二十四所半导体工艺技术发展历程与展望
何开全1,2，王志宽2，钟　怡1,2
(1.模拟集成电路国家级重点实验室;2.中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆　400060)
摘　要:　回顾了中电科技集团公司第二十四研究所自建所以来的半导体集成电路工艺发展历程。
晶圆尺寸从1.5吋(40mm)到6吋(150mm)，特征线宽从10μm到0.5μm，器件特征频率从低频到射频，工作电压从5V到800V，包括射频和高压大功率的各种器件。从研制成功全国第一块大规模集成电路至今，二十四所作为全国唯一的模拟集成电路专业研究所，在各个领域均取得了突出的成就，见证了中国半导体集成电路事业的发展历程。最后，展望了二十四所模拟及专用集成电路工艺技术的发展前景。
关键词:　半导体工艺；双极；互补双极;CMOS;VDMOS;BiCMOS;SOI
中图分类号:　TN304.05      　文献标识码:　A      　文章编号:100423365(2008)0120017206　
Development and Prospect of SISC’s Semiconductor IC T echnology
H E Kai2quan1,2,WAN G Zhi2kuan2,ZHON G Y i1,2
(1.N ational L aboratory of A nalog I C’s;2.S ichuan I nstit ute of S oli d2S tate Ci rcuits,C E T C,Chongqing400060,P.R.China)
Abstract:　Development course of SISC’s semiconductor IC technology since its establishment in1968is re2 viewed.The wafer size evolved f rom40mm to150mm,and the critical dimension decreased f rom10μm to0.5μm.
The device f requency has increased f rom kilo Herts to RF,and the supply voltage has gone up f rom5V to over800 V.Since the development of China’s first large scale integrated circuit,SISC,which is the only institute in China engaged in research and development of analog IC’s,has made outstanding achievements in various fields.The road2 map of SISC’s analog and ASIC technology is also presented.
K ey w ords:　Semiconductor IC technology;Bipolar;Complementary bipolar;CMOS;VDMOS;BiCMOS;SOI EEACC:　2550
1　概　述
中电科技集团公司24所是以原机电部13所第五研究室为主体组建的。单片集成电路的发展历程经历了两
个阶段：第一个阶段即建所后到1986年无锡分迁前，在数字集成电路领域取得了重大研究成果；第二阶段是在无锡分迁之后，调整专业方向，在模拟集成电路领域取得了突出的成就。
