集成电路芯片制造工艺技术演变

扩散等晶体管制造技术逐渐走向成熟，为集成电路发明及其制造工艺发展奠定了基础。本节将简要讨论集成芯片制造技术赖以快速演变与升级换代的平面工艺技术，分析集成芯片不同电路类型演进创新与制造工艺技术进步的密切关系。

4.2.1平面工艺技术的发明

20世纪50年代后期,扩散技术与同时研究成功的硅热氧化、光刻、热蒸发铝膜等技术相结合，孕育出平面工艺技术(planar process technology)。平面工艺是由美国仙童半导体公司的J.A.Hoerri最先提出的[.3.4]。图4.4为应用平面工艺制造硅晶体管的示意图。通过高温氧化在n型硅片表面生长一层SiO2，其厚度可由氧化温度与时间控制，如图4.4(a)所示;接着用光刻方法把基区上面的SiO2层去除,如图4.4(b)所示;然后进行p型杂质高温扩散,只有基区范围才有杂质扩散进硅片，周围区域为SiO2所掩蔽，杂质不能进人，扩散通常在含O2气氛下进行，故形成基区的同时也生长一层SiO2，如图4.4(c)所示;这层氧化硅可作为发射区的掩蔽膜,经光刻(见图4.4(d))和n型杂质扩散,形成发射区(见图4.4(e));光刻开出所需要的电极接触孔(见图4.4(f));最后应用蒸发工艺在硅片上淀积铝膜,再用光刻方法去除电极区以外的铝膜,形成相互隔离的基极和发射极，如图4.4(g)所示。在分立晶体管器件中，集电极制作在硅片背面,在集成电路中，通过必要工艺，集电极也可从硅片正面引出。

在上述晶体管制造过程中,应用SiO2SiO氧化、光刻、扩散、薄膜淀积等基本工艺有机结合,在硅片表层平面进行各-Si-Si种加工,形成的器件表面基本上也是平坦的,故称平面工艺。平面工艺可使晶体管的图形尺寸得到精确控制，-Si便于改进器件性能和大量生产，为器件微小型化和集成电路的发展创造了条件。在用平面工艺制造的晶体管中,集电结和发射结的pn结边界n-Si都在氧化硅掩蔽之下，不像在前面3种方法制造的晶体管中暴露于外面气氛。因此,平面工艺晶体管的漏电很小,性能显著改善。平面工艺促使硅器件制造技术趋于成熟,硅器件生产、应用和市场迅速扩大。到1966年硅晶体管的产量大幅度超过了此前占半导体产品主导地位的锗器件。平面晶体管所有电极都从硅片上表面引出,为器件互连集成创造必要条件。逐步完善的平面工艺至今仍是超大规模集成电路制造的基础技术。

4.2.2 工艺技术进步与集成电路类型演变

在集成电路技术发展过程中，工艺技术是最为活跃的因素，它的快速持续进步促使集成芯片的电路类型、形式逐渐演变和创新。在双极型数字逻辑集成电路领域,随着平面工艺为基础的各项集成芯片加工工艺的完善，早期曾先后发展了电阻-晶体管逻辑电路(RTL)、二极管-晶体管逻辑电路(DTL)、晶体管-晶体管逻辑电路(TTL)、肖特基二极管位晶体管-晶体管逻辑电路(STTL)、低功耗肖特基二极管位晶体管-晶体管逻辑电路(LSTTL)、发射极耦合逻辑电路(ECL)、集成注人逻辑电路(IL)等多种类型的集成电路技术。在 MOS集成电路领域,则先后发展了PMOS、NMOS和CMOS器件。某种电路类型的出现、发展与消亡,都与当时的集成芯片制造工艺水平密切相关。存储器件和模拟集成电路也随硅工

