集成電路制造技術

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集成電路制造技術

——原理與工藝2教材與參考書、考核教材：王蔚《微電子制造技術----原理與工藝》（修訂版）電子工業(yè)出版社2013參考書：關旭東《硅集成電路工藝基礎》北京大學出版2003清華大學《集成電路工藝》多媒體教學課件2001StephenA.C.《微電子制造科學原理與工程技術》電子工業(yè)出版社，2003考核方式：考勤20+作業(yè)10+考試（閉卷）70第0章緒論1.引言2、集成電路的歷史3.何為集成電路

4.微電子工藝特點與基本工藝流程

41、為什么要學習本課程？2、本課程內(nèi)容結構？3、本課程學習目的？4、如何學習本課程？第0章緒論一、引言為什么要學習本課程？5集成電路應用6半導體產(chǎn)業(yè)結構7我國集成電路產(chǎn)業(yè)在世界中的地位1、中國目前進口第一多的商品不是原油，是芯片，一年進口2500億美元。2、我國集成電路產(chǎn)業(yè)處在世界的中下端，屬于集成電路消費大國、制造大國，粗放型、高投入、低利潤。3、缺少高端設計，設備主要被國外壟斷。4、集成電路產(chǎn)業(yè)是國家的命脈，走到了危險的邊緣，不能再繼續(xù)落后下去。81、集成電路定位

它是信息技術產(chǎn)業(yè)的核心，是支撐經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的戰(zhàn)略性、基礎性和先導性產(chǎn)業(yè)，當前和今后一段時期是我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略機遇期和攻堅期。2、發(fā)展目標

到2015年，集成電路產(chǎn)業(yè)銷售超3500億元。移動智能終端、網(wǎng)絡通信等部分重點領域集成電路設計技術接近國際一流水平。32/28納米（nm）制造工藝實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，中高端封裝測試銷售收入占封裝測試業(yè)總收入比例達到30%以上，65-45nm關鍵設備和12英寸硅片等關鍵材料在生產(chǎn)線上得到應用。

到2020年，全行業(yè)銷售收入年均增速超過20%，移動智能終端、網(wǎng)絡通信、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等重點領域集成電路設計技術達到國際領先水平，16/14nm制造工藝實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，封裝測試技術達到國際領先水平，關鍵裝備和材料進入國際采購體系。

到2030年，集成電路產(chǎn)業(yè)鏈主要環(huán)節(jié)達到國際先進水平，一批企業(yè)進入國際第一梯隊，實現(xiàn)跨越發(fā)展。

2014年6月，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》92014年6月，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》

3、主要任務和發(fā)展重點

加速發(fā)展集成電路制造業(yè)，加快45/40nm芯片產(chǎn)能擴充，加緊32/28nm芯片生產(chǎn)線建設，加快立體工藝開發(fā)，推動22/20nm、16/14nm芯片生產(chǎn)線建設。大力發(fā)展模擬及數(shù)模混合電路、微機電系統(tǒng)（MEMS）、高壓電路、射頻電路等特色專用工藝生產(chǎn)線；突破集成電路關鍵裝備和材料。4、保障措施

成立國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展領導小組，國務院副總理馬凱任組長，工業(yè)化信息化部部長苗圩任副組長。設立國家產(chǎn)業(yè)投資基金，已成功吸引了金融機構、民營企業(yè)等各方出資，募資已超1000億；已向紫光集團投資合計300億元。加大金融支持力度。加大人才培養(yǎng)和引進力度。

