1、微電子技術基礎微電子技術基礎西南科技大學理學院劉德雄Email:Phone么叫微電子技術？微電子技術是建立在以集成電路為核心的各種半導體器件基礎上的高新電子技術。n特點是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快，微電子技術對信息時代具有巨大的影響。2022-6-14西南科技大學2微電子技術產品2022-6-14西南科技大學3液晶電視主板傳統(tǒng)彩電主板微電子技術產品2022-6-14西南科技大學4耐高溫芯片Itanium2-a 處理器芯片2022-6-14西南科技大學5主要內容n一、微電子技術發(fā)展歷史n二、微電子技術發(fā)展的規(guī)律與趨勢n三、器件與集成電路制造工藝簡介n四、本課程

2、的主要內容第一章 概 述一、微電子技術發(fā)展歷史一些關鍵的半導體、微電子技術（工藝）1918年 柴可拉斯基晶體生長技術-CZ法/直拉法，Czochralski, Si單晶生長2022-6-14西南科技大學72022-6-14西南科技大學82022-6-14西南科技大學9一、微電子技術發(fā)展歷史n1925年 布里吉曼晶體生長技術，Bridgman， GaAs及化合物半導體晶體生長n1947年 第一只晶體管(鍺材料)（點接觸式）， Bardeen、Brattain及Shockley，三人 同獲1956年諾貝爾物理獎 2022-6-14西南科技大學10一、微電子技術發(fā)展歷史肖克利( William Sh

3、ockley) 19101989巴丁(John Bardeen) 19081991 布拉坦(Walter Brattain) 19021987 貝爾實驗室簡介2022-6-14西南科技大學11貝爾電話實驗室或貝爾實驗室，最初是貝爾系統(tǒng)內從事包括電話交換機，電話電纜，半導體等電信相關技術的研究開發(fā)機構。貝爾實驗室是公認的當今通信界最具創(chuàng)造性的研發(fā)機構，在全球擁有10000多名科學家和工程師，為朗訊科技公司及朗訊客戶提供高技術的服務與支持。 1925年1月1日，當時朗訊總裁，華特基佛德（Walter Gifford）收購了西方電子公司的研究部門，成立一個叫做“貝爾電話實驗室公司”的獨立實體，后改稱

4、貝爾實驗室。兩項信息時代的重要發(fā)明-晶體管和信息論都是貝爾實驗室在40年代研究出來的。貝爾實驗室在50和60年代的重大發(fā)明有太陽能電池，激光的理論和通信衛(wèi)星。2022-6-14西南科技大學12一、微電子技術發(fā)展歷史2022-6-14西南科技大學13一、微電子技術發(fā)展歷史n1949 pn結,Shockleyn1952 -族化合物半導體,Welkern1952 擴散 ，高溫深結n1954 第一個硅晶體管，Teal,貝爾實驗室n1957 光刻膠,Andrus，光刻成本占35%n1957 氧化物掩蔽層，Frosch和Derrick,可阻止大部 分雜質的擴散 2022-6-14西南科技大學14一、微電子

5、技術發(fā)展歷史n1957 CVD（化學氣相淀積）外延晶體生長技術薄膜 ， Sheftal、Kokorish及Krasilov, 改善器件 性能、制造新穎器件 1957 異質結雙極晶體管（HBT）,Kroemer（2000年諾 貝爾物理獎） n1958 離子注入,Shockley，低溫淺結、精確控制摻雜 數目n1958 第一個（混合）集成電路,Kilby（2000年 諾貝爾物理獎）,由Ge單晶制作：1個BJT、3個電 阻、1個電容 2022-6-14西南科技大學15一、微電子技術發(fā)展歷史世界上第一個集成電路2022-6-14西南科技大學16一、微電子技術發(fā)展歷史n1959 第一個單片集成電路, N

6、oyce （2000年 諾貝爾物理獎）,6個器件的觸發(fā)器n1960 平面化工藝，SiO2層（光刻）窗口（擴散） pn結n1960 第一個MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應晶體 管)，Kahang及Atalla,n1963 CMOS(互補型金屬-氧化物-半導體場效應晶體 管)，Wanlass及薩支唐，邏輯電路n1967 DRAM(動態(tài)隨機存儲器)，Dennardn1969 多晶硅自對準柵極，Kerwin，有效降低寄生效應2022-6-14西南科技大學17一、微電子技術發(fā)展歷史n1969 MOCVD（金屬有機化學氣相淀積），Manasevit 及Simpson，GaAs外延 n1971 干法

7、刻蝕，Irving，CF4-O2，各向異性好n1971 分子束外延（MBE），極薄薄膜（原子級）、精 確控制n1971 微處理器（Intel4004,3mmX4mm，含2300 個MOS管，10m工藝），Hoff，2022-6-14西南科技大學18一、微電子技術發(fā)展歷史2022-6-14西南科技大學19一、微電子技術發(fā)展歷史 1989 化學機械拋光，Davari，各層介電層全面平坦化 （的關鍵） n1993 銅布線，鋁在大電流下有嚴重的電遷移現象n1999年的 0.18微米工藝、2001年的0.13微米、2003年的90納米（0.09微米），2005年的65納米（0.065微米）， 2009年

