集成电路工艺概述

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1、集成电路工艺概述课程介绍普通高校专业学科目录（1998版）01哲学02经济学03法学04教育学05文学06历史学07理学08工学工学09农学10医学11管理学0806 电气信息类080601 电气工程及其自动化080602 自动化080603 电子信息工程080604 通信工程080605 计算机科学与技术080606 电子科学与技子科学与技术080607 生物医学工程分设十一个学科门类（无军事学），下设二级类71个，专业249种。电子科学与技术专门研究电子科学理论及其应用技术的学科，其研究的主要内容是电子技术的核心理论制造电子元器件的材料、方法与工工艺电路设计理论与应用技术设计制造测试电子科

2、学与技术的基本内容1.电子元器件分立器件和集成器件如何设计出满足应用系统要求的电子元器件2.电子材料半导体材料、金属材料和非金属材料采用什么样的材料才能满足工程实际的需要3.分析与设计基本理论电子材料的基本物理和化学性质、元器件的基本工作原理等4.工程应用技术与方法提供了最直接的应用技术，是电子科学与技术理论研究和工程应用技术联系的纽带集成电路技术器件阶段集成电路设计技术是支持技术设计基础是器件系统实现技术是器件组成系统基本工具是器件分析系和系统仿真SoC阶段集成电路设计技术是基本应用技术设计基础是系统和电路系统实现技术是系统集成技术基本工具是系统和电路模型的仿真分析时间安排（每周4学时*16

3、周=64学时）时间内容安排1课程概述2晶圆制备3氧化4物理气相淀积5化学气相淀积6化学机械抛光7期中复习8光刻作业一、二、三9刻蚀10扩散11离子注入12工艺集成作业四、五13封装14期末复习15仿真实验一、二16仿真实验三、四参考教材序号书名作者出版社时间1半半导体制造技体制造技术【美美】Michael Quirk电子工子工业20042芯片制造半导体工艺制程实用教程【美】Peter Van Zant电子工业20103硅集成电路工艺基础关旭东北京大学20034超大规模集成电路基础、设计、制造工艺【日】岩田 穆科学20075集成电路工艺和器件的计算机模拟IC TCAD技术概论阮刚复旦大学2007

4、6电子科学与技子科学与技术导论李哲英李哲英电子工子工业20067集成电路芯片封装技术李可为电子20078现代集成电路制造工艺原理李惠军山东大学20079集成电路制程设计与工艺仿真刘睿强电子工业201110MOS集成电路结构与制造技术潘桂忠上海科学技术201011集成电路制造技术原理与工艺王蔚电子工业201012微系统封装原理与技术邱碧秀电子工业200613图解半导体基础【日】水野文夫科学2007网络 中国电子顶级开发网考核方法20%平时成绩（考勤、作业、平时表现）20%实验成绩60%考试成绩（开卷）课程作业作业一1描述CZ拉单晶炉的工作原理。作业二2描述集成电路的制膜工艺原理。作业三3描述集成

5、电路的图形转移工艺原理。作业四4描述集成电路的掺杂工艺原理。作业五5以反相器为例描述CMOS工艺流程。集成集成电路路什么是集成电路？英文全称Integrated Circuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。制造电子器件的基本半导体材料是圆形单晶薄片，称为硅片或硅衬底。在硅片制造厂，由硅片生产的半导体产品，又被称为微芯片或芯片。2023/9/317集成集成电路的内部路的内部电路路VddABOutABOUT001010100110202

6、3/9/3182023/9/319 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细 30 m1 m 1 m(晶体管的大小晶体管的大小)3050 m(皮肤细胞的大小皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较2023/9/320一个工业的诞生1906年，真空三极管，LeeDeforest（电信号处理工业）1947年，ENIAC1947年12月23日，晶体管，JohnBardeen，WalterBrattin，WilliamShockley（1956年诺贝尔物理奖），固态，分立器件（半导体工业）世界

7、第一个晶体管集成电路集成电路是由Kilby和Noyce两人于1959年分别发明，并共享集成电路的专利。？19692000年，Kilby被授予诺贝尔物理学奖（Noyce去世10年）杰克基尔比（Jack Kilby）德州仪器公司Texas Instruments锗,1959,2“第一块集成电路的发明家”罗伯特诺伊思（Robert Noyce）仙童半导体公司Fairchild Semiconductor硅,1959,7,30,“提出了适合于工业生产的集成电路理论”2023/9/323集成电路是怎么诞生的？早期的许多先驱者开始在北加利福尼亚州，现在以硅谷著称的地区。1957年，在加利福尼亚州的帕罗阿托

