微电子工艺基础绪论

微电子工艺基础王静

Wangjing

一概述1.

2.这门课的对主要对象？3.本课程的主要内容4.第1章绪论1.为什么要学这门课？

1.为什么要学这门课？微电子技术的发展不外乎包括两个方面：制造工艺和电路设计,而这两个又是相辅相成,互相促进,共同发展。

微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。芯片制造工艺在1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、0.11微米、0.09微米一直发展到当前的0.025微米。

只有真正理解了芯片的制作过程，你才能根据具体的需要设计集成度高，功耗低，性能好的器件，从而推动微电子技术的进一步发展。1.为什么要学这门课？提高显示芯片的制造工艺具有重大的意义，因为更先进的制造工艺会在显示芯片内部集成更多的晶体管，使显示芯片实现更高的性能、支持更多的特效；更先进的制造工艺会使显示芯片的核心面积进一步减小，也就是说在相同面积的晶圆上可以制造出更多的显示芯片产品，直接降低了显示芯片的产品成本，从而最终会降低显卡的销售价格使广大消费者得利；更先进的制造工艺还会减少显示芯片的功耗，从而减少其发热量，解决显示芯片核心频率提升的障碍.....显示芯片自身的发展历史也充分的说明了这一点，先进的制造工艺使显卡的性能和支持的特效不断增强，集成电路最主要的特征参数的设计规则从1959年以来40年间缩小了140倍。而平均晶体管价格降低了107倍。

一概述1.

有机电致发光器件的发展2.这门课的研究对象？3.本课程的主要内容4.第1章绪论1.为什么要学这门课？这门课的对象？这门课的对象？interl45nm晶圆Interlpetryn45nm工艺处理器集成了4.1亿个晶体管interlpetryn45nm工艺处理器芯片图interl微处理器芯片这门课的对象？芯片这门课的对象？晶圆这门课的对象？这门课的对象？

芯片制作流程沙子变黄金芯片制作流程N沟MOS场效应晶体管P沟MOS场效应晶体管半导体器件的发展过程1874年，布朗（Braun）发现了（金属-半导体接触）检波二极管1907年，朗德（Round）发明了发光二极管1947年AT&T公司的巴丁（J．Bardeen）、布拉顿（W．H．Brattain）和肖克莱（W．Shockley）做出了世界上第一个晶体三极管1960年，姜（Kahng）和亚特拉（Atalla）发明了金氧半场效应晶体管（MOSFET）硅技术的发展规划年199719992003200620092012最小特征尺寸250nm180nm130nm100nm70nm50nmDRAM比特/芯片256M1G4G16G64G256GDRAM芯片尺寸（mm2）28040056079011201580微处理器晶体管/芯片11M21M76M200M520M1.4G最大布线层数66-77-7-88-99最小掩模板数目2222-242424-2626-2828最小工作电压（V）1.8-2.51.5-1.81.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6一概述1.为什么要学这门课？2.这门课的对象？3.本课程的主要内容4.第1章绪论本课程的主要内容微电子产品制作单项工艺的原理、方法及趋势集成电路相对于分立器件的特有技术典型产品的工艺流程1、绪论、微电子工艺概况（2学时，p1-p15）2、半导体材料、晶圆制备（3学时，p16-p44）3、污染控制、芯片制造基本工艺（3学时，p45-p89）4、外延工艺（3学时，p255-p259）5、氧化工艺（4学时，p104-p128）6、化学气相淀积（3学时，p241-p255和p261-p265）7、金属淀积（4学时，p266-p285

）8、光刻工艺（6学时，p129-p215

）9、掺杂技术（4学时，p216-p240）10、封装技术（4学时，p334-p397

）本课程的学时安排参考文献刘玉岭等编著，《微电子技术工程—材料、工艺与测试》施敏等编著，《半导体制造工艺基础》先修课程半导体物理、固体物理学一概述1.为什么要学这门课？2.这门课的对象？4.第1章绪论3.本课程的主要内容第1章绪论本章（2学时）目标：1、分立器件和集成电路的区别2、平面工艺的特点3、微电子工艺的特点4、芯片制造的四个阶段

