半導(dǎo)體制造技術(shù)(第一講)

Semiconductor

Manufacturing

Technology

半導(dǎo)體制造技術(shù)陳芳機(jī)電工程學(xué)院第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.1

制造業(yè)分類(lèi)

制造業(yè)傳統(tǒng)的機(jī)械制造業(yè)

*18世紀(jì)末開(kāi)始，蒸汽機(jī)為代表，制造業(yè)形成

*20世紀(jì)中期，精密制造（微米級(jí)）半導(dǎo)體制造業(yè)

*20世紀(jì)中期開(kāi)始迅速發(fā)展的一個(gè)產(chǎn)業(yè)

*二極管、三極管、集成電路IC（多個(gè)）、大規(guī)模集成電路LSI（萬(wàn)個(gè)）、超大規(guī)模集成電路VLSI（百萬(wàn)個(gè)）、甚大規(guī)模集成電路ULSI（超過(guò)百萬(wàn)）

*信息產(chǎn)業(yè)的支柱，與傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)已經(jīng)平分秋色

*衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：生產(chǎn)使用硅片數(shù)

*政府已成立：工業(yè)和信息化部第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.2半導(dǎo)體制造技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)

半導(dǎo)體制造：將半導(dǎo)體圓形單晶薄片-硅片經(jīng)諸多工藝過(guò)程加工成芯片的過(guò)程這些芯片作為核心器件安裝在各種設(shè)備、儀器儀表、家電、飛機(jī)、汽車(chē)等任何現(xiàn)代產(chǎn)品中2010年全球芯片銷(xiāo)售額達(dá)2983億美元，相關(guān)產(chǎn)值更是數(shù)額巨大芯片為信息化、智能化提供硬件平臺(tái)第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.2半導(dǎo)體制造技術(shù)是信息技術(shù)的基礎(chǔ)

第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.3幾個(gè)基本概念

固態(tài)半導(dǎo)體：固態(tài)硅或鍺半導(dǎo)體晶體

1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的肖克利、巴丁和布拉頓發(fā)明固體鍺晶體管，1956年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)N型半導(dǎo)體材料：也稱(chēng)為電子型半導(dǎo)體，即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷、砷等）,使之取代晶格中硅原子的位置，形成了N型半導(dǎo)體。(帶負(fù)電的電子作載流子)P型半導(dǎo)體材料：也稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體，即空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度的雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半導(dǎo)體。(帶正電的空穴作載流子)第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.4集成電路發(fā)展歷程

集成電路：將多個(gè)電子元件集成在一個(gè)硅襯底上的電路。第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.4集成電路發(fā)展歷程

隨著技術(shù)的進(jìn)步，集成電路總體發(fā)展趨勢(shì)是：1）集成度不斷提高2）運(yùn)算速度不斷增快3）價(jià)格更加低廉可以總結(jié)為（更小更快更低廉）第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.5集成電路的制造步驟

包括5個(gè)獨(dú)立的制造階段①硅片制備將硅從沙中提煉出來(lái)，煉成適當(dāng)直徑的硅錠，然后切割成薄硅片②硅片制造經(jīng)過(guò)各種清洗、成膜、光刻、刻蝕和摻雜等工藝，在硅片上刻蝕成永久的一套集成電路③硅片測(cè)試/揀選對(duì)單個(gè)芯片進(jìn)行探測(cè)和電學(xué)測(cè)試，對(duì)有缺陷的芯片作標(biāo)記④裝配與封裝將芯片與硅片分離，利用壓焊或抽空形成裝配包，密封在塑料或陶瓷殼內(nèi)，最后根據(jù)需要封裝⑥終測(cè)對(duì)每一片集成電路進(jìn)行功能測(cè)試第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.5集成電路的制造步驟

第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.5集成電路的制造步驟

第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.5集成電路的制造步驟

3.硅片測(cè)試/揀選探測(cè)、測(cè)試硅片上的每一個(gè)芯片，剔除缺陷芯片第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.5集成電路的制造步驟

4.裝配與封裝切割芯片并進(jìn)行壓焊與包封第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.5集成電路的制造步驟

5.終測(cè)進(jìn)行電學(xué)和環(huán)境測(cè)試第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.6半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

半導(dǎo)體制造的三個(gè)趨勢(shì)：

提高芯片性能提高芯片可靠性降低芯片成本解決途徑在單位尺寸的芯片上制造更多的元器件，這樣可以加大存儲(chǔ)量、提高速度、降低功耗和成本（摩爾定律）引入新的制造技術(shù)和裝備（18-24個(gè)月一項(xiàng)重大新技術(shù)）

第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.6半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.6.1提高芯片性能1》關(guān)鍵尺寸不斷縮小