艺技术进步不断演变升级。虽然早在1928年就有人提出绝缘栅场效应晶体管的设想,而且第二次世界大战后贝尔实验室Shockley领导的研究组,曾极力研制的固体器件目标就是场效应器件，但1947年底的划时代发明却是双极型晶体管。随后早期研制成功的各类晶体管和集成电路也都是双极型器件。这都是由当时的半导体加工工艺技术水平所决定的。在硅表面处理工艺和优质二氧化硅栅介质生长工艺较为成熟以后，自20世纪60年代，MOS场效应晶体管和集成电路才开始得到实质性发展[8.9。尽管人们早就清楚，由于电子迁移率大大高于空穴迁移率，NMOS集成电路的速度等性能应远优于PMOS器件，但最先走向生产和市场的，却是PMOS大规模集成电路。这也是因为NMOS器件对栅氧化层制备等工艺的要求更高。

4.2.3 历史上先后发展的LSI/VLSI芯片工艺

集成电路工艺技术进步的基本目标,是实现电子器件的高集成度、高速度、高可靠性和低功耗。集成电路于1958年问世后,经过最初20余年以平面工艺为中心的光刻、氧化、扩散等多种硅加工技术的迅速发展,到20世纪80年代初,器件集成度、速度、可靠性都有大幅度提高,逐步发展了多种大规模和超大规模集成电路制造技术，包括PMOS、NMOS、CMOS、标准双极型、集成注人双极逻辑电路(I2L)和互补双极-CMOS集成电路(BiCMOS)。这些集成电路技术各有特点,在微电子技术发展中发挥了各自作用[O。PMOS是最早大量生产的商用大规模和超大规模集成电路技术。其主要优点是集成度高,缺点是速度较慢。它在早期的袖珍式计算器、电子游戏卡、玩具集成电路等领域有广泛应用。NMOS集成电路集成度高,其速度显著高于PMOS,在80年代初期已成为当时超大规模集成电路的主流技术,应用于DRAM、微处理器等芯片制造。PMOS与 NMOS电路功耗显著低于双极电路。在MOS集成电路制造工艺技术不断完善的基础上，由NMOS和PMOS有机组合形成的CMOS超大规模集成电路,在80年代中期以后得到迅速发展,很快成为半导体主导制造技术。CMOS器件的最突出优势,在于其低功耗特性，比所有其他类型半导体器件都显著降低。随着器件持续微小型化进程,CMOS电路的速度也不断

提高。与MOS电路相比，双极型集成电路功耗大，其集成密度也低。但由于它的高速度优越性，双极型大规模和超大规模集成电路也曾是微电子器件主导技术之一，直到20世纪80年代，一直为组装高速大型计算机提供芯片。为克服集成度低、功耗高的缺点，20世纪70年代曾发展一种与标准结构双极型晶体管不同的双极型器件集成技术，被称为集成注入逻辑电路(IL)。这种器件把标准硅npn晶体管结构的集电区与发射区倒换,形成其发射结与集电结,并应用横向pnp晶体管，构成不需要隔离区的逻辑门电路，使集成度提高和功耗下降。IL电路曾在某些消费电子产品中得到部分应用,但由于其速度显著低于标准双极晶体管，未能成为集成电路主流技术。

结构和性能互补常常是实现技术创新的有效途径。NMOS与PMOS结合形成的互补MOS(CMOS),创造了低功耗高集成度电路。在不断追求高速度的集成电路发展过程中，人们自然会想到,能否把高速双极型与低耗CMOS两者相结合，组成一种既具有高速度又保持低功耗的高密度集成电路。这种双极与CMOS器件互补的BiCMOS集成电路,在双极和MOS工艺都已相当成熟的基础上，逐步得到发展。20世纪80年代末至90年代初一段时期,不少人曾把发展高性能集成电路的希望放在BiCMOS器件技术上，并研制成功一系列BiCMOS集成电路。但BiCMOS电路需要应用双极与CMOS两种工艺相兼容的器件制造技术，工艺复杂性大大增加,其发展受到限制。在微处理器等逻辑电路中已逐渐减少应用BiCMOS技术,但在移动通信射频电路等超高频器件领域,BiCMOS集成技术还有某些应用。为提高器件工作频率,锗硅异质结晶体管技术也已集成到BiCMOS器件工艺中。