產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-全球102018-2014全球集成電路市場規(guī)模及增速1、2014年全球半導體市場規(guī)模達到3331億美元，同比增長9%，為近四年增速之最。2、從產(chǎn)業(yè)鏈結構看。制造業(yè)、IC設計業(yè)、封裝和測試業(yè)分別占全球半導體產(chǎn)業(yè)整體營業(yè)收入的50%、27%、和23%。3、從產(chǎn)品結構看。模擬芯片、處理器芯片、邏輯芯片和存儲芯片2014年銷售額分別442.1億美元、622.1億美元、859.3億美元和786.1億美元，分別占全球集成電路市場份額的16.1%、22.6%、32.6%和28.6%。技術現(xiàn)狀-全球年代1985年1988年1991年1994年1997年2000年集成度1M4M16M64M256M1G最小線寬1.250.80.60.50.350.18光刻技術光學曝光準分子電子束電子束X射線（電子束）年代2001年2003年2005年2007年2009年2012年2014年最小線寬0.13um90nm65nm45nm32nm22nm14/16nmIntel首款14nm處理器——第五代Core處理器問世（2015-1-6）第五代Core處理器平臺電晶體(Transistor)數(shù)量比第四代Core加35%，但尺寸卻縮減37%;此外，在3D圖像處理性能、影片轉碼速度、電池續(xù)航力、整體性能等評比項目，第五代Core處理器平臺都較前一代產(chǎn)品分別提升22%、50%、40%以及1.5小時的表現(xiàn)。12《集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(2015版)》世界創(chuàng)新三大重點：一是14nmFinFET工藝芯片正式進入市場，英特爾公司在22nm的FinFET結構三柵晶體管技術及IBM和意法半導體公司的22nm制程節(jié)點中采用的FD-SOI全耗盡技術。二是3D-NAND存儲技術走向商用。三是可穿戴市場推動無線充電技術走向成熟。無線充電技術已經(jīng)成為業(yè)界“搶攻”的重點。五大展望：一是產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增大，市場引領全球增長。二是細分三業(yè)齊頭并進，產(chǎn)業(yè)結構日趨合理。三是技術水平持續(xù)提升，國際差距逐步縮小。四是國內(nèi)企業(yè)實力倍增，有望洗牌全球格局。五是政策環(huán)境日趨向好，基金引領投資熱潮。13產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-中國2011-2014年我國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售規(guī)模及增長情況1、2014年我國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入達3015.4億元，同比增長20.2%，增速較2013年提高4個百分點。2、從產(chǎn)業(yè)鏈結構看。2014年集成電路產(chǎn)業(yè)中，設計的銷售額為1047.4億元，同比增長29.5%;芯片制造業(yè)銷售收額712.1億元，同比增長18.5%;封裝測試業(yè)銷售額1255.9億元，同比增長14.3%。3、通信和消費電子是我國集成電路最主要的應用市場，合計共占整體市場的48.9%。計算機類集成電路市場份額進一步下滑，同比下滑達13.28%。2015中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展十大趨勢1、中國IC市場仍將引領全球增長。2014年中國集成電路市場規(guī)模超過1萬億元2、中國IC企業(yè)開始步入全球第一梯隊。海思2有望躋身全fablessTop10；紫光集團收購展訊和銳迪科，并獲得英特爾入股之后，成為國內(nèi)IC企業(yè)的巨頭；長電科技聯(lián)合國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金股份有限公司、中芯國際子公司芯電上海共同出資收購全球第四大半導體封裝測試企業(yè)—新加坡星科金朋。3、產(chǎn)業(yè)基金引領IC產(chǎn)業(yè)投資熱潮。國家集成電路產(chǎn)業(yè)基金一期預計總規(guī)模已達1387.2億元，實現(xiàn)超募187.2億元，重點投資芯片制造業(yè)，未來10年將拉動5萬億元資金投入到芯片產(chǎn)業(yè)。4、中國將成為12寸IC生產(chǎn)線全球投資熱點區(qū)域。國內(nèi)中芯國際和華力微電子等代工廠急需擴充產(chǎn)能，建設新的12寸晶圓廠。5、12寸晶圓將正式實現(xiàn)“MadeinChina”。6、中國集成電路制造工藝將躋身國際主流水平。目前國際主流制造工藝為28nm工藝，占據(jù)了約四成的市場份額，中芯國際的28nm制造工藝已經(jīng)量產(chǎn)。7、4G“中國芯”將取得重大突破。8、芯片國產(chǎn)化替代進程將在多行業(yè)取得突破2014年，國產(chǎn)芯片在多個行業(yè)應用中取得了突破。9、智能終端與汽車電子仍將是推動中國IC市場發(fā)展的主要動力。10、趨勢十：IC行業(yè)的專利爭奪將愈加激烈。15產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-重慶集成電路：2015年，我省十大新興產(chǎn)業(yè)首位，目前，已經(jīng)初具規(guī)模。

