半导体材料和集成电路平面工艺基础-课件

SemiconductorMaterials

&

BasicPrincipleofICPlanarProcessing

半导体材料

和

集成电路平面工艺基础SemiconductorMaterials

&

Bas1References：(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,Practiceand Modeling,ByLameD.Plummeretal,(Pearson Education,, 2000);Ch3

References：(Materials)3.2References：(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,Practiceand Modeling,ByLameD.Plummeretal,(Pearson Education,, 2000)References：(Processing)3.Sil3主要教学内容：第一篇(Overview&Materials)第一章：IC平面工艺及发展概述第二章：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

工艺主要教学内容：4

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~)

第二篇(UnitProcess)5

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

第三单元：薄膜技术6第一章：IC平面工艺及发展概述

集成电路芯片？第一章：IC平面工艺及发展概述

集成电路芯片？7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？PassivationlayerBondin8集成电路芯片？集成电路芯片？9集成电路芯片？集成电路芯片？10第一章：IC平面工艺及发展概述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

光电类：发光二极管(LED)（半导体激光器）、 光电二极管（探测器）第一章：IC平面工艺及发展概述11晶体管：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）晶体管：122、集成电路的分类：按功能： 数字集成电路、模拟集成电路、微波集成电路、 射频集成电路、其它；按工艺： 半导体集成电路（双极型、MOS型、BiCMOS）、

薄/厚膜集成电路、混合集成电路按有源器件： 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）2、集成电路的分类：13半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件143、基本工艺流程举例几种二极管的基本结构合金平面生长（异质）台面Schottky几种晶体管的基本结构合金生长（异质）平面1平面2MOS3、基本工艺流程举例15半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件161~10m300~500m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1）、简单的BipolarIC结构1~10介质膜隔离、基区、发射区、钨塞、集电区1）、简单的B172）、Si双极npn晶体管芯片的工艺流程1、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+2）、Si双极npn晶体管芯片的工艺流程1、衬底制备，2、外18一次光刻（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、套刻一次光刻（基区）、二次光刻（发射区）、三次光刻（引线孔）、四19电容：MOSPNJunction电阻：电容：电阻：20元器件的平面结构元器件的平面结构21半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件22VinVoutVDDGroundVinVoutVDDGround23DRAMDRAM24半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件25半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件26半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件273）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、测试材料厂Foundry封装厂3）IC的基本制造环节材料厂Foundry封装厂284、发展(历史和现状)出现，IC、LSI、VLSI和ULSI，规律，特征尺寸，工业化方式和SoC趋势MEMS、OEIC、MOMES“生物芯片”4、发展(历史和现状)29KilbyTexasInstrum.(TI)1959Feb.GemesatransistorsPatentNo.3138743出现Kilby出现30

NoyceFairchild1959JulySiplanarIC2981877Noyce31沟道长度<0.13m特征尺寸沟道长度<0.13m特征尺寸32半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件33~15inch~2cm2~15inch~2cm234ChipWaferChipWafer35=300mmMEMCElectronicMaterials,=300mm36

37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；38摩尔定理：由Intel创始人之一的Moore提出的，被人认为Moore’sLowMoore’sLow39Moore’sLowMoore’sLow40半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件41WorldSemiconductorTradeSystemFrom:WorldSemiconductorTradeSyst42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43SoC——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MOMESSoC——SystemonChipMEMS——Mic441）、微电子机械系统（MEMS）微电子技术与精密机械技术相结合，将微型传感器（力、热、光、电、磁、声）、微型执行器（如：机械）、信号处理与控制电路、接口电路、通信系统以及电源集成一体。目前主要用硅材料和介质膜通过光刻技术实现1）、微电子机械系统（MEMS）45厚：20~30m直径：4mm转速：200rpm厚：20~30m46半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件47物理要点：振动的质量块电容极板在非惯性系统中受到科氏力的作用，质量块移动而引起电容的变化。物理要点：振动的质量块电容极板在非惯性系统中受到科氏力的作用48LabonChipLabonChip492）、光电子集成芯片以微电子加工技术为基础，将激光器、光调制器、光开关等等光子器件通过光波导的互连而优化集成在一个芯片上，实现各种系统功能。硅基材料、光学晶体、光学薄膜2）、光电子集成芯片50半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件51激光多普勒速度仪（LiNbO3）激光多普勒速度仪（LiNbO3）523）、DNA芯片*基本思想是通过施加电场等措施，使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性。制作高密度的特定的探针阵列性芯片——进行基因识别和分析“生物成分分析芯片”