1968年至2008年,24所发展的40年也是中国半导体集成电路发展的40年。40年来,24所创造了多个第一：全国第一块集成电路，全国第一块大规模集成电路，全国第一块GaAs单片集成电路，全国第一个产品实用化的DAC等。从艰苦创业时期在半导体集成电路各个领域全面铺开研究，到无锡分迁后收缩深化技术方向，再到主攻模拟与专用集成电路及规模化生产，反映了中国集成电路发展的艰难历程。
一代工艺一代产品，高性能集成电路产品的迫切应用需求推动着半导体工艺技术的发展。40年来,24所的硅圆片尺寸从1968年的40mm发展到50mm、75mm、100mm，直到现在的150mm。光刻特征线宽从10μm降到0.5μm；晶体管的结深从3μm降到0.2μm；晶体管的特征频率从低频(M Hz 级)提高到射频(20GHz)。开发的工艺主要有：铝栅MOS/CMOS工艺、硅栅CMOS工艺、PN隔离标准双极工艺、宽带低噪声放大器工艺、GaAs单片集成工艺、等平面互补双极工艺、多晶硅发射极工艺、PN对通隔离高压双极工艺、等平面LOCOS隔离CBiCMOS、SOI及全介质隔离技术、VDMOS工艺、
第38卷第1期2008年2月
微电子学
Microelect ronics
Vol138,No.1
Feb12008
收稿日期:2007212228;　定稿日期:2008201213
高压Bi FET工艺、L C2MOS工艺、高速高压SOI互补双极工艺、亚微米BiCMOS工艺、GeSi HB T工艺、BCD工艺、M EMS兼容工艺等。以此为基础开发的产品门类包括:MOS大规模集成电路、超高速数字集成电路、线性集成电路和模拟/混合及专用集成电路(放大器、驱动器、电源、A/D转换器、D/A转换器等)。
2　发展历程回顾
2.1　开创时期(1986年前)的IC工艺技术发展
1965年12月,13所原五室完成了GT31单片与非门和扩展器电路的产品设计定型。该电路是我国第一个有实用价值的IC产品，标志着我国的电子工业进入IC时代。
1966年初，第五研究室设置了线性IC、场效应器件和数字IC等3个专题研究方向。经过一段时间的前期研究并取得一定成果后，设置了线性IC、MOS场效应IC、高速数字IC和微波及新材料等4个技术方向。
在1970年3月搬迁至四川永川前，先后完成了我国第一种单片线性集成电路XT30和第一块MOS集成电路C T30的设计定型。此外，还有几种数字、线性、MOS产品完成了研制、开发工作。这标志着我国集成电路的研究已在各个领域铺开，并达到实用化水平。
24所成立后，根据国家规划，以大规模、超大规模集成电路为主攻方向，主要研究范围为MOS大规模集成电路、双极超高速数字集成电路、线性集成电路和相关技术。其中，包括电路设计，工艺技术和测试技术全面结合，以产品开发为主线的综合性集成电路研制技术。这期间的工艺技术发展总是和电路品种的研制紧密结合，往往根据一个品种的需求开发一套特别的工艺技术。
2.1.1　MOS大规模集成电路工艺
1972年6月，研制成功我国第一块大规模集成电路120位P沟铝栅9管单元静态移位寄存器电路。随后，开展了6μm硅栅MOS器件工艺的研究，主要完成了多晶硅栅代替铝栅器件结构、干法腐蚀多晶硅/SiO2等工艺技术的攻关研究。采用该项工艺技术研制的典型产品有:1978年2月，我国第一块N沟单管单元4k DRAM,1980年产品设计定型;1981年4月,6800微型处理机单板机中5种MOS L SIC设计定型;1983年,16k DRAM———M4116,1k×4SRAM———M2114设计定型。
到1983年，完成了“HMOS2I工艺”研究开发，典型工艺技术包括：氧化层制作、全离子注入掺杂、L PCVD薄膜制备和“吸杂”等。采用该项工艺技术研制的典型产品有:E/D MOS1k高速SRAM—M2115A于1
983年设计定型；高速4k SRAM—M214于1984年设计定型。
到1985年，完成了HCMOS2I工艺的研究开发，高速256×4位SRAM—HCMS6562设计定型。
此外，还开展了短寿命少数载流子器件工艺的开发，先后完成了512位CCD模拟延迟线、BAD232抽头模拟延迟线和C40200位横向滤波器等电路的设计定型。
