半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)-課件

SemiconductorMaterials

&

BasicPrincipleofICPlanarProcessing

半導(dǎo)體材料

和

集成電路平面工藝基礎(chǔ)SemiconductorMaterials

&

Bas1References：(Materials)3.材料科學(xué)與技術(shù)叢書—半導(dǎo)體工藝，K.A.杰克遜等主編， （科學(xué)出版社，1999）

ProcessingofSemiconductors,ByKennethA.JacksonandWolfgangSchr?ter,(Wiley-VCH,1996);Ch1,Ch24. 半導(dǎo)體器件的材料物理學(xué)基礎(chǔ)，陳治明等，科技版，19995. 微電子技術(shù)工程—材料、工藝與測試，劉玉嶺等，（電子工業(yè)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. 半導(dǎo)體制造技術(shù)，MichaelQuirk,JulianSerda （科學(xué)出版社，1999）SemiconductorManufacturingTechnology,(PrenticeHall,2001)6. 微電子技術(shù)工程—材料、工藝與測試，劉玉嶺等，（電子工業(yè)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主要教學(xué)內(nèi)容：第一篇(Overview&Materials)第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述第二章：半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)第三章：Si單晶的生長與加工第四章：幾種化合物半導(dǎo)體的材料生長與加工小結(jié): 材料

器件

工藝主要教學(xué)內(nèi)容：4

第二篇(UnitProcess)第一章：IC制造中的超凈和硅片清潔技術(shù)第一單元：熱處理和局域摻雜技術(shù)第二章：擴散摻雜技術(shù)(Ch3)第三章：熱氧化技術(shù)(Ch4)第四章：離子注入技術(shù)(Ch5)第五章：快速熱處理技術(shù)(Ch6)第二單元：圖形加工技術(shù)第六章：圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)（光刻技術(shù)）(Ch7~9)第七章：圖形刻蝕技術(shù)(Ch10~)

第二篇(UnitProcess)5

第三單元：薄膜技術(shù)第八章：薄膜物理淀積技術(shù)(Ch12)第九章：薄膜化學(xué)汽相淀積（CVD）技術(shù)(Ch13)第十章：晶體外延生長技術(shù)(Ch14)第四單元：集成技術(shù)簡介第十一章：基本技術(shù)(Ch15)第十二章：幾種IC工藝流程(Ch16)第十三章：質(zhì)量控制簡介

第三單元：薄膜技術(shù)6第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述

集成電路芯片？第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述

集成電路芯片？7集成電路芯片？PassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+ILD-6LImetalViap+p+n+n+n+2314567891011121314集成電路芯片？PassivationlayerBondin8集成電路芯片？集成電路芯片？9集成電路芯片？集成電路芯片？10第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述1、集成電路的基本單元（有源元件）

二極管：按結(jié)構(gòu)和工藝：

金/半接觸二極管：肖特基二極管、（點接觸二極管）

面結(jié)型二極管：合金結(jié)二極管、擴散結(jié)二極管、生長結(jié)二極管、異質(zhì)結(jié)二極管、等按功能和機理：

振蕩、放大類：耿氏二極管、雪崩二極管、變?nèi)荻O管、等

信號控制類：混頻二極管、開關(guān)二極管、隧道開關(guān)二極管、 檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、階躍二極管、等

光電類：發(fā)光二極管(LED)（半導(dǎo)體激光器）、 光電二極管（探測器）第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述11晶體管：雙極型晶體管：（NPN、PNP） 合金管、合金擴散管、臺面管、外延臺面管、 平面管、外延平面管等場效應(yīng)晶體管：（P溝、N溝；增強型、耗盡型）

MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、 結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、 肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管（SBFET）晶體管：122、集成電路的分類：按功能： 數(shù)字集成電路、模擬集成電路、微波集成電路、 射頻集成電路、其它；按工藝： 半導(dǎo)體集成電路（雙極型、MOS型、BiCMOS）、

