电子科大《集成电路工艺》第一章汇编

1、1集成电路(jchng-dinl)工艺微固学院(xuyun) 张金平共六十七页2课程(kchng)总体介绍 一、课程(kchng)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。共六十七页3二、教学内容及安排(npi)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(zhzo)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

2、点以及集成电路制造(zhzo)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。课程总体介绍共六十七页4课程总体(zngt)介绍绪论: 第1章：导论/半导体产业(chny)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、教学内容及安排共六十七页5三、教材(jioci)及参考书 教 材 半导体制造技术(jsh)：

3、Semiconductor Manufacturing Technology； Michael Quirk, Julian Serda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，Stephen A. 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。课程总体介绍共六十七页6四、上课(shng k)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

4、行(shxng)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。课程总体介绍共六十七页7五、课程(kchng)答疑 时 间 星期五下午三点 地 点 211楼802室（微固学院(xuyun)楼背后） 联系方式 邮箱： 电话18011466181课程总体介绍共六十七页8第一章 导论(do ln)半导体产业介绍共六十七页9第一章 导 论本章(bn zhn)主要内容：集成电路(jchng-dinl)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

5、向共六十七页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(dinl)及系统的电子学分支。微电子学：Microelectronics微型(wixng)电子学核心：集成电路。电子学微电子学共六十七页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(y kui)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(jchng-dinl)：IC，Integrated Circuit封装后的集成电路1.1 引 言共六十七页12背景： 机械技术的产品向电子技术变化的技术革

6、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(fzhn)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 言共六十七页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(kko)、

7、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(xnx)社会的重要性1.1 引 言共六十七页14半导体产业(chny)的战略重要性2020年世界最大的30个市场(shchng)领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元（Nikkei Business 1999）1.1 引 言共六十七页15产品(chnpn)应用基础设施(j ch sh sh)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

8、言共六十七页 产业规模产业规模达到3000亿美元2007年底，全球(qunqi)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

9、生产线总数2000年底013615252003年底065715332005年底198815412007年底31113915511.1 引 言共六十七页171.2 半导体产业发展(fzhn)历程共六十七页18CPUROM1.2 半导体产业发展(fzhn)历程Wafer硅片晶圆共六十七页19第一台通用(tngyng)电子计算机：ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）1946年2月14日Moore School，Univ. of Pennsylvania19,000个真空管组成大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/se

10、c；重量：50吨；功率(gngl)：140KW；平均无故障运行时间：7min1.2 半导体产业发展历程共六十七页真空管20缺点(qudin)：体积大，可靠性差，耗能1.2 半导体产业发展(fzhn)历程共六十七页211947年12月23日第一个晶体管，NPN Ge晶体管。W. Schokley， J. Bardeen，W. Brattain晶体管的剖面图获得(hud)1956年Nobel物理奖晶体管的剖面图特点(tdin)：体积小，无真空，可靠，重量轻等。1.2 半导体产业发展历程共六十七页22肖克莱( William Shockley)巴丁(John Bardeen)布拉顿(Walter B

11、rattain)1.2 半导体产业(chny)发展历程共六十七页231958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件(qjin)（两个晶体管、两个电容和八个电阻），Ge晶片获得(hud)2000年Nobel物理奖Ti公司Jack Kilby（杰克.基尔比）1.2 半导体产业发展历程共六十七页24Robert Noyce (罗伯特.诺依斯)1959年 美国仙童/飞兆公司（ Fairchild Semiconductor ）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(tu dng)了IC制造业的大发展。 1960年仙童公司制造(zhzo)的IC 1.2

12、半导体产业发展历程共六十七页25半导体产业(chny)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DRAM1971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 x 1/16英寸，仅包含2000多个晶体管，采用英特尔10微米(wi m)PMOS技术生产。1.2 半导体产业发展历程共六十七页 器件结构类型 MOS，Bipolar，BiCMOS 集成电路规模 SSI，MSI，LSI，VLSI，ULSI，

13、GSI 电路(dinl)形式 Digital IC，Analog IC，Digital - Analog IC 应用领域26集成电路(jchng-dinl)的分类1.2 半导体产业发展历程共六十七页按集成度划分：每块集成电路芯片中包含(bohn)的元器件数目小规模集成电路(Small Scale IC，SSI)中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI)大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI)甚大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI)27集成电路发展(fzhn)的五个时代1

14、.2 半导体产业发展历程共六十七页28按集成电路规模(gum)分类1.2 半导体产业(chny)发展历程共六十七页29Intel, Pentium III45nm CPU, AMD1.2 半导体产业(chny)发展历程共六十七页半导体（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(fngxin)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0.5m CMOS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