第1章绪论一、微电子产业二、芯片制造的几个阶段第1章绪论一、微电子产业

1、微电子产业在国民经济中的作用*

2、半导体工业的诞生*

3、分立器件、集成电路***

4、微电子工艺的发展****

5、微电子产业的分类***第1章绪论一、微电子产业1、微电子产业在国民经济中的作用信息业、计算机业以及家电业得益于微电子产业的发展，特别是集成电路的发展集成电路是工业发展水平的标志。第1章绪论一、微电子产业

1、微电子业在国民经济中的作用*

2、半导体工业的诞生*

3、分立器件、集成电路****

4、微电子工艺的发展**

5、微电子产业的分类***半导体产业介绍概述

微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管）问世，50年代中期出现了硅平面工艺，此工艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺，也使得将多个分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路成为可能，随着制造工艺水平的不断成熟，使微电子从单只晶体管发展到今天的ULSI。回顾发展历史，微电子技术的发展不外乎包括两个方面：制造工艺和电路设计，而这两个又是相互相成，互相促进，共同发展。

第1章绪论一、微电子产业2、半导体工业的诞生电信号处理工业始于1906年的真空三极管Ge半导体器件于1947年诞生于贝尔实验室，标志着固态电子时代的来临。1959年第一块集成电路的出现标志着半导体发展到了集成电路时代。1.1半导体工业的诞生电信号处理工业始于上个世纪初的真空管，真空管使得收音机、电视机和其他电子产品成为可能。它也是世界上第一台计算机的大脑。真空管的缺点是体积大、功耗大，寿命短。当时这些问题成为许多科学家寻找真空管替代品的动力，这个努力在1947年12月23日得以实现。也就是第一只Ge合金管的诞生。如图所示。1.2固态器件固态器件不仅是指晶体管，还包括电阻器和电容器。Ge合金管的缺点是工作温度低，电性能差。50年代随着硅平面制造工艺的出现，很快就出现了用硅材料制造的晶体管。由于硅材料的制造温度(熔点温度1415℃)和硅晶体管的工作温度都优于锗(熔点温度937℃)，加之SiO2的天然生成使得硅晶体管很快取代了Ge晶体管。1.3集成电路最早的集成电路仅是几个晶体管、二极管、电容器、电阻器组成，而且是在锗材料上实现的，是由德州仪器公司的杰克·基尔比发明的。如图所示。右图是用平面技术制造的晶体管集成电路定义：把由若干个晶体管、电阻、电容等器件组成的、实现某种特定功能的电子线路，集中制造在一块小小的半导体芯片上，大体上可以分为三类，半导体集成电路，混合集成电路及薄膜集成电路。半导体集成电路又可以分为双极型集成电路和金属－氧化物－半导体集成电路。优点：1，降低互连的寄生效应；2，可充分利用半导体晶片的空间和面积；3，大幅度降低制造成本。集成电路的发展1960年出现第一个逻辑电路（多谐振荡器）1962年开发了晶体管-晶体管逻辑（TTL）系列的集成电路1972年，低功耗的集成注入逻辑（IIL）系列集成电路，同年，高速的发射极耦合逻辑（ECL）系列集成电路1970年，出现了1Kb的半导体动态存储器和1972年，推出的有2250个MOS场效应管的微处理器i4004导致了数字集成技术发生革命性的变化集成电路的主要应用：微型计算机，移动通信，汽车电子化等集成电路器件结构分类非饱和型PMOS型双极型MOS型CMOS型NMOS型BiMOS饱和型TTLI2LECL组合逻辑电路集成电路按结构分类双极型MOS型BiMOS型PMOSNMOSCMOSBiMOSBiCMOS按功能分类数字电路组合逻辑电路时序逻辑电路模拟电路线性电路非线性电路数字模拟混合电路接口电路双极型集成电路和MOS集成电路优缺点双极型集成电路中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比较大CMOS集成电路低的静态功耗、宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度（无阈值损失），具有高速度、高密度潜力；可与TTL电路兼容。