薄/厚膜集成電路、混合集成電路按有源器件： 雙極型、MOS型、BiCMOS、光電集成電路、

CCD集成電路、傳感器/換能器集成電路按集成規(guī)模： 小規(guī)模（SSI）、中規(guī)模（MSI）、 大規(guī)模（LSI）、超大規(guī)模（VLSI）、 甚大規(guī)模（ULSI）、巨大規(guī)模（GLSI）2、集成電路的分類：13半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件143、基本工藝流程舉例幾種二極管的基本結(jié)構(gòu)合金平面生長（異質(zhì)）臺面Schottky幾種晶體管的基本結(jié)構(gòu)合金生長（異質(zhì)）平面1平面2MOS3、基本工藝流程舉例15半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件161~10m300~500m介質(zhì)膜Al電極SiO2膜外延層埋層襯底隔離、基區(qū)、發(fā)射區(qū)、鎢塞、集電區(qū)1）、簡單的BipolarIC結(jié)構(gòu)1~10介質(zhì)膜隔離、基區(qū)、發(fā)射區(qū)、鎢塞、集電區(qū)1）、簡單的B172）、Si雙極npn晶體管芯片的工藝流程1、襯底制備，2、外延生長，3、一次氧化，4、一次光刻，5、基區(qū)擴散，6、二次氧化，7、二次光刻，8、發(fā)射區(qū)擴散，9、三次氧化，10、三次光刻，11、金屬鍍膜，12、反刻金屬膜13、背面鍍膜，14、合金化EBCn+pnn+2）、Si雙極npn晶體管芯片的工藝流程1、襯底制備，2、外18一次光刻（基區(qū)）、二次光刻（發(fā)射區(qū)）、三次光刻（引線孔）、四次光刻（反刻引線） （負性光刻膠）一次氧化、一次光刻（基區(qū)光刻）、硼擴散（基區(qū)擴散）、基區(qū)再分布（二次氧化）二次光刻（發(fā)射區(qū)光刻）、磷擴散（發(fā)射區(qū)擴散+三次氧化）、三次光刻（引線孔光刻）、金屬鍍膜、反刻引線。氧化臺階、套刻一次光刻（基區(qū)）、二次光刻（發(fā)射區(qū)）、三次光刻（引線孔）、四19電容：MOSPNJunction電阻：電容：電阻：20元器件的平面結(jié)構(gòu)元器件的平面結(jié)構(gòu)21半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件22VinVoutVDDGroundVinVoutVDDGround23DRAMDRAM24半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件25半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件26半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件273）IC的基本制造環(huán)節(jié)晶片加工外延生長介質(zhì)膜生長圖形加工局域摻雜金屬合金封裝、測試材料廠Foundry封裝廠3）IC的基本制造環(huán)節(jié)材料廠Foundry封裝廠284、發(fā)展(歷史和現(xiàn)狀)出現(xiàn)，IC、LSI、VLSI和ULSI，規(guī)律，特征尺寸，工業(yè)化方式和SoC趨勢MEMS、OEIC、MOMES“生物芯片”4、發(fā)展(歷史和現(xiàn)狀)29KilbyTexasInstrum.(TI)1959Feb.GemesatransistorsPatentNo.3138743出現(xiàn)Kilby出現(xiàn)30

NoyceFairchild1959JulySiplanarIC2981877Noyce31溝道長度<0.13m特征尺寸溝道長度<0.13m特征尺寸32半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件33~15inch~2cm2~15inch~2cm234ChipWaferChipWafer35=300mmMEMCElectronicMaterials,=300mm36

37摩爾定理：由Intel創(chuàng)始人之一的Moore提出的，被人認為可以獲得諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎的定理一塊芯片上的晶體管數(shù)目大約每隔12個月翻一番（1964年）（1975年修訂為18個月）

