电子科大微电子工艺原理(第一章)绪论

1、考核方式：考核方式： 平时考核平时考核(到课率、交作业情况到课率、交作业情况)，占总成绩，占总成绩20% 期末考核期末考核(开卷考试开卷考试)，占总成绩，占总成绩80% 半导体产业： 与半导体器件的设计和制造相关的产业。2. 产业规模及市场需求产业规模及市场需求3. 产业竞争产业竞争4. 集成电路产业的特点集成电路产业的特点IC费用费用12英寸英寸8英寸英寸6英寸英寸45nm90nm0.18m0.5m0.5m1.0m制版费制版费（每套）（每套）450万元万元250万元万元190万元万元20万元万元12万元万元流片费流片费（每晶圆）（每晶圆）1.0万元万元0.7万元万元0.5万元万元半导体产业半

2、导体产业2014年全球年全球50大大IC设计公司中国占设计公司中国占9家家国内主要集成电路芯片制造企业：国内主要集成电路芯片制造企业：体积大重量重功耗高可靠性差 无真空 体积小 重量轻 功耗低 可靠性高n 1947年发明固体锗晶体管（肖克莱、巴丁、布拉顿）年发明固体锗晶体管（肖克莱、巴丁、布拉顿）n 1957年第一个硅平面晶体管诞生（仙童半导体公司年第一个硅平面晶体管诞生（仙童半导体公司 )n 1959年发明硅基集成电路（诺伊思、基尔比）年发明硅基集成电路（诺伊思、基尔比）晶体管的发明者（肖克莱、巴丁、布拉顿）因此发明晶体管的发明者（肖克莱、巴丁、布拉顿）因此发明获得诺贝尔奖获得诺贝尔奖(19

3、56)1959年仙童公司制造的年仙童公司制造的IC含芯片的硅片含芯片的硅片 一种模拟集成电路芯片集成电路制造步骤：提高芯片性能降低芯片成本提高芯片可靠性 关键尺寸关键尺寸 摩尔定律摩尔定律 硅片尺寸硅片尺寸重要概念：重要概念： 2012年，英特尔成功量产了年，英特尔成功量产了22nm工艺技术，工艺技术， 台积电量台积电量产产28nm 。下一代：英特尔下一代：英特尔 14nm、台积电、台积电 20nm。20042006200820102012CD（nm)906545322219941995199719992002CD（m)0.60.350.250.180.13对微观尺寸的认识IC 发展的另一些规

4、律： 建立一个芯片厂的造价每一年半翻一番。 线条宽度每4 6 年下降一半。降低成本硅片尺寸不断增大，芯片成本逐渐降低硅片尺寸不断增大，芯片成本逐渐降低20092010201120122013201420152016关键关键尺寸尺寸 nm2927242220181715晶圆晶圆直径直径mm300300300300300450450450INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORSITRS 201020172018201920202021202220232024关键关键尺寸尺寸 nm1413121110987晶圆晶圆直径直径mm450450

5、450450450450450450INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORSITRS 2010 按构成集成电路基础的晶体管分按构成集成电路基础的晶体管分n双极型集成电路以双极型平面晶体管为主要器件nMOS型集成电路以MOS晶体管为主要器件nBICMOS电路 双极Bipolar与与MOS 混合型薄膜电阻扩散电阻俯视图剖面图主要的有源器件：主要的有源器件：n 二极管n 双极晶体管n MOS晶体管n CMOS器件先进的场效应晶体管-FinFETIntel从Core i7-3770之后的22纳米的处理器均使用了FinFET技术。1. 晶体结

6、构晶体结构2. 晶体表征晶体表征3. 半导体级硅半导体级硅(SGS)的制备的制备4. 单晶硅生长单晶硅生长5. 硅片制备硅片制备6. 硅中的晶体缺陷硅中的晶体缺陷7. 硅外延层硅外延层硅的丰裕度 (地壳中含量第二，约占25%，仅次于氧)更高的熔化温度允许更宽的工艺容限 (硅：1412 ，锗：937 )更宽的工作温度范围 (军用-55 至+125 ，商用0 至70 )(锗外层电子比硅活跃，温度影响大)氧化硅的自然生成 (容易生长，性能稳定，用途广泛)硅掺杂：纯单晶硅是绝缘体其电阻率为2.5105cm， 当掺入百万分之一的杂质磷或砷，则电阻率下降为 0.2 cm，导电能力增强125万倍！1. 晶体

