微電子制造工藝ch-1材料與工藝概論

2024/3/28微電子制造工藝ch-1材料與工藝概論課程目的本課程是為今后從事集成電路設(shè)計和集成電路制造的微電子學專業(yè)本科學生開設(shè)的專業(yè)選修課。在掌握微電子器件和集成電路工作原理和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上初步掌握與器件（電路）工作原理直接相關(guān)的半導體材料物理知識初步掌握集成電路芯片制造的基本工藝流程初步掌握集成電路芯片制造的基本工藝和設(shè)備特點及工藝質(zhì)量的測控初步掌握工藝流程的設(shè)計和分析方法。

IC工藝需要精密地定量控制（有相關(guān)工藝設(shè)計與仿真軟件），但是，本階段工藝課程學習以定性或半定量為主。制造工藝包含了各種專門技術(shù)，技術(shù)的選用應保證某一種器件的功能實現(xiàn)、保證其特殊的性能，還應保證產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)、高成品率（良率）、高可靠性和低成本！要掌握課程內(nèi)容，需要熟悉半導體器件原理和特性、相關(guān)材料的特性、各個環(huán)節(jié)的分析測試技術(shù)，需要在實踐中不斷積累；因而，也需要較多地閱讀參考資料，以逐步掌握并應用工藝原理及技術(shù)。本課程著重給出主要工藝環(huán)節(jié)的相關(guān)要點！課程特點課程學習要求鼓勵課堂提問和答問（爭取獲得獎勵分！）鼓勵相互小聲（不影響他人?。┯懻撜n堂內(nèi)容課程作業(yè)次周交，占課程總成績30%課程假設(shè)大家都已具備較好的大學物理、半導體物理和半導體器件（含集成電路）的知識，能夠理解測試技術(shù)中的基本物理原理，（建議大家復/預習相關(guān)知識）作業(yè)和考試不可避免地將涉及上述知識

材料器件工藝References：(Materials)

3.材料科學與技術(shù)叢書—半導體工藝，K.A.杰克遜等主編，（科學出版社，1999）ProcessingofSemiconductors,ByKennethA.JacksonandWolfgangSchr?ter,(Wiley-VCH,1996);Ch1,Ch24.半導體器件的材料物理學基礎(chǔ)，陳治明等，科技版，19995. 微電子技術(shù)工程—材料、工藝與測試，劉玉嶺等，（電子工業(yè)出版社， 2004）1.SiliconProcessing，ByStanleyWolfandRichardN.Tauber，(LatticePress，2000),Ch1,Ch22.SiliconVLSITechnology—Fundamentals,PracticeandModeling,ByLameD.Plummeretal,(PearsonEducation,2000)；Ch3References：(Processing)3.SiliconProcessing，ByStanleyWolfandRichardN.Tauber， （LatticePress，2000）4. ULSITechnology，ByG.Y.ChangandSimon.M.Sze， （MiGrawHill，1996）5. 半導體制造技術(shù)，MichaelQuirk,JulianSerda （科學出版社，1999）SemiconductorManufacturingTechnology,(PrenticeHall,2001)6. 微電子技術(shù)工程—材料、工藝與測試，劉玉嶺等，（電子工業(yè)出版社， 2004）1. TheScienceandEngineeringofMicroelectronicFabrication, ByStephenA.Campbell,(Oxford,2ndEdition,2001)2. SiliconVLSITechnology—Fundamentals,Practiceand Modeling,ByLameD.Plummeretal,(Pearson Education,, 2000)集成電路芯片？集成電路芯片？PassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+ILD-6LImetalViap+p+n+n+n+2314567891011121314集成電路芯片？溝道長度集成電路芯片？本課程只涉及芯片制造工藝!主要教學內(nèi)容：第一篇(Overview&Materials)第一章：半導體工業(yè)及芯片工藝發(fā)展概述第二章：半導體材料的基本性質(zhì)第三章：Si單晶的生長與加工第四章：幾種化合物半導體的材料生長與加工小結(jié): 材料

器件

工藝

第二篇(UnitProcess)第一章：IC制造中的超凈和硅片清潔技術(shù)第一單元：熱處理和局域摻雜技術(shù)第二章：擴散摻雜技術(shù)(Ch3)第三章：熱氧化技術(shù)(Ch4)第四章：離子注入技術(shù)(Ch5)第五章：快速熱處理技術(shù)(Ch6)第二單元：圖形加工技術(shù)第六章：圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)（光刻技術(shù)）(Ch7~9)第七章：圖形刻蝕技術(shù)(Ch10~)

