微电子制造原理与技术
第二部分 芯片制造原理与技术
李 明
材料科学与工程学院
芯片发展历程与莫尔定律 晶体管结构及其作用 芯片微纳制造技术
第1个晶体管的诞生
1947.12.23 点接触式晶体管 By Bardeen & Brattain 第一篇关于晶体管的文章 Br Webster’s “The transistor, a semiconductor triode” （晶体管，一个半导体三级管） “Transistor =transfer + resistor, （晶体管＝传输+电阻） Transferring electrical signal across a resistor” （经过一个电阻传输点信号）
SOC与IC的设计原理是不同的，它是微电子设计领域 的一场革命。 SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算 法、软件（特别是芯片上的操作系统-嵌入式的操作系 统）、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结 合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。它的设 计必须从系统行为级开始自顶向下（Top-Down）。

台积电（TSMC）于2010夏季动工建设的新工厂打算支持直至7nm工艺的量产 英特尔——微细化竞争中固守头把交椅。从英特尔的发展蓝图来看，预计该公 司将从2011年下半年开始22nm工艺的量产。

美国Achronix半导体（Achronix Semiconductor）于当地时间2010年11月1 日宣布，将采用英特尔的22nm级工艺制造该公司的新型FPGA“Speedster22i”
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发

性能(速度、能力可靠性) 功能从简单逻辑门到复杂系统 产量、价格、应用

制造技术 Si 和其他材料的开发 器件物理 电路和系统 ---
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术

1958-1967 SSI *平面工艺 1968-1977 LSI *离子注入掺杂 *多晶硅栅极 *局部硅氧化的器件隔离技术 *单晶管 DRAM by R. Denard (1968 patent) *微处理器( 1971, Intel)
莫尔定律——原始依据
Moore’s observation about silicon integration (cost, yield, and reliability) has fueled the worldwide technology revolution: (1) IC miniaturization down to nanoscale and (2) SoC based system integration.


小结
发展历程
莫尔定律
特征尺寸
发展趋势

场效应晶体管理论的建立


场效应晶体管理论 – 通过表面电荷调制半导体薄膜的电导 率 – (Phys. Rev. 74, 232,1948) 1956 Nobel 物理奖：Bardeen, Brattain and Shockley
晶体管制造工艺的摸索

1950-1956: 基本晶体管制造技术发展 ---从基于锗的器件转为硅衬底 ---从合金化制造 p/n结转变为扩散制备pn结 1950 扩散结(Hall, Dunlap; GE) 1952 结型场效应晶体管 ( Shockley; Bell Lab) 1954 第一个硅晶体管(TI：德州仪器）) 1955 扩散结和晶体管结合(Bell Lab)
IC Industry: “Make it big in a make-it-small business”! IC工业就是一个在做小中做大的生意
莫尔定律——特征尺寸

MOS尺寸缩小
莫尔定律——今后适用性？

全球最大代工厂商台积电是唯一一家具体公布20nm工艺量产时间的企业—— 预定2012年下半年量产
距离晶体管发明已经过去11年，why？
第1个在Si单片上实现的集成电路
第一个Si单片电路IC-“微芯片” by R. Noyce (Fairchild, IC 技术创始人之一)
IC制造工艺的进步

1958-1960 基本IC工艺和器件进一步
--- 氧化工艺(Atalla; bell Lab) --- PN结隔离(K. Levovec)
---1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild)
IC芯片中晶体管（脑细胞）数目
From SSI to VLSI/ULSI

晶体管数目 2-30 30-103 103-5 105-7 107-9 >109




小规模集成电路(SSI) 中规模集成电路 (MSI) 大规模集成电路 (LSI) 超大规模集成电路(VLSI: Very Large ) 甚大规模ULSI(Ultra Large) 极大规模SLSI(Super Large) 巨大规模(GSI: Gigantic/Giga)


1998- 2007 SoC/SLSI, 纳米尺度CMOS *Cu 和 Low-k 互连技术 *High-k 栅氧化物 *绝缘体上SOI, etc 2008-
IC快速发展源泉——材料与技术研发
• • • • 新材料 Copper Interconnects Silicon-OnInsulator (SOI) Low-k Silicon Germanium (SiGe) Strained Silicon
新制造方法
• • • • 300mm equipment Processing chemistries Alliances Advanced Process Control • Integrated metrology
器件、电路新原理
• System-on-Chip (SOC) • Magnetoresistive RAM • Double-gate Transistors • Carbon Nanotube Transistors • Biological and Molecular Selfassembly
芯片制造技术的发展趋势
MEMS技术和生物信息技术将成为 下一代半导体主流技术

MEMS技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实 现了微电子与机械融为一体的系统。 微电子与生物技术紧密结合的以 DNA 芯片等为代表的生物 工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增 长点。 采用微电子加工技术，在指甲盖大小的硅片上制作含有多达 10-20万种DNA基因片段的芯片。芯片可在极短的时间内检 测或发现遗传基因的变化。对遗传学研究、疾病诊断、疾病 治疗和预防、转基因工程等具有极其重要作用。
石墨烯—有望替代半导体

石墨烯——美国伦斯勒理工学
院成功在上生成带隙

用水就能变成半导体 石墨烯本身并没有带隙，只具 石墨烯
有金属一样的特性

石墨烯吸收了空气中的水分后， 在石墨烯上生成带隙。而且， 可通过调节温度、在0～0.2eV 的范围内自由设定带隙值。
10纳米以下的碳纳米管器件 10纳米以下的碳纳米管
莫尔定律——特征尺寸

集成电路的特征参数从1959年以来缩小了140倍 平均晶体管价格降低了107倍。 特征尺寸：10微米-1.0微米-0.8µ（亚微米 ）→ 半微米 0.5 µ→深亚微米 0.35µ, 0.25µ, 0.18µ, 0.13µ → 纳米 90 nm →65 nm → 45nm 32nm/2009 →28nm/2011 →22nm/2012

Intel创始人Gordon Moore
1965年提出 集成电路的集成度，每18-2
Gordon Moore, “Cramming More Components Onto Integrated Circuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.
莫尔定律的有效性——延续至今
莫尔定律的有效性——延续至今
莫尔定律——特征尺寸
集成度提高一倍，特征尺寸*0.7

特征尺寸是指器件中最小线条宽度,为技术水平 的标志 对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟 道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸 也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则） 缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能 / 价格比最有效手段之一
--- Al金属膜的蒸发制备
--- 平面工艺技术(J. Hoerni; Fairchild)

1959-63 MOS 器件与工艺
---1959 MOS 电容 (J. Moll; Stanford)
---1960-63 Si表面和MOS器件研究 (Sah, Deal, Grove…) ---1962 PMOS (Fairchild); NMOSFET (美国无线电公司)
第1个集成电路的发明
J. Kilby

Intel P4
4 千 2 百万个晶体管、 尺寸：224mm2
集成电路之父 2000 Nobel 物理奖 1958.9.12发明了第1 个IC“Solid Circuit”
第1个IC
锗衬底，台式结构、2个晶体管、2个电容、 8个电阻，黑蜡保护刻蚀，打线结合
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术


1978-1987 VLSI *精细光刻技术(电子束制备掩膜版) *等离子体和反应离子刻蚀技术 *磁控溅射制备薄膜 1988-1997 ULSI * 亚微米和深亚微米技术 * 深紫外光刻和图形技术
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术
芯片制造技术的发展趋势