哈工大微电子工艺1单晶硅.docx
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哈工大微电子工艺1单晶硅
哈工大微电子工艺
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微电子工艺
哈尔滨工业大学田丽
tianli@86413442
1
绪论
引言微电子工艺发展状况微电子工艺特点与用途本课程内容
2
1引言
早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。
他们最初的研究对像是一些在加热后电阻值会增加的元素和化合物。
这些物质有一共同点，当它们被光线照射时，会容许电流单向通过，可藉此控制电流的方向，称为光电导效应。
在无线电接收器中，负责侦测讯息的整流器，就是一种半导体电子仪器的例子。
到了1874年，电报机、电话和无线电相继发明，使电力在日常生活中所扮演的角色，不再单单是能源的一种，而是开始步入了信息传播的领域，成为传播讯息的一种媒介。
而电报机、电话以及无线电等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。
电子业的诞生。
电子业的诞生
3
基本器件的两个发展阶段
分立元件阶段（1905～1959）
真空电子管、半导体晶体管
集成电路阶段（1959～）
SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI
主要阶段概述产品以电子管为核心。
四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，第一代电子产品以电子管为核心。
四十年代末世界上诞生了第一只半导体三极管，它以小巧、轻便、省电、命长等特点，很快地被各国应用起来，以小巧、轻便、省电、寿命长等特点，很快地被各国应用起来，在很大范围内取代了电子五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，管。
五十年代末期，世界上出现了第一块集成电路，它把许多晶体管等电子元件集成在一块硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。
硅芯片上，使电子产品向更小型化发展。
集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。
方向发展。
4
什么是微电子工艺
微电子工艺，是指用半导体材料制作微电微电子工艺，子产品的方法、原理、技术。
子产品的方法、原理、技术。
不同产品的制作工艺不同，但可将制作工不同产品的制作工艺不同，艺分解为多个基本相同的小单元（工序），艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为单项工艺称为单项工艺不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。
序排列组合来实现的。
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微电子工业生产过程图
6
npn-Si双极型晶体管芯片工艺流程双极型晶体管芯片工艺流程硅外延平面工艺举例硅外延平面工艺举例举例
b
e
n+pn
c
n+
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2微电子工艺发展状况
诞生:
1947年12月在美国的贝尔实验室，发明年12月在美国的贝尔实验室，诞生月在美国的贝尔实验室了半导体点接触式晶体管，了半导体点接触式晶体管，采用的关键工艺技术是合金法制作pn结。
术是合金法制作结
In加热、加热、降温N-Ge合金法pn结示意图合金法结示意图pn结结
Ge
8
TheFirstTransistorfromBellLabs
PhotocourtesyofLucentTechnologiesBellLabsInnovations9
诞生
1958年在美国的德州仪器公司和仙年在美国的德州仪器公司和仙童公司各自研制出了集成电路，童公司各自研制出了集成电路，采用的工艺方法是硅平面工艺硅平面工艺。
用的工艺方法是硅平面工艺。
氧化SiO2Sipn结结光刻扩散掺杂
10
JackKilby’sFirstIntegratedCircuit
1959年2月，德克萨斯仪器公司（TI）工程师J.kilby申请第一个集成电路发明专利
利用台式法完成了用硅来实现晶体管、二极管、电阻和电容，并将其集成在一起的创举，?
台式法所有元件内部和外部都是靠细细的金属导线焊接相连。
PhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.
11
仙童（Fairchild）半导体公司
1959年7月，诺依斯提出：
可以用蒸发沉积金属的方法代替热焊接导线，这是解决元件相互连接的最好途径。
1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。
1969年，法院最后的判决下达，也从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明。
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发展
60年代的出现了外延技术，如：
n-Si/n+-Si，年代的出现了外延技术，年代的出现了外延技术，n-Si/p-Si。
一般双极电路或晶体管制作在外延。
层上。
层上。
70年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。
年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。
年代的离子注入技术IC的集成度提高得以实现。
的集成度提高得以实现。
的集成度提高得以实现新工艺，新技术，不断出现。
（等离子技术新工艺，新技术，不断出现。
（等离子技术。
（的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）
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戈登-摩尔提出摩尔定律
英特尔公司的联合创始人之一戈登-摩尔?
早在1965年，摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。
?
