集成電路工藝概述(-77張)課件

集成電路工藝概述集成電路工藝概述1課程介紹課程介紹2普通高校專業(yè)學科目錄（1998版）01哲學02經(jīng)濟學03法學04教育學05文學06歷史學07理學08工學09農(nóng)學10醫(yī)學11管理學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 計算機科學與技術(shù)080606

電子科學與技術(shù)080607 生物醫(yī)學工程分設(shè)十一個學科門類（無軍事學），下設(shè)二級類71個，專業(yè)249種。普通高校專業(yè)學科目錄（1998版）01哲學0806電氣信息3電子科學與技術(shù)專門研究電子科學理論及其應(yīng)用技術(shù)的學科，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與技術(shù)專門研究電子科學理論及其應(yīng)用技術(shù)的學科，其研究4電子科學與技術(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)，是電子科學與技術(shù)理論研究和工程應(yīng)用技術(shù)聯(lián)系的紐帶電子科學與技術(shù)的基本內(nèi)容1.電子元器件5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集成電路技術(shù)6時間安排（每周4學時*16周=64學時）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化學氣相淀積6化學機械拋光7期中復習8光刻作業(yè)一、二、三9刻蝕10擴散11離子注入12工藝集成作業(yè)四、五13封裝14期末復習15仿真實驗一、二16仿真實驗三、四時間安排（每周4學時*16周=64學時）時間內(nèi)容安排1課程概7集成電路工藝概述(-77張)課件8集成電路工藝概述(-77張)課件9集成電路工藝概述(-77張)課件10集成電路工藝概述(-77張)課件11參考教材序號書名作者出版社時間1半導體制造技術(shù)【美】MichaelQuirk電子工業(yè)20042芯片制造——半導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20075集成電路工藝和器件的計算機模擬——ICTCAD技術(shù)概論阮剛復旦大學20076電子科學與技術(shù)導論李哲英電子工業(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20079集成電路制程設(shè)計與工藝仿真劉睿強電子工業(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圖解半導體基礎(chǔ)【日】水野文夫科學2007參考教材序號書名作者出版社時間1半導體制造技術(shù)【美】Mich12網(wǎng)絡(luò)中國電子頂級開發(fā)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中國電子頂級開發(fā)網(wǎng)13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）考核方法20%平時成績（考勤、作業(yè)、平時表現(xiàn)）14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。課程作業(yè)作業(yè)一15集成電路集成電路16什么是集成電路？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)的半導體產(chǎn)品，又被稱為微芯片或芯片。2023/8/1117什么是集成電路？英文全稱IntegratedCircuit集成電路的內(nèi)部電路VddABOutABOUT0010101001102023/8/1118集成電路的內(nèi)部電路VddABOutABOUT001010102023/8/11192023/8/319

