集成电路制造工艺原理

《集成电路制造工艺原理》课程教学教案山东大学信息科学与工程学院电子科学与技术教研室(微电)张新2课程总体介绍：1．课程性质及开课时间：本课程为电子科学与技术专业（微电子技术方向和光电子技术方向）的专业选修课。本课程是半导体集成电路、晶体管原理与设计和光集成电路等课程的前修课程。本课程开课时间暂定在第五学期。2．参考教材：《半导体器件工艺原理》国防工业出版社华中工学院、西北电讯工程学院合编《半导体器件工艺原理》（上、下册）国防工业出版社成都电讯工程学院编著《半导体器件工艺原理》上海科技出版社《半导体器件制造工艺》上海科技出版社《集成电路制造技术-原理与实践》电子工业出版社《超大规模集成电路技术基础》电子工业出版社《超大规模集成电路工艺原理-硅和砷化镓》电子工业出版社3．目前实际教学学时数：课内课时54学时4．教学内容简介：本课程主要介绍了以硅外延平面工艺为基础的，与微电子技术相关的器件（硅器件）、集成电路（硅集成电路）的制造工艺原理和技术；介绍了与光电子技术相关的器件（发光器件和激光器件）、集成电路（光集成电路）的制造工艺原理，主要介绍了最典型的化合物半导体砷化镓材料以及与光器件和光集成电路制造相关的工艺原理和技术。5．教学课时安排：(按54学时)课程介绍及绪论2学时第一章衬底材料及衬底制备6学时第二章外延工艺8学时第三章氧化工艺7学时第四章掺杂工艺12学时第五章光刻工艺3学时第六章制版工艺3学时第七章隔离工艺3学时第八章表面钝化工艺5学时第九章表面内电极与互连3学时第十章器件组装2学时3课程教案:课程介绍及序论（2学时）内容：课程介绍：1教学内容1.1与微电子技术相关的器件、集成电路的制造工艺原理1.2与光电子技术相关的器件、集成电路的制造1.3参考教材2教学课时安排3学习要求序论：课程内容：1半导体技术概况1.1半导体器件制造技术1.1.1半导体器件制造的工艺设计1.1.2工艺制造1.1.3工艺分析1.1.4质量控制1.2半导体器件制造的关键问题1.2.1工艺改革和新工艺的应用1.2.2环境条件改革和工艺条件优化1.2.3注重情报和产品结构的及时调整1.2.4工业化生产2典型硅外延平面器件管芯制造工艺流程及讨论2.1常规npn外延平面管管芯制造工艺流程2.2典型pn隔离集成电路管芯制造工艺流程2.3两工艺流程的讨论2.3.1有关说明2.3.2两工艺流程的区别及原因课程重点：介绍了与电子科学与技术中的两个专业方向（微电子技术方向和光电子技术方向）相关的制造业，指明该制造业是社会的基础工业、是现代化的基础工业，是国家远景规划中置于首位发展的工业。介绍了与微电子技术方向相关的分离器件（硅器件）、集成电路（硅集成电路）的制造工艺原理的内容，指明微电子技术从某种意义上是指大规模集成电路和超大规模集成电路的制造技术。由于集成电路的制造技术是由分离器件的制造技术发展起来的，则从制造工艺上看，两种工艺流程中绝大多数制4造工艺是相通的，但集成电路制造技术中包含了分离器件制造所没有的特殊工艺。介绍了与光电子技术方向相关的分离器件、集成电路的制造工艺原理的内容。指明这些器件（发光器件和激光器件）和集成电路（光集成电路）多是由化合物半导体为基础材料的，最常用和最典型的是砷化镓材料，本课程简单介绍了砷化镓材料及其制造器件时相关的工艺技术与原理。在课程介绍中，指出了集成电路制造工艺原理的内容是随着半导体器件制造工艺技术发展而发展的、是随着电子行业对半导体器件性能不断提高的要求（小型化、微型化、集成化、以及高频特性、功率特性、放大特性的提高）而不断充实的。综观其发展历程，由四十年代末的合金工艺原理到五十年代初的合金扩散工艺原理，又由于硅平面工艺的出现而发展为硅平面工艺原理、继而发展为硅外延平面工艺原理，硅外延平面工艺是集成电路制造的基础工艺；在制造分离器件和集成电路时，为提高器件和集成电路的可靠性、稳定性，引入了若干有实效的保护器件表面的工艺，则加入了表面钝化工艺原理的内容；在制造集成电路时，为实现集成电路中各元器件间的电性隔离，引入了隔离墙的制造，则又加入了隔离工艺原理的内容。因此，集成电路工艺原理=硅外延平面工艺原理+表面钝化工艺原理+隔离工艺原理，而大规模至甚大规模集成电路的制造工艺，只不过是在掺杂技术、光刻技术（制版技术）、电极制造技术方面进行了技术改进而已。