表1　MOS大规模IC工艺
ID开发时间  工艺名称
11970-1972铝栅P沟MOS工艺
21972-19786μm硅栅NMOS工艺
31972-1983HMOS2I工艺
41972-1985HCMOS2I工艺
2.1.2　超高速双极数字IC工艺
自1970年开始，我所开始ECL电路设计、工艺和测试技术研究，完成了以“泡发极”、钛铝金属化、集电极埋层掺砷等为代表的“标准ECL10K系列IC 工艺技术”的研究。其中，创新的“泡发极”工艺技术实现了高浓度浅结器件制作；钛铝金属化实现了良好的欧姆接触；集电极埋层掺砷保证了有效外延层的厚度，这些为提高BJ T的特征频率、制作高速双极数字电路创造了条件。到1977年，采用该工艺先后完成了S31双D主从触发器等六种电路的产品设计定型。
超高速ECL电路的性能提高关键在于缩小器件的横向尺寸，减小分布参数，提高速度。1977年，二十四所开始“亚纳秒ECL电路工艺技术”的研究，完成了3～4μm薄外延层生长、PN结对通隔离、流线型结扩散(x j≈0.3μm)和窄条光刻等关键工艺技术攻关研究，探索研究了选择性外延多晶硅隔离技术等。采用该工艺研制成功的典型产品有:S14 500M Hz D型主从触发器、S18500M Hz双D触发器S031000M Hz分频器等9种电路。
1980年，在资料缺乏和设备条件差的情况下，开始了ECL100K系列集成电路设计、测试和工艺研究；建立了以氧化物隔离和聚酰亚胺双层布线工艺为代表的“ECL100K系列IC工艺技术”。其中，选择性高压水汽氧化技术取得了突破，通过优化参数，实现了硅片结2氧化物隔离，从而完成了“等平面2I工艺”技术研究。1981年底，采用该工艺技术研制成功我国第一块ECL100K系列的3-5输入
或/或非门电路，并于1983、1984年先后完成了3个电路品种的设计定型。S4020四输入二与非门电路采用ECL100系列IC工艺技术，其产品性能优于国外同类产品L S20的性能。
1981年底，开展低功耗肖特基T TL系列电路的研制，并于1983年完成了6种电路的研制，其中有3种电路设计定型。1986年1月,ST300肖特基T TL门阵列电路通过技术鉴定。
表2　超高速双极数字IC工艺
ID开发时间  工艺名称
11970-1977ECL10K系列IC工艺
21977-1978亚纳秒ECL电路工艺
31980-1981ECL100K系列IC工艺
41981-1983L ST TL IC工艺
2.1.3　线性IC工艺
二十四所从1970年开始线性集成电路工艺技术的研究，包括高频低噪声模拟IC工艺，运算放大器工艺，集成稳压电源IC工艺,GaAs单片IC工艺(见表3)。
表3　线性IC工艺
38所ID开发时间  工艺技术
11970-1979高频低噪声模拟IC工艺
21970-1971集成稳压电源IC工艺
31970-1979运算放大器IC工艺
41970-1980双极2场效应管兼容工艺
51970-1984I2L与高压模拟器件工艺
61970-1981G aAs单片IC工艺
高频低噪声模拟IC工艺是使晶体管在一定功率条件下频率和低噪声特性两方面兼容突出。完成了包括磷砷扩散、浅结制作、窄条光刻、多层金属膜的工艺技术攻关，实现了浅结薄基区及梳状细条减小R B等技术，从而实现了高频低噪声兼容工艺。采用该工艺技术的典型产品有:1979年设计定型的500M Hz低噪声宽带放大器电路，填补了国内100～1000M Hz频段低噪声放大器集成电路的空白。此后又相继设计定型了射频/中频放大器、锁相环电路、对数中频放大器等多个电路产品。
