電子科大《集成電路工藝》第一章

電子科大《集成電路工藝》第一章2023/12/27電子科大《集成電路工藝》第一章課程總體介紹一、課程性質和任務從設備結構及其工作原理、單項工藝方法、工藝集成技術、工藝流程等方面，介紹集成電路芯片的制造工藝原理。了解集成電路芯片是如何制造出來的，加深對器件結構和集成電路的理解，為掌握器件結構和集成電路的設計打下良好的基礎。2電子科大《集成電路工藝》第一章二、教學內容及安排理論教學（32學時）:了解集成電路產業(yè)狀況及技術發(fā)展動態(tài)；理解集成電路制造的先進工藝技術；掌握氧化、光刻、刻蝕、擴散、離子注入、沉積等各種單項工藝技術的基本原理、方法和主要特點；掌握工藝集成的特點以及集成電路制造的基本工藝流程。實驗教學（16學時）:熟悉基本的半導體工藝（清洗、氧化以及光刻）；晶體管器件參數(shù)測試方法；版圖EDA工具L-Edit的使用。課程總體介紹3電子科大《集成電路工藝》第一章課程總體介紹緒論:第1章：導論/半導體產業(yè)介紹第3章：器件技術第4章：硅和硅片制備第6章：6.4硅片清洗工藝：第10章：氧化第11章：淀積第12章：金屬化第13-15章：光刻第17章：離子注入/擴散第18章：化學機械平坦化工藝集成：第9章：集成電路制造工藝概況作業(yè)/復習二、教學內容及安排電子科大《集成電路工藝》第一章三、教材及參考書教材半導體制造技術：SemiconductorManufacturingTechnology；MichaelQuirk,JulianSerda著；韓鄭生等譯；電子工業(yè)出版社，2009；參考書《集成電路工藝基礎》，王陽元等編著，高等教育出版社《微電子制造科學原理與工程技術》，StephenA.Campbell著，電子工業(yè)出版社，國外電子與通信教材系列?！都呻娐分圃旒夹g—原理與實踐》，莊同曾編，電子工業(yè)出版社。課程總體介紹5電子科大《集成電路工藝》第一章四、上課安排課時安排每周學時：4（1-8周星期二、四上午3-4節(jié)）相關課程：“集成電路原理”，“集成電路工藝實驗”，“微電子器件”課程要求嚴格考勤、實行請假制度；鼓勵看教學參考書和上網查閱資料采取“教學互動”的教學方式，歡迎用電子郵件傳送疑難問題?？荚嚪绞剑?/p>

閉卷，平時成績（到課率、交作業(yè)）占30％，期末考試70％。課程總體介紹6電子科大《集成電路工藝》第一章五、課程答疑時間星期五下午三點地點211樓802室（微固學院樓背后）聯(lián)系方式郵箱：jinpingzhang@電話18011466181課程總體介紹7電子科大《集成電路工藝》第一章第一章導論

半導體產業(yè)介紹8電子科大《集成電路工藝》第一章第一章導論本章主要內容：集成電路產業(yè)的地位集成電路發(fā)展歷程集成電路制造概況半導體產業(yè)發(fā)展方向9電子科大《集成電路工藝》第一章1.1引言微電子學是研究在固體（主要是半導體）材料上構成的微小型化電路及系統(tǒng)的電子學分支。微電子學：Microelectronics－微型電子學

核心：集成電路。電子學微電子學10電子科大《集成電路工藝》第一章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Si、GaAs）上，封裝在一個外殼內，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。