电流驱动能力低1967年，姜（Kahng）和施敏发明了一种非挥发性半导体存储器，可以用于便携式电子系统1980年，Mimura等人发明了调制掺杂场效应晶体管，这是更快速德场效应晶体管1994年，Yano等人发明了室温单电子存储器集成电路的发展过程发展阶段主要特征1966年MSI1971年LSI1980年VLSI1990年以后ULSI元件数/芯片102-103103-105105-107107-109特征线宽（μm）10-55-33-1<1速度功耗积（μJ）102-1010-11-10-2<10-2栅氧化层厚度（nm）120-100100-4040-1515-10结深（μm）2-1.21.2-0.50.5-0.20.2-0.1芯片面积（mm2）<1010-2525-5050-100硅片直径（英寸）2-34-56>6摩尔定律在1960年，Intel公司的创始人之一GordonE.Moore曾预言，集成电路的功能随时间呈指数增长规律1975年摩尔提出了关于集成电路集成度发展的“摩尔定律”，这个定律说，集成度(即电路芯片的电子器件数)每18个月翻一番，而价格保持不变甚至下降。近三十年的发展规律较精确地证实了这个定律。由此可见这一领域竞争激烈的程度。（5年翻10倍）1997年到2014年的工艺技术变化微电子器件的挑战原因：最小器件尺寸一直以大约每年13％的速度在减小（即每三年减少30％），最小的特征长度冲2002年的130nm缩小到2014年的35nm。由Intel为代表的多家公司正在开发“极端紫外”光刻技术，用氙灯将波长降至0.01微米；IBM则致力于0.005微米波长的X射线光刻技术研究工作研究前沿微电子工业的未来21世纪前20年，以PC的需求驱动集成电路发展21世纪后20年，除PC会继续发挥影响外，与internet相结合的，可移动的，网络化的，智能化的，多媒体的实时信息设备和系统将是主要驱动力计算机，通信和消费电子产品的一体化也将是重要的驱动力。21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代，即存储量有Gb发展到Tb，集成电路中器件的速度由GHz发展到THz,数据传输速率由Gbps发展到Tbps.通过将微电子集成技术与其它学科相结合，成功典型：微电子机械系统(MEMS)，微电光机械系统(MOEMS)以及生物芯片(bio-chip)半导体工艺技术的发展历程20世纪60年代，双极型晶体管作为基本的开关器件，MOS晶体管还不太容易制造出来20世纪70年代，MOS工艺技术才变得可行，主要势NMOS晶体管，因为电子的迁移率是空穴的三倍20世纪80年代，互补型MOS工艺技术变成了主流的工艺技术，需12至14块掩模板20世纪90年代，双极-CMOS兼容工艺技术引入，需20多块光刻掩模板1.4工艺和产品趋势从以开始，半导体工业就呈现出在新工艺和器件结构设计上的持续发展。工艺的改进是指以更小尺寸来制造器件和电路，并使之具有更高的密度，更多的数量和更高的可靠性。尺寸和数量是IC发展的两个共同目标。芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸，将此定义为制造复杂性水平的标准。通常用微米来表示。一微米为1/10000厘米。GordonMoore在1964年预言IC的密度每隔18～24个月将翻一番，------摩尔定律。特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是：信号传输距离的缩短和电路速度的提高，芯片或电路功耗更小。1.5半导体工业的构成半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和半导体工业设备及化学品供应五大块。目前有三类企业：一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司；另一类是做设计和销售的公司，他们是从芯片生产厂家购买芯片；还有一种是芯片生产工厂，他们可以为顾客生产多种类型的芯片。1.6器件制造半导体器件制造分4个不同阶段：1.材料准备