實現(xiàn)途徑：晶體管尺寸減??；芯片尺寸增大；38摩爾定理：由Intel創(chuàng)始人之一的Moore提出的，被人認為Moore’sLowMoore’sLow39Moore’sLowMoore’sLow40半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件41WorldSemiconductorTradeSystemFrom:WorldSemiconductorTradeSyst42器件（電路）設(shè)計測試與驗證版圖設(shè)計與制造芯片制造測試封裝測試器件生產(chǎn)基本過程器件（電路）設(shè)計測試與驗證版圖設(shè)計與制造芯片制造測試封裝43SoC——SystemonChip芯片系統(tǒng)集成MEMS——Micro-ElectronicMechanicSystem微電子機械系統(tǒng)OEIC——OptoelectronicIntegratedCircuit光電子集成系統(tǒng)MOMESSoC——SystemonChipMEMS——Mic441）、微電子機械系統(tǒng)（MEMS）微電子技術(shù)與精密機械技術(shù)相結(jié)合，將微型傳感器（力、熱、光、電、磁、聲）、微型執(zhí)行器（如：機械）、信號處理與控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源集成一體。目前主要用硅材料和介質(zhì)膜通過光刻技術(shù)實現(xiàn)1）、微電子機械系統(tǒng)（MEMS）45厚：20~30m直徑：4mm轉(zhuǎn)速：200rpm厚：20~30m46半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件47物理要點：振動的質(zhì)量塊電容極板在非慣性系統(tǒng)中受到科氏力的作用，質(zhì)量塊移動而引起電容的變化。物理要點：振動的質(zhì)量塊電容極板在非慣性系統(tǒng)中受到科氏力的作用48LabonChipLabonChip492）、光電子集成芯片以微電子加工技術(shù)為基礎(chǔ)，將激光器、光調(diào)制器、光開關(guān)等等光子器件通過光波導(dǎo)的互連而優(yōu)化集成在一個芯片上，實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能。硅基材料、光學(xué)晶體、光學(xué)薄膜2）、光電子集成芯片50半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件51激光多普勒速度儀（LiNbO3）激光多普勒速度儀（LiNbO3）523）、DNA芯片*基本思想是通過施加電場等措施，使一些特殊的物質(zhì)能夠反映出某種基因的特性。制作高密度的特定的探針陣列性芯片——進行基因識別和分析“生物成分分析芯片”

——LoS（LabonSystem）3）、DNA芯片*53半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件54

5、微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢1）集成電路：超大（單元數(shù)、芯片面積）——超微（關(guān)鍵尺寸）多功能、高性能（快速、低功耗、抗干擾）、SoC（SystemonChip）低成本高可靠性2）工藝技術(shù)：大直徑材料（8”、12”、15”、。。。）光刻極限(0.35→0.13、90nm→40nm、25nm→?）新結(jié)構(gòu)器件（應(yīng)變硅、納電子技術(shù)、高k介質(zhì)。。。）超純環(huán)境和材料（半導(dǎo)體材料、介質(zhì)材料、試劑）、新測試和封裝技術(shù) 單項技術(shù)（壓印光刻技術(shù)等 5、微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢55

3）新領(lǐng)域：MEMS：多樣化、小型化、與控制電路集成納電子：量子線/點微結(jié)構(gòu)、集成化、工作溫度新材料電子器件：有機分子電路、自旋器件光子晶體：短波長、局域生長、三維材料、

參數(shù)可控硅光子學(xué)：（硅光電集成系統(tǒng)）特征尺寸減小、芯片和晶圓尺寸增大、缺陷密度減小、內(nèi)部連線水平提高、芯片成本降低 3）新領(lǐng)域：56SemiconductorMaterials

&

BasicPrincipleofICPlanarProcessing

半導(dǎo)體材料

和

集成電路平面工藝基礎(chǔ)SemiconductorMaterials

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Bas57References：(Materials)3.材料科學(xué)與技術(shù)叢書—半導(dǎo)體工藝，K.A.杰克遜等主編， （科學(xué)出版社，1999）