上世紀50年代，我國的集成電路正是從重慶開始起步，位于重慶研究所成功研制出國內(nèi)的第1片集成電路芯片，這個研究所正是位于南岸區(qū)的光電路上，光電路得名由此而來。

直到2004年前后，首先是臺灣茂德科技最終落戶重慶，建設集成電路芯片生產(chǎn)基地；隨后，市政府成立“811”領導小組和指揮部，在沙坪壩區(qū)西永建立微電子園區(qū)，重點扶持茂德，2006年茂德科技在渝成立全資子公司，渝德科技。

如今，渝德科技被中航集團收購，更名為中航微電子。我市已有西南集成電路、中航微電子、奧特斯集成電路基板、臺晶（重慶）電子、重慶石墨烯科技公司、SK海力士、中電24所、四聯(lián)微電子等集成電路生產(chǎn)和研發(fā)機構，形成了設計-制造-封裝的完備產(chǎn)業(yè)鏈，重慶大學和重慶郵電大學成立了半導體學院培養(yǎng)集成電路人才。16本課程內(nèi)容結構？集成電路制造技術—原理與工藝硅材料集成電路工藝集成和封裝測試第1單元第2、3、4單元第5單元1單晶硅結構2硅錠及圓片制備3外延12金屬化與多層互連13工藝集成14測試封裝4氧化5擴散6離子注入7CVD8PVD9光刻10現(xiàn)代光刻技術11刻蝕17本課程學習目的？1、掌握集成電路工藝設計、工藝集成流程。2、清楚各種工藝設備及各工藝環(huán)節(jié)。3、了解集成電路產(chǎn)業(yè)和技術發(fā)展。4、了解集成電路封裝和電學測試。18如何學習本課程？1、這是一門工程學科，不是理論基礎課程。2、更多關注領域前沿，結合實際應用學習。19

1833年，英國科學家電子學之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但巴拉迪發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。

1874年，電報機、電話和無線電相繼發(fā)明等早期電子儀器亦造就了一項新興的工業(yè)──電子業(yè)的誕生。

2、集成電路的歷史1947年：美國貝爾實驗室的約翰·巴丁、布拉頓、肖克萊三人發(fā)明了晶體管，這是微電子技術發(fā)展中第一個里程碑；

1950年：結型晶體管誕生1950年：

ROhl和肖克萊發(fā)明了離子注入工藝；1951年：場效應晶體管發(fā)明；1956年：CSFuller發(fā)明了擴散工藝。1956年三人共同獲得諾貝爾物理獎

1958年：仙童公司RobertNoyce與德儀公司基爾比間隔數(shù)月分別發(fā)明了集成電路，開創(chuàng)了世界微電子學的歷史；1960年：HHLoor和ECastellani發(fā)明了光刻工藝；1962年：美國RCA公司研制出MOS場效應晶體管。

1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技術，今天，95%以上的集成電路芯片都是基于CMOS工藝

1964年：Intel摩爾提出摩爾定律，預測晶體管集成度將會每18個月增加1倍1966年：美國RCA公司研制出CMOS集成電路，并研制出第一塊門陣列（50門），為現(xiàn)如今的大規(guī)模集成電路發(fā)展奠定了堅實基礎，具有里程碑意義1971年：Intel推出1kb動態(tài)隨機存儲器（DRAM），標志著大規(guī)模集成電路出現(xiàn)；1971年：全球第一個微處理器4004由Intel公司推出，這是一個里程碑式的發(fā)明；1978年：64kb動態(tài)隨機存儲器誕生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14萬個晶體管，標志著超大規(guī)模集成電路（VLSI）時代的來臨；1979年：Intel推出5MHz8088微處理器，之后，IBM基于8088推出全球第一臺PC1985年：80386微處理器問世，20MHz1988年：16MDRAM問世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500萬個晶體管，標志著進入超大規(guī)模集成電路（VLSI）階段1989年：486微處理器推出，25MHz，1μm工藝，后來50MHz芯片采用