8、市（Palo Alto）的仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）制造出第一个商用平面晶体管。它有一层铝互连材料，这种材料被淀积在硅片的最顶层以连接晶体管的不同部分。从硅上热氧化生长的一层自然氧化层被用于隔离铝导线。这些层的使用在半导体领域是一个重要发展，也是称其为平面技术的原因。2023/9/324半导体的集成时代电路集成半导体产业周期每个芯片元件数分立元件1960年前1SSI20世纪60年代前期250MSI20世纪60年代到70年代前期205000LSI20世纪70年代前期到70年代后期5000100 000VLSI20世纪70年代后期到80年代后期100 0001

9、 000 000ULSI20世纪90年代后期至今大于1 000 0002023/9/325半导体主要趋势提高芯片性能：速度（按比例缩小器件和使用新材料）关键尺寸（CD）芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。硅片上的最小特征尺寸被称为关键尺寸或CD。技术节点每块芯片上的元件数摩尔定律功耗提高芯片可靠性浴盆曲线降低芯片成本2023/9/326集成电路的5个制造阶段集成电路的5个制造阶段第1阶段：硅片制备第2阶段：硅片制造裸露的硅片到达硅片制造厂，然后经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。IDMfabless foundry半导体产业总是处于设备设

10、计和制造技术的前沿。2023/9/330第3阶段：硅片的测试/拣选硅片制造完成后，硅片被送到测试/拣选区，在那里进行单个芯片的探测和电学测试，然后拣选出可接受和不可接受的芯片，并为有缺陷的芯片做标记，通过测试的芯片将继续进行以后的工艺。2023/9/331第4阶段：装配和封装把单个芯片包装在一个保护管壳内。DIP2023/9/332第5阶段：终测为确保芯片的功能，要对每一个封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环境的特性参数要求。至此，集成电路制造完成。2023/9/333晶圆制造厂晶圆在亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型扩散区扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域。主

11、要设备：高温扩散炉：1200左右，能完成氧化、扩散、淀积、退火以及合金等多种工艺流程。湿法清洗设备（辅助）硅片在放入高温炉之前必须进行彻底的清洗，以去除硅片表面的沾污以及自然氧化层。2023/9/338光刻区光刻的本质是把（临时）电路图形复制到覆盖于硅片表面的光刻胶上。黄色荧光管照明主要设备步进光刻机（steper）涂胶/显影设备（coater/developer track）清洗装置和光刻胶剥离机？2023/9/340光刻工艺模块示意图刻蚀区刻蚀是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。一旦材料被错误刻蚀去掉，在刻蚀过程中所犯的错误将难以纠正，只能报废硅片，带来经济损失。主要设备：等离子

12、体刻蚀机（湿法、干法）等离子去胶机湿法清洗设备2023/9/342干法等离子体刻蚀机示意图离子注入区离子注入机是亚微米工艺中常见的掺杂工具。主要设备：离子注入机等离子去胶机湿法清洗设备2023/9/344薄膜生长区主要负责生产各个步骤当中的介质层和金属层的淀积。薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度。主要设备（中低真空环境）CVDPVDSOG、RTP、湿法清洗设备CVD多腔集成设备和工艺腔的示意图抛光区化学机械平坦化（CMP）工艺的目的是使硅片表面平坦化。通过将硅片表面突出的部分减薄到下凹部分的高度来实现的。主要设备：抛光机刷片机（wafer scrubber）、清洗装置、测量装置2

13、023/9/348典故威廉肖克利（William Shockely）“晶体管之父”（1910-1989）1947，点接触晶体管；1950，面结型晶体管肖克利实验室（1955-1968），圣克拉拉谷(硅谷)1956，诺贝尔物理奖1957，八判逆1958，斯坦福大学1963，斯坦福大学70年代，人种学和优生学？肖克利博士非凡的商业眼光，成就了硅谷；肖克利博士拙劣的企业才能，创造了硅谷。“天才与废物”硅谷的第一公民，硅谷第一弃儿。“八叛逆”（The Traitorous Eight）1955年，“晶体管之父”威廉肖克利，离开贝尔实验室创建肖克利实验室。他吸引了很多富有才华的年轻科学家加盟。但是很快，