ProcessingofSemiconductors,ByKennethA.JacksonandWolfgangSchr?ter,(Wiley-VCH,1996);Ch1,Ch24. 半導(dǎo)體器件的材料物理學(xué)基礎(chǔ)，陳治明等，科技版，19995. 微電子技術(shù)工程—材料、工藝與測試，劉玉嶺等，（電子工業(yè)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. 半導(dǎo)體制造技術(shù)，MichaelQuirk,JulianSerda （科學(xué)出版社，1999）SemiconductorManufacturingTechnology,(PrenticeHall,2001)6. 微電子技術(shù)工程—材料、工藝與測試，劉玉嶺等，（電子工業(yè)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主要教學(xué)內(nèi)容：第一篇(Overview&Materials)第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述第二章：半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)第三章：Si單晶的生長與加工第四章：幾種化合物半導(dǎo)體的材料生長與加工小結(jié): 材料

器件

工藝主要教學(xué)內(nèi)容：60

第二篇(UnitProcess)第一章：IC制造中的超凈和硅片清潔技術(shù)第一單元：熱處理和局域摻雜技術(shù)第二章：擴散摻雜技術(shù)(Ch3)第三章：熱氧化技術(shù)(Ch4)第四章：離子注入技術(shù)(Ch5)第五章：快速熱處理技術(shù)(Ch6)第二單元：圖形加工技術(shù)第六章：圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)（光刻技術(shù)）(Ch7~9)第七章：圖形刻蝕技術(shù)(Ch10~)

第二篇(UnitProcess)61

第三單元：薄膜技術(shù)第八章：薄膜物理淀積技術(shù)(Ch12)第九章：薄膜化學(xué)汽相淀積（CVD）技術(shù)(Ch13)第十章：晶體外延生長技術(shù)(Ch14)第四單元：集成技術(shù)簡介第十一章：基本技術(shù)(Ch15)第十二章：幾種IC工藝流程(Ch16)第十三章：質(zhì)量控制簡介

第三單元：薄膜技術(shù)62第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述

集成電路芯片？第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述

集成電路芯片？63集成電路芯片？PassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+ILD-6LImetalViap+p+n+n+n+2314567891011121314集成電路芯片？PassivationlayerBondin64集成電路芯片？集成電路芯片？65集成電路芯片？集成電路芯片？66第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述1、集成電路的基本單元（有源元件）

二極管：按結(jié)構(gòu)和工藝：

金/半接觸二極管：肖特基二極管、（點接觸二極管）

面結(jié)型二極管：合金結(jié)二極管、擴散結(jié)二極管、生長結(jié)二極管、異質(zhì)結(jié)二極管、等按功能和機理：

振蕩、放大類：耿氏二極管、雪崩二極管、變?nèi)荻O管、等

信號控制類：混頻二極管、開關(guān)二極管、隧道開關(guān)二極管、 檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、階躍二極管、等

光電類：發(fā)光二極管(LED)（半導(dǎo)體激光器）、 光電二極管（探測器）第一章：IC平面工藝及發(fā)展概述67晶體管：雙極型晶體管：（NPN、PNP） 合金管、合金擴散管、臺面管、外延臺面管、 平面管、外延平面管等場效應(yīng)晶體管：（P溝、N溝；增強型、耗盡型）

MOS場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、 結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）、 肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管（SBFET）晶體管：682、集成電路的分類：按功能： 數(shù)字集成電路、模擬集成電路、微波集成電路、 射頻集成電路、其它；按工藝： 半導(dǎo)體集成電路（雙極型、MOS型、BiCMOS）、