0.8μm工藝1993年：66MHz奔騰處理器推出，采用0.6μm藝1995年-2003年：1995年，PentiumPro,133MHz，采用0.6-0.35μm工藝；1997年：300MHz奔騰Ⅱ問世，采用0.25μm工藝；1999年：奔騰Ⅲ問世，450MHz，采用0.25μm工藝，后采用0.18μm工藝；2000年：1GbRAM投放市場；2000年：奔騰4問世，1.5GHz，采用0.18μm工藝；2001年：Intel宣布2001年下半年采用0.13μm工；2003年：奔騰4E系列推出，采用90nm工藝2005年：intel酷睿2系列上市，采用65nm工藝2007年：基于全新45納米High-K工藝的intel酷睿2E7/E8/E9上市2009年：intel酷睿i系列全新推出，創(chuàng)紀錄采用了領先的32納米工藝，并且下一代22納米工藝正在研發(fā)

2012年：Intel發(fā)布代號為“IvyBridge”的第三代Corei系列，首次將CPU制作工藝提升到22nm。命名為Corei73770K。2014年：英特爾(Intel)首款14納米(nm)處理器--第五代酷睿(Core)正式問世。2015年半導體業(yè)將邁入14/16納米制程世代，英特爾為搶占先機。253、何為集成電路工藝集成電路集成電路設計（包括：模擬電路設計、數(shù)字電路

設計）集成電路制造（包括：材料、清洗、摻雜、擴散、薄膜、光刻、金屬互聯(lián)、刻蝕等）集成電路測試、封裝及應用

（工藝檢測、芯片封裝、電學測試

可靠性分析等等）微電子產(chǎn)品：半導體分離器件和集成電路（90%）集成電路（integratedcircuit）：是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結構。集成電路工藝（微電子工藝）：

狹義講是指在半導體硅片上制造出集成電路或分立器件的芯片結構，這20-30各工藝步驟的工作、方法和技術即為芯片制造工藝；廣義的講，包含半導體集成電路和分立器件芯片制造及測試封裝的工作、方法和技術。集成電路工藝是微電子學中最基礎、最主要的研究領域之一。

不同產(chǎn)品芯片的制造工藝就是將多個單項工藝按照需要以一定順序進行排列，稱為該產(chǎn)品的工藝流程。27微電子工業(yè)生產(chǎn)過程圖前工藝：微電子產(chǎn)品制造的特有工藝后工藝300mm（12英寸）waferCMOS結構32超凈

環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈室，ULSI在100級超凈室制作，超凈臺達10級。超純指所用材料方面，如襯底材料、功能性電子材料、水、氣等；

Si、Ge單晶純度達11個9。高技術含量設備先進，技術先進。高精度光刻圖形的最小線條尺寸在深亞微米量級，制備的介質(zhì)薄膜厚度也在納米量級，而精度更在上述尺度之上。大批量，低成本圖形轉移技術使之得以實現(xiàn)。集成電路制造技術特點-------超凈室

這些微小顆粒的主要問題是在空氣中長時間漂浮。而潔凈工作室的潔凈度就是由空氣中的微粒大小和微粒含量決定的。美國聯(lián)邦標準209E規(guī)定空氣質(zhì)量由區(qū)域空氣級別數(shù)來決定的。標準按兩種方法設定，一是顆粒的大小，二是顆粒的密度。而級別數(shù)是指在一立方英尺中含有直徑為0.5微米或更大的顆?？倲?shù)。一般城市空氣中通常包含煙、霧、氣，每立方英尺多達500萬個顆粒，所以是500萬級。

超凈室35超凈環(huán)境（超凈間）

36超純材料1、超純的半導體材料，目前純度已達到99.99999999999%，即11個9，記為11N.2、功能性電子材料（如：Al、Au等金屬）、摻雜用氣體、外延氣體等必須是高純度材料。3、所用化學試劑、器皿、器具等的雜質(zhì)含量必須低。4、芯片清洗用水是高純度的去離子水，一般用電阻率來表示.超大規(guī)模集成電路純用水的電阻為18MΩ.cm，批量復制和廣泛的用途一、更大的晶圓片面積、更小尺寸晶體管。一直在追求高性價比：低成本、高質(zhì)量

集成電路工藝是高可靠、高精度、低成本、適合批量化大生產(chǎn)的工藝各項工藝技術的進步推動新的行業(yè)

