【正文】 亞微米級工藝 ?依賴工藝 ?基于標(biāo)準(zhǔn)單元互連 ?主流 CAD:門陣列 標(biāo)準(zhǔn)單元 集成電路芯片 2022年 5月 25日 139 世紀(jì)之交的系統(tǒng)設(shè)計 SYSTEMONACHIP ?深亞微米、超深亞 微米級工藝 ?基于 IP復(fù)用 ?主流 CAD：軟硬件協(xié) 同設(shè)計 MEMORY Cache/SRAM or even DRAM Processor Core DSP Processor Core Graphics MPEG VRAM Motion Encryption/ Decryption SCSI EISA Interface Glue Glue PCI Interface I/O Interface LAN Interface 功能描述 結(jié)構(gòu)設(shè)計 物理設(shè)計 2022年 5月 25日 140 現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)替代 專用集成電路（ ASIC） 用可編程邏輯技術(shù)把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上 ， 稱作 SOPC。而平均晶體管價格降低了 107倍。 在國際分工中我們將只能處于低附加值的低端上。 大規(guī)模集成技術(shù)： 可在 14cm2的面積上制作出 140億個具有同樣功能的器件，每個器件的長度約為 15 μm，消耗能量 pJ ，工作壽命可達(dá) 10億小時。 ?濺射鍍膜（主要是二級濺射）的缺點是： 濺射設(shè)備復(fù)雜、需要高壓裝置；濺射淀積的成膜速度低，真空蒸鍍淀積速率為 ～ 5μm/min，而濺射速率則為 ～。 2022年 5月 25日 119 ? 濺射鍍膜的特點（與真空蒸發(fā)鍍膜相比）： ? 任何物質(zhì)均可以濺射，尤其是高熔點、低蒸氣壓元素和化合物。只要 調(diào)節(jié)時間 就可以得到所需厚度 。 即蒸發(fā)材料 從蒸發(fā)源開始的蒸發(fā) （ 2）蒸發(fā)物質(zhì)在源－基間的傳 輸過程 。 但實際工藝制造出的接觸，既不會是完全的的歐姆接觸，也不會是完全的整流接觸 。 2022年 5月 25日 113 半導(dǎo)體與金屬線間的接觸分為兩類 半導(dǎo)體與金屬線間的接觸分為 兩類 ： 歐姆接觸和肖特基接觸 。 2022年 5月 25日 108 濕法氧化 濕法氧化 指的是在高溫下，硅與高純水產(chǎn)生的蒸汽發(fā)生如下反應(yīng)： Si（固體）+2H2O→ SiO2（固體） +2H2，生成 SiO2。 激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運動到晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子，起到雜質(zhì)的作用 消除損傷 退火方式： 爐退火 快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源 (如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等 ) 2022年 5月 25日 105 絕緣層形成工藝 ?絕緣層形成工藝 包括： 干法氧化 濕法氧化 2022年 5月 25日 106 干法氧化 利用熱氧化制作 SiO2時，硅片置于通有氧氣的高溫環(huán)境內(nèi)，通過到達(dá)硅表面的氧原子與硅的作用，發(fā)生 Si（固體） +O2→ SiO2（固體）反應(yīng)，形成 SiO2。 電子 中性分子 活性粒子 離子 + 電子 CONFIDENTIAL 2022年 5月 25日 94 干法刻蝕的優(yōu)點 能精確控制刻蝕尺寸 能控制刻蝕形狀（各向同性 ~各向異性） 各向同性 各向異性 PR SiO2 Si CONFIDENTIAL 2022年 5月 25日 95 干法刻蝕的缺點 選擇比低 可能發(fā)生離子沖擊、和充電等缺陷 + + + + + + + + PR BPSG Si 缺陷層 （結(jié)晶缺陷、污染物質(zhì)注入） 離子沖擊缺陷 離子 PR Si Gate SiO2 絕緣破壞 Poly 充電缺陷 CONFIDENTIAL 2022年 5月 25日 96 摻雜工藝：擴散、離子注入 磷 (P)、 砷 (As) —— N型硅 硼 (B) —— P型硅 擴散與離子注入 摻雜 ： 基本思想就是通過某種技術(shù)措施，將一定濃度的 三價元素 （如硼、銻）或 五價元素 （如磷、砷等）摻入半導(dǎo)體襯底。 