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时间:2020-10-01
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1、集成电路及微机械加工技术-----半导体集成电路工艺基础张正元提纲一、概论二、工艺流程实例(图解)三、基本单项工艺技术1、扩散-掺杂2、离子注入-掺杂3、氧化-薄膜生长4、CVD-薄膜生长7、金属化(PVD)-薄膜,互连5、光刻-图形转移6、刻蚀-形成图形8、清洗四、工艺集成开发集成电路制造工艺的技术性和实用性强,涉及面广,发展依赖于基础材料、器件物理、工艺原理、电子光学、离子光学、电子计算机技术、超净和超纯技术、真空技术、自动控制、精密机械、冶金化工等方面的新成果。一、概论(一)、集成电路工艺技术的发展规律Intel公司创始人摩
2、尔于1975年总结出IC工业发展的一个重要规律,即摩尔定律:IC的集成度将每年翻一番。1980年摩尔定律被修改为:IC的集成度每1.5年翻一番,即每3年乘以4。IC发展的另一些规律为:建立一个芯片厂的造价也是每3年乘以4。线条宽度每4~6年下降一半。芯片上每个器件的价格每年下降30%~40%。晶片直径的变化:60年:0.5英寸,65年:1英寸,70年:2英寸,75年:3英寸,80年:4英寸,90年:6英寸,95年:8英寸(200mm),2000年:12英寸(300mm)。(二)、集成电路的发展展望目标:集成度、可靠性、速度、功耗、
3、成本。努力方向:线宽、晶片直径、设计技术。199219951998200120042007比特/芯片16M64M256M1G4G16G特征尺寸(μm)0.50.350.250.180.120.07晶片直径(mm)200200200~400200~400200~400200~400美国1992~2007年半导体技术发展规划美国1997~2012年半导体技术发展规划1997199920012003200620092012比特/芯片256M1G4G16G64G256G特征尺寸(μm)0.250.180.150.130.10.070.05
4、晶片直径(mm)200300300300300450450世界硅微电子技术发展的预测200020102020集成度1G64G256G特征尺寸(μm)0.180.10~0.070.05~0.01晶片直径(mm)300400450可以看出,专家们认为,至少在未来10年内,IC的发展仍将遵循摩尔定律,即集成度每3年乘以4,而线宽则是每6年下降一半。硅技术过去一直是,而且在未来的一段时期内也还将是微电子技术的主体。目前硅器件与集成电路占了3000多亿美圆的半导体市场的95%以上。二、工艺流程实例1、以工艺分:双极(Bipolar),互补双
5、极(ComplementaryBipolar)MOS(硅/铝栅,自/非自对准CMOS,VDMOS)BiCMOS(BiCMOS,CBiCMOS)、BCD2、以隔离技术分:PN结隔离、LOCOS、深/浅槽隔离、SOI隔离3、以材料分:体硅,SiGe,AsGa,SOI(衬底)等4、以应用分:模拟IC、数字IC、混合信号IC、RF、微波IC等常见单片IC工艺流程硅栅非自对准CMOS工艺流程PWELL光刻场氧化衬底硅片N-PWELL推进硼注入注入预氧漂光注入预氧PSD光刻N-NSD磷注入NSD光刻PSD硼注入LTOACTIVE光刻栅氧化N-
6、刻蚀PolyPoly掺杂Poly淀积LTOLCONT光刻溅射MET1N-P-N+N+P+P+MET1光刻掺杂工程:热扩散、离子注入/退火、中子嬗变等薄膜制备:包括氧化、蒸发、CVD、溅射(PVD)等图形的转移与形成:包括光刻、刻蚀等工艺三、基本单项工艺技术§1.1概述扩散是将一定数量和一定种类的杂质掺入到硅片或其它晶体中,以改变其电学性质,并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。这是一种基本而重要的半导体技术。扩散工艺用于形成双极器件中的基区、发射区和集电区、MOS器件中的源区与漏区,扩散电阻、互连引线以及多晶硅掺杂等。浓度的差别
7、越大,扩散越快;温度越高,扩散也越快。1、扩散掺杂间隙式杂质(杂质原子半径较小)替位式杂质(杂质原子与本体原子电子壳层和价电子数接近,半径大小相当)§1.2扩散机构半径较小的杂质原子从半导体晶格的间隙中挤进去,即所谓“间隙式”扩散;半径较大的杂质原子代替半导体原子而占据格点的位置,再依靠周围空的格点(即空位)来进行扩散,即所谓“替位式”扩散。对硅而言,Au、Ag、Cu、Fe、Ni等半径较小的杂质原子按间隙式扩散,而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等半径较大的杂质原子则按替位式扩散,间隙式扩散的速度比替位式扩散的速度快得多。§1
8、.3扩散系数与扩散方程(一)、费克第一定律——扩散定律一维情况下,单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数——即扩散流密度jp(x,t)与粒子的浓度梯度成正比。扩散系数D与温度T(K)之间有如下指数关系:D=D∞e—ΔE/kT(二)、费克第二定律——
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