电子科大《集成电路工艺》第一章

1集成电路工艺微固学院张金平[e-mail]2课程总体介绍一、课程性质和任务从设备结构及其工作原理、单项工艺方法、工艺集成技术、工艺流程等方面，介绍集成电路芯片的制造工艺原理。了解集成电路芯片是如何制造出来的，加深对器件结构和集成电路的理解，为掌握器件结构和集成电路的设计打下良好的基础。3二、教学内容及安排理论教学（32学时）:了解集成电路产业状况及技术发展动态；理解集成电路制造的先进工艺技术；掌握氧化、光刻、刻蚀、扩散、离子注入、沉积等各种单项工艺技术的基本原理、方法和主要特点；掌握工艺集成的特点以及集成电路制造的基本工艺流程。实验教学（16学时）:熟悉基本的半导体工艺（清洗、氧化以及光刻）；晶体管器件参数测试方法；版图EDA工具L-Edit的使用。课程总体介绍4课程总体介绍绪论:第1章：导论/半导体产业介绍第3章：器件技术第4章：硅和硅片制备第6章：6.4硅片清洗工艺：第10章：氧化第11章：淀积第12章：金属化第13-15章：光刻第17章：离子注入/扩散第18章：化学机械平坦化工艺集成：第9章：集成电路制造工艺概况作业/复习二、教学内容及安排5三、教材及参考书教材半导体制造技术：SemiconductorManufacturingTechnology；MichaelQuirk,JulianSerda著；韩郑生等译；电子工业出版社，2009；参考书《集成电路工艺基础》，王阳元等编著，高等教育出版社《微电子制造科学原理与工程技术》，StephenA.Campbell著，电子工业出版社，国外电子与通信教材系列。《集成电路制造技术—原理与实践》，庄同曾编，电子工业出版社。课程总体介绍6四、上课安排课时安排每周学时：4（1-8周星期二、四上午3-4节）相关课程：“集成电路原理”，“集成电路工艺实验”，“微电子器件”课程要求严格考勤、实行请假制度；鼓励看教学参考书和上网查阅资料采取“教学互动”的教学方式，欢迎用电子邮件传送疑难问题。考试方式：闭卷，平时成绩（到课率、交作业）占30％，期末考试70％。课程总体介绍7五、课程答疑时间星期五下午三点地点211楼802室（微固学院楼背后）联系方式邮箱：[e-mail]电话：[phone]课程总体介绍8第一章导论半导体产业介绍9第一章导论本章主要内容：集成电路产业的地位集成电路发展历程集成电路制造概况半导体产业发展方向101.1引言微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路及系统的电子学分支。微电子学：Microelectronics－微型电子学核心：集成电路。电子学微电子学11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Si、GaAs）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。集成电路：IC，IntegratedCircuit封装后的集成电路1.1引言12背景：机械技术的产品向电子技术变化的技术革命。半导体产业是这场技术革命的中心，以集成电路为核心的电子信息产业已成为全球第一大产业。半导体产业的战略地位信息社会发展的基石，实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯终端，它们的基础都是微电子。其发展规模及技术水平是衡量一个国家综合国力的重要标志。1.1引言INTERNET基础设施各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线...…路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关...…终端设备：PC、NetPC、WebTV...…网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE...…INTERNET服务信息服务:极其大量的各种信息交易服务:高可靠、高保密...…计算服务:“网络就是计算机!”，“计算机成了网络的外部设备!”13半导体产业对信息社会的重要性1.1引言市场销售额（10亿美元）市场销售额（10亿美元）手提数据通讯*630超薄显示器*170个人电脑*470IC卡*165移动电话服务*380地面微波广播*160CPU*300DNA生物芯片160数据存储产品*270多用途通讯设备*155磁存储*250半导体设备*150电子商务*250电力交通工具150网络信息服务*230墙壁式超薄电视*145高密度磁存储*230移动电话*140系统集成芯片*210直接引入工具140家庭医疗设备*210ITS设备140互联网*200DNA加工食品135有线电视*200液晶显示器*120智能传输系统190纺织品115代理软件*180燃油汽车11014半导体产业的战略重要性2020年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元（NikkeiBusiness1999）1.1引言15产品应用基础设施客户：•计算机•汽车•航天•医疗•其它工业客户服务原创设备制造商印刷电路板业工业标准(SIA,SEMI,NIST,etc.)生产工具设施材料和化学品计量工具分析实验室技术人员院校芯片制造商1.1引言产业规模产业规模达到3000亿美元2007年底，全球8英寸线近190条；全球12英寸集成电路生产线（含在建）超过70条。其中，台湾地区19条，美国18条，日本16条，韩国9条，欧洲4条，我国大陆3条，新加坡1条。2007年底，国内已经有集成电路芯片制造企业近50家，拥有各类集成电路芯片生产线51条。