集成電路：IC，IntegratedCircuit封裝后的集成電路1.1引言11電子科大《集成電路工藝》第一章背景：機械技術的產品向電子技術變化的技術革命。半導體產業(yè)是這場技術革命的中心，以集成電路為核心的電子信息產業(yè)已成為全球第一大產業(yè)。半導體產業(yè)的戰(zhàn)略地位信息社會發(fā)展的基石，實現(xiàn)社會信息化的網絡及其關鍵部件不管是各種計算機和/或通訊終端，它們的基礎都是微電子。其發(fā)展規(guī)模及技術水平是衡量一個國家綜合國力的重要標志。1.1引言12電子科大《集成電路工藝》第一章INTERNET基礎設施各種各樣的網絡：電纜、光纖(光電子)、無線...…路由和交換技術：路由器、交換機、防火墻、網關...…終端設備：PC、NetPC、WebTV...…網絡基礎軟件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE...…INTERNET服務信息服務:極其大量的各種信息交易服務:高可靠、高保密...…計算服務:“網絡就是計算機!”，“計算機成了網絡的外部設備!”半導體產業(yè)對信息社會的重要性1.1引言13電子科大《集成電路工藝》第一章半導體產業(yè)的戰(zhàn)略重要性2020年世界最大的30個市場領域：其中與微電子相關的22個市場：5萬億美元（NikkeiBusiness1999）1.1引言電子科大《集成電路工藝》第一章產品應用基礎設施客戶：計算機汽車航天醫(yī)療其它工業(yè)客戶服務原創(chuàng)設備制造商印刷電路板業(yè)工業(yè)標準(SIA,SEMI,NIST,etc.)生產工具設施材料和化學品計量工具分析實驗室技術人員院校芯片制造商1.1引言15電子科大《集成電路工藝》第一章產業(yè)規(guī)模產業(yè)規(guī)模達到3000億美元2007年底，全球8英寸線近190條；全球12英寸集成電路生產線（含在建）超過70條。其中，臺灣地區(qū)19條，美國18條，日本16條，韓國9條，歐洲4條，我國大陸3條，新加坡1條。2007年底，國內已經有集成電路芯片制造企業(yè)近50家，擁有各類集成電路芯片生產線51條。我國擁有的第一條6英寸IC生產線：20世紀90年代908工程（無錫華晶項目）我國擁有的第一條8英寸IC生產線：20世紀90年代909工程（上海華虹NEC項目）我國擁有的第一條12英寸IC生產線：2004年中芯國際北京芯片生產線建設投產時間12英寸8英寸6英寸5英寸4英寸生產線總數(shù)2000年底013615252003年底065715332005年底198815412007年底31113915511.1引言電子科大《集成電路工藝》第一章1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程17電子科大《集成電路工藝》第一章CPUROM1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程Wafer硅片晶圓18電子科大《集成電路工藝》第一章第一臺通用電子計算機：ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania19,000個真空管組成大?。洪L24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：50噸；功率：140KW；平均無故障運行時間：7min1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程19電子科大《集成電路工藝》第一章真空管缺點：體積大，可靠性差，耗能1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程20電子科大《集成電路工藝》第一章1947年12月23日第一個晶體管，NPNGe晶體管。W.Schokley，J.Bardeen，W.Brattain晶體管的剖面圖獲得1956年Nobel物理獎晶體管的剖面圖特點：體積小，無真空，可靠，重量輕等。1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程21電子科大《集成電路工藝》第一章肖克萊(WilliamShockley)巴丁(JohnBardeen)布拉頓(WalterBrattain)1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程22電子科大《集成電路工藝》第一章1958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件（兩個晶體管、兩個電容和八個電阻），Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎Ti公司JackKilby（杰克.基爾比）1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程23電子科大《集成電路工藝》第一章RobertNoyce(羅伯特.諾依斯)1959年美國仙童/飛兆公司（FairchildSemiconductor

）的R.Noicy（羅伯特.諾依斯）開發(fā)出用于IC的Si平面工藝技術，從而推動了IC制造業(yè)的大發(fā)展。1960年仙童公司制造的IC1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程24電子科大《集成電路工藝》第一章半導體產業(yè)發(fā)展史上的幾個里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技術

現(xiàn)在集成電路產業(yè)中占95%以上。1967年Kahng、S.Sze——非揮發(fā)存儲器1968年Dennard（登納德）——單晶體管DRAM1971年Intel公司微處理器——計算機的心臟第一個微處理器4004。4004規(guī)格為1/8英寸x1/16英寸，僅包含2000多個晶體管，采用英特爾10微米PMOS技術生產。1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程25電子科大《集成電路工藝》第一章器件結構類型MOS，Bipolar，BiCMOS集成電路規(guī)模SSI，MSI，LSI，VLSI，ULSI，GSI電路形式

