1、1第一章第一章 概述概述 一、集成電路的發展歷程一、集成電路的發展歷程 集成電路的由來集成電路的由來 摩爾定律之路摩爾定律之路二、集成電路的分類二、集成電路的分類 按器件導電類型分類按器件導電類型分類 按器件功能分類按器件功能分類三、集成電路工藝基礎三、集成電路工藝基礎 集成電路的材料集成電路的材料 集成電路工藝基礎集成電路工藝基礎四、集成電路的生產環境四、集成電路的生產環境2集成電路集成電路 集成電路，就是在一塊半導體單晶片上，通過一系列集成電路，就是在一塊半導體單晶片上，通過一系列特定的加工工藝，制作出許多晶體管、二極管等有源器件特定的加工工藝，制作出許多晶體管、二極管等有源器件和電阻、電

2、容等無源器件，并按照一定的電路互連關系和電阻、電容等無源器件，并按照一定的電路互連關系“組裝組裝”起來，封裝在一個外殼內，執行特定的電路或系起來，封裝在一個外殼內，執行特定的電路或系統功能。這種新型電子器件在體積、重量、耗電、壽命、統功能。這種新型電子器件在體積、重量、耗電、壽命、可靠性和電性能等方面均優于傳統的半導體分立元件電路。可靠性和電性能等方面均優于傳統的半導體分立元件電路。3 1958年，以美國德克薩斯儀器公司的年，以美國德克薩斯儀器公司的Kilby為首的研為首的研究小組研制成第一個集成電路。究小組研制成第一個集成電路。4摩爾定律摩爾定律 1965年，年，Intel公司的摩爾（公司的

3、摩爾（Moore）通過對過去近）通過對過去近十年集成電路發展的總結，提出了著名的摩爾定律，即集成十年集成電路發展的總結，提出了著名的摩爾定律，即集成電路芯片的集成度每電路芯片的集成度每18個月就會擴大一倍，特征尺寸縮小個月就會擴大一倍，特征尺寸縮小 倍，價格每兩年下降一半。倍，價格每兩年下降一半。 25集成電路的發展趨勢集成電路的發展趨勢 特征尺寸越來越小；特征尺寸越來越小； 晶圓尺寸越來越大；晶圓尺寸越來越大； 芯片上的晶體管數越來越多；芯片上的晶體管數越來越多； 時鐘頻率越來越高；時鐘頻率越來越高； 電源電壓越來越低；電源電壓越來越低； 布線層數越來越多；布線層數越來越多； 輸入輸入/輸出

4、（輸出（I/O）引腳越來越多。）引腳越來越多。6 發展階段發展階段主要特征主要特征199019971999200120032006晶體管數晶體管數/芯片芯片10610711106211064010676106200106線寬（線寬（m）10.250.180.150.130.1時鐘頻率（時鐘頻率（MHz）757501200140016002000芯片面積（芯片面積（mm2）50100300385430520620金屬布線層次金屬布線層次6677778DRAM容量容量256M1G14G4G16G工作電壓（工作電壓（V）1.82.51.21.81.21.51.21.50.91.2晶圓直徑晶圓直徑mm

5、/英寸英寸150/6200/8 300/12300/12300/12300/12特征參數特征參數7集成電路按類型分類按功能分類雙極型MOS型BiMOS型數字電路模擬電路、PMOS NMOS CMOS組合邏輯電路時序邏輯電路線性電路非線性電路、BiMOS BiCMOS、TTL I2、L ECL集成電路的分類集成電路的分類8類別類別數字集成電路數字集成電路模擬集成電路模擬集成電路MOS IC雙極雙極 ICSSI1001002000300ULSI100000001000000000GSI1000000000按照集成度分類按照集成度分類9集成電路的材料集成電路的材料 1.半導體半導體 集成電路是制作在

6、半導體襯底材料之上的，而且集成電集成電路是制作在半導體襯底材料之上的，而且集成電路中的基本元件也是依據半導體材料的特性制成的：路中的基本元件也是依據半導體材料的特性制成的： 通過摻入雜質，可以顯著改變半導體的導電性能；通過摻入雜質，可以顯著改變半導體的導電性能； 當半導體受到外界熱刺激時，其導電能力將發生顯著變當半導體受到外界熱刺激時，其導電能力將發生顯著變化；化； 光也可改變半導體的電導率，通常稱之為半導體的光電光也可改變半導體的電導率，通常稱之為半導體的光電效應。效應。102.絕緣體絕緣體 絕緣材料也是不可缺少的，用于元件之間、有源層及導絕緣材料也是不可缺少的，用于元件之間、有源層及導線層

7、之間的絕緣，以實現它們之間的電氣隔離；在線層之間的絕緣，以實現它們之間的電氣隔離；在MOS器器件里，柵極與溝道之間的絕緣更是必不可少；充當離子注入件里，柵極與溝道之間的絕緣更是必不可少；充當離子注入及熱擴散的掩膜，作為鈍化層，保護器件不受外界影響等作及熱擴散的掩膜，作為鈍化層，保護器件不受外界影響等作用。用。 集成電路中常用的絕緣材料有二氧化硅、氮氧化硅和氮集成電路中常用的絕緣材料有二氧化硅、氮氧化硅和氮化硅等。化硅等。113.金屬金屬 金屬材料在集成電路中主要用于形成器件內部的接觸以金屬材料在集成電路中主要用于形成器件內部的接觸以及器件之間的互連線。某些金屬和高度摻雜的半導體材料之及器件之間