薄/厚膜集成電路、混合集成電路按有源器件： 雙極型、MOS型、BiCMOS、光電集成電路、

CCD集成電路、傳感器/換能器集成電路按集成規(guī)模： 小規(guī)模（SSI）、中規(guī)模（MSI）、 大規(guī)模（LSI）、超大規(guī)模（VLSI）、 甚大規(guī)模（ULSI）、巨大規(guī)模（GLSI）2、集成電路的分類：69半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件703、基本工藝流程舉例幾種二極管的基本結(jié)構(gòu)合金平面生長（異質(zhì)）臺面Schottky幾種晶體管的基本結(jié)構(gòu)合金生長（異質(zhì)）平面1平面2MOS3、基本工藝流程舉例71半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件721~10m300~500m介質(zhì)膜Al電極SiO2膜外延層埋層襯底隔離、基區(qū)、發(fā)射區(qū)、鎢塞、集電區(qū)1）、簡單的BipolarIC結(jié)構(gòu)1~10介質(zhì)膜隔離、基區(qū)、發(fā)射區(qū)、鎢塞、集電區(qū)1）、簡單的B732）、Si雙極npn晶體管芯片的工藝流程1、襯底制備，2、外延生長，3、一次氧化，4、一次光刻，5、基區(qū)擴散，6、二次氧化，7、二次光刻，8、發(fā)射區(qū)擴散，9、三次氧化，10、三次光刻，11、金屬鍍膜，12、反刻金屬膜13、背面鍍膜，14、合金化EBCn+pnn+2）、Si雙極npn晶體管芯片的工藝流程1、襯底制備，2、外74一次光刻（基區(qū)）、二次光刻（發(fā)射區(qū)）、三次光刻（引線孔）、四次光刻（反刻引線） （負性光刻膠）一次氧化、一次光刻（基區(qū)光刻）、硼擴散（基區(qū)擴散）、基區(qū)再分布（二次氧化）二次光刻（發(fā)射區(qū)光刻）、磷擴散（發(fā)射區(qū)擴散+三次氧化）、三次光刻（引線孔光刻）、金屬鍍膜、反刻引線。氧化臺階、套刻一次光刻（基區(qū)）、二次光刻（發(fā)射區(qū)）、三次光刻（引線孔）、四75電容：MOSPNJunction電阻：電容：電阻：76元器件的平面結(jié)構(gòu)元器件的平面結(jié)構(gòu)77半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件78VinVoutVDDGroundVinVoutVDDGround79DRAMDRAM80半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件81半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件82半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件833）IC的基本制造環(huán)節(jié)晶片加工外延生長介質(zhì)膜生長圖形加工局域摻雜金屬合金封裝、測試材料廠Foundry封裝廠3）IC的基本制造環(huán)節(jié)材料廠Foundry封裝廠844、發(fā)展(歷史和現(xiàn)狀)出現(xiàn)，IC、LSI、VLSI和ULSI，規(guī)律，特征尺寸，工業(yè)化方式和SoC趨勢MEMS、OEIC、MOMES“生物芯片”4、發(fā)展(歷史和現(xiàn)狀)85KilbyTexasInstrum.(TI)1959Feb.GemesatransistorsPatentNo.3138743出現(xiàn)Kilby出現(xiàn)86

NoyceFairchild1959JulySiplanarIC2981877Noyce87溝道長度<0.13m特征尺寸溝道長度<0.13m特征尺寸88半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件89~15inch~2cm2~15inch~2cm290ChipWaferChipWafer91=300mmMEMCElectronicMaterials,=300mm92

93摩爾定理：由Intel創(chuàng)始人之一的Moore提出的，被人認為可以獲得諾貝爾經(jīng)濟學(xué)獎的定理一塊芯片上的晶體管數(shù)目大約每隔12個月翻一番（1964年）（1975年修訂為18個月）

實現(xiàn)途徑：晶體管尺寸減??；芯片尺寸增大；94摩爾定理：由Intel創(chuàng)始人之一的Moore提出的，被人認為Moore’sLowMoore’sLow95Moore’sLowMoore’sLow96半導(dǎo)體材料和集成電路平面工藝基礎(chǔ)(-課件97WorldSemiconductorTradeSystemFrom:WorldSemiconductorTradeSyst98器件（電路）設(shè)計測試與驗證版圖設(shè)計與制造芯片制造測試封裝測試器件生產(chǎn)基本過程器件（電路）設(shè)計測試與驗證版圖設(shè)計與制造芯片制造測試封裝99SoC——SystemonChip