關(guān)鍵尺寸

指芯片上的最小物理尺寸，它的大小反映制造水平的高低CD一直在縮小，有時(shí)也叫它“技術(shù)節(jié)點(diǎn)”CD縮小可以提高芯片性能芯片上尺寸減小時(shí)是按比例進(jìn)行的，不可能僅單一地減少某一特征尺寸

198819921995199719992001200220052008CDum1.00.50.350.250.180.150.130.100.04第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.6半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.6.1提高芯片性能1》關(guān)鍵尺寸不斷縮小

第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.6半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.6.1提高芯片性能2》增加每塊芯片上元件的數(shù)量

增加每塊芯片上的元件數(shù)量在單位尺寸的芯片上制造更多的元器件，這樣可以加大存儲(chǔ)量、提高速度、降低功耗和成本摩爾定律摩爾在1965年文章中指出，芯片中的晶體管和電阻器的數(shù)量每年會(huì)翻番，原因是工程師可以不斷縮小晶體管的體積。這就意味著，半導(dǎo)體的性能與容量將以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，并且這種增長(zhǎng)趨勢(shì)將繼續(xù)延續(xù)下去。1975年，摩爾又修正了這一定律，他認(rèn)為，每隔24個(gè)月，晶體管的數(shù)量將翻番。

這篇文章發(fā)表的時(shí)候，芯片上的元件大約只有60個(gè)，而現(xiàn)在，英特爾最新的Itanium芯片上已經(jīng)有17億個(gè)硅晶體管。

1997199920012003200520072009元件數(shù)106102040802006001700第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.6半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.6.1提高芯片性能2》增加每塊芯片上元件的數(shù)量

第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.6半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.6.2

降低芯片功耗通過(guò)元器件的微小化來(lái)降低功耗盡管每塊芯片的元件數(shù)量迅速增加，但每片芯片的功耗卻以低得多速率增長(zhǎng)第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.6半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1.6.3降低芯片價(jià)格

與芯片尺寸的減小趨勢(shì)一致原因1：尺寸減小和批量生產(chǎn)原因2：產(chǎn)品市場(chǎng)的迅速擴(kuò)大第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.7電子時(shí)代的歷程1.7.1晶體管時(shí)代（20世紀(jì)50年代）1947年，第一個(gè)鍺晶體管，貝爾實(shí)驗(yàn)室1954年硅晶體管，德州儀器公司1958年第一個(gè)集成電路問(wèn)世德州儀器/仙童公司制造商增加,尋求解決基本工藝的時(shí)代。1961年仙童公司；1968年英特爾公司1969年先進(jìn)器件(AMD)公司，IBM和HP也加入這一行列

1.7.2工藝時(shí)代（20世紀(jì)60年代）

1.7.3競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代（20世紀(jì)70年代）按批加工的手工工藝（成品率5%-30%）專(zhuān)用設(shè)備出現(xiàn)1977年半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）成立，標(biāo)準(zhǔn)誕生日本變?yōu)榘雽?dǎo)體制造強(qiáng)國(guó)，1979年占全球40%第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.7電子時(shí)代的歷程1.7.4自動(dòng)化時(shí)代（20世紀(jì)80年代）PC機(jī)的出現(xiàn)使芯片的需求迅速增大面對(duì)日本的壓力，美國(guó)以國(guó)防部牽頭，成立美國(guó)半導(dǎo)體制造技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟（SEMATECH），目標(biāo)是開(kāi)發(fā)制造設(shè)備和制定行業(yè)規(guī)范，1999年改為InternationalSEMATECH（國(guó)際半導(dǎo)體制造技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟）造設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，此時(shí)建一個(gè)制造廠已需10億美元

1.7.5批量生產(chǎn)時(shí)代（20世紀(jì)90年代）CD進(jìn)入亞微米尺度CD=0.1um工藝增加到450多道芯片多層互連（可達(dá)8層）生產(chǎn)高度自動(dòng)化（全部隔離、遙控）第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.7電子時(shí)代的歷程1.7.6大規(guī)模批量生產(chǎn)時(shí)代（2000--）市場(chǎng)需求迅速加大，除PC機(jī)外，手機(jī)、家電、嵌入式儀器儀表等迅速增加納米時(shí)代：CD=40nm國(guó)際合作迅速極強(qiáng)，臺(tái)灣、韓國(guó)異軍突起，中國(guó)加入行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)伍第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.8半導(dǎo)體制造業(yè)中的從業(yè)職業(yè)硅片制造技師：操作制造設(shè)備，基本設(shè)備維護(hù)和故障查詢(xún)?cè)O(shè)備技師：查詢(xún)?cè)O(shè)備故障并維護(hù)，需要專(zhuān)門(mén)進(jìn)行培訓(xùn)設(shè)備工程師：專(zhuān)門(mén)從事設(shè)備設(shè)計(jì)、改造工藝技師：查詢(xún)工藝過(guò)程參數(shù)，并進(jìn)行初步分析，擅長(zhǎng)溝通表述，數(shù)學(xué)及分析能力好工藝工程師：分析工藝參數(shù)并進(jìn)行優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)代表：設(shè)備制造廠常駐技術(shù)人員，安裝、診斷、保證設(shè)備的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)室技師：開(kāi)發(fā)新工藝并實(shí)驗(yàn)質(zhì)量分析師：缺陷分析主管/經(jīng)理：生產(chǎn)運(yùn)行，組織第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.8半導(dǎo)體制造業(yè)中的從業(yè)職業(yè)第1章