DigitalIC，AnalogIC，Digital-AnalogIC應用領域集成電路的分類1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程26電子科大《集成電路工藝》第一章按集成度劃分：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)甚大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)集成電路發(fā)展的五個時代1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程27電子科大《集成電路工藝》第一章按集成電路規(guī)模分類1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程電子科大《集成電路工藝》第一章Intel,PentiumIII45nmCPU,AMD1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程29電子科大《集成電路工藝》第一章半導體（集成電路）產業(yè)的特點:技術更新?lián)Q代快產品的集成度每18個月增長一倍（摩爾定律）投資巨大，風險極高，被譽為“吞金”產業(yè)投資建設集成電路生產線的費用：12英寸15億美元；8英寸10億美元；8英寸集成電路生產線養(yǎng)線的費用：100萬元/天國外一套0.5μmCMOS集成電路大生產工藝技術：1996年報價2億美元。極高的集成電路設計風險。1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程30電子科大《集成電路工藝》第一章硅片制造廠的啟動成本0.18μm一次投片費用>100萬。常采用MPW－多項目晶圓（MultiProjectWafer）。根據(jù)SemaTech報告，“一套130nm邏輯器件工藝的掩膜大約需75萬美元，一套90nm的掩膜將需160萬美元，一套65nm的掩膜將高達300萬美元1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程31電子科大《集成電路工藝》第一章◎集成電路IC企業(yè)大致上可分為以下幾類通用電路生產廠，典型—生產存儲器和CPU；集成器件制造商(IDM-IntegratedDeviceManufactoryCo.)，從晶圓之設計、制造到以自有品牌行銷全球皆一手包辦，如Intel，Mortorola；Foundry廠，標準工藝加工廠或稱專業(yè)代工廠商，如TSMC、SMIC；Fabless：IC設計公司，只設計不生產。如AMD；Chipless：既不生產也不設計芯片，而是設計IP內核，授權給半導體公司使用。如RAM（AdvancedRISCMachines）；Fablite：輕晶片廠，有少量晶圓制造廠的IC公司。1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程32電子科大《集成電路工藝》第一章~19801980~1990IC(IDM)制造商通用電路制造商前兩類廠家，IDMIP模塊和ChiplessCo.出現(xiàn)與整機、系統(tǒng)用戶相結合，相對分散設計；以標準工藝為接口，相對集中加工。這就導致了Fabless和Foundry的出現(xiàn)。1.2半導體產業(yè)發(fā)展歷程33電子科大《集成電路工藝》第一章1.3集成電路制造概況34電子科大《集成電路工藝》第一章硅芯片的器件和層

DevicesandLayersfromaSiliconChipSiliconsubstratedrain硅襯底Siliconsubstrate頂部保護層Topprotectivelayer金屬層－Metallayer絕緣層－Insulationlayers凹進導電層Recessedconductivelayer導電層Conductivelayer1.3集成電路制造概況35電子科大《集成電路工藝》第一章

集成電路制造步驟（5個階段）硅片制備（Waferpreparation）硅片制造（Waferfabrication）硅片測試/揀選（Wafertest/sort）裝配與封裝（Assemblyandpackaging）終測（Finaltest）

1.3集成電路制造概況36電子科大《集成電路工藝》第一章本課程主要學習第2階段1、硅片制備：晶體生長，滾圓、切片、拋光。2、硅片制造：清洗、成膜、光刻、刻蝕、摻雜。3、硅片測試/揀選：測試、揀選每個芯片。4、裝配與封裝：沿著劃片槽切割成芯片、壓焊和包封。5、終測：電學和環(huán)境測試。1.3集成電路制造概況37電子科大《集成電路工藝》第一章CrystalGrowth

單晶生長2. SingleCrystalIngot單晶硅錠CrystalTrimmingandDiameterGrind單晶去頭和徑向研磨FlatGrinding

定位邊研磨WaferSlicing

硅片切割6. EdgeRounding

倒角7. Lapping

粘片8. WaferEtching

硅片刻蝕9.Polishing

拋光WaferInspection

硅片檢查SlurryPolishingtablePolishingheadPolysiliconSeedcrystalHeaterCrucible1.3集成電路制造概況-硅片制備38電子科大《集成電路工藝》第一章主要工藝晶圓處理制程（WaferFabrication）1.圖形轉換：將設計在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉移到半導體單晶片上2.摻雜：根據(jù)設計的需要，將各種雜質摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等3.成膜：制作各種材料的薄膜。4.刻蝕：有選擇性的去除不需要的材料。1.3集成電路制造概況-硅片制造39電子科大《集成電路工藝》第一章CMOS工藝流程中的主要制造步驟Oxidation(Fieldoxide)SiliconsubstrateSilicondioxideoxygenPhotoresistDevelopoxidePhotoresistCoatingphotoresistMask-WaferAlignmentandExposureMaskUVlightExposedPhotoresistexposedphotoresistGSDActiveRegionstopnitrideSDGsiliconnitrideNitrideDepositionContactholesSDGContactEtchIonImplantationresistoxDGScanningionbeamSMetalDepositionandEtchdrainSDGMetalcontactsPolysiliconDepositionpolysiliconSilanegasDopantgasOxidation(Gateoxide)gateoxideoxygenPhotoresistStripoxideRFPowerIonizedoxygengasOxideEtchphotoresistoxideRFPower

