01集成電路制造工藝概述

集成電路工藝概述課程介紹普通高校專業(yè)學(xué)科目錄（1998版）01哲學(xué)02經(jīng)濟(jì)學(xué)03法學(xué)04教育學(xué)05文學(xué)06歷史學(xué)07理學(xué)08工學(xué)09農(nóng)學(xué)10醫(yī)學(xué)11管理學(xué)0806電氣信息類080601 電氣工程及其自動化080602 自動化080603 電子信息工程080604 通信工程080605 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)080606

電子科學(xué)與技術(shù)080607 生物醫(yī)學(xué)工程分設(shè)十一個學(xué)科門類（無軍事學(xué)），下設(shè)二級類71個，專業(yè)249種。電子科學(xué)與技術(shù)專門研究電子科學(xué)理論及其應(yīng)用技術(shù)的學(xué)科，其研究的主要內(nèi)容是電子技術(shù)的核心理論制造電子元器件的材料、方法與工藝電路設(shè)計理論與應(yīng)用技術(shù)設(shè)計制造測試電子科學(xué)與技術(shù)的基本內(nèi)容1.電子元器件分立器件和集成器件如何設(shè)計出滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求的電子元器件2.電子材料半導(dǎo)體材料、金屬材料和非金屬材料采用什么樣的材料才能滿足工程實際的需要3.分析與設(shè)計基本理論電子材料的基本物理和化學(xué)性質(zhì)、元器件的基本工作原理等4.工程應(yīng)用技術(shù)與方法提供了最直接的應(yīng)用技術(shù)，是電子科學(xué)與技術(shù)理論研究和工程應(yīng)用技術(shù)聯(lián)系的紐帶集成電路技術(shù)器件階段——集成電路設(shè)計技術(shù)是支持技術(shù)設(shè)計基礎(chǔ)是器件系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)是器件組成系統(tǒng)基本工具是器件分析系和系統(tǒng)仿真SoC階段——集成電路設(shè)計技術(shù)是基本應(yīng)用技術(shù)設(shè)計基礎(chǔ)是系統(tǒng)和電路系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)是系統(tǒng)集成技術(shù)基本工具是系統(tǒng)和電路模型的仿真分析時間安排（每周4學(xué)時*16周=64學(xué)時）時間內(nèi)容安排1課程概述2晶圓制備3氧化4物理氣相淀積5化學(xué)氣相淀積6化學(xué)機(jī)械拋光7期中復(fù)習(xí)8光刻作業(yè)一、二、三9刻蝕10擴(kuò)散11離子注入12工藝集成作業(yè)四、五13封裝14期末復(fù)習(xí)15仿真實驗一、二16仿真實驗三、四基本工藝制膜氧化4CVD4PVD4外延4平坦化4圖形轉(zhuǎn)移光刻4刻蝕4摻雜擴(kuò)散4離子注入4封測切片封裝4測試?yán)匣Y選工序集成CMOS工藝2雙極工序2新技術(shù)實驗軟件環(huán)境2氧化2摻雜2綜合2參考教材序號書名作者出版社時間1半導(dǎo)體制造技術(shù)【美】MichaelQuirk電子工業(yè)20042芯片制造——半導(dǎo)體工藝制程實用教程【美】PeterVanZant電子工業(yè)20103硅集成電路工藝基礎(chǔ)關(guān)旭東北京大學(xué)20034超大規(guī)模集成電路—基礎(chǔ)、設(shè)計、制造工藝【日】巖田穆科學(xué)20075集成電路工藝和器件的計算機(jī)模擬——ICTCAD技術(shù)概論阮剛復(fù)旦大學(xué)20076電子科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)論李哲英電子工業(yè)20067集成電路芯片封裝技術(shù)李可為電子20078現(xiàn)代集成電路制造工藝原理李惠軍山東大學(xué)20079集成電路制程設(shè)計與工藝仿真劉睿強(qiáng)電子工業(yè)201110MOS集成電路結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)潘桂忠上?？茖W(xué)技術(shù)201011集成電路制造技術(shù)——原理與工藝王蔚電子工業(yè)201012微系統(tǒng)封裝原理與技術(shù)邱碧秀電子工業(yè)200613圖解半導(dǎo)體基礎(chǔ)【日】水野文夫科學(xué)2007網(wǎng)絡(luò)考核方法20%平時成績（考勤、作業(yè)、平時表現(xiàn)）20%實驗成績60%考試成績（開卷）課程作業(yè)作業(yè)一1描述CZ拉單晶爐的工作原理。作業(yè)二2描述集成電路的制膜工藝原理。作業(yè)三3描述集成電路的圖形轉(zhuǎn)移工藝原理。作業(yè)四4描述集成電路的摻雜工藝原理。作業(yè)五5以反相器為例描述CMOS工藝流程。集成電路什么是集成電路？英文全稱IntegratedCircuit，縮寫IC通過一系列特定的加工工藝，將晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。制造電子器件的基本半導(dǎo)體材料是圓形單晶薄片，稱為硅片或硅襯底。在硅片制造廠，由硅片生產(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品，又被稱為微芯片或芯片。2023/1/13172023/1/1318集成電路的內(nèi)部電路VddABOutABOUT0010101001102023/1/13192023/1/1320

