微电子制造工艺ch-1材料与工艺概论

半导体材料和集成电路平面工艺基础课程目的本课程是为今后从事集成电路设计和集成电路制造的微电子学专业本科学生开设的专业选修课。在掌握微电子器件和集成电路工作原理和结构的基础上•初步掌握与器件（电路）工作原理直接相关的半导体材料物理知识•初步掌握集成电路芯片制造的基本工艺流程•初步掌握集成电路芯片制造的基本工艺和设备特点及工艺质量的测控•初步掌握工艺流程的设计和分析方法。•IC工艺需要精密地定量控制（有相关工艺设计与仿真软件），但是，本阶段工艺课程学习以定性或半定量为主。•制造工艺包含了各种专门技术，技术的选用应保证某一种器件的功能实现、保证其特殊的性能，还应保证产品的大规模生产、高成品率（良率）、高可靠性和低成本！•要掌握课程内容，需要熟悉半导体器件原理和特性、相关材料的特性、各个环节的分析测试技术，需要在实践中不断积累；因而，也需要较多地阅读参考资料，以逐步掌握并应用工艺原理及技术。•本课程着重给出主要工艺环节的相关要点！课程特点课程学习要求•鼓励课堂提问和答问（争取获得奖励分！）•鼓励相互小声（不影响他人！）讨论课堂内容•课程作业次周交，占课程总成绩30%•课程假设大家都已具备较好的大学物理、半导体物理和半导体器件（含集成电路）的知识，能够理解测试技术中的基本物理原理，（建议大家复/预习相关知识）•作业和考试不可避免地将涉及上述知识材料器件工艺•References：(Materials)3.材料科学与技术丛书—半导体工艺，K.A.杰克逊等主编，（科学出版社，1999）ProcessingofSemiconductors,ByKennethA.JacksonandWolfgangSchröter,(Wiley-VCH,1996);Ch1,Ch24.半导体器件的材料物理学基础，陈治明等，科技版，19995.微电子技术工程—材料、工艺与测试，刘玉岭等，（电子工业出版社，2004）1.SiliconProcessing，ByStanleyWolfandRichardN.Tauber，(LatticePress，2000),Ch1,Ch22.SiliconVLSITechnology—Fundamentals,PracticeandModeling,ByLameD.Plummeretal,(PearsonEducation,2000)；Ch3•References：(Processing)3.SiliconProcessing，ByStanleyWolfandRichardN.Tauber，（LatticePress，2000）4.ULSITechnology，ByG.Y.ChangandSimon.M.Sze，（MiGrawHill，1996）5.半导体制造技术，MichaelQuirk,JulianSerda（科学出版社，1999）SemiconductorManufacturingTechnology,(PrenticeHall,2001)6.微电子技术工程—材料、工艺与测试，刘玉岭等，（电子工业出版社，2004）1.TheScienceandEngineeringofMicroelectronicFabrication,ByStephenA.Campbell,(Oxford,2ndEdition,2001)2.SiliconVLSITechnology—Fundamentals,PracticeandModeling,ByLameD.Plummeretal,(PearsonEducation,,2000)集成电路芯片？集成电路芯片？PassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+ILD-6LImetalViap+p+n+n+n+2314567891011121314集成电路芯片？沟道长度集成电路芯片？本课程只涉及芯片制造工艺!