8、的32納米n1960s的25mm(1 英寸）， 1970s的51mm(2英寸）， 1980s的100mm(4英寸）， 1990s的200 mm(8英寸），2000的 300mm(12英寸），現在400mm (16英寸)2022-6-14西南科技大學20二、微電子技術發(fā)展的規(guī)律與趨勢2022-6-14西南科技大學212022-6-14西南科技大學222022-6-14西南科技大學232022-6-14西南科技大學242022-6-14西南科技大學252022-6-14西南科技大學26Moore定律定律 性能價格比性能價格比 在過去的在過去的20年中，改進年中，改進了了1,000,000倍倍 在今

9、后的在今后的20年中，還將年中，還將改進改進1,000,000倍倍 很可能還將持續(xù)很可能還將持續(xù) 40年年2022-6-14西南科技大學27等比例縮小等比例縮小(Scaling-down)定律定律2022-6-14西南科技大學28等比例縮小等比例縮小(Scaling-down)定律定律1974年由年由Dennard基本指導思想是：保持基本指導思想是：保持MOS器件器件內部電場不變：內部電場不變：恒定電場規(guī)律，恒定電場規(guī)律，簡稱簡稱CE律律等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導和減少負載電容，提高以增加跨導和減少負載電容，提高集成電路的性能集成電路的性能電源電

10、壓也要縮小相同的倍數電源電壓也要縮小相同的倍數2022-6-14西南科技大學29漏源電流方程：漏源電流方程：由于由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均縮小了均縮小了 倍，倍，Cox增大了增大了 倍，因此，倍，因此，IDS縮小縮小 倍。門延遲時間倍。門延遲時間tpd為：為：其中其中VDS、IDS、CL均縮小了均縮小了 倍，所以倍，所以tpd也縮小也縮小了了 倍。標志集成電路性能的功耗延遲積倍。標志集成電路性能的功耗延遲積PW tpd則縮小了則縮小了 3倍。倍。ICWLVVVVdsoxsGSTHDSDS2oxoxoxtC0tVCIpdDSLDSoxLWLCC2022-6-14西南科技大學

11、30參數參數 CE(恒場恒場)律律 CV(恒壓恒壓)律律 QCE(準恒場準恒場)律律 器件尺寸器件尺寸L, W, tox等等 1/ 1/ 1/ 電源電壓電源電壓 1/ 1 / 摻雜濃度摻雜濃度 2 閾值電壓閾值電壓 1/ 1 / 電流電流 1/ 2/ 負載電容負載電容 1/ 1/ 1/ 電場強度電場強度 1 門延遲時間門延遲時間 1/ 1/ 2 1/ 功耗功耗 1/ 2 3/ 2 功耗密度功耗密度 1 3 3 功耗延遲積功耗延遲積 1/ 3 1/ 2/ 3 柵電容柵電容 面積面積 1/ 2 1/ 2 1/ 2 集成密集成密度度 2 2 2 2022-6-14西南科技大學31微電子技術的微電子技

12、術的三個發(fā)展方向三個發(fā)展方向2022-6-14西南科技大學322022-6-14西南科技大學332022-6-14西南科技大學342022-6-14西南科技大學35第二個關鍵技術：互連技術第二個關鍵技術：互連技術銅互連已在銅互連已在0.25/0.18um技術代中使用；技術代中使用；但是在但是在0.13um以后，銅互連與低介電常以后，銅互連與低介電常數絕緣材料共同使用時的可靠性問題還數絕緣材料共同使用時的可靠性問題還有待研究開發(fā)有待研究開發(fā)微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小2022-6-14西南科技大學36互連技術與器件特征尺寸的縮小互連技術與器件特征尺寸的縮小（資料來源：

13、（資料來源：Solidstate Technology Oct.,1998）2022-6-14西南科技大學37第三個關鍵技術第三個關鍵技術新型器件結構新型器件結構新型材料體系新型材料體系高高K介質介質金屬柵電極金屬柵電極低低K介質介質SOI材料材料微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小2022-6-14西南科技大學38SOI(Silicon-On-Insulator: 絕緣襯底上的硅絕緣襯底上的硅)技術技術2022-6-14西南科技大學39SOI技術：優(yōu)點技術：優(yōu)點完全實現了介質隔離完全實現了介質隔離, , 徹底消除了體徹底消除了體硅硅CMOSCMOS集成電路中的寄生閂鎖效應

14、集成電路中的寄生閂鎖效應速度高速度高集成密度高集成密度高工藝簡單工藝簡單減小了熱載流子效應減小了熱載流子效應短溝道效應小短溝道效應小, ,特別適合于小尺寸器件特別適合于小尺寸器件體效應小、寄生電容小，特別適合于體效應小、寄生電容小，特別適合于低壓器件低壓器件2022-6-14西南科技大學40SOISOI材料價格高材料價格高襯底浮置襯底浮置表層硅膜質量及其界面質量表層硅膜質量及其界面質量SOI技術：缺點技術：缺點2022-6-14西南科技大學41三、器件與集成電路制造工藝簡介 n硅外延平面晶體管制造工藝 3DK3 NPN型開關管2022-6-14西南科技大學42工藝流程-前工序n襯底制備（=10