2.晶体生长与晶圆准备

3.芯片制造

4.封装第一步材料准备第二步晶体生长与晶圆准备第三步芯片制造第四步封装第1章绪论一、微电子产业

1、微电子业在国民经济中的作用*

2、半导体工业的诞生*

3、分立器件、集成电路***

4、微电子工艺的发展****

5、微电子产业的分类***第1章绪论一、微电子产业

1、微电子业在国民经济中的作用*

2、半导体工业的诞生*

3、分立器件、集成电路***

4、微电子工艺的发展****

5、微电子产业的分类***第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生*****（2）平面工艺的发展**（3）工艺及产品趋势**（4）微电子工艺的特点*****第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生平面工艺是由Hoerni于1960年提出的。在这项技术中，整个半导体表面先形成一层氧化层，再借助平板印刷技术，通过刻蚀去除部分氧化层，从而形成一个窗口。①合金结方法A接触加热：将一个p型小球放在一个n型半导体上，加热到小球熔融第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生①合金结方法B冷却：p型小球以合金的形式掺入半导体底片，冷却后，小球下面形成一个再分布结晶区，这样就得到了一个pn结。第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生②生长结方法半导体单晶是由掺有某种杂质（例如P型）的半导体熔液中生长出来的。在生长过程中的某一时刻，突然改变熔融液的P/N型。第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生③扩散结和平面工艺*****合金结的缺点：不能准确控制pn结的位置。生长结的缺点：不适宜大批量生产。扩散形成pn结第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生③扩散结和平面工艺*****A扩散结的形成方式与合金结相似点表面表露在高浓度相反类型的杂质源之中与合金结区别点不发生相变，杂质靠固态扩散进入半导体晶体内部B扩散结的优点扩散结结深能够精确控制。

第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生③扩散结和平面工艺*****C二氧化硅薄膜的优点作为掩蔽膜，有效的掩蔽大多数杂质的扩散提高半导体几何图形的控制精度钝化半导体器件表面，提高了器件的稳定性。

第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生③扩散结和平面工艺*****平面工艺：利用二氧化硅掩蔽膜，通过光刻出窗口控制几何图形进行选择性扩散形成pn结平面工艺的优点：B2O3B2O3兼有固态扩散形成结和利用二氧化硅掩膜精确控制器件几何图形这两方面的优点。第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生③扩散结和平面工艺*****应用平面工艺制作二极管的简要过程：第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生③扩散结和平面工艺*****应用平面工艺制作二极管的简要过程（续1）：第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生③扩散结和平面工艺*****应用平面工艺制作二极管的简要过程（续2）：第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生*****（2）平面工艺的发展**（3）工艺及产品趋势**（4）微电子工艺的特点*****第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（2）平面工艺的发展从1959年至今的五十多年间工艺技术的发展，大多数采用平面工艺。60年代，出现了外延技术，如n-Si/n+-Si，n-Si/p-Si，IC制作在外延层上。70年代，离子注入技术，实现了浅结掺杂。新工艺新技术不断出现，例如：等离子技术，电子束光刻，分子束外延等。（参照教材P10~P15）第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生*****（2）平面工艺的发展**（3）工艺及产品趋势**（4）微电子工艺的特点*****第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势①特征图形尺寸的减小特征尺寸/特征图形尺寸：设计中的最小尺寸，通常用微米表示特征尺寸和集成度是集成电路发展的两个共同标志。

第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势①特征图形尺寸的减小SIA（半导体工业协会）统计2003年工艺为0.35/0.25um2006年为0.18/0.13um由于量子尺寸效应的约束，IC线宽极限尺寸为0.07um。

新的预测显示，2005年半导体销售将增长6.8%，达到2276亿美元，而2006年将增长7.9%，达到2455亿美元，2007年将增长10.5%，达到2713亿美元，2008年将增长13.9%，达到3092亿美元。第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势①特征图形尺寸的减小特征图形尺寸的减小--->电路密度的增加--->传输距离短--->电路速度提高、功耗降低第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势②芯片和晶圆尺寸的增大几个概念：器件、芯片（die）街区、锯切线晶圆（wafer）晶圆的切面（主切面、副切面）P46第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势②芯片和晶圆尺寸的增大晶圆尺寸从1960年的1英寸到现在的8英寸（200mm）和12英寸（300mm）。第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势③缺陷密度的减小100um―1um不是问题1um―1um致命缺陷

第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势④内部连线水平的提高高元件密度减小了连线的空间。解决方案：在元件形成的表面上使用多层绝缘层和导电层相互叠加的多层连线。第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势④内部连线水平的提高第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（3）工艺及产品趋势⑥纳电子技术上世纪90年代以来，纳米科技高速发展，微电子技术是主要推动力。⑤芯片成本的降低今天：中等价位的台式机相当于当年IBM大型机的能力。

第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（1）平面工艺的诞生*****（2）平面工艺的发展**（3）工艺及产品趋势**（4）微电子工艺的特点*****第1章绪论一、微电子产业4、微电子工艺的发展概况（4）微电子工艺的特点高技术含量设备先进、技术先进高精度光刻图形的最小线条尺寸在亚微米量级，

制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而

精度更在上述尺度之上。超纯

指工艺材料方面，如衬底材料Si、Ge单晶

纯度达11个9。

超净

环境、操作者、工艺三个方面的超净，如

VLSI在100级超净室、10级超净台