2022年 5月 25日 91 ？ 簡而言之，干法刻蝕就是利用等離子體對硅片上形成的各種膜進(jìn)行加工以得到所需圖形的技術(shù)。 負(fù)膠 ： 分辨率差 ， 適于加工線寬 ≥3?m的線條 2022年 5月 25日 88 圖形轉(zhuǎn)換：光刻 正膠：曝光后可溶。 光刻對集成電路圖形結(jié)構(gòu)的形成，如各層薄膜的圖形及摻雜區(qū)域等，均 起著決定性的作用 。 （ 4） 電子束掃描法 (EBeam Scanning) 現(xiàn)在 ， 裝備先進(jìn)的掩模公司 、 實驗室 、 半導(dǎo)體制造廠都采用 電子束來制作掩模 。每個矩形條用 5個參數(shù) 進(jìn)行描述： （ X， Y， A， W， H） XYWHAxy燈室快門氙燈光導(dǎo)管槽，可控 W , H 矩形孔徑物鏡初縮版馬達(dá)XY 工作臺激光干涉儀精密量具將這些數(shù)據(jù)按一定格式錄在磁帶上，用來控制制版裝置而制得 初縮版 。稱為 初縮 。 在 接觸式曝光方法 中，掩模和晶圓尺寸相同，不過晶圓是圓的，掩模是方的。 (2)在計算機及輔助設(shè)計軟件中設(shè)計的集成電路版圖要送到工藝線上生產(chǎn)時，必須要經(jīng)過一個 重要的 中間環(huán)節(jié) ： 制版 。 是一種冷壁工藝 ， 只要將襯底控制在一定溫度就可以了 . 化合物半導(dǎo)體： GaAs、 GaN等 分子束外延生長（ MBE： Molecular Beam Epitaxy） 生長厚度有原子級精度 。 ? 外延層中的雜質(zhì)濃度可以通過控制反應(yīng)氣流中的雜質(zhì)含量加以調(diào)節(jié)，而不依賴于襯底中的雜質(zhì)種類與摻雜水平。 樣圖如右。 2022年 1月推出的 Pentium 4處理器，其整合5500萬個晶體管，采用 工藝生產(chǎn) 2022年 5月 25日 55 1990‘ S ULSI DEC的 Alpha CPU芯片 第 5代微機，主要應(yīng)用服務(wù)器、工作站。 Instrument Corp The First IC Made with ComputerAided DesignMicromosaic 第一個 CAD的 IC. 2022年 5月 25日 48 1970 Intel The First 1,024Bit (1K) Dynamic RAM The 1103 第一個 1K的動態(tài) RAM. 2022年 5月 25日 49 1971 Intel The First Microprocessor The 4004(第一個微處理器 ) ?開創(chuàng)了一個全新的 計算機時代 霍夫： 2300個晶體管 只有 45條指令，每秒 能執(zhí)行 5萬條指令。 Instrument Corp Resistor Transistor Logic (The 907) 第一個帶電阻的 邏輯電路 . 2022年 5月 25日 46 1964 Fairchild Camera amp。 Instrument Corp The Planar Process The Most Efficient Way to Make a Transistor 一個用新工藝制作的 晶體管 . 8位工程師創(chuàng)建仙童：赫爾尼 平面工藝。 硅晶體管的總體性能大大高于鍺晶體管。 漂移運動 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 2022年 5月 25日 32 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － ＋ ＋＋ ＋＋ ＋＋ ＋－－－－－－－－ 多數(shù)載流子的擴散運動與少數(shù)載流子的漂移運 動達(dá)到動態(tài)平衡 —— 平衡的 PN 結(jié)。 