第三單元：薄膜技術(shù)第八章：薄膜物理淀積技術(shù)(Ch12)第九章：薄膜化學汽相淀積（CVD）技術(shù)(Ch13)第十章：晶體外延生長技術(shù)(Ch14)第四單元：集成技術(shù)簡介第十一章：基本技術(shù)(Ch15)第十二章：幾種IC工藝流程(Ch16)第十三章：質(zhì)量控制簡介第一章半導體工業(yè)及芯片工藝概述半導體器件和集成電路種類集成電路中的元、器件結(jié)構(gòu)特征尺寸及其制約特征尺寸的因素摩爾定理芯片制造的基本流程良率工藝兼容性、可制造性與成本其它第一章半導體工業(yè)及芯片工藝概述半導體器件和集成電路種類1、集成電路的基本單元（有源元件）

二極管：按結(jié)構(gòu)和工藝：

金/半接觸二極管：肖特基二極管、（點接觸二極管）

面結(jié)型二極管：合金結(jié)二極管、擴散結(jié)二極管、生長結(jié)二極管、異質(zhì)結(jié)二極管、等按功能和機理：

振蕩、放大類：耿氏二極管、雪崩二極管、變?nèi)荻O管、等

信號控制類：混頻二極管、開關(guān)二極管、隧道開關(guān)二極管、 檢波二極管、穩(wěn)壓二極管、階躍二極管、等

發(fā)光類：發(fā)光二極管(LED)（半導體激光器）、

傳感器：各類光電二極管（探測器、光伏器件）、各類力、熱、磁傳感器、等晶體管：（放大、開關(guān)、高頻、…？）雙極型晶體管：（NPN、PNP） 合金管、合金擴散管、臺面管、外延臺面管、 平面管、外延平面管等場效應晶體管：（P溝、N溝；增強型、耗盡型）

MOS場效應晶體管（MOSFET）、 結(jié)型場效應晶體管（JFET）、 肖特基勢壘場效應晶體管（SBFET）2、集成電路的分類：按功能： 數(shù)字集成電路、模擬集成電路、數(shù)?；旌霞呻娐贰?射頻/微波集成電路、功率集成電路、SoC、其它；按工藝（結(jié)構(gòu)與功能）： 半導體集成電路（雙極型、MOS型、BiCMOS）、 薄/厚膜集成電路、混合電路；按有源器件： 雙極型、MOS型、BiCMOS、光電集成電路、 CCD集成電路、傳感器/換能器集成電路按集成規(guī)模： 小規(guī)模（SSI）、中規(guī)模（MSI）、 大規(guī)模（LSI）、超大規(guī)模（VLSI）、 甚大規(guī)模（ULSI）、巨大規(guī)模（GLSI）集成電路中的元、器件結(jié)構(gòu)幾種二極管的基本結(jié)構(gòu)（a、n極）合金平面生長（異質(zhì)）臺面Schottky幾種晶體管的基本結(jié)構(gòu)（e、b、c極或s、d、g極）合金生長（異質(zhì)）平面1平面2MOS第一章

半導體工業(yè)及芯片工藝概述Si雙極npn晶體管芯片結(jié)構(gòu)EBCn+pnn+1~10m300~500m介質(zhì)膜Al電極SiO2膜外延層埋層襯底隔離、基區(qū)、發(fā)射區(qū)、鎢塞、集電區(qū)簡單的BipolarIC結(jié)構(gòu)電容：MOSPNJunction電阻：特點：利用晶體管的部分結(jié)構(gòu)！元器件的平面結(jié)構(gòu)VinVoutVDDGroundDRAM1、襯底制備，2、外延生長，3、一次氧化，4、一次光刻，5、基區(qū)擴散，6、二次氧化，7、二次光刻，8、發(fā)射區(qū)擴散，9、三次氧化，10、三次光刻，11、金屬鍍膜，12、反刻金屬膜13、背面鍍膜，14、合金化EBCn+pnn+第一章