50m100m頭發(fā)絲粗細(xì)

30m1m1m(晶體管的大小)30~50m(皮膚細(xì)胞的大小)90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較一個工業(yè)的誕生1906年，真空三極管，Lee

Deforest（電信號處理工業(yè)）1947年，ENIAC1947年12月23日，晶體管，John

Bardeen，Walter

Brattin，William

Shockley（1956年諾貝爾物理獎），固態(tài)，分立器件（半導(dǎo)體工業(yè)）世界第一個晶體管集成電路集成電路是由Kilby和Noyce兩人于1959年分別發(fā)明，并共享集成電路的專利。？19692000年，Kilby被授予諾貝爾物理學(xué)獎（Noyce去世10年）杰克·基爾比（JackKilby）德州儀器公司——TexasInstruments鍺,1959,2“第一塊集成電路的發(fā)明家”羅伯特·諾伊思（RobertNoyce）仙童半導(dǎo)體公司——FairchildSemiconductor硅,1959,7,30,“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論”2023/1/1323集成電路是怎么誕生的？早期的許多先驅(qū)者開始在北加利福尼亞州，現(xiàn)在以硅谷著稱的地區(qū)。1957年，在加利福尼亞州的帕羅阿托市（PaloAlto）的仙童半導(dǎo)體公司（FairchildSemiconductor）制造出第一個商用平面晶體管。它有一層鋁互連材料，這種材料被淀積在硅片的最頂層以連接晶體管的不同部分。從硅上熱氧化生長的一層自然氧化層被用于隔離鋁導(dǎo)線。這些層的使用在半導(dǎo)體領(lǐng)域是一個重要發(fā)展，也是稱其為平面技術(shù)的原因。2023/1/1324半導(dǎo)體的集成時代2023/1/1325電路集成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)周期每個芯片元件數(shù)分立元件1960年前1SSI20世紀(jì)60年代前期2~50MSI20世紀(jì)60年代到70年代前期20~5000LSI20世紀(jì)70年代前期到70年代后期5000~100000VLSI20世紀(jì)70年代后期到80年代后期100000~1000000ULSI20世紀(jì)90年代后期至今大于1000000半導(dǎo)體主要趨勢提高芯片性能：速度（按比例縮小器件和使用新材料）關(guān)鍵尺寸（CD）芯片上的物理尺寸特征被稱為特征尺寸。硅片上的最小特征尺寸被稱為關(guān)鍵尺寸或CD。技術(shù)節(jié)點每塊芯片上的元件數(shù)摩爾定律功耗提高芯片可靠性浴盆曲線降低芯片成本2023/1/1326集成電路的5個制造階段集成電路的5個制造階段第1階段：硅片制備第2階段：硅片制造裸露的硅片到達(dá)硅片制造廠，然后經(jīng)過各種清洗、成膜、光刻、刻蝕和摻雜步驟，加工完的硅片具有永久刻蝕在硅片上的一整套集成電路。IDMfablessfoundry半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)總是處于設(shè)備設(shè)計和制造技術(shù)的前沿。2023/1/1330第3階段：硅片的測試/揀選硅片制造完成后，硅片被送到測試/揀選區(qū)，在那里進(jìn)行單個芯片的探測和電學(xué)測試，然后揀選出可接受和不可接受的芯片，并為有缺陷的芯片做標(biāo)記，通過測試的芯片將繼續(xù)進(jìn)行以后的工藝。2023/1/1331第4階段：裝配和封裝把單個芯片包裝在一個保護(hù)管殼內(nèi)。DIP2023/1/1332第5階段：終測為確保芯片的功能，要對每一個封裝的集成電路進(jìn)行測試，以滿足制造商的電學(xué)和環(huán)境的特性參數(shù)要求。