50

m100

m頭發(fā)絲粗細

30

m1

m

1

m(晶體管的大小)30~50

m(皮膚細胞的大小)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、皮膚細胞大小的比較2023/8/11201m1m30~50m90年代一個工業(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（半導體工業(yè)）一個工業(yè)的誕生1906年，真空三極管，LeeDefores21世界第一個晶體管世界第一個晶體管22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”2023/8/1123集成電路集成電路是由Kilby和Noyce兩人于1959年分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線。這些層的使用在半導體領(lǐng)域是一個重要發(fā)展，也是稱其為平面技術(shù)的原因。2023/8/1124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，半導體的集成時代電路集成半導體產(chǎn)業(yè)周期每個芯片元件數(shù)分立元件1960年前1SSI20世紀60年代前期2~50MSI20世紀60年代到70年代前期20~5000LSI20世紀70年代前期到70年代后期5000~100000VLSI20世紀70年代后期到80年代后期100000~1000000ULSI20世紀90年代后期至今大于10000002023/8/1125半導體的集成時代電路集成半導體產(chǎn)業(yè)周期每個芯片元件數(shù)分立元件半導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2023/8/1126半導體主要趨勢提高芯片性能：2023/8/326集成電路的5個制造階段集成電路的5個制造階段27集成電路的5個制造階段集成電路的5個制造階段28第1階段：硅片制備第1階段：硅片制備29第2階段：硅片制造裸露的硅片到達硅片制造廠，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。2023/8/1130第2階段：硅片制造裸露的硅片到達硅片制造廠，然后經(jīng)過各種清洗第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)，在那里進行單個芯片的探測和電學測試，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記，通過測試的芯片將繼續(xù)進行以后的工藝。2023/8/1131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/揀第4階段：裝配和封裝把單個芯片包裝在一個保護管殼內(nèi)。DIP2023/8/1132第4階段：裝配和封裝把單個芯片包裝在一個保護管殼內(nèi)。2023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行測試，以滿足制造商的電學和環(huán)境的特性參數(shù)要求。至此，集成電路制造完成。2023/8/1133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行晶圓制造廠晶圓制造廠34晶圓晶圓35在亞微米CMOSIC制造廠典型的硅片流程模型在亞微米CMOSIC制造廠典型的硅片流程模型36集成電路工藝概述(-77張)課件37擴散區(qū)擴散區(qū)一般認為是進行高溫工藝及薄膜淀積的區(qū)域。主要設(shè)備：高溫擴散爐：1200℃左右，能完成氧化、擴散、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行徹底的清洗，以去除硅片表面的沾污以及自然氧化層。2023/8/1138擴散區(qū)擴散區(qū)一般認為是進行高溫工藝及薄膜淀積的區(qū)域。2023集成電路工藝概述(-77張)課件39光刻區(qū)光刻的本質(zhì)是把（臨時）電路圖形復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)備步進光刻機（steper）涂膠/顯影設(shè)備（coater/developertrack）清洗裝置和光刻膠剝離機？2023/8/1140光刻區(qū)光刻的本質(zhì)是把（臨時）電路圖形復制到覆蓋于硅片表面的光光刻工藝模塊示意圖光刻工藝模塊示意圖41刻蝕區(qū)刻蝕是在硅片上沒有光刻膠保護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)濟損失。主要設(shè)備：等離子體刻蝕機（濕法、干法）等離子去膠機濕法清洗設(shè)備2023/8/1142刻蝕區(qū)刻蝕是在硅片上沒有光刻膠保護的地方留下永久的圖形。20干法等離子體刻蝕機示意圖干法等離子體刻蝕機示意圖43離子注入?yún)^(qū)離子注入機是亞微米工藝中常見的摻雜工具。主要設(shè)備：離子注入機等離子去膠機濕法清洗設(shè)備2023/8/1144離子注入?yún)^(qū)離子注入機是亞微米工藝中常見的摻雜工具。2023/集成電路工藝概述(-77張)課件45薄膜生長區(qū)主要負責生產(chǎn)各個步驟當中的介質(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)備薄膜生長區(qū)主要負責生產(chǎn)各個步驟當中的介質(zhì)層和金屬層的淀積。薄46CVD多腔集成設(shè)備和工藝腔的示意圖CVD多腔集成設(shè)備和工藝腔的示意圖47拋光區(qū)化學機械平坦化（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：拋光機刷片機（waferscrubber）、清洗裝置、測量裝置2023/8/1148拋光區(qū)化學機械平坦化（CMP）工藝的目的是使硅片表面平坦化。集成電路工藝概述(-77張)課件49典故典故50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1963，斯坦福大學70年代，人種學和優(yōu)生學？？