15、展(fzhn)历程30共六十七页硅片制造厂的启动(qdng)成本310.18m 一次投片费用100万。常采用MPW多项目晶圆（Multi Project Wafer）。 根据SemaTech报告，“一套130nm逻辑器件(qjin)工艺的掩膜大约需75万美元，一套90 nm的掩膜将需160万美元，一套65 nm的掩膜将高达300万美元1.2 半导体产业发展历程共六十七页 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(shngchn)存储器和CPU； 集成器件制造商 (IDM-Integrated Device Manufactory Co.)，从晶圆之设计、制造到以自有品牌行

16、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（Advanced RISC Machines）； Fablite：轻晶片厂，有少量晶圆制造厂的IC公司。321.2 半导体产业(chny)发展历程共六十七页33 19801980 1990IC(IDM)制造商通用电路制造商前两类厂家(chn ji)，IDMIP模块(m kui)和Chipless Co.出现与整机、系统用户

17、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共六十七页341.3 集成电路(jchng-dinl)制造概况共六十七页硅芯片(xn pin)的器件和层Devices and Layers from a Silicon Chip35Silicon substratedrain硅衬底Silicon substrate顶部(dn b)保护层Top protective layer金属层Metal layer绝缘层Insulation layers凹进导电层Recessed conductive layer导电层Cond

18、uctive layer1.3 集成电路制造概况共六十七页 集成电路制造步骤（5个阶段） 硅片制备（Wafer preparation） 硅片制造（Wafer fabrication） 硅片测试/拣选(jinxun)（Wafer test/sort） 装配与封装（Assembly and packaging） 终测（Final test）36 1.3 集成电路制造(zhzo)概况共六十七页37本课程主要(zhyo)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、装配与封装：沿着划片槽切割成芯片、压

19、焊和包封(bo fn)。5、终测：电学和环境测试。1.3 集成电路制造概况共六十七页38Crystal Growth 单晶生长2.Single Crystal Ingot 单晶硅锭Crystal Trimming and Diameter Grind 单晶去头和径向研磨Flat Grinding 定位边研磨Wafer Slicing 硅片切割 6. Edge Rounding 倒角 7. Lapping 粘片 8. Wafer Etching 硅片刻蚀 9. Polishing 抛光Wafer Inspection 硅片检查SlurryPolishing tablePolishing head

20、PolysiliconSeed crystalHeaterCrucible1.3 集成电路制造概况(gikung)-硅片制备共六十七页主要(zhyo)工艺 晶圆处理制程（Wafer Fabrication） 1. 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上 2. 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触(jich)等 3. 成膜：制作各种材料的薄膜。 4. 刻蚀：有选择性的去除不需要的材料。391.3 集成电路制造概况-硅片制造共六十七页40CMOS工艺流程中的主要制造(zhzo)步骤Oxidation(Field oxide)Silic

21、on substrateSilicon dioxideoxygenPhotoresistDevelopoxidePhotoresistCoatingphotoresistMask-WaferAlignment and ExposureMaskUV lightExposed PhotoresistexposedphotoresistGSDActive Regionstop nitrideSDGsilicon nitrideNitrideDepositionContact holesSDGContactEtchIon ImplantationresistoxDGScanning ion beamS

22、Metal Deposition and EtchdrainSDGMetal contacts PolysiliconDepositionpolysiliconSilane gasDopant gasOxidation(Gate oxide)gate oxideoxygenPhotoresistStripoxideRF PowerIonized oxygen gasOxideEtchphotoresistoxideRF Power Ionized CF4 gasPolysiliconMask and EtchRF PoweroxideIonized CCl4 gaspoly gateRF Po

23、wer1.3 集成电路制造概况(gikung)-硅片制备共六十七页411.3 集成电路制造概况(gikung)-硅片制备厂共六十七页42 第一次测试：在首次金属刻蚀完进行。 此次测试特定(tdng)器件的特定(tdng)电学参数； 第二次测试：在芯片制造的最后一步工艺后进行； 硅片通过测试拣选后要进行背部减薄。这使得划片更容易，更利于散热。1.3 集成电路制造概况(gikung)-硅片测试/拣选共六十七页 三、后部封装 （在另外厂房）（1）背面减薄（2）划片、掰片（3）粘片（4）压焊：金丝球焊（5）切筋（6）整形（7）封装（8）沾锡：保证管脚的电学接触（9）老化(lohu)（10）成测（11）