•主要教学内容：•第一篇(Overview&Materials)•第一章：半导体工业及芯片工艺发展概述•第二章：半导体材料的基本性质•第三章：Si单晶的生长与加工•第四章：几种化合物半导体的材料生长与加工•小结:材料器件工艺•第二篇(UnitProcess)•第一章：IC制造中的超净和硅片清洁技术–第一单元：热处理和局域掺杂技术•第二章：扩散掺杂技术(Ch3)•第三章：热氧化技术(Ch4)•第四章：离子注入技术(Ch5)•第五章：快速热处理技术(Ch6)–第二单元：图形加工技术•第六章：图形转移技术（光刻技术）(Ch7~9)•第七章：图形刻蚀技术(Ch10~)–第三单元：薄膜技术•第八章：薄膜物理淀积技术(Ch12)•第九章：薄膜化学汽相淀积（CVD）技术(Ch13)•第十章：晶体外延生长技术(Ch14)–第四单元：集成技术简介•第十一章：基本技术(Ch15)•第十二章：几种IC工艺流程(Ch16)•第十三章：质量控制简介第一章半导体工业及芯片工艺概述•半导体器件和集成电路种类•集成电路中的元、器件结构•特征尺寸及其制约特征尺寸的因素•摩尔定理•芯片制造的基本流程•良率•工艺兼容性、可制造性与成本•其它第一章半导体工业及芯片工艺概述•半导体器件和集成电路种类–1、集成电路的基本单元（有源元件）二极管：•按结构和工艺：金/半接触二极管：肖特基二极管、（点接触二极管）面结型二极管：合金结二极管、扩散结二极管、生长结二极管、异质结二极管、等•按功能和机理：振荡、放大类：耿氏二极管、雪崩二极管、变容二极管、等信号控制类：混频二极管、开关二极管、隧道开关二极管、检波二极管、稳压二极管、阶跃二极管、等发光类：发光二极管(LED)（半导体激光器）、传感器：各类光电二极管（探测器、光伏器件）、各类力、热、磁传感器、等晶体管：（放大、开关、高频、…？）•双极型晶体管：（NPN、PNP）合金管、合金扩散管、台面管、外延台面管、平面管、外延平面管等•场效应晶体管：（P沟、N沟；增强型、耗尽型）MOS场效应晶体管（MOSFET）、结型场效应晶体管（JFET）、肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）–2、集成电路的分类：•按功能：数字集成电路、模拟集成电路、数模混合集成电路、射频/微波集成电路、功率集成电路、SoC、其它；•按工艺（结构与功能）：半导体集成电路（双极型、MOS型、BiCMOS）、薄/厚膜集成电路、混合电路；•按有源器件：双极型、MOS型、BiCMOS、光电集成电路、CCD集成电路、传感器/换能器集成电路•按集成规模：小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、甚大规模（ULSI）、巨大规模（GLSI）•集成电路中的元、器件结构•几种二极管的基本结构（a、n极）合金平面生长（异质）台面Schottky•几种晶体管的基本结构（e、b、c极或s、d、g极）合金生长（异质）平面1平面2MOS第一章半导体工业及芯片工艺概述Si双极npn晶体管芯片结构EBCn+pnn+1~10m300~500m介质膜Al电极SiO2膜外延层埋层衬底隔离、基区、发射区、钨塞、集电区简单的BipolarIC结构电容：MOSPNJunction电阻：特点：利用晶体管的部分结构！元器件的平面结构VinVoutVDDGroundDRAM1、衬底制备，2、外延生长，3、一次氧化，4、一次光刻，5、基区扩散，6、二次氧化，7、二次光刻，8、发射区扩散，9、三次氧化，10、三次光刻，11、金属镀膜，12、反刻金属膜13、背面镀膜，14、合金化EBCn+pnn+第一章半导体工业及芯片工艺概述•芯片制造的基本流程(以Si双极性晶体管为例)一次光刻（基区）、二次光刻（发射区）、三次光刻（引线孔）、四次光刻（反刻引线）（负性光刻胶）一次氧化、一次光刻（基区光刻）、硼扩散（基区扩散）、基区再分布（二次氧化）二次光刻（发射区光刻）、磷扩散（发射区扩散+三次氧化）、三次光刻（引线孔光刻）、金属镀膜、反刻引线。