8、的互連線。某些金屬和高度摻雜的半導體材料之間可以形成良好的接觸，接觸面的電阻遠小于半導體材料本間可以形成良好的接觸，接觸面的電阻遠小于半導體材料本身的電阻，稱為歐姆接觸。集成電路中常用的金屬材料有鋁、身的電阻，稱為歐姆接觸。集成電路中常用的金屬材料有鋁、金、鎢、銅等。金、鎢、銅等。 4.多晶硅（多晶硅（Polysilicon） 多晶硅本身是半絕緣的，摻入雜質后可以變為導體。它多晶硅本身是半絕緣的，摻入雜質后可以變為導體。它可以用來制作柵極、源極與漏極（或基區與發射區）的電可以用來制作柵極、源極與漏極（或基區與發射區）的電 極、基本連線，也可以用來制作電阻。極、基本連線，也可以用來制作電阻。 1

9、2集成電路工藝基礎集成電路工藝基礎 從晶圓到集成電路成品大約需要經過數百道工序，這些從晶圓到集成電路成品大約需要經過數百道工序，這些工序可大致分為以下三類：工序可大致分為以下三類： 1、圖形轉換：通過曝光（、圖形轉換：通過曝光（Lithography）和刻蝕）和刻蝕（Etching），將掩膜版（類似于照相底片）上的圖形轉），將掩膜版（類似于照相底片）上的圖形轉移到半導體單晶片上。移到半導體單晶片上。 2、摻雜：通過擴散（、摻雜：通過擴散（Diffusion）或離子注入）或離子注入（Implantation），將各種雜質按照設計要求，注入到），將各種雜質按照設計要求，注入到硅晶片的特定位置上，形

10、成晶體管、接觸等。硅晶片的特定位置上，形成晶體管、接觸等。13 3、制膜：通過氧化或汽相淀積的方法，制造各種材料的、制膜：通過氧化或汽相淀積的方法，制造各種材料的薄膜。薄膜。 這些工序要反復進行幾十次，如這些工序要反復進行幾十次，如Pentium 4 CPU要要經過經過26道光刻工序，每次需要使用不同的掩膜，再加上摻道光刻工序，每次需要使用不同的掩膜，再加上摻雜以及金屬鍍膜等很多處理步驟，一個雜以及金屬鍍膜等很多處理步驟，一個CPU制造工序達數制造工序達數百道。百道。14晶圓通過氧化、淀積、外延生長形成新的膜層通過光刻形成設計圖形通過離子注入、擴散摻入雜質晶圓檢測封裝測試使用掩膜集成電路制造工

11、藝流程集成電路制造工藝流程15集成電路的生產環境集成電路的生產環境 在集成電路的生產過程中必須嚴格控制微粒的導入、在集成電路的生產過程中必須嚴格控制微粒的導入、產生和滯留。不同類型的產品，在不同的工序中，對潔凈產生和滯留。不同類型的產品，在不同的工序中，對潔凈等級有不同的要求。潔凈等級是按單位體積空氣中，粒徑等級有不同的要求。潔凈等級是按單位體積空氣中，粒徑在在0.15m范圍的懸浮微粒數來劃分的。范圍的懸浮微粒數來劃分的。16潔凈等級每立方米（m3）中微粒的最大允許數0.1m0.2m0.3m0.5m1m5mISO1102ISO210026104ISO31000265106358ISO410,0

12、002650106035383ISO5100,00026,50010,600353083229ISO61,000,000265,000106,00035,3008320293ISO7353,00083,2002930ISO83,530,000832,00029,300ISO935,300,0008,320,000293,000ISO14664-1標準對潔凈等級作了如上規定標準對潔凈等級作了如上規定17潔凈室（） 作業區 緩沖區更衣換鞋更潔凈服風淋室門廳排水排氣處理去離子水氮氣等凈化空調機組制品材料作業人員緩沖區潔凈室凈化流程潔凈室凈化流程18芯芯片片制制造造車車間間19 為了營造合格的生產環境

13、，除了空氣潔凈度要求外，還為了營造合格的生產環境，除了空氣潔凈度要求外，還要采用很多相關的技術與管理辦法：要采用很多相關的技術與管理辦法： 所有氣流方向均以由上往下為主，盡量減少突兀的室內所有氣流方向均以由上往下為主，盡量減少突兀的室內空間設計或機臺擺放，使粉塵在潔凈室內回旋停滯的機會與空間設計或機臺擺放，使粉塵在潔凈室內回旋停滯的機會與時間減至最低程度；時間減至最低程度； 所有材料均以不易產生靜電的材質為主，并采用各種靜所有材料均以不易產生靜電的材質為主，并采用各種靜電防護措施；電防護措施； 水的使用也只限于去離子水。一則防止水中微粒污染晶水的使用也只限于去離子水。一則防止水中微粒污染晶20圓，二則防止水