“摩尔定律”：
集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长。
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DROM集成度与工艺的进展集成度与工艺的进展
年代集成度最小线宽光刻技术1985年年1M1.251988年年4M0.81991年年16M0.6准分子电子束1994年1997年2000年年年年64M0.5电子束256M0.351G0.18
光学曝光
X射线射线电子束）（电子束）
摩尔定律：
每隔年集成度提高集成度提高4倍摩尔定律：
每隔3年IC集成度提高倍
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2002年1月：
英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22亿个周期运算。
它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有5500万个晶体管。
2002年8月13日：
英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。
这是业内首次在生产中采用应变硅。
2003年3月12日：
针对笔记本的英特尔·迅驰·移动技术平台诞生，包括了英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。
该处理器基于全新的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700万个晶体管。
2005年5月26日：
英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。
2006年7月18日：
英特尔安腾2双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含有17.2亿个晶体管。
该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。
2006年7月27日：
英特尔·酷睿?
2双核处理器诞生。
该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。
2007年1月8日：
为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65纳米制程英特尔·酷睿?
2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。
英特尔·酷睿?
2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。
2007年1月29日：
英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。
英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔酷睿?
2双核、英特尔酷睿?
2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关16“门”。
采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。
未来
电子产品发展趋势：
更小，更快，更冷电子产品发展趋势：
更小，更快，现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。
当前，现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。
当前，光刻工艺线宽已达0.045微米。
由于量子尺寸效应，0.045微米工艺线宽已达0.045微米。
由于量子尺寸效应，集成电路线宽的物理极限约为0.035微米，35纳米0.035微米纳米。
宽的物理极限约为0.035微米，即35纳米。
另外，另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一步小型化的重要因素。
要因素。
微电子业的发展面临转折。
上世纪九十年代纳电子技术出现，微电子业的发展面临转折。
上世纪九十年代纳电子技术出现，并越来越受到关注。
并越来越受到关注。
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微/纳电子技术纳电子技术
1990年代以来，纳米科技高速发展，微电子技术是年代以来，纳米科技高速发展，年代以来主要推动力。
主要推动力。
基于纳电子学分子电子学的纳分子器件，电子学、基于纳电子学、分子电子学的纳分子器件，纳固态电子器件等也获得了飞速发展：
单电子晶体管、电子器件等也获得了飞速发展：
单电子晶体管、分子开关等纳电子器件和简单电路都已出现。
子开关等纳电子器件和简单电路都已出现。
采用的工艺除一些先进的IC工艺工艺，采用的工艺除一些先进的工艺，如MBE，电子束，光刻外，还有自组装等纳米技术。
光刻外，还有自组装等纳米技术。
电子技术的发展真空电子技术微电子技术微/纳电子技术纳电子技术
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纳米电子技术
纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子纳米尺度空间内研究电子、纳米电子学主要在纳米尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，研究纳米尺度空间内的纳米膜、纳米线，子运动规律和特性，研究纳米尺度空间内的纳米膜、纳米线，纳米点和纳米点阵构成的基于量子特性的纳米电子器件的电子学功能、特性以及加工组装技术。
学功能、特性以及加工组装技术。
?
其性能涉及放大、振荡、脉冲技术、运算处理和读写等基本其性能涉及放大、其性能涉及放大振荡、脉冲技术、问题。
问题。
从微电子技术到纳米电子器件将是电子器件发展的第二次变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，变革，与从真空管到晶体管的第一次变革相比，它含有更深刻的理论意义和丰富的科技内容。
在这次变革中，的理论意义和丰富的科技内容。
在这次变革中，传统理论将不再适用，需要发展新的理论，并探索出相应的材料和技术。
再适用，需要发展新的理论，并探索出相应的材料和技术。
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3微电子工艺特点及用途
设备先进，技术先进。
高技术含量设备先进，技术先进。
光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，高精度光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，述尺度之上。
述尺度之上。
指所用材料方面，如衬底材料Si、单晶纯超纯指所用材料方面，如衬底材料、Ge单晶纯度达11个。
度达个9。
环境、操作者、工艺三方面的超净，超净环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净ULSI在级超净室制作，室，ULSI在100级超净室制作，超净台达级。
级超净室制作超净台达10级大批量，图形转移技术使之得以实现。
大批量，低成本图形转移技术使之得以实现。
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微电子技术的三个发展方向
21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向
特征尺寸继续等比例缩小集成电路（
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