氧化台阶、套刻–3）IC的基本制造环节•晶片加工•外延生长介质膜生长图形加工局域掺杂金属合金•封装、测试设计公司（FabLess）材料厂（代工场）FoundryFAB封装厂•器件（电路）设计测试与验证版图设计与制造芯片制造测试封装测试器件生产基本过程有分问题：将大量的、各种类型的器件集成在同一芯片上，会遇见什么基本的制造工艺问题？1）？2）？3）？…;大体上：•对器件了解的要点–任何一款器件，都有其特定的纵向和横向结构，以实现其功能和性能，–形成器件结构的是具有特定性能的材料•特定性能的材料形成通常需要持续的高温热处理•材料种类（如Si、SiO2)和尺度•材料性能（如：导电类型、电阻率、载流子浓度、迁移率、少子寿命等，以及导致它们变化的杂质及浓度/分布/电荷态变化、缺陷、晶格畸变）•界面缺陷和界面态–材料的性能（在高温下）可以发生变化，因而可以导致器件的性能，甚至功能变化第一章半导体工业及芯片工艺概述•工艺兼容性、可制造性与成本！–工艺并非独立的！（局部的加工过程对整体的影响）–工艺并非理想的！（材料的表/界面、杂质/缺陷）•工艺的一般“安排”：先底层后顶层、先高温后低温、先稳定后易变有分问题：（习题）界面和缺陷状态的不理想，如何影响器件的功能或性能？材料器件工艺第一章半导体工业及芯片工艺概述•特征尺寸及其制约特征尺寸的因素♠特征尺寸:单元器件结构中的最小尺寸；一般特指MOSFET的沟道长度，如0.5m、0.13m、90nm、45nm、25nm等♠主要制约因素：量子效应图形加工技术（光刻）栅介质材料净化技术♠解决方案：超高频、新型光刻技术、高k介质工艺的其它特征描述：晶圆直径（8英寸、12英寸等）器件类型（Bipolar、CMOS、BiCMOS等)器件特征（铝栅/硅栅、GeSi技术、耐压等）技术水平（光刻次数、误差容限、芯片尺寸等）第一章半导体工业及芯片工艺概述•摩尔定理：由Intel创始人之一的Moore提出的，被人认为可以获得诺贝尔经济学奖的定理•一块芯片上的晶体管数目大约每隔12个月翻一番（1964年）（1975年修订为18个月）实现途径：晶体管尺寸减小；芯片尺寸增大；第一章半导体工业及芯片工艺概述•摩尔定理的几种形式：图1.7图1.9Moore’sLowWorldSemiconductorTradeSystemFrom:www.wsts.org第一章半导体工业及芯片工艺概述•良率：即，合格率良率的测量：影响良率的因数：晶圆破碎和弯曲制成变异（工艺误差）制成缺陷（杂质污染）光刻缺陷器件参数连线、密封、工艺缺陷第一章半导体工业及芯片工艺概述良率的累积：工艺步骤与整体良品率！！！Y=yiyi=各种模型微电子技术的发展趋势1）集成电路：超大（单元数、芯片面积）——超微（关键尺寸）多功能、高性能（快速、低功耗、抗干扰）、SoC（SystemonChip）低成本高可靠性2）工艺技术：大直径材料（8”、12”、15”、。。。）光刻极限(0.35→0.13、90nm→40nm、25nm→?）新结构器件（应变硅、纳电子技术、高k介质。。。）超纯环境和材料（半导体材料、介质材料、试剂）、新测试和封装技术单项技术（压印光刻技术等）3）新领域：MEMS：多样化、小型化、与控制电路集成纳电子：量子线/点微结构、集成化、工作温度新材料电子器件：有机分子电路、自旋器件光子晶体：短波长、局域生长、三维材料、参数可控硅光子学：（硅光电集成系统:电子功能模块间的光互联、电信号调制下的光信号变换和传输）特征尺寸减小、芯片和晶圆尺寸增大、缺陷密度减小、内部连线水平提高、芯片成本降低SoC——SystemonChip芯片系统集成MEMS——Micro-ElectronicMechanicSystem微电子机械系统OEIC——OptoelectronicIntegratedCircuit光电子集成系统M