半導(dǎo)體工業(yè)1.8半導(dǎo)體制造業(yè)中的從業(yè)職業(yè)生產(chǎn)流程與生產(chǎn)周期第1章

半導(dǎo)體工業(yè)習(xí)題制造業(yè)是如何分類(lèi)的？為何說(shuō)半導(dǎo)體制造技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)？何謂N型和P型半導(dǎo)體？什么是硅片?它是如何加工的？簡(jiǎn)述“集成電路”及其發(fā)展過(guò)程簡(jiǎn)述集成電路的5個(gè)制造步驟半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是什么？簡(jiǎn)述電子時(shí)代的發(fā)展歷程說(shuō)出半導(dǎo)體制造業(yè)中的幾個(gè)職業(yè)第2章

半導(dǎo)體材料特性2.1原子結(jié)構(gòu)、能帶理論、離子鍵和共價(jià)鍵2.1.1原子結(jié)構(gòu)原子由電子、質(zhì)子和中子組成電子：帶負(fù)電，繞核沿固定軌道旋轉(zhuǎn)各個(gè)電子包含K-Q的7個(gè)不同殼層的軌道，每殼層的軌道能量不同，即具有不同的電子能級(jí)最外部層叫做價(jià)電子層，位于價(jià)電子層的電子叫價(jià)電子，具有最高能級(jí)狀態(tài)，價(jià)電子層最多允許8個(gè)電子，1個(gè)最易失去，7個(gè)最易獲得。質(zhì)子：帶正電，位于核內(nèi)，與電子數(shù)量相等中子：不帶電，位于核內(nèi)，使原子的質(zhì)量不同第2章

半導(dǎo)體材料特性2.1.1原子結(jié)構(gòu)1個(gè)價(jià)電子的鈉原子最易失去價(jià)電子7個(gè)價(jià)電子的氯原子最易獲得價(jià)電子第2章

半導(dǎo)體材料特性2.1.2固體能帶理論價(jià)帶與導(dǎo)帶之間存在一個(gè)禁帶寬度。禁帶寬度為失去電子所需的能量絕緣體：禁帶寬度具有較高能級(jí)，通常大于2eV，所以電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶很困難。導(dǎo)體：禁帶寬度具有很小能級(jí)，基本交疊。半導(dǎo)體：禁帶寬度介于導(dǎo)體與絕緣體之間，硅：1.11eV第2章

半導(dǎo)體材料特性2.1.3離子鍵和共價(jià)鍵離子：當(dāng)一個(gè)原子失去或獲得1個(gè)或多個(gè)電子時(shí)叫作離子失去電子時(shí)帶正電，叫作陽(yáng)（正）離子得到電子時(shí)帶負(fù)電，叫作陰（負(fù)）離子價(jià)電子從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子時(shí)，形成離子鍵，不穩(wěn)定的元素容易形成離子鍵鈉（Na）價(jià)層具有1個(gè)原子，具有高腐蝕性。氯（Cl）價(jià)層具有7個(gè)原子，也不穩(wěn)定。它與鈉具有親和力，易形成離子鍵。氧化：失去電子還原：得到電子第2章

半導(dǎo)體材料特性2.1.3離子鍵和共價(jià)鍵

共價(jià)鍵：不同元素的原子共有價(jià)層電子，通過(guò)共有電子完全填充各自?xún)r(jià)層而變得穩(wěn)定，形成共價(jià)鍵如HCl，由氫H和氯Cl原子形成共價(jià)鍵組成與離子鍵不同的是兩個(gè)原子要分享共價(jià)電子第2章

半導(dǎo)體材料特性2.2材料分類(lèi)根據(jù)材料的導(dǎo)電特性，材料可以分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體2.2.1導(dǎo)體導(dǎo)體：高電流傳導(dǎo)能力銅Cu有29個(gè)電子，只有一個(gè)價(jià)電子，且距離原子核相對(duì)較遠(yuǎn)，所以是一種優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體第2章