运算放大器工艺技术是在高频低噪声工艺的基础上，重点针对运算放大器电路进行工艺优化设计，提高电路增益、带宽、输入阻抗、输出功率等参数。采用该套工艺，先后完成了高增益运放、低功耗运放、相敏整流电路等电路的设计定型。1980年6月，完成双极2场效应晶体管兼容(BiCMOS)工艺的研究。采用该工艺，研制成功X56高输入阻抗放大器。1984年5月，完成了I2L与高压模拟器件工艺技术研究。采用该工艺，研制成功X3417连续可变斜率增量调制/解调器。该电路单片集成了280个元器件，其工艺难度和高集成度标志着二十四所的线性集成电路发展到了一个新水平。
采用集成稳压电源IC工艺技术，于1971年底研制成功我国第一块集成稳压电源IC，先后设计定型多个多端可调式串联稳压正电源、负电源，多个三端固定式串联稳压电源(不同输出电压)。1977年, X63脉宽调制开关稳压电源IC设计定型;1986年1月,X2527脉宽调制器IC设计定型。
GaAs单片IC工艺完成了正胶剥离、栅区深腐蚀、多层金属栅、快速升温合金等技术攻关。采用该工艺技术，于1981年4月研制成功G10GaAs2BFL 单片门电路。该电路是国内第一个GaAs单片集成电路。
此外,1979年，成功研制了全套彩电视机电路共七种。1981年6月，成功研制了X80单片8位D/A转换器。该电路是国内第一个达到产品实用化的D/A转换器，标志着二十四所的线性集成电路工艺技术进入大规模集成领域。
2.2　转型积累时期(1986-1993)的工艺技术发展
1986年，为了加速大规模集成电路的发展，国家确定二十四所分迁部分技术力量在无锡建立分所，目标是MOS大规模逻辑集成电路的专业研究。二十四所按照国家规划，研究方向重新定位为模拟、专用集成电路。工艺技术的研究重点也作了相应调整。提高电路频率、速度，以及功率集成、混合信号电路等成为器件结构及工艺技术研究的目标；同时兼顾提高集成度、规模化生产。二十四所进入转型积累及二次创业时期。
表4　转型积累时期模拟IC工艺
ID开发时间  工艺名称
11986-1993双极等平面工艺
21986-199375mm线双极深结工艺
31986-1993宽带低噪声放大器工艺
41986-1993MOS模拟IC工艺
2.2.1　双极等平面工艺技术
在50mm工艺线上，深入进行等平面工艺技术研究。利用负胶工艺，在国产光刻机上曝出了3μm 的窄条，建立了等平面I、等平面II和等平面S工艺，把晶体管的特征频率提高到2GHz，大大提高了
当时的工艺水平，研制出分频器SE100系列产品，达到国内领先水平。
2.2.2　75mm线双极深结工艺技术
瞄准我国深结工艺的需求，以X1525为载体进行深结工艺技术研究，建立起一套双极深结工艺，研制成功X1525产品，为建立75mm深结工艺线打下了坚实的基础。
“八五”期间，引进的75mm线串线成功，并成功地生产出高频头电路X099产品，产量达上万只，为以后的规模生产积累了丰富的经验。1990年，在75mm线上进行双极深结工艺技术开发，研制生产了X497、X1525等产品，尤其是开关电源X1525，为我国当时航空、航天开关电源的使用起到了非常重要的作用。以X1525产品为载体建立的深结双极工艺，发展成为现在的B6035标准工艺，对后来的其他标准工艺建设起到了积极的作用。
2.2.3　宽带低噪声放大器工艺技术
一方面建立泡发射极工艺，优化光刻工艺条件，利用负胶工艺，在国产光刻机上刻出了3μm窄条，把晶体管的特征频率提高到1GHz以上，研制生产了一系列中视频放大器产品，如低燥声宽带放大器J F36、
射频/中频/视频放大器J F37等；另一方面，瞄准抗核加固需求，积极开展全介质隔离工艺研究，成功开发出深槽腐蚀、多晶硅外延、正面磨抛的多晶硅全介质隔离的双极工艺，研制出ZP95电源核心芯片。
2.2.4　MOS模拟IC工艺技术
在1988-1993年，一方面，建立了8μm CMOS 工艺，开发出模拟开关、延迟线、A/D转换器产品，如BD512延迟线、CM303高压模拟开关、X08088位A/D转换器等；另一方面，为提高模拟开关的隔离度，开发SOS工艺，并在SOS上研制出高性能的模拟开关CM4066、CM1606。瞄准当时VDMOS的市场需求，开展VDMOS工艺技术研究，建立了VDMOS工艺，研制出600V/1A的VDMOS管，并完成了批生产攻关。
