集成电路制造工艺课件

集成电路制造工艺集成电路的发展历史集成电路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集成电路芯片显微照片各种封装好的集成电路1.1900年普朗克发表了著名的《量子论》揭开了现代物理学的新纪元，并深深地影响了20世纪人类社会的发展。2.之后的2，30年时间里，包括爱因斯坦在内的一大批物理学家逐步完善了量子理论，为后来微电子的发展奠定了坚实的理论基础历史的回顾1947年圣诞前夕，贝尔实验室的科学家肖克利(WilliamShockley)和他的两助手布拉顿(WaterBrattain、巴丁（Johnbardeen)在贝尔实验室工作时发明了世界上第一个点接触型晶体管由于三人的杰出贡献，他们分享了1956年的诺贝尔物理学奖世界上第一个点接触型晶体管锗多晶材料制备的点接触晶体管集成电路的发明杰克-基尔比1959年1959年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片集成电路发明人，诺贝尔物理学奖（2000年）得主，Kilby博士来复旦给师生讲课，2001年5月•从此IC经历了：–SSI–MSI–LSI•现已进入到：–VLSI–ULSI–GSI集成电路的发展小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。中文中把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意义。CMOS工艺特征尺寸发展进程年份1989年1993年1997年2001年特征尺寸1.0µm0.6µm0.25µm0.18µm水平标志微米（M）亚微米（SM）深亚微米（DSM）超深亚微米（UDSM）0.8—0.35μm称为亚微米，0.25μm及其以下称为深亚微米，0.18μm以下为超深亚微米，0.05μm及其以下称为纳米级UltraDeepSubMicron，UDSM集成电路发展的特点特征尺寸越来越小布线层数/I/0引脚越来越多硅圆片尺寸越来越大芯片集成度越来越大时钟速度越来越高电源电压/单位功耗越来越低摩尔定律一个有关集成电路发展趋势的著名预言，该预言直至今日依然准确。集成电路自发明四十年以来，集成电路芯片的集成度每三年翻两番，而加工特征尺寸缩小倍。即由Intel公司创始人之一GordonE.Moore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。2集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线IC在各个发展阶段的主要特征数据发展阶段主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数/芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽(um)10-55-33-11栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积(mm2)1010-2525-5050-100被加工硅片直径(mm)50-75100-125150150Intel公司第一代CPU—4004电路规模：2300个晶体管生产工艺：10um最快速度：108KHzIntel公司CPU—386TM电路规模：275,000个晶体管生产工艺：1.5um最快速度：33MHzIntel公司最新一代CPU—Pentium®4电路规模：4千2百万个晶体管生产工艺：0.13um最快速度：2.4GHz–器件结构类型–集成度–电路的功能–应用领域集成电路的分类按器件结构类型分类•双极集成电路：主要由双极型晶体管构成–NPN型双极集成电路–PNP型双极集成电路•金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极型晶体管)构成–NMOS–PMOS–CMOS(互补MOS)•双极-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极和MOS晶体管的集成电路。综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类别数字集成电路模拟集成电路MOSIC双极ICSSI10210030MSI10210310050030100LSI1031055002000100300VLSI1051072000300ULSI107109GSI109按集成度分类数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。按电路的功能分类数字集成电路(DigitalIC)：是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路(AnalogIC)：是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路，通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路：线性集成电路：又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。标准通用集成电路通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。按应用领域分类专用集成电路根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit)，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。1.特征尺寸(FeatureSize)/（CriticalDimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)描述集成电路工艺技术水平的三个技术指标减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.13μm工艺，Intel目前将大部分芯片生产制程转换到0.09μm。2.晶片直径(WaferDiameter)为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从2吋～12吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。尺寸从2吋～12吋成比例增加的晶圆•3.DRAM的容量RAM(Random-AccessMemory)－随机存取存储器分为动态存储器DRAM(Dynamic)和静态存储器SRAM(Static)中国IC产业分布图•中芯国际集成电路制造有限公司•上海华虹(集团)有限公司•华润微电子(控股)有限公司•无锡海力士意法半导体有限公司•和舰科技(苏州)有限公司•首钢日电电子有限公司•上海先进半导体制造有限公司•台积电(上海)有限公司•上海宏力半导体制造有限公司•吉林华微电子股份有限公司2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：•飞思卡尔半导体(中国)有限公司•奇梦达科技(苏州)有限公司•威讯联合半导体(北京)有限公司•深圳赛意法半导体有限公司•江苏新潮科技集团有限公司•上海松下半导体有限公司•英特尔产品(上海)有限公司•南通富士通微电子有限公司•星科金朋(上海)有限公司•乐山无线电股份有限公司2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是：•炬力集成电路设计有限公司•中国华大集成电路设计集团有限公司(包含北京中电华大电子设计公司等)•北京中星微电子有限公司•大唐微电子技术有限公司•深圳海思半导体有限公司•无锡华润矽科微电子有限公司•杭州士兰微电子股份有限公司•上海华虹集成电路有限公司•北京清华同方微电子有限公司•展讯通信(上海)有限公司2006年度中国集成电路设计前十大企业是：集成电路（IntegratedCircuit）制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的基础。基础电路制造工艺•集成电路工艺技术主要包括:1、原始硅片工艺硅单晶拉制到最终形成作为IC衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术。2、掺杂工艺包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。•3、微细图形加工工艺包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。4、介质薄膜工艺包括各种热生长技术和各种CVD技术。5、金属薄膜工艺包括真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术。集成电路制造工艺简介生产工厂简介国外某集成电路工厂外景净化厂房芯片制造净化区域走廊HereintheFabTwoPhotolithographyareaweseeoneofour200mm0.35micronI-LineSteppers.thissteppercanimageandalignboth6&8inchwafers.投影式光刻机Hereweseeatechnicianloading300mmwafersintotheSemiTool.Thewafersareina13waferTefloncassetteco-designedbyProcessSpecialtiesandSemiToolin1995.Againthesearetheworld'sfirst300mmwetprocesscassettes(thatcanbespinrinsedried).硅片清洗装置AswelookinthiswindowweseetheWorld'sFirsttrue300mmproductionfurnace.Ourdevelopmentanddesignofthistoolbeganin1992,itwasinstalledinDecemberof1995andbecamefullyoperationalinJanuaryof1996.12英寸氧化扩散炉Herewecanseetheloadingof300mmwafersontothePaddle.12英寸氧化扩散炉装片工序ProcessSpecialtieshasdevelopedtheworld'sfirstproduction300mmNitridesystem!Webeganprocessing300mmLPCVDSiliconNitrideinMayof1997.12英寸氧化扩散炉取片工序（已生长Si3N4）2,500additionalsquarefeetofStateoftheArtClassOneCleanroomiscurrentlyprocessingwafers!Withincreased300mm&200mmprocessingcapabilitiesincludingmorePVDMetalization,300mmWetprocessing/Cleaningcapabilitiesandfullwafer300mm0.35umPhotolithography,allinaClassOneenviroment.PVD化学汽相沉积CVD化学汽相沉积CVDAccuracyinmetrologyisneveranissueatProcessSpecialties.Weusethemostadvancedroboticlaserellipsometersandothercalibratedtoolsforprecisionthinfilm,resistivity,CDandstepheightmeasurement.IncludingournewNanometrics8300fullwafer300mmthinfilmmeasurementandmappingtool.Wealsouseoutsidelaboratoriesandourexcellentworkingrelations