半導(dǎo)體材料特性2.2.2絕緣體絕緣體：非常低的電流傳導(dǎo)能力，也叫電介質(zhì)。如橡膠、玻璃、陶瓷和塑料等通常用電容和介電常數(shù)來(lái)表征絕緣體的電學(xué)性能第2章

半導(dǎo)體材料特性2.2.3半導(dǎo)體半導(dǎo)體電流傳導(dǎo)能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅和鍺等，目前硅占絕對(duì)統(tǒng)治地位。硅硅有4個(gè)價(jià)電子，數(shù)目正好在優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（1個(gè)）和絕緣體（8個(gè)）之間它是一種硬脆性材料，與玻璃相似，可以拋光成鏡面。熔點(diǎn)1412

oC鍺是最先使用的半導(dǎo)體材料,但因?yàn)楣杈哂幸韵聝?yōu)點(diǎn):含量豐富,第二位,占地殼成分的25%熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鍺(937

oC),這允許使用一些高溫工藝進(jìn)行加工元器件工作溫度可以更高表面具有自然生成氧化硅SiO2的能力,SiO2是很好的絕緣體,且具有與硅類(lèi)似的機(jī)械性質(zhì)、允許高溫能力，不易使硅片產(chǎn)生翹曲。第2章

半導(dǎo)體材料特性2.2.3半導(dǎo)體半導(dǎo)體電流傳導(dǎo)能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅和鍺等，目前硅占絕對(duì)統(tǒng)治地位。硅硅有4個(gè)價(jià)電子，數(shù)目正好在優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體（1個(gè)）和絕緣體（8個(gè)）之間它是一種硬脆性材料，與玻璃相似，可以拋光成鏡面。熔點(diǎn)1412

oC鍺是最先使用的半導(dǎo)體材料,但因?yàn)楣杈哂幸韵聝?yōu)點(diǎn):含量豐富,第二位,占地殼成分的25%熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鍺(937

oC),這允許使用一些高溫工藝進(jìn)行加工元器件工作溫度可以更高表面具有自然生成氧化硅SiO2的能力,SiO2是很好的絕緣體,且具有與硅類(lèi)似的機(jī)械性質(zhì)、允許高溫能力，不易使硅片產(chǎn)生翹曲。第2章

半導(dǎo)體材料特性2.3硅2.3.1純硅純硅：沒(méi)有雜質(zhì)或其它物質(zhì)污染的本征硅，它的原子通過(guò)共價(jià)鍵共享電子結(jié)合在一起，使價(jià)電子層完全填充。純硅是絕緣體，不是可用的半導(dǎo)體。多個(gè)原子整齊排列形成三維結(jié)構(gòu)——晶體。是光滑、透明的固體，如玻璃。純硅也是晶體。同族元素各層電子數(shù)目：（2、8、18、32、32、10、2）碳：2、4硅：2、8、4鍺：2、8、18、4錫：2、8、18、18、4鉛：2、8、18、32、18、4第2章

半導(dǎo)體材料特性2.3硅2.3.2摻雜硅摻雜硅：在純硅中摻雜少許其它元素物質(zhì)，成摻雜劑或雜質(zhì)。本征硅的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)電性顯著加強(qiáng)。（摻雜硅也叫非本征硅純硅電阻率2.5×105Ωcm摻雜百萬(wàn)分之一的砷，電阻率0.2Ωcm*控制摻雜的濃度可以控制半導(dǎo)體材料的電阻率。*向本征硅中摻入雜質(zhì)，改變其導(dǎo)電性是固體半導(dǎo)體技術(shù)的本質(zhì)問(wèn)題*摻雜劑材料：硅位于元素周期表的IVA族，有4個(gè)價(jià)電子。其相鄰2族IIIA和VA元素具有3個(gè)和5個(gè)價(jià)電子，是常用的摻雜材料?！?價(jià)摻雜增加了空穴數(shù)（正摻雜，P型），摻雜劑叫受主（得到一個(gè)電子）》5價(jià)摻雜增加了電子數(shù)（負(fù)摻雜，N型），摻雜劑叫施主（貢獻(xiàn)一個(gè)電子）第2章

半導(dǎo)體材料特性2.3硅2.3.2摻雜硅第2章

半導(dǎo)體材料特性2.3硅2.3.2摻雜硅N型硅導(dǎo)電電子多于價(jià)帶空穴，摻入了5價(jià)摻雜劑第2章

半導(dǎo)體材料特性2.3硅2.3.2摻雜硅P型硅導(dǎo)電空穴多于價(jià)帶電子，摻入了3價(jià)摻雜劑第2章

半導(dǎo)體材料特性2.3