2.3　成长时期(1993-1997)的工艺技术发展
二十四所经过一段艰苦创业时期后，迎来了发展时期。1993年初，二十四所整体搬迁重庆,。开始了多项工艺技术的整合优化提高及新工艺技术的开发进程，工艺技术及产品全面转移到75mm工艺线。同时，调整了工艺技术的研究重点，提高频率、速度，以及功率集成，混合信号电路成为器件结构及工艺技术研究的目标；同时兼顾提高集成度、规模化
生产，与国内国际行业接轨。
表5　成长时期的模拟IC工艺
ID开发时间  工艺名称
11993-199775mm线双极等平面S工艺
21993-199775mm线MOS模拟IC工艺
31993-199775mm线双极深结工艺
41993-199775mm线SDB SOI双极工艺
51993-199775mm线多晶硅发射极工艺
2.3.1　整合形成完善的双极等平面S工艺
1994年起，将前期并存的多种工艺技术进行了清理和优化，最终将原来的双极等平面工艺和宽带低噪声放大器工艺整合，形成较完善的等平面S工艺。1995-1997年，派出技术人员出国培训，学习国外先进的工艺技术，为建立100mm线打下了基础。进一步清理优化现有工艺技术，成功地实现了从50mm工艺线向75mm工艺线技术的转移。2.3.2　进一步优化MOS工艺和深结双极工艺
1994年起，一方面清理工艺，另一方面，针对CMOS工艺的特点，结合原有50mm线的工艺技术，在75mm线上完成了CMOS、VDMOS、深结双极工艺的建立，保证了CMOS、双极深结工艺项目研制生产任务的完成。从原来8μm CMOS工艺提高到5μm CMOS工艺，深结双极工艺也提高到5μm特征尺寸，为后来建立B6035标准工艺打下了基础。
2.3.3　开发SDB SOI双极/多晶硅发射极工艺
成功完成了75mm线SDB SOI片制备技术的新新工艺开发。以此为基础，结合原来的双极工艺，建立起了75mm线SDB SO I双极工艺。另外，针对当时无法进一步降低基区结深的设备工艺条件，为提高晶体管的特征频率，开展了多晶硅发射极工艺技术研究，并成功地解决了多晶硅发射极工艺中多晶硅界面氧化层厚度控制与处理等关键技术问题，建立了75mm线多晶硅发射极工艺。研制出SDA9700、SW244、SW003A、SW215等产品。
2.4　发展时期(1998年后)的工艺技术发展
2.4.1　优化75mm线工艺技术
将电路设计与工艺技术研究彻底分离，专业分工更加细化。二十四所半导体IC工艺技术进入了更专业的发展进程。
1998年，根据发展需要，集中了原来所有75 mm线工艺技术，完成各种项目研制，并且开始进行批量化的民品生产。1999-2001年，进一步完善了75mm线双极、CMOS工艺、VDMOS工艺、多晶硅
发射极工艺；在完成各种项目研制的同时，实现月产2000片高压三极管、放电管的规模化生产。
2.4.2　完善现有工艺，开发新工艺
1999年，完成了2μm CBiCMOS工艺技术引进，在引进的100mm线上，完成了双极工艺、CMOS工艺串线，为后来的75mm线工艺向100 mm线工艺全面转移做准备。
一方面，消化吸收2μm CBiCMOS工艺技术，在100mm线上建立2μm CBiCMOS工艺，大幅度提升工艺技术水平；另一方面，按照75mm线的工艺技术要求，首先将75mm的5μm双极深结工艺(B6035工艺)转移到100mm线上。
到2002年，完成了75mm线工艺向100mm 线工艺的全面转移，进行了工艺优化，将光刻线宽从原来的5μm提升到2μm，晶体管特征频率也从原来的1～2GHz提高到5GHz。随后，进一步规范工艺，建立了高压模拟集成电路工艺、高压运放工艺、中高速运放工艺、CBiCMOS工艺、8μm硅栅自对准/非自对准CMOS工艺、3μm硅栅自对准CMOS工艺、多晶硅发射极工艺等7套标准工艺及其他非标准或特殊工艺。同时，建立起与各套工艺技术相应的PCM检测体系和模型参数库。