介绍了半导体技术概况，指出半导体技术是由工艺设计、工艺制造、工艺分析和质量控制四部分构成。工艺设计包含工艺参数设计、工艺流程设计和工艺条件设计三部分内容，其设计过程是：由器件的电学参数（分离器件电学参数和集成电路功能参数）参照工艺水平进行结构参数的设计；然后进行理论验算（结构参数能否达到器件的电学参数的要求）；验算合格，依据工艺原理和原有工艺数据进行工艺设计。工艺制造包含工艺程序实施、工艺设备、工艺改革三部分内容。工艺分析包含原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析和工艺条件分析等四部分内容，工艺分析的目的是为了工艺改进。质量控制包含分离器件和集成电路的失效机理研究、可靠性分析和工艺参数控制自动化三部分内容。在介绍、讨论、分析的基础上，指明了半导体器件制造中要注意的几个关键问题。介绍了以典型硅外延平面工艺为基础的常规npn外延平面管管芯制造工艺流程和典型pn隔离集成电路管芯制造工艺流程，并分析了两种工艺的共同处和不同处。5课程难点：半导体器件制造的工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容；工艺流程设计包含的具体内容；工艺条件设计包含的具体内内容。工艺制造涉及的具体内容，工艺线流程与各工序操作流程的区别。半导体器件制造的工艺分析所涉及的四部分内容，进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的意义何在；如何对应器件的不合格性能参数，通过上述四项分析进行工艺改进，从而得到合格性能参数。半导体器件制造的质量控制须做哪些工作，为什么说通过质量控制，器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度。什么是工艺改革和新工艺的应用？什么是环境条件改革和工艺条件优化？为什么要注重情报和及时调整产品结构？什么是工业化大生产？这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题？为什么说半导体器件制造有冗长的工艺流程？十几步的分离器件制造工艺流程与二十几步的集成电路制造工艺流程有什么区别？集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作，各自有哪几步工艺构成？各起到什么作用？基本概念：1半导体器件-由半导体材料制成的分离器件和半导体集成电路。2半导体分离器件-各种晶体三极管；各种晶体二极管；各种晶体可控硅。3半导体集成电路-以半导体（硅）单晶为基片，以外延平面工艺为基础工艺，将构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线连接构成的功能电路。4晶体三极管的电学参数-指放大倍数、结的击穿电压、管子的工作电压、工作频率、工作功率、噪声系数等。5晶体三极管的结构参数-包括所用材料、电性区各层结构参数、器件芯片尺寸、外延层结构参数和工艺片厚度等。6硅平面工艺-指由热氧化工艺、光刻工艺和扩散工艺为基础工艺构成的近平面加工工艺。7硅外延平面工艺-外延工艺+硅平面工艺构成的器件制造工艺。基本要求：要求学生了解本课程的性质，知道学好集成电路制造工艺原理对学习专业课的重要性。掌握半导体器件制造技术中所涉及的四部分内容。了解工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容；工艺流程设计包含的具体内容；工艺6条件设计包含的具体内内容。了解工艺制造涉及的具体内容，知道工艺线流程与各工序操作流程的区别是什么。了解半导体器件制造的工艺分析所涉及的四个分析内容，知道进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的指导意义；能够对应器件的不合格性能参数，通过上述四项分析进行工艺改进，从而得到合格性能参数。知道半导体器件制造的质量控制须做哪些工作，能清楚知道通过质量控制，器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度的原因。