至此，集成電路制造完成。2023/1/1333晶圓制造廠晶圓在亞微米CMOSIC制造廠典型的硅片流程模型擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散區(qū)一般認(rèn)為是進(jìn)行高溫工藝及薄膜淀積的區(qū)域。主要設(shè)備：高溫擴(kuò)散爐：1200℃左右，能完成氧化、擴(kuò)散、淀積、退火以及合金等多種工藝流程。濕法清洗設(shè)備（輔助）硅片在放入高溫爐之前必須進(jìn)行徹底的清洗，以去除硅片表面的沾污以及自然氧化層。2023/1/1338光刻區(qū)光刻的本質(zhì)是把（臨時）電路圖形復(fù)制到覆蓋于硅片表面的光刻膠上。黃色熒光管照明主要設(shè)備步進(jìn)光刻機(jī)（steper）涂膠/顯影設(shè)備（coater/developertrack）清洗裝置和光刻膠剝離機(jī)？2023/1/1340光刻工藝模塊示意圖刻蝕區(qū)刻蝕是在硅片上沒有光刻膠保護(hù)的地方留下永久的圖形。一旦材料被錯誤刻蝕去掉，在刻蝕過程中所犯的錯誤將難以糾正，只能報廢硅片，帶來經(jīng)濟(jì)損失。主要設(shè)備：等離子體刻蝕機(jī)（濕法、干法）等離子去膠機(jī)濕法清洗設(shè)備2023/1/1342干法等離子體刻蝕機(jī)示意圖離子注入?yún)^(qū)離子注入機(jī)是亞微米工藝中常見的摻雜工具。主要設(shè)備：離子注入機(jī)等離子去膠機(jī)濕法清洗設(shè)備2023/1/1344薄膜生長區(qū)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)各個步驟當(dāng)中的介質(zhì)層和金屬層的淀積。薄膜生長中所采用的溫度低于擴(kuò)散區(qū)中設(shè)備的工作溫度。主要設(shè)備（中低真空環(huán)境）CVDPVDSOG、RTP、濕法清洗設(shè)備CVD多腔集成設(shè)備和工藝腔的示意圖拋光區(qū)化學(xué)機(jī)械平坦化（CMP）工藝的目的是使硅片表面平坦化。通過將硅片表面突出的部分減薄到下凹部分的高度來實現(xiàn)的。主要設(shè)備：拋光機(jī)刷片機(jī)（waferscrubber）、清洗裝置、測量裝置2023/1/1348典故威廉·肖克利（WilliamShockely）“晶體管之父”（1910-1989）1947，點接觸晶體管；1950，面結(jié)型晶體管肖克利實驗室（1955-1968），圣克拉拉谷(硅谷)1956，諾貝爾物理獎1957，八判逆1958，斯坦福大學(xué)1963，斯坦福大學(xué)70年代，人種學(xué)和優(yōu)生學(xué)？？肖克利博士非凡的商業(yè)眼光，成就了硅谷；肖克利博士拙劣的企業(yè)才能，創(chuàng)造了硅谷?！疤觳排c廢物”硅谷的第一公民，硅谷第一棄兒?！鞍伺涯妗保═heTraitorousEight）1955年，“晶體管之父”威廉·肖克利，離開貝爾實驗室創(chuàng)建肖克利實驗室。他吸引了很多富有才華的年輕科學(xué)家加盟。但是很快，肖克利的管理方法和怪異行為引起員工的不滿。其中八人決定一同辭職，他們是羅伯特·諾依斯、戈登·摩爾、朱利亞斯·布蘭克、尤金·克萊爾、金·赫爾尼、杰·拉斯特、謝爾頓·羅伯茨和維克多·格里尼克。被肖克利稱為“八叛逆”。八人接受位于紐約的仙童攝影器材公司的資助，于1957年，創(chuàng)辦了仙童半導(dǎo)體公司。喬布斯：“仙童半導(dǎo)體公司就象個成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風(fēng)四處飄揚(yáng)了?！薄肮韫热瞬艙u籃”八叛逆在FairchildSemiconductor，1959年從左至右GordonMoore,SheldonRoberts,EugeneKleiner,

