01集成电路制造工艺概述

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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电子科学与技术080607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、方法与工艺电路设计理论与应用技术设计制造测试电子科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、四基本工艺制膜氧化4CVD4PVD4外延4平坦化4图形转移光刻4刻蚀4掺杂扩散4离子注入4封测切片封装4测试老化筛选工序集成•CMOS工艺2•双极工序2•新技术实验•软件环境2•氧化2•掺杂2•综合2参考教材序号书名作者出版社时间1半导体制造技术【美】MichaelQuirk电子工业20042芯片制造——半导体工艺制程实用教程【美】PeterVanZant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——ICTCAD技术概论阮刚复旦大学20076电子科学与技术导论李哲英电子工业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。集成电路什么是集成电路？英文全称IntegratedCircuit，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。2019/10/2172019/10/218•集成电路的内部电路VddABOutABOUT0010101001102019/10/2192019/10/22050m100m头发丝粗细30m1m1m(晶体管的大小)30~50m(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类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较一个工业的诞生1906年，真空三极管，LeeDeforest（电信号处理工业）1947年，ENIAC1947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。？19692000年，Kilby被授予诺贝尔物理学奖（Noyce去世10年）杰克·基尔比（JackKilby）德州仪器公司——TexasInstruments锗,1959,2“第一块集成电路的发明家”罗伯特·诺伊思（RobertNoyce）仙童半导体公司——FairchildSemiconductor硅,1959,7,30,“提出了适合于工业生产的集成电路理论”2019/10/223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市（PaloAlto）的仙童半导体公司（FairchildSemiconductor）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。2019/10/224半导体的集成时代2019/10/225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2~50MSI20世纪60年代到70年代前期20~5000LSI20世纪70年代前期到70年代后期5000~100000VLSI20世纪70年代后期到80年代后期100000~1000000ULSI20世纪90年代后期至今大于1000000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2019/10/226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。IDMfablessfoundry半导体产业总是处于设备设计和制造技术的前沿。2019/10/230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。2019/10/231第4阶段：装配和封装把单个芯片包装在一个保护管壳内。DIP2019/10/232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。2019/10/233晶圆制造厂晶圆在亚微米CMOSIC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。2019/10/238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/developertrack）清洗装置和光刻胶剥离机？2019/10/240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：等离子体刻蚀机（湿法、干法）等离子去胶机湿法清洗设备2019/10/242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2019/10/244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）CVDPVDSOG、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（waferscrubber）、清洗装置、测量装置2019/10/248典故威廉·肖克利（WILLIAMSHOCKELY）“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”（THETRAITOROUSEIGHT）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，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FAIRCHILDSEMICONDUCTOR，1959年从左至右GordonMoore,SheldonRoberts,EugeneKleiner,RobertNoyce,VictorGrinich,JuliusBlank,JeanHoerniJayLast1968，INTEL杰里·桑德斯（J.Sanders）AMD查尔斯·斯波克（C.Sporck）NSC2011年，台湾成为全球最大半导体晶圆生产地根据市调机构ICInsights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，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，LeeDeforest，真空三极管，电信号处理工业（1947，ENIAC）1947.12.23，贝尔实验室的Johnbardeen，WalterBrattin和WilliamShockley，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JackKilby，锗，集成电路1959，Fairchild的RobertNoyce，硅，集成电路两者共享集成电路专利