7、结构晶体结构物质晶体非晶体单晶多晶内部原子非常规则地在三维空间重复排列n 晶体的原子排列内部原子排列杂乱无规则硅晶胞：面心立方金刚石结构多晶硅结构 单晶硅结构单晶：晶胞在三维空间整齐重复排列，这样的结构单晶：晶胞在三维空间整齐重复排列，这样的结构叫做单晶。叫做单晶。单晶的原子排列长程有序。单晶的原子排列长程有序。多晶：晶胞无规律地排列，这样的结构叫做多晶。多晶：晶胞无规律地排列，这样的结构叫做多晶。多晶的原子排列短程有序长程无序。多晶的原子排列短程有序长程无序。OAm1Xm2Ym3Z密勒指数：m1 m2 m3 晶向：MOS集成电路通常用（100）晶面或晶向双极集成电路通常用（111）晶面或晶向

8、这种生产纯SGS的工艺称为西门子工艺98%98%99.9999999%99.9999999% CZ直拉法单晶炉关键工艺参数：关键工艺参数：拉伸速率和晶体旋转速度拉伸速率和晶体旋转速度1) 直拉法（直拉法（CZ法）法） 精确复制籽晶（具有所需晶向的单晶硅）结构。 生产大直径的单晶硅锭。85%的硅锭是由直拉法生产出来的。 实现均匀掺杂。直拉法（直拉法（CZ法）特点：法）特点：硅中电阻率和掺杂硅中电阻率和掺杂浓度之间的关系浓度之间的关系纯纯Si电阻率电阻率 2.5105 .cm使用的材料：掺杂好的多晶硅棒 优点：纯度高，含氧量低 (少量氧吸附杂质；过量氧影响单晶硅的机械和电学性能) 缺点：硅片直径比

9、直拉的小去掉两端径向研磨定位边研磨注：直径大于注：直径大于300mm的硅片采用线锯来切片。的硅片采用线锯来切片。倒角：减小机械应力，降低位错缺陷，避免沾污化学腐蚀深度约20微米，目的是消除硅片表面损伤CMP，目的：高平整度的光滑表面200mm及其以前硅片，仅上表面抛光；300mm以上硅片，双面抛光。7) 评估评估8) 包装包装硅片质量评估主要技术指标硅片质量评估主要技术指标:450mm 硅片计划：硅片计划：台积电已在台湾竹南购买了土地，用来建设开发和初期量产使用的450mm硅片生产线。计划在20162017年启动试产线，2018年开始量产。 点缺陷点缺陷 原子层面的局部缺陷原子层面的局部缺陷

10、线缺陷（位错线缺陷（位错 ） 错位的晶胞错位的晶胞 面缺陷（面缺陷（层错层错 ） 晶体结构的缺陷晶体结构的缺陷 空位缺陷空位缺陷Vacancy defect(b) 间歇原子缺陷间歇原子缺陷Interstitial defect(c) Frenkel缺陷缺陷Frenkel defect成品率成品率在单晶衬底上生长一薄层单晶层，称为外延层。外延层晶体结构与衬底一致，而厚度、导电类型、掺杂浓度可根据需要而定。硅外延发展的起因是为了提高双极器件和集成电路的性能。外延可在重掺杂的衬底上生长轻掺杂的薄层，这样可以提高耐压同时降低导通电阻。在CMOS集成电路中，随着器件尺寸的减小，外延可将闩锁效应降至最低。2 液液：盐酸/过氧化氢/去离子水1：1：6 使用方法：75 85，侵泡1020分 作用：去除硅片表面的金属杂质使用1液（SC1）和2#液（SC2）清洗又称为RCA清洗，是美国无线电公司（RCA公司）提出的人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过