15、-3cm，N+,400m）n外延（N, =0.3-0.5cm，1-10m）n基區(qū)氧化/一次氧化（光刻掩蔽膜/鈍化表面， 500-600nm）n基區(qū)光刻（刻出基區(qū)擴散窗口）n硼預淀積（擴散足夠的B雜質，N型）n減薄蒸金（減到200-250m；減?。罕苊獗趁鍮擴 散到內部/利于劃片；蒸金：金擴散雜質源，）2022-6-14西南科技大學43工藝流程-前工序n硼再分布（再分布/二次氧化/金擴散。再分布：控制 結深與表面濃度；金擴散:減少集電區(qū)少子壽命，縮 短開關管底存儲時間，提高開關速度。）n刻發(fā)射區(qū)/二次光刻（刻出發(fā)射區(qū)窗口）n磷預淀積（形成發(fā)射區(qū)：=30-40，BVceo8V, BVcbo7V。）

16、n磷再分布（再分布/三次氧化；再分布：達到設計要 求，如=50-60；三次氧化：光刻引線孔的掩蔽膜， 200-300nm。）2022-6-14西南科技大學44工藝流程-前工序n刻引線孔/三次光刻（刻出基區(qū)、發(fā)射區(qū)的電極引線接觸窗口。）n蒸鋁（真空蒸高純Al）n鋁反刻/四次光刻（刻蝕掉電極引線以外的鋁層，用三次光刻的反版）n合金（550-580，形成Al-Si歐姆接觸。）2022-6-14西南科技大學45工藝流程-前工序n初測（測、BV，不合格作記號。）n劃片（用金剛刀，激光）n燒結（用銀漿將管芯固定在管殼底座上，使集電極與底座金屬板及集電極管腳相連，并形成歐姆接觸。）n鍵合（用金絲/硅鋁絲將發(fā)

17、射極、基極與底座上相應的管腳相連接。）2022-6-14西南科技大學46工藝流程-后工序n中測（檢查劃片、壓片、燒結、鍵合工序的質量 n封帽（管殼的材料、形狀及質量對性能影響極 大）n（21）工藝篩選（高溫老化、功率老化、高低溫循 環(huán)實驗）n（22）總測（全面測試、等級分類）（23）打印 包裝、入庫。 2022-6-14西南科技大學47輔助工序：n超凈廠房技術n超純水、高純氣體制備技術n光刻掩膜版制備技術n材料準備技術2022-6-14西南科技大學48PN結隔離雙極型集成電路制造工藝 工藝流程n襯底制備（=8-13cm，P型,（111）晶面，300 400m）n埋層氧化（埋層擴散的掩蔽膜，1-

18、1.5m；埋層作用 降低集電極串聯電阻）n埋層光刻（刻埋層擴散區(qū)窗口）n埋層擴散（N+,R20/）n外延（N型Si，=0.3-0.5cm，8-10m）n隔離氧化（隔離擴散的掩蔽膜，0.6-1m）2022-6-14西南科技大學49 工藝流程n隔離光刻（刻隔離墻擴散窗口）n隔離擴散（形成P+型隔離墻：P+擴散要穿透外延層 與P-Si襯底連通，將N型外延層分割成若 干獨立得“島”；兩步擴散） n(9)背面蒸金（真空蒸高純金）n(10)基區(qū)氧化（基區(qū)擴散掩蔽膜：0.5-0.8m；金擴散：提高開關速度，消除從P型擴散區(qū)到襯底 的P-N-P晶體管效應）2022-6-14西南科技大學50工藝流程n基區(qū)光刻（

19、刻出基區(qū)及各擴散電阻的窗口）n基區(qū)擴散（預淀積硼；硼再分布/氧化，氧化：發(fā)射區(qū)磷擴散的掩蔽膜，0.5-0.6m；）n發(fā)射區(qū)光刻（刻出發(fā)射區(qū)、集電區(qū)窗口）n發(fā)射區(qū)擴散（磷預淀積；再分布/三次氧化）n刻引線孔（刻出電極引線歐姆接觸窗口）n蒸鋁（真空蒸高純Al）n鋁反刻（刻蝕掉電極引線以外的鋁層）2022-6-14西南科技大學51工藝流程n（18）初測n（19）劃片 n（20）燒結n（21）鍵合n（22）中測n（23）封帽n（24）工藝篩選n（25）總測n（26）打印、包裝、入庫。2022-6-14西南科技大學52集成電路的特有工藝 a隔離擴散n目的：形成穿透外延層的P+（N+）隔離墻,將外延層分割成若干彼此獨立的隔離“島”。電路中相互需要隔離的晶體管和電阻等元件分別做在不同的隔離島上。n工作時：P+接低電壓（接地），N型隔離島接高電壓。n元件間的隔離：兩個背靠背的反向PN結-PN結隔離。2022-6-14西南科