知道什么是工艺改革和新工艺的应用？什么是环境条件改革和工艺条件优化？为什么要注重情报和及时调整产品结构？什么是工业化大生产？清楚这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题？了解半导体器件制造有冗长的工艺流程，分离器件制造工艺至少有十几步的工艺流程，集成电路制造工艺至少有二十几步的制造工艺流程。知道集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作两大部分，知道制作隔离区的目的何在？制作埋层区的目的何在？清楚隔离制作有哪几步工艺构成？知道隔离氧化、隔离光刻和隔离扩散工艺各自达到什目的；清楚埋层制作有哪几步工艺构成？知道埋层氧化、埋层光刻和埋层扩散工艺各自达到什目的。绪论作业：思考题：2个第一章衬底材料及衬底制备(6学时)§1.1衬底半导体材料3学时课程内容：1常用半导体材料及其特点1.1常用半导体材料1.1.1元素半导体材料1.1.2化合物半导体材料1.2硅材料的特点1.2.1价格低、纯度高1.2.2制成的器件能工作在较高温度下1.2.3电阻率选择范围宽1.2.4其特有的硅外延平面工艺1.3砷化镓材料的特点1.3.1载流子的低场迁移率高1.3.2禁带宽度更大71.3.3能带结构更接近跃迁型2硅、砷化镓的晶体结构及单晶硅体2.1硅的晶体结构及特点2.1.1硅的金刚石型晶胞结构2.1.2硅原子沿〈111〉向的排列规律2.2砷化镓的晶体结构及特点2.2.1砷化镓的闪锌矿型晶胞结构2.2.2砷化镓的〈111〉向六棱柱晶胞2.2.3砷化镓的〈111〉向特点2.3硅、砷化镓晶体的制备方法2.3.1硅单晶体的制备方法2.3.2砷化镓晶体的制备方法2.4单晶硅体2.4.1单晶硅体呈圆柱状2.4.2单晶硅体上具有生长晶棱3硅衬底材料的选择3.1硅衬底材料的结构参数3.1.1结晶质量3.1.2生长晶向3.1.3缺陷密度3.2硅衬底材料的物理参数3.2.1电阻率3.2.2少数载流子寿命3.2.3杂质（载流子）补偿度3.3硅衬底材料的电性参数3.4其它要注意的问题3.4.1电阻率不均匀性问题3.4.2重金属杂质和氧、碳含量问题课程重点:本节主要介绍了半导体器件（半导体分离器件和半导体集成电路）制造中常用的半导体材料。在硅、锗元素半导体材料中，普遍应用的是硅半导体材料；在锑化铟、磷化镓、磷化铟、砷化镓等化合物半导体材料中，最常应用的是砷化镓半导体材料。分别介绍了硅半导体材料和砷化镓半导体材料各自的特点，相应的应用场合。讨论了硅半导体材料和砷化镓半导体材料的晶体结构，从中可知，虽然硅晶体具有金刚石型晶胞结构，而砷化镓晶体具有闪锌矿型晶胞结构，但从晶胞的构成和某些性质有相似的地方，但应注意其性质上的根本区8别。由硅原子沿〈111〉向的排列规律可知，在一个硅晶体的六棱柱晶胞中有七个相互平行的{111}面；而七个面构成的六个面间有两种面间距，其中一个体现面间距大的特点，另一个体现面间距小的特点；每一个{111}晶面具有相同的原子面密度；原子平面间是靠共价键连接的，而六个面间有两种面间共价键密度，在三个面间每个原子均为三键连接-体现面间价键密度大的特点，在另三个面间每个原子均为单键连接-体现面间价键密度小的特点。从结构中可知，面间价键密度小的面间同时面间距大，而面间价键密度大的面间同时面间距小，由此引入两个结论：面间价键密度小而同时面间距大的面间，极易被分割，称为硅晶体的解理面；面间价键密度大同时面间距小的面间，面间作用力极强，则被看作是不可分割的双层原子面，即当一个面看待。砷化镓晶体中原子沿〈111〉向的排列规律与硅晶体的相似，只不过砷面和镓面交替排列（四个砷面夹着三个镓面或四个镓面夹着三个砷面）而已。还讨论了硅晶体和砷化镓晶体的制备，硅单晶体通常采用直拉法或悬浮区熔法进行生长；砷化镓晶体通常采用梯度凝固生长法或液封式直拉法制备。本节还对半导体器件制造最常用的单晶硅体进行了讨论，可知单晶硅体呈圆柱状，但在单晶硅体上存在与单晶生长晶向相关的生长晶棱；因为与硅原子沿生长晶向排列有关，沿不同晶向生长的单晶硅体上晶棱数目不同，晶棱对称