MEMS和納米技術IC產(chǎn)業(yè)流程圖IC測試廠硅原料拉晶切割研磨清洗晶圓材料廠電路設計CADTapeout電路設計公司Reticle制作mask制作廠硅片投入刻號清洗氧化化學氣相沉積金屬濺鍍護層沉積蝕刻離子注入/擴散光阻去除WAT測試微影(光阻)(曝光)(顯影)mask投入集成電路制造廠硅片針測IC測試BurninIC封裝廠封裝打線切割客戶IC制造流程芯片設計晶圓制造芯片封裝芯片測試芯片制造光罩制造上游：設計中游：制造下游：封測IC設計IC設計-EDA&IP（占IC產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值30%）EDAIPEDA技術是在電子CAD技術基礎上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)，以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果，進行電子產(chǎn)品的自動設計。利用EDA工具，電子設計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設計電子系統(tǒng)，并將電子產(chǎn)品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程的計算機上自動處理完成。IP是一種知識產(chǎn)權（IntellectualProperty），各個行業(yè)都有自己的知識產(chǎn)權，半導體行業(yè)領域IP我們理解為：硅知識產(chǎn)權（SiliconIntellectualProperty）也叫“SIP”或者“硅智財”。IP是一種事先定義、設計、經(jīng)驗證、可重復使用的功能模塊。全球3萬人從業(yè)人員，締造50億美元年產(chǎn)值----知識密集型行業(yè)，處于技術前沿年產(chǎn)值8億美元，成長率超40%----知識密集型行業(yè)IC制造制造-光罩&晶圓（占IC產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值50%）MASKFoundry光罩（英文：Reticle,Mask）：在制作IC的過程中，利用光蝕刻技術，在半導體上形成圖型，為將圖型復制于晶圓上，必須透過光罩做用的原理[1]。比如沖洗照片時，利用底片將影像復制至相片上。製作一套光罩的費用在數(shù)萬美元至數(shù)百萬美元均有。目前一款晶片至少需用到八層光罩，較為復雜的產(chǎn)品需用到二、三十層光罩。光罩數(shù)愈多，生產(chǎn)過程也愈久。晶圓代工是指向專業(yè)的集成電路設計公司提供專門的制造服務。這種經(jīng)營模式使得設計公司不需要自己承擔造價昂貴的廠房，就能生產(chǎn)。這就意味著，晶圓代工商將龐大的建廠風險分攤到廣大的客戶群以及多樣化的產(chǎn)品上，從而集中開發(fā)更先進的制造流程。資金密集型資金密集型知識密集型IC封測成品-封裝&測試（占IC產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值20%）TESTAssembly晶圓測試晶圓測試為IC后端的關鍵步驟，標有記號的不合格晶粒會被洮汰，以免徒增制造成本。具承先起后的作用。IC成品測試

封裝成型后的測試，目的是確認IC成品的功能、速度、容忍度、電力消耗、熱力發(fā)散等屬性是否正常，以確保IC出貨前的品質(zhì)。IC封裝是將前段制程加工完成之晶圓經(jīng)切割、黏晶、焊線等過后被覆包裝材料，以保護IC組件及易于裝配應用，IC封裝主要有四大功能：1、電力傳送2、訊號傳送：3、熱量去除4、靜電保護測試并不須投入原料，無原料成本，但因設備投資金額大，固定成本高。封裝業(yè)因設備投資金額不大，原料成本是制造成本的大宗，約占4-6成左右。2023/11/25siliconsubstratesourcedraingateoxideoxide絕緣氮化硅源的金屬接觸柵的金屬接觸漏的金屬接觸多晶硅柵場氧化層柵氧化層MOS晶體管的立體結構MOSFET的工藝流程簡介2023/11/25（1）硅片清洗和打標記siliconsubstrate2023/11/25siliconsubstrateoxidefieldoxide（2）氧化硅生長（保護硅片和掩膜層）2023/11/25氧化2023/11/25siliconsubstrateoxidephotoresist（3）光刻工業(yè)用光刻機實驗室用光刻機2023/11/25ShadowonphotoresistphotoresistExposedareaofphotoresistUltravioletLightsiliconsubstrateoxide2023/11/25非感光區(qū)域siliconsubstrate感光區(qū)域oxidephotoresist2023/11/25Shadowonphotoresistsiliconsubstrateoxidephotoresistphotoresist顯影（專門的溶液）2023/11/25siliconsubstrateoxideoxidesiliconsubst