24、打字、包装43芯片(xn pin)切割与封装1.3 集成电路制造概况-装配与封装芯片封装形式共六十七页44封装后芯片(xn pin)功能的测试成都的封装测试(csh)厂Intel（成都）IC封装测试厂 SMIC（成都） IC封装测试厂宇芯（成都） IC封装测试有限公司 1.3 集成电路制造概况-终测共六十七页451.4 半导体产业发展(fzhn)方向共六十七页461.4 半导体产业(chny)发展方向 提高芯片性能Increase in Chip Performance关键尺寸 (Critical Dimension，CD) 或最小特征尺寸（Feature Size）或特征线宽；每块芯片的元件

25、(yunjin)数 (Components per Chip) 摩尔定律 Moores Law功耗 (Power Consumption) 提高芯片可靠性Increase in Chip Reliability 降低芯片成本 Reduction in Chip PriceIC技术发展的趋势共六十七页47Contact HoleLine WidthSpace关键尺寸 (CD)：集成电路中半导体器件能够加工的最小尺寸。它是衡量(hng ling)集成电路设计和制造水平的重要尺度，关键尺寸越小，芯片的集成度越高，速度越快，性能越好 1.4 半导体产业(chny)发展方向提高性能 在CMOS技术中，特

26、征尺寸通常指多晶硅栅的线宽 在双极技术中，特征尺寸通常指接触孔的尺寸共六十七页48关键尺寸(ch cun) (CD)的发展1.4 半导体产业发展方向(fngxing)提高性能共六十七页491971年，Intel的第一个微处理器4004：10微米工艺，仅包含(bohn)2300多只晶体管；2010年， Intel的最新微处理器Core i7：32纳米工艺，包含近20亿只晶体管。晶体管集成数量(shling)的发展1.4 半导体产业发展方向提高性能共六十七页50 据报道，英特尔于2011年底推出采用(ciyng)22 nm工艺的MPU，包含近290亿只晶体管； 英特尔建设、装备22nm工艺工厂的资

27、本支出将增加到90亿美元； 英特尔将联合三星、东芝等厂商进行10nm制造工艺研发，在2016年之前三大巨头将会升级到10nm级别制造工艺。晶体管集成(j chn)数量的发展22nm 测试芯片-intel1.4 半导体产业发展方向提高性能共六十七页51The Moores Law摩尔定律Moore定律是在1965年由INTEL公司的Gordon Moore提出的，其内容是：硅集成电路按照(nzho)4年为一代，每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%，IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。1975年修正为：芯片上所集成(j chn)的晶体管的数目，每18个月就翻一番。1.4 半导体产业发

28、展方向提高性能共六十七页52降低功耗的好处(ho chu)108642097 99 01 03 06 09 12Average Power in micro Watts (10-6 W)Year1.降低电源(dinyun)设计的要求；2.降低噪声；3.降低工作温度（器件工作温度每升高10度，寿命缩短一半）；4.待机时间长；.1.4 半导体产业发展方向提高性能共六十七页531.4 半导体产业(chny)发展方向提高可靠性Year72 76 80 84 88 92 96 007006005004003002001000Long-Term Failure Rate Goalsin parts per

29、 million (PPM)芯片(xn pin)可靠性的提高提高设计、工艺制造技术，控制沾污等。共六十七页541.4 半导体产业(chny)发展方向降低成本半导体芯片价格(jig)的降低19301940 1950 1960 1970 1980 1990 2000Year104102110-210-410-610-810-10Relative valueDevice size = Price =Bipolar transistorMSILSIVLSIULSIStandard tubeElectron tubesSemiconductor devicesIntegrated circuitsMin

30、iature tubeFrom S. SZE共六十七页55按此比率(bl)下降，小汽车价格不到1美分From S.M.SZE1.4 半导体产业(chny)发展方向降低成本共六十七页硅片尺寸(ch cun)（ Wafer Size）的发展562000年1992年1987年1981年1975年1965 年 50mm 100mm 125mm 150mm 200mm 300mm 450mm 2吋 4吋 5吋 6吋 8吋 12吋 18吋2008年1.4 半导体产业(chny)发展方向降低成本共六十七页提高集成度，缩小特征尺寸，同样面积，更多的电路。规模经济：一次出很多芯片(xn pin)。 投片成本高，量大风险大！设计！ SoC设计技术，SIP等。面积就是价格！电路设计、版图设计！在第三世界国家建厂，人力成本低！ 大家好找工作！57 怎么(zn me)降低价格？1.4 半导体产业发展方向降低成本共六十七页58摩尔定律的问题： 特征尺寸的缩小已经接近原子量级，量子效应越来越明显。 芯片功耗。由于