬個晶體管。采用90nm的CMOS工藝，布線層為七層銅金屬，芯片面積，最高工作頻率為1GHz，典型工作頻率為800MHz，實測功耗5-7瓦。綜合性能已經(jīng)達(dá)到高端Pentium 以及中低端Pentium 4處理器的水平。我國的微電子技術(shù)的水平 四核的龍芯3A芯片，采用65納米工藝，主頻1GHz，晶體管數(shù)目達(dá)到億個，達(dá)到世界先進(jìn)水平。 芯片面積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、國(微米)0.250.25/0.180.15/0.130.10/0.070.05(0.045)中國集成電路發(fā)展的Roadmap貴州大學(xué)的電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科本科專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)，電子信息科學(xué)與技術(shù)碩士點：微電子學(xué)與固體電子學(xué)、電路與系統(tǒng)、電磁場與微波技術(shù)、物理電子學(xué)，電子與通信工程，集成電路工程博士點：微電子學(xué)與固體電子學(xué)、電路與系統(tǒng)、電磁場與微波技術(shù)、物理電子學(xué)省級重點學(xué)科：微電子學(xué)與固體電子學(xué)省級重點實驗室：微納電子與軟件技術(shù)實驗室國家級特色專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)專用實驗設(shè)備總值：2000萬元學(xué)術(shù)隊伍：省管專家 7人；博導(dǎo) 9人汽車電子調(diào)節(jié)器芯片基準(zhǔn)源芯片智能功率MOS器件芯片照片 21世

16、紀(jì)微電子芯片技術(shù)展望 21世紀(jì)硅微電子芯片將沿著以下四個方向發(fā)展：1、繼續(xù)沿著Moore定律前進(jìn)；2、片上系統(tǒng)（SOC）；3、靈巧芯片，或賦予芯片更多的靈氣；4、硅基的量子器件和納米器件。 沿著Moore定律發(fā)展,必然會提出微電子加工尺度和器件尺度的縮小有無極限的問題.對于加工技術(shù)極限,主要是光刻精度，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，體現(xiàn)為EUV（特短紫外光）的發(fā)展和電子束投影曝技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在看來，這一極限在近期內(nèi)將不會影響芯片的進(jìn)步。 另一方面，來自器件結(jié)構(gòu)（MOS）晶體管的某些物理本質(zhì)上的限制，如量子力學(xué)測不準(zhǔn)原理和統(tǒng)計力學(xué)熱漲落等，可能會使MOSFET縮小到一定程度后不能再正常工作，這就有可能改變

17、今日硅芯片以CMOS為基礎(chǔ)的局面。 為了突破MOS器件的物理極限，發(fā)展下一代微電子芯片，科技界正在研究各種可能的新一代微電子器件，包括：單電子晶體管、量子隧道器件、分子器件（或統(tǒng)稱納電子學(xué)）、厚膜器件和功能器件等等。如果它們中有所突破，那么只要信息化社會發(fā)展有需要，微電子芯片仍將沿著Moore定律發(fā)展。微電子技術(shù)發(fā)展水平和趨勢硅器時代The future 前景More than Moore 新工藝 新材料、新結(jié)構(gòu)-石墨烯 新的信息處理器件 新的信息系統(tǒng)(異質(zhì)集成，全光集成，量子計算等)工藝技術(shù)水平指標(biāo)1. 集成度（Integration Level） 是以一個IC芯片所包含的元件(晶體管或門/

18、數(shù))來衡量，（包括有源和無源元件） 。2. 特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定義為器件中最小線條寬度(對MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝道幾何長度)，也可定義為最小線條寬度與線條間距之和的一半。3. 晶圓直徑(Wafer Diameter)4. 芯片面積(Chip Area)5. 封裝(Package)集成電路芯片制造基礎(chǔ)1、先進(jìn)的IC生產(chǎn)線或稱為標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)線 （Foundry）包括七大要素（氣、試劑、材料、凈化間、人、設(shè)備、水）：氣體（Gas）：純度要求99.999%，主要雜質(zhì)氮化物、水汽；酸（Acid）：純度99.999%99.9999%； 材料（Material ）：高純度的單晶材料、封裝材料；超凈間（Clean Room）：人（Man）：高素質(zhì)、高層次的科技管理人才；設(shè)備（Equipment）：包括各種工藝設(shè)備、監(jiān)控和分析儀器。 H2O 表1 IC工業(yè)用超純水技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 公司指標(biāo)TIIBMRCAGI電子部電阻