RobertNoyce,VictorGrinich,JuliusBlank,JeanHoerni

JayLast1968，INTEL杰里·桑德斯（J.Sanders）AMD查爾斯·斯波克（C.

Sporck）NSC2011年，臺灣成為全球最大半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)地根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)IC

Insights調(diào)查統(tǒng)計，2011年全球半導(dǎo)體晶圓總月產(chǎn)能達(dá)13,617.8千片8寸約當(dāng)晶圓。其中臺灣晶圓月產(chǎn)能達(dá)2,858.3千片8寸約當(dāng)晶圓，占全球半導(dǎo)體總產(chǎn)能達(dá)21%，躍居第1大生產(chǎn)國；原本是全球最大晶圓生產(chǎn)國的日本，月產(chǎn)能達(dá)2,683.6千片8寸約當(dāng)晶圓，市占率達(dá)19.7%，位居第2大生產(chǎn)國；韓國則以2,293.5千片8寸約當(dāng)晶圓月產(chǎn)能，位居第3大生產(chǎn)國，市占率達(dá)16.8%；美國月產(chǎn)能達(dá)1,995.1千片8寸約當(dāng)晶圓，市占率降至14.7%，是全球第4大生產(chǎn)國。臺積電聯(lián)電芯片制造——半導(dǎo)體工藝制程實用教程第1章半導(dǎo)體工業(yè)1.1一個工業(yè)的誕生1906，LeeDeforest，真空三極管，電信號處理工業(yè)（1947，ENIAC）1947.12.23，貝爾實驗室的Johnbardeen，WalterBrattin和WilliamShockley，晶體管1.2固態(tài)時代晶體管二級管電容器電阻器分立器件1.3集成電路1959，TI的JackKilby，鍺，集成電路1959，F(xiàn)airchild的RobertNoyce，硅，集成電路兩者共享集成電路專利。1.4工藝和產(chǎn)品趨勢工藝和結(jié)構(gòu)摩爾定律1.5特征圖形尺寸的縮小特征圖形尺寸CD1.6芯片和晶圓尺寸的增大ChipWafer1.7缺陷密度的減小缺陷尺寸缺陷密度1.8內(nèi)部連線水平的提高多層連線1.9SIA的發(fā)展方向未來技術(shù)路線圖1.10芯片成本工藝產(chǎn)品成本價格性能1.11半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展附加值最高的工業(yè)1.12半導(dǎo)體工業(yè)的構(gòu)成半導(dǎo)體和系統(tǒng)（或產(chǎn)品）三類芯片供應(yīng)商IDMFoundryFabless1.6生產(chǎn)階段1材料準(zhǔn)備2晶體生長和晶圓準(zhǔn)備3晶圓制造和分選4封裝5終測1.14結(jié)型晶體管PN結(jié)