•我国拥有的第一条6英寸IC生产线：20世纪90年代908工程（无锡华晶项目）•我国拥有的第一条8英寸IC生产线：20世纪90年代909工程（上海华虹NEC项目）•我国拥有的第一条12英寸IC生产线：2004年中芯国际北京芯片生产线建设投产时间12英寸8英寸6英寸5英寸4英寸生产线总数2000年底013615252003年底065715332005年底198815412007年底31113915511.1引言171.2半导体产业发展历程18CPUROM1.2半导体产业发展历程Wafer硅片晶圆19第一台通用电子计算机：ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania19,000个真空管组成大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：50吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min1.2半导体产业发展历程真空管20缺点：体积大，可靠性差，耗能1.2半导体产业发展历程211947年12月23日第一个晶体管，NPNGe晶体管。W.Schokley，J.Bardeen，W.Brattain晶体管的剖面图获得1956年Nobel物理奖晶体管的剖面图特点：体积小，无真空，可靠，重量轻等。1.2半导体产业发展历程22肖克莱(WilliamShockley)巴丁(JohnBardeen)布拉顿(WalterBrattain)1.2半导体产业发展历程231958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件（两个晶体管、两个电容和八个电阻），Ge晶片获得2000年Nobel物理奖Ti公司JackKilby（杰克.基尔比）1.2半导体产业发展历程24RobertNoyce(罗伯特.诺依斯)1959年美国仙童/飞兆公司（FairchildSemiconductor）的R.Noicy（罗伯特.诺依斯）开发出用于IC的Si平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。1960年仙童公司制造的IC1.2半导体产业发展历程25半导体产业发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技术现在集成电路产业中占95%以上。1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器1968年Dennard（登纳德）——单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器——计算机的心脏第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸x1/16英寸，仅包含2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。1.2半导体产业发展历程器件结构类型MOS，Bipolar，BiCMOS集成电路规模SSI，MSI，LSI，VLSI，ULSI，GSI电路形式DigitalIC，AnalogIC，Digital-AnalogIC应用领域26集成电路的分类1.2半导体产业发展历程按集成度划分：每块集成电路芯片中包含的元器件数目•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)•甚大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)27集成电路发展的五个时代1.2半导体产业发展历程28按集成电路规模分类1.2半导体产业发展历程29Intel,PentiumIII45nmCPU,AMD1.2半导体产业发展历程半导体（集成电路）产业的特点:技术更新换代快–产品的集成度每18个月增长一倍（摩尔定律）投资巨大，风险极高，被誉为“吞金”产业–投资建设集成电路生产线的费用：12英寸15亿美元；8英寸10亿美元；–8英寸集成电路生产线养线的费用：100万元/天–国外一套0.5μmCMOS集成电路大生产工艺技术：1996年报价2亿美元。–极高的集成电路设计风险。1.2半导体产业发展历程30硅片制造厂的启动成本310.18μm一次投片费用100万。常采用MPW－多项目晶圆（MultiProjectWafer）。根据SemaTech报告，“一套130nm逻辑器件工艺的掩膜大约需75万美元，一套90nm的掩膜将需160万美元，一套65nm的掩膜将高达300万美元1.2半导体产业发展历程◎集成电路IC企业大致上可分为以下几类通用电路生产厂，典型—生产存储器和CPU；集成器件制造商(IDM-IntegratedDeviceManufactoryCo.)，从晶圆之设计、制造到以自有品牌行销全球皆一手包办，如Intel，Mortorola；Foundry厂，标准工艺加工厂或称专业代工厂商，如TSMC、SMIC；Fabless：IC设计公司，只设计不生产。如AMD；Chipless：既不生产也不设计芯片，而是设计IP内核，授权给半导体公司使用。如RAM（AdvancedRISCMachines）；Fablite：轻晶片厂，有少量晶圆制造厂的IC公司。321.2半导体产业发展历程33~19801980~1990IC(IDM)制造商通用电路制造商前两类厂家，IDMIP模块和ChiplessCo.出现与整机、系统用户相结合，相对分散设计；以标准工艺为接口，相对集中加工。这就导致了Fabless和Foundry的出现。1.2半导体产业发展历程341.3集成电路制造概况硅芯片的器件和层DevicesandLayersfromaSiliconChip35Siliconsubstratedrain硅衬底Siliconsubstrate顶部保护层Topprotectivelayer金属层－Metallayer绝缘层－Insulationlayers凹进导电层Recessedconductivelayer导电层Conductivelayer1.3集成电路制造概况集成电路制造步骤（5个阶段）硅片制备（Waferpreparation）硅片制造（Waferfabrication）硅片测试/拣选（Wafertest/sort）装配与封装（Assemblyandpackaging）终测（Finaltest）361.3集成电路制造概况37本课程主要学习第2阶段1、硅片制备：晶体生长，滚圆、切片、抛光。2、硅片制造：清洗、成膜、光刻、刻蚀、掺杂。3、硅片测试/拣选：测试、拣选每个芯片。4、装配与封