內(nèi)電場越強，少數(shù)載流子的運動越易于進(jìn)行。 值得注意的是，當(dāng)兩種雜質(zhì)的含量均較高且濃度基本相同時，材料容易被誤認(rèn)為是 “ 高純半導(dǎo)體 ” ，實際上，過多的雜質(zhì)含量會使半導(dǎo)體的性能變差，不能用于制造器件。故稱之為 “ 淺能級雜質(zhì) ” ，在室溫幾乎全部電離。 稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為 P 型半導(dǎo)體。 稱這種雜質(zhì)半導(dǎo)體為 N 型半導(dǎo)體。 →導(dǎo)電能力 ? 。 溫度（或光照） ? → 價電子獲得能量 自由電子和空穴均參與導(dǎo)電， 統(tǒng)稱為載流子。 1947年 12月 23日 ， 第一次觀測到了具有放大作用的晶體管 2022年 5月 25日 21 1947 – Bell Labs The PointContact Transistor J. Bardeen和 W. Brattain發(fā)明第一個點接觸型晶體管。 ?光生伏特效應(yīng) :在 P型， N型半導(dǎo)體接觸面處會形成一個阻擋層。（ MCMC、 MCMD） 厚膜集成電路：用絲網(wǎng)印刷方法涂敷漿料，形成電阻、互連線等 薄膜集成電路：用蒸發(fā)、濺射方法 2022年 5月 25日 12 按器件結(jié)構(gòu)類型分類 按有源器件結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)分類 雙極集成電路 ：主要由雙極晶體管構(gòu)成 NPN型雙極集成電路 PNP型雙極集成電路 金屬 氧化物 半導(dǎo)體 (MOS)集成電路 ：主要由 MOS晶體管 (單極晶體管 )構(gòu)成 NMOS PMOS CMOS(互補 MOS) 雙極 MOS(BiMOS)集成電路 ：同時包括雙極和MOS晶體管的集成電路為 BiMOS集成電路，綜合了雙極和 MOS器件兩者的優(yōu)點，但制作工藝復(fù)雜 優(yōu)點是速度高、驅(qū)動能力強， 缺點是功耗較大、集成度較低 功耗低、集成度高，隨著特征 尺寸的縮小，速度也可以很高 2022年 5月 25日 13 集成電路的市場分布 2022年 5月 25日 14 按集成電路規(guī)模分類 小規(guī)模集成電路 (Small Scale IC， SSI) 中規(guī)模集成電路 (Medium Scale IC， MSI) 大規(guī)模集成電路 (Large Scale IC， LSI) 超大規(guī)模集成電路 (Very Large Scale IC， VLSI) 特大規(guī)模集成電路 (Ultra Large Scale IC， ULSI) 巨大規(guī)模集成電路(Gigantic Scale IC，GSI) 2022年 5月 25日 15 按電路功能分類 數(shù)字集成電路 (Digital IC)： 它是指處理數(shù)字信號的集成電路，即采用二進(jìn)制方式進(jìn)行數(shù)字計算和邏輯函數(shù)運算的一類集成電路 模擬集成電路 (Analog IC)： 它是指處理模擬信號(連續(xù)變化的信號 )的集成電路（在測量、通信、家電等方面有廣泛應(yīng)用） 線性集成電路：又叫做放大集成電路，如運算放大器、電壓比較器、跟隨器等 非線性集成電路：如振蕩器、定時器等電路 數(shù)?；旌霞呻娐?(Digital Analog IC) ： 例如數(shù)模 (D/A)轉(zhuǎn)換器和模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換器等 2022年 5月 25日 16 集成電路的分類 集成電路的分類 2022年 5月 25日 17 微電子技術(shù)的發(fā)展歷史 2022年 5月 25日 18 從真空到固體 1905年 – 發(fā)明第一個真空電子管 (控制電子在真空中的運動規(guī)律和特性 )。 第二章 信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施 2022年 5月 25日 2 內(nèi)容 第一部分：微電子技術(shù) 第二部分：計算機技術(shù) 2022