——LoS（LabonSystem）3）、DNA芯片*53半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件54

5、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 5、微电子技术的发展趋势55

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）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 3）新领域：56SemiconductorMaterials

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BasicPrincipleofICPlanarProcessing

半导体材料

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集成电路平面工艺基础SemiconductorMaterials

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Bas57References：(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,Practiceand Modeling,ByLameD.Plummeretal,(Pearson Education,, 2000);Ch3

References：(Materials)3.58References：(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,Practiceand Modeling,ByLameD.Plummeretal,(Pearson Education,, 2000)References：(Processing)3.Sil59主要教学内容：第一篇(Overview&Materials)第一章：IC平面工艺及发展概述第二章：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

工艺主要教学内容：60

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~)

第二篇(UnitProcess)61

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

第三单元：薄膜技术62第一章：IC平面工艺及发展概述

集成电路芯片？第一章：IC平面工艺及发展概述

集成电路芯片？63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？PassivationlayerBondin64集成电路芯片？集成电路芯片？65集成电路芯片？集成电路芯片？66第一章：IC平面工艺及发展概述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

光电类：发光二极管(LED)（半导体激光器）、 光电二极管（探测器）第一章：IC平面工艺及发展概述67晶体管：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）晶体管：682、集成电路的分类：按功能： 数字集成电路、模拟集成电路、微波集成电路、 射频集成电路、其它；按工艺： 半导体集成电路（双极型、MOS型、BiCMOS）、

薄/厚膜集成电路、混合集成电路按有源器件： 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）2、集成电路的分类：69半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件703、基本工艺流程举例几种二极管的基本结构合金平面生长（异质）台面Schottky几种晶体管的基本结构合金生长（异质）平面1平面2MOS3、基本工艺流程举例71半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件721~10m300~500m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1）、简单的BipolarIC结构1~10介质膜隔离、基区、发射区、钨塞、集电区1）、简单的B732）、Si双极npn晶体管芯片的工艺流程1、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+2）、Si双极npn晶体管芯片的工艺流程1、衬底制备，2、外74一次光刻（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、套刻一次光刻（基区）、二次光刻（发射区）、三次光刻（引线孔）、四75电容：MOSPNJunction电阻：电容：电阻：76元器件的平面结构元器件的平面结构77半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件78VinVoutVDDGroundVinVoutVDDGround79DRAMDRAM80半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件81半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件82半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件833）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、测试材料厂Foundry封装厂3）IC的基本制造环节材料厂Foundry封装厂844、发展(历史和现状)出现，IC、LSI、VLSI和ULSI，规律，特征尺寸，工业化方式和SoC趋势MEMS、OEIC、MOMES“生物芯片”4、发展(历史和现状)85KilbyTexasInstrum.(TI)1959Feb.GemesatransistorsPatentNo.3138743出现Kilby出现86

NoyceFairchild1959JulySiplanarIC2981877Noyce87沟道长度<0.13m特征尺寸沟道长度<0.13m特征尺寸88半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件89~15inch~2cm2~15inch~2cm290ChipWaferChipWafer91=300mmMEMCElectronicMaterials,=300mm92

93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；94摩尔定理：由Intel创始人之一的Moore提出的，被人认为Moore’sLowMoore’sLow95Moore’sLowMoore’sLow96半导体材料和集成电路平面工艺基础(-课件97WorldSemiconductorTradeSystemFrom:WorldSemiconductorTradeSyst98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99SoC——SystemonChip