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。威廉·肖克利（WilliamShockely）“晶體管之父51“八叛逆”（TheTraitorousEight）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)辦了仙童半導體公司。喬布斯：“仙童半導體公司就象個成熟了的蒲公英，你一吹它，這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風四處飄揚了?！薄肮韫热瞬艙u籃”“八叛逆”（TheTraitorousEight）19552八叛逆在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）NSC八叛逆在FairchildSemiconductor，19532011年，臺灣成為全球最大半導體晶圓生產(chǎn)地根據(jù)市調(diào)機構(gòu)ICInsights調(diào)查統(tǒng)計，2011年全球半導體晶圓總月產(chǎn)能達13,617.8千片8寸約當晶圓。其中臺灣晶圓月產(chǎn)能達2,858.3千片8寸約當晶圓，占全球半導體總產(chǎn)能達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2,683.6千片8寸約當晶圓，市占率達19.7%，位居第2大生產(chǎn)國；韓國則以2,293.5千片8寸約當晶圓月產(chǎn)能，位居第3大生產(chǎn)國，市占率達16.8%；美國月產(chǎn)能達1,995.1千片8寸約當晶圓，市占率降至14.7%，是全球第4大生產(chǎn)國。臺積電聯(lián)電2011年，臺灣成為全球最大半導體晶圓生產(chǎn)地根據(jù)市調(diào)機構(gòu)IC54芯片制造——半導體工藝制程實用教程第1章半導體工業(yè)芯片制造——半導體工藝制程實用教程第1章半導體工業(yè)551.1一個工業(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1.1一個工業(yè)的誕生1906，LeeDeforest，561.2固態(tài)時代晶體管二級管電容器電阻器分立器件1.2固態(tài)時代晶體管571.3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。1.3集成電路1959，TI的JackKilby，鍺，集581.4工藝和產(chǎn)品趨勢工藝和結(jié)構(gòu)摩爾定律1.4工藝和產(chǎn)品趨勢工藝和結(jié)構(gòu)591.5特征圖形尺寸的縮小特征圖形尺寸CD1.5特征圖形尺寸的縮小特征圖形尺寸601.6芯片和晶圓尺寸的增大ChipWafer1.6芯片和晶圓尺寸的增大Chip611.7缺陷密度的減小缺陷尺寸缺陷密度1.7缺陷密度的減小缺陷尺寸621.8內(nèi)部連線水平的提高多層連線1.8內(nèi)部連線水平的提高多層連線631.9SIA的發(fā)展方向未來技術(shù)路線圖1.9SIA的發(fā)展方向未來技術(shù)路線圖641.10芯片成本工藝產(chǎn)品成本價格性能1.10芯片成本工藝651.11半導體工業(yè)的發(fā)展附加值最高的工業(yè)1.11半導體工業(yè)的發(fā)展附加值最高的工業(yè)661.12半導體工業(yè)的構(gòu)成半導體和系統(tǒng)（或產(chǎn)品）三類芯片供應(yīng)商IDMFoundryFabless1.12半導體工業(yè)的構(gòu)成半導體和系統(tǒng)（或產(chǎn)品）671.6生產(chǎn)階段1材料準備2晶體生長和晶圓準備3晶圓制造和分選4封裝5終測1.6生產(chǎn)階段1材料準備681.14結(jié)型晶體管PN結(jié)----晶體管雙極型器件FET----MOS單極性器件貝爾實驗室，1956擴散結(jié)1957氧化掩膜，硅1.14結(jié)型晶體管PN結(jié)----晶體管691.15工業(yè)發(fā)展的50年50年代，黃金時期，工藝，材料，公司，價格，60年代，成熟工業(yè)，塑封，IFET，CMOS70年代，投射光刻機，潔凈間，離子注入機，步進光刻機，自動化80年代，全程自動化，1um90年代，銅，1.15工業(yè)發(fā)展的50年50年代，黃金時期，工藝，材料，公70開發(fā)的十年（1951~1960）基本工藝和材料（黃金十年）雙極型和單極型設(shè)備和材料的問題內(nèi)部解決開發(fā)的十年（1951~1960）基本工藝和材料（黃金十年）71工藝的十年（1961~1970）價格下降的趨勢形成--新老公司交替高產(chǎn)量的工藝，低價格的芯片設(shè)備和材料的問題導致半導體特殊供應(yīng)商形成塑料封裝1963實驗室小批量生產(chǎn)工藝的十年（1961~1970）價格下降的趨勢形成--新老公72設(shè)備的十年（1971~1980）MSI—LSI，膜板引起的缺陷，接觸式光刻機造成的晶圓損傷投射式光刻機，離子注機，步進式光刻機，潔凈間進一步發(fā)展，單一設(shè)備自動化（工藝和設(shè)備結(jié)合）生產(chǎn)線的大批量制造—產(chǎn)量和利潤設(shè)備的十年（1971~1980）MSI—LSI，膜板引起的缺73自動化的十年（1981~1990）市場的壓力和工藝步驟的增多無人化和材料的自動運輸（污染源）美國、歐洲統(tǒng)治地位，日本崛起，四小龍（香港、臺灣、新加坡、韓國）發(fā)展自動化的十年（1981~1990）市場的壓力和工藝步驟的增多74生產(chǎn)的十年（1991~2000）1微米成熟的工業(yè)--生產(chǎn)和市場控制成本銅連線生產(chǎn)的十年（1991~2000）1微米75極小的紀元（2001~至今）CD極限180nm，45，32，22nm晶圓300mm，450mm低端技術(shù)新用途極小的紀元（2001~至今）CD極限761、有事業(yè)的峰巒上，有汗水的溪流飛淌；在智慧的珍珠里，有勤奮的心血閃光。2、人們走過的每一個足跡，都是自己生命的留言；留給今天翻過的日歷，留給未來永久的歷史。3、人生是一座可以采掘開拓的金礦，但總是因為人們的勤奮程度不同，給予人們的回報也不相同。4、理想之風扯滿人生的帆；奮斗之桿舉起理想之旗。5、人應(yīng)該學會走自己的路，但更應(yīng)該掌握手中的羅盤。6、不能因為