表6　发展时期的7套模拟IC工艺
ID开发时间    工艺名称
11998-2004100mm线高压模拟集成电路工艺
21998-2004100mm线高压运算放大器工艺
31998-2004100mm线中高速运算放大器工艺
41998-2004100mm线2μm CBiCMOS工艺
51998-2004100mm线8μm硅栅CMOS工艺
61998-2004100mm线3μm硅栅自对准CMOS工艺71998-2004100mm线多晶硅发射极工艺
2.4.3　100mm线工艺技术全面发展，规模化量产
为了向模拟电路Foundry线发展，除继续优化标准工艺外，还建立了与之相应的PCM检测体系和模型参数库。从引进100mm工艺线开始，就进行了PCM相关技术的研究，利用PCM进行工艺监控与指导工艺控制。到2005年,PCM监测体系全面完善，包括PCM设计、测试及数据管理分析应用等各方面都进入实
用化阶段，各套工艺技术的所有产品都插入PCM图形，运用更加准确的PCM测试数据进行工艺检测与诊断分析。全面开展各工艺技术的器件模型库建设，加上设计规则、DRC、L VS 等，逐步建立并完善了各工艺的PD K，初步建立起模拟IC的Foundry线，为规模化量产奠定了基础。
在新技术开发方面，突破了1.5μm窄沟深槽腐蚀、多晶硅回填、平整化、双极工艺与SOI工艺兼容等关键技术瓶颈，建立了100mm SOI双极工艺、互补双极工艺，使全介质隔离工艺迈上一个新的台阶，处于国内领先水平。研制生产的SOI产品品种和数量都成倍增长，达到了10余个品种。
正是这些标准工艺套路和新工艺技术的不断涌现，使二十四所的研制生产能力达到了空前的水平。100mm线月产达到3000片的规模，突破了年生产40多万只电路大关，年产值达到3000多万，接近二十四所1995年以前的年总产值。
为了进一步提高工艺技术水平，早在2003年，就进行了150mm0.8μm设备的安装调试;2004年调试成功。经过几年的努力，在100mm线上已成功开发出M3010CMOS工艺、B4020工艺、VD2 MOS工艺；并研制生产出SB904、SB903、SW208、SA179等产品，为建立150mm0.5μm线打下了基础。
3　模拟及专用IC的工艺技术发展展望
模拟IC涉及数据转换器(如A/D、D/A转换器等)、线性和非线性放大器(如运算放大器、射频放大器、对数
放大器、电压比较器、模拟乘法器等)、电子开关和多路转换器、稳压电源调节器等，种类繁多，性能要求各不相同。高速放大器将继续向更高速度、更低噪声、更大动态范围等方向发展;A/D、D/A 转换器将继续向更高速度、更高精度等方向发展；一般功率放大器将继续向更大功率、更高效率方向发展；低功耗电路，特别是便携式设备应用电路，将继续向更低功耗、更低电源电压方向发展。从工艺角度来说，无论是A/D、D/A转换器，还是高速低噪声放大器，需要解决的核心问题是集成高速度、低噪声、V T精度高的器件。
目前，模拟IC的单片工艺主流技术有双极、BiCMOS、CMOS工艺，其中，双极和BiCMOS工艺使用普遍。随着CMOS工艺的发展，模拟与数字混合电路有向CMOS工艺发展的趋势。BiCMOS工艺是数字/模拟混合信号处理电路常采用的技术；互补双极工艺是高速线性电路的良好制作技术; CMOS工艺是低功耗模拟IC常采用的技术;Si Ge 工艺是制作高性能射频放大器的潜在优势技术，可与GaAs技术相竞争。
在双极工艺领域，互补双极工艺是目前国际上应用最为广泛的模拟IC工艺。它集成高性能互补的纵向N PN和PN P管、高品质的无源器件，结合SO I等技术，能极大地提高模拟IC的性能。二十四