IonizedCF4gasPolysiliconMaskandEtchRFPoweroxideIonizedCCl4gaspolygateRFPower1.3集成電路制造概況-硅片制備40電子科大《集成電路工藝》第一章1.3集成電路制造概況-硅片制備廠41電子科大《集成電路工藝》第一章①第一次測試：在首次金屬刻蝕完進行。此次測試特定器件的特定電學參數(shù)；②第二次測試：在芯片制造的最后一步工藝后進行；③硅片通過測試揀選后要進行背部減薄。這使得劃片更容易，更利于散熱。1.3集成電路制造概況-硅片測試/揀選42電子科大《集成電路工藝》第一章三、后部封裝（在另外廠房）（1）背面減?。?）劃片、掰片（3）粘片（4）壓焊：金絲球焊（5）切筋（6）整形（7）封裝（8）沾錫：保證管腳的電學接觸（9）老化（10）成測（11）打字、包裝芯片切割與封裝1.3集成電路制造概況-裝配與封裝芯片封裝形式電子科大《集成電路工藝》第一章封裝后芯片功能的測試成都的封裝測試廠Intel（成都）IC封裝測試廠SMIC（成都）IC封裝測試廠宇芯（成都）IC封裝測試有限公司1.3集成電路制造概況-終測44電子科大《集成電路工藝》第一章1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向45電子科大《集成電路工藝》第一章1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向

提高芯片性能－IncreaseinChipPerformance關鍵尺寸(CriticalDimension，CD)或最小特征尺寸（FeatureSize）或特征線寬；每塊芯片的元件數(shù)(ComponentsperChip)

摩爾定律Moore’sLaw功耗(PowerConsumption)提高芯片可靠性－IncreaseinChipReliability降低芯片成本－ReductioninChipPriceIC技術發(fā)展的趨勢46電子科大《集成電路工藝》第一章ContactHoleLineWidthSpace關鍵尺寸(CD)：集成電路中半導體器件能夠加工的最小尺寸。它是衡量集成電路設計和制造水平的重要尺度，關鍵尺寸越小，芯片的集成度越高，速度越快，性能越好1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－提高性能在CMOS技術中，特征尺寸通常指多晶硅柵的線寬在雙極技術中，特征尺寸通常指接觸孔的尺寸47電子科大《集成電路工藝》第一章關鍵尺寸(CD)的發(fā)展1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－提高性能48電子科大《集成電路工藝》第一章1971年，Intel的第一個微處理器4004：10微米工藝，僅包含2300多只晶體管；2010年，Intel的最新微處理器Corei7：32納米工藝，包含近20億只晶體管。晶體管集成數(shù)量的發(fā)展1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－提高性能49電子科大《集成電路工藝》第一章?lián)蟮?，英特爾?011年底推出采用22nm工藝的MPU，包含近290億只晶體管；英特爾建設、裝備22nm工藝工廠的資本支出將增加到90億美元；英特爾將聯(lián)合三星、東芝等廠商進行10nm制造工藝研發(fā)，在2016年之前三大巨頭將會升級到10nm級別制造工藝。晶體管集成數(shù)量的發(fā)展22nm測試芯片-intel1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－提高性能50電子科大《集成電路工藝》第一章TheMoore’sLaw－摩爾定律Moore定律是在1965年由INTEL公司的GordonMoore提出的，其內容是：硅集成電路按照4年為一代，每代的芯片集成度要翻兩番、工藝線寬約縮小30%，IC工作速度提高1.5倍等發(fā)展規(guī)律發(fā)展。1975年修正為：芯片上所集成的晶體管的數(shù)目，每18個月就翻一番。1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－提高性能51電子科大《集成電路工藝》第一章降低功耗的好處108642097990103060912AveragePowerinmicroWatts(10-6W)Year1.降低電源設計的要求；2.降低噪聲；3.降低工作溫度（器件工作溫度每升高10度，壽命縮短一半）；4.待機時間長；…….1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－提高性能52電子科大《集成電路工藝》第一章1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－提高可靠性Year7276808488929600 7006005004003002001000Long-TermFailureRateGoalsinpartspermillion(PPM)芯片可靠性的提高提高設計、工藝制造技術，控制沾污等。53電子科大《集成電路工藝》第一章1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－降低成本半導體芯片價格的降低1930 1940 1950 1960 1970 1980 19902000Year104102110-210-410-610-810-10RelativevalueDevicesize=Price=BipolartransistorMSILSIVLSIULSIStandardtubeElectrontubesSemiconductordevicesIntegratedcircuitsMiniaturetubeFromS.SZE54電子科大《集成電路工藝》第一章按此比率下降，小汽車價格不到1美分FromS.M.SZE1.4半導體產業(yè)發(fā)展方向－降低成本55電子科大《集成電路工藝》第一章硅片尺寸（WaferSize）的發(fā)展2000年1992年1987年1981年1975年1965年50mm100mm125mm150mm200mm300mm450mm2吋