石英基板 光刻工艺：借助光刻胶将印在掩膜上的图形结构转移到硅片表面 光刻胶：批光照后能具有抗蚀能力的高分子化合物，用于在半导 体基件表面产生电路的形状。 正光刻胶：受光照部分发生降解反应而能为显影液所溶解。留下 的非曝光部分的图形与掩模版一致。 负光刻胶：受光照部分产生交链反应而成为不溶物，非曝光部分 22 被显影液溶解，获得的图形与掩模版图形互补。
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目标
读完本章之后，你应该能够：
• • • •
熟悉半导体相关术语的使用 描述基本的集成电路制造流程 简明的解释每一个制程步骤 将你的工作或制造产品与半导体制造工艺 相结合，并建立它们之间的联系
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主题
• • • • 简介 集成电路组件和设计 半导体制程 未来的走向
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简介
• • • • • 第一个晶体管,AT&T贝尔实验室, 1947 第一个单晶锗, 1950 第一个单晶硅, 1952 第一个集成电路组件, 德州仪器, 1958 第一个硅集成电路芯片, 费尔查德照相机 公司, 1961
半导体制程技术导论 Chapter 1导论
王红江， Ph. D. fwang@ 江苏科技大学
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参考书籍
• Hong Xiao. Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology. SPIE. 2012 • 萧宏. 半导体制造技术导论. 电子工业出版社， 2012 • 施敏. 半导体器件物理与工艺. 苏州大学出版社, 2002 • Peter Van Zant. 芯片制造——半导体工艺制程实用 教程. 电子工业出版社 • Michael Quirk, Julian Serda. 半导体制造技术. 电子 工业出版社. 2009
5,000 ~ 100,000 100,000 ~ 10,000,000 10,000,000~ 1,000,000,000 超过 1,000,000,000
超大规模集成电路(Ultra Large Scale
Integration)
特大规模集成电路(Super Large Scale
Integration)
光刻和倍缩光刻
图片提供:SGS Thompson
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晶圆制程
材料 无尘室生产厂房 金属化 晶圆 热处理 光刻版 光刻 设计
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化学机械 研磨
介质沉积
测试
离子注入与 光刻胶
蚀刻与光 刻胶
封装
最后测试
原子的大小
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IC组件的限制
• • • • 原子大小： 数个埃( Å) 形成一个组件需要一些原子 一般最后的限制在100Å或 0.01 微米 大概30 个硅原子
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IC设计: 第一颗IC
照片提供: 德州仪器
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IC设计: CMOS反相器
Vss
NMOS
Vin
Vdd
(a)
PMOS Vout
浅沟绝缘槽(STI) N-信道组件区 N-通道 Vt N-通道LDD N-通道S/D P-信道组件区 P-通道 Vt P-通道LDD P-通道S/D
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整体的半导体工业道路图
1995 最小图形尺寸(mm) 0.35 1997 0.25 1999 0.15 1G 0.003 13M 0.2 7M 0.05 200~300 2001 0.13 4G 0.001 25M 0.1 13M 0.03 300 2004 0.10 16G 0.0005 50M 0.05 25M 0.02 300 2007 0.07 64G 0.0002 90M 0.02 40M 0.01 300~400
(b)
P型井区 第一层 金属
W n+ n+ P型井区 P型垒晶层i P型晶源
多晶硅匣极和局部互连
第一层金属,AlCu PMD STI p+ N型井区 p+
N型井 Contact 区
(c)
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实际CMOS反相器版图
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CMOS反相器的布局图和光刻版
相位移光刻版展示图 (光刻/倍缩光刻)
薄胶膜 铬金属图案 相位移涂布物
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1961年费尔查德摄影机公司在硅晶 圆上制出的第一个集成电路
照片提供:Fairchild Semiconductor International
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摩尔定律
• 1964年哥登‧摩尔(英特尔公司的共同创始人 之一) • 价格不变之下，计算机芯片上的组件数目， 几乎每12个月就增加一倍 • 1980年代减缓至每18个月 • 到目前仍属正确，预期可以维持到20152020年
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DRAM 64M 256M 位数/芯片 位的单位成本(千分之 0.017 0.007
一美分)
微处理器 4M 晶体管数目/cm2 晶体管的单位成本(千 1
分之一美分)
7M 0.5 4M 0.1 200
ASIC 晶体管数目/cm2
晶体管的单位成本(千 分之一美分)
2M 0.3 200
晶圆尺寸 (mm)
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摩尔定律(英特尔版本)
Transistors
Pentium III
10M 1M 100K
8086 4040 8080 80286 80486 80386
Pentium
10K
1KБайду номын сангаас
1975
1980
1985
1990
1995
2000
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IC的尺度--集成电路芯片的积体化层级
积体化层级
小型集成电路(Small Scale Integration)
芯片尺寸与晶圆尺寸的相对性展示
芯片 或晶 粒
以0.28微米技术制造的 晶粒
以0.20微米技术 以0.14微米 技术
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1997年NEC 制造最小的晶体管
下匣极
源极 n+ 上匣极 介电质 汲极 n+
超浅接面
P型芯片
小于0.014 微米 匣极的宽度
照片提供:NEC Corporation
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IC几何上的限制
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第一个晶体管, 贝尔实验室, 1947
照片提供:AT&T 档案财产，授 权同意本书翻 印使用
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第一个晶体管的发明者
约翰‧巴定，威廉‧肖克莱 和 华特‧布莱登
照片提供:Lucent Technologies Inc.
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1958年德州仪器的杰克克毕制造出 的第一个集成电路芯片(棒)
照片提供: 德州仪器
缩写
SSI
芯片内的组件数目
2 ~ 50
中型集成电路(Medium Scale Integration)
大规模集成电路(Large Scale Integration) 极大规模集成电路(Very Large Scale
Integration)
MSI
LSI VLSI ULSI SLSI
50 ~ 5,000