半導體工業(yè)及芯片工藝概述芯片制造的基本流程(以Si雙極性晶體管為例)一次光刻（基區(qū)）、二次光刻（發(fā)射區(qū)）、三次光刻（引線孔）、四次光刻（反刻引線） （負性光刻膠）一次氧化、一次光刻（基區(qū)光刻）、硼擴散（基區(qū)擴散）、基區(qū)再分布（二次氧化）二次光刻（發(fā)射區(qū)光刻）、磷擴散（發(fā)射區(qū)擴散+三次氧化）、三次光刻（引線孔光刻）、金屬鍍膜、反刻引線。氧化臺階、套刻3）IC的基本制造環(huán)節(jié)晶片加工外延生長介質(zhì)膜生長圖形加工局域摻雜金屬合金封裝、測試設(shè)計公司（FabLess）材料廠（代工場）FoundryFAB封裝廠

器件（電路）設(shè)計測試與驗證版圖設(shè)計與制造芯片制造測試

封裝

測試器件生產(chǎn)基本過程有分問題：將大量的、各種類型的器件集成在同一芯片上，會遇見什么基本的制造工藝問題？1）？2）？

3）？

…;大體上：對器件了解的要點任何一款器件，都有其特定的縱向和橫向結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)其功能和性能，形成器件結(jié)構(gòu)的是具有特定性能的材料特定性能的材料形成通常需要持續(xù)的高溫熱處理材料種類（如Si、SiO2)和尺度材料性能（如：導電類型、電阻率、載流子濃度、遷移率、少子壽命等，以及導致它們變化的雜質(zhì)及濃度/分布/電荷態(tài)變化、缺陷、晶格畸變）界面缺陷和界面態(tài)材料的性能（在高溫下）可以發(fā)生變化，因而可以導致器件的性能，甚至功能變化第一章半導體工業(yè)及芯片工藝概述工藝兼容性、可制造性與成本！工藝并非獨立的！（局部的加工過程對整體的影響）工藝并非理想的?。ú牧系谋?界面、雜質(zhì)/缺陷）工藝的一般“安排”：先底層后頂層、先高溫后低溫、先穩(wěn)定后易變有分問題：（習題）界面和缺陷狀態(tài)的不理想，如何影響器件的功能或性能？

材料器件工藝第一章半導體工業(yè)及芯片工藝概述特征尺寸及其制約特征尺寸的因素特征尺寸:單元器件結(jié)構(gòu)中的最小尺寸；一般特指MOSFET的溝道長度，如0.5m、0.13m、90nm、45nm、25nm等主要制約因素： 量子效應 圖形加工技術(shù)（光刻） 柵介質(zhì)材料 凈化技術(shù)解決方案：超高頻、新型光刻技術(shù)、高k介質(zhì)工藝的其它特征描述： 晶圓直徑（8英寸、12英寸等） 器件類型（Bipolar、CMOS、BiCMOS等) 器件特征（鋁柵/硅柵、GeSi技術(shù)、耐壓等） 技術(shù)水平（光刻次數(shù)、誤差容限、芯片尺寸等）第一章半導體工業(yè)及芯片工藝概述摩爾定理：由Intel創(chuàng)始人之一的Moore提出的，被人認為可以獲得諾貝爾經(jīng)濟學獎的定理一塊芯片上的晶體管數(shù)目大約每隔12個月翻一番（1964年）（1975年修訂為18個月）

實現(xiàn)途徑：晶體管尺寸減小；芯片尺寸增大；第一章半導體工業(yè)及芯片工藝概述摩爾定理的幾種形式：圖1.7圖1.9Moore’sLowWorldSemiconductorTradeSystemFrom:第一章半導體工業(yè)及芯片工藝概述良率：即，合格率良率的測量：影響良率的因數(shù)：晶圓破碎和彎曲制成變異（工藝誤差）制成缺陷（雜質(zhì)污染）光刻缺陷器件參數(shù)連線、密封、工藝缺陷第一章半導體工業(yè)及芯片工藝概述良率的累積：工藝步驟與整體良品率?。?！Y=yiyi=各種模型

微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢1）集成電路：超大（單元數(shù)、芯片面積）——超微（關(guān)鍵尺寸）多功能、高性能（快速、低功耗、抗干擾）、SoC（SystemonChip）低成本高可靠性2）工藝技術(shù)：大直徑材料（8”、12”、15”、。。。）光刻極限(0.35→0.13、90nm→40nm、25nm→?）新結(jié)構(gòu)器件（應變硅、納電子技術(shù)、高k介質(zhì)。。。）超純環(huán)境和材料（半導體材料、介質(zhì)材料、試劑）、新測試和封裝技術(shù) 單項技術(shù)（壓印光刻技術(shù)等）