14、肖克利的管理方法和怪异行为引起员工的不满。其中八人决定一同辞职，他们是罗伯特诺依斯、戈登摩尔、朱利亚斯布兰克、尤金克莱尔、金赫尔尼、杰拉斯特、谢尔顿罗伯茨和维克多格里尼克。被肖克利称为“八叛逆”。八人接受位于纽约的仙童摄影器材公司的资助，于1957年，创办了仙童半导体公司。乔布斯：“仙童半导体公司就象个成熟了的蒲公英，你一吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”“硅谷人才摇篮”八叛逆在Fairchild Semiconductor，1959年从左至右Gordon Moore,Sheldon Roberts,Eugene Kleiner,Robert Noyce,Victor Grinich

15、,Julius Blank,Jean Hoerni Jay Last1968，INTEL杰里桑德斯（J.Sanders）AMD查尔斯斯波克（C.Sporck）NSC2011年，台湾成年，台湾成为全球最大半全球最大半导体晶体晶圆生生产地地根据市调机构IC Insights调查统计，2011年全球半导体晶圆总月产能达13,617.8千片8寸约当晶圆。其中台湾晶圆月产能达2,858.3千片8寸约当晶圆，占全球半导体总产能达21%，跃居第1大生产国；原本是全球最大晶圆生产国的日本，月产能达2,683.6千片8寸约当晶圆，市占率达19.7%，位居第2大生产国；韩国则以2,293.5千片8寸约当晶圆月产能

16、，位居第3大生产国，市占率达16.8%；美国月产能达1,995.1千片8寸约当晶圆，市占率降至14.7%，是全球第4大生产国。台积电联电芯片制造半导体工艺制程实用教程第1章 半导体工业1.1 一个工业的诞生1906，Lee Deforest，真空三极管，电信号处理工业（1947，ENIAC）1947.12.23，贝尔实验室的John bardeen，Walter Brattin和William Shockley，晶体管1.2 固态时代晶体管二级管电容器电阻器分立器件1.3 集成电路1959，TI的Jack Kilby，锗，集成电路1959，Fairchild的Robert Noyce，硅，集成

17、电路两者共享集成电路专利。1.4 工艺和产品趋势工艺和结构摩尔定律1.5 特征图形尺寸的缩小特征图形尺寸CD1.6 芯片和晶圆尺寸的增大ChipWafer1.7 缺陷密度的减小缺陷尺寸缺陷密度1.8 内部连线水平的提高多层连线1.9 SIA的发展方向未来技术路线图1.10 芯片成本工艺产品成本价格性能1.11 半导体工业的发展附加值最高的工业1.12 半导体工业的构成半导体和系统（或产品）三类芯片供应商IDMFoundryFabless1.6 生产阶段1材料准备2晶体生长和晶圆准备3晶圆制造和分选4封装5终测1.14 结型晶体管PN结-晶体管双极型器件FET-MOS单极性器件贝尔实验室，195

18、6扩散结1957氧化掩膜，硅1.15 工业发展的50年50年代，黄金时期，工艺，材料，公司，价格，60年代，成熟工业，塑封，IFET，CMOS70年代，投射光刻机，洁净间，离子注入机，步进光刻机，自动化80年代，全程自动化，1um90年代，铜，开发的十年（19511960）基本工艺和材料（黄金十年）双极型和单极型设备和材料的问题内部解决工艺的十年（19611970）价格下降的趋势形成-新老公司交替高产量的工艺，低价格的芯片设备和材料的问题导致半导体特殊供应商形成塑料封装1963实验室小批量生产设备的十年（19711980）MSILSI，膜板引起的缺陷，接触式光刻机造成的晶圆损伤投射式光刻机，离子注 机，步进式光刻机，洁净间进一步发展，单一设备自动化（工艺和设备结合）生产线的大批量制造产量和利润自动化的十年（19811990）市场的压力和工艺步骤的增多无人化和材料的自动运输（污染源）美国、欧洲统治地位，日本崛起，四小龙（香港、台湾、新加坡、韩国）发展生产的十年（19912000）1微米成熟的工业-生产和市场控制成本铜连线极小的纪元（2001至今）CD极限180nm，45，32，22nm晶圆300mm，450mm低端技术新用途1.16 纳米时代umnm