硅集成电路制造工艺第0章绪论.pptx

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1、1234绪论绪论n引言引言n集成电路制造集成电路制造工艺发展状况工艺发展状况n集成电路集成电路工艺特点与用途工艺特点与用途n本课程内容本课程内容5n早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。n 1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业电子业的诞生电子业的诞生。1 1 引言引言6基本器件的两个发展阶段基本器件的两个发展阶段n分立元件阶段（19051959）n真空电子管、半导体晶体管n集成电路阶段（1959）nSSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成

2、电路，从而使电子产集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化化的方向发展。的方向发展。7什么是什么是集成电路制造集成电路制造工艺工艺n集成电路集成电路工艺，工艺，是指用半导体材料制作是指用半导体材料制作集集成电路成电路产品的产品的方法方法、原理原理、技术技术。n不同产品的制作工艺不同，但可将制作工不同产品的制作工艺不同，但可将制作工艺分解为多个基本相同的小单元（工序）艺分解为多个基本相同的小单元（工序）单项工艺。单项工艺。n不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的序

3、排列组合来实现的工艺集成工艺集成。8微电子工业生产过程图微电子工业生产过程图前工序：微电子产前工序：微电子产品制造的特有工艺品制造的特有工艺 后工序后工序9npn-Si双极型晶体管芯片工艺流程双极型晶体管芯片工艺流程-硅外延平面工艺举例硅外延平面工艺举例举例举例n+npn+ebc102 集成电路制造集成电路制造工艺发展历程工艺发展历程n诞生诞生:19471947年年1212月在美国的贝尔实验室，发明了月在美国的贝尔实验室，发明了半导体点接触式晶体管，采用的关键工艺技术半导体点接触式晶体管，采用的关键工艺技术是合金法制作是合金法制作pnpn结。结。合金法合金法pn结示意图结示意图加热、加热、降温

4、降温pn结结InGeN-Ge11合金结晶体管合金结晶体管12W.ShockleyJ.BardeenW.Brattain1stpointcontacttransistorin1947-byBellLab1956年诺贝尔物理奖点接触晶体管：基片是N型锗，发射极和集电极是两根金属丝。这两根金属丝尖端很细，靠得很近地压在基片上。金属丝间的距离：50m13不足之处不足之处:可靠性低、噪声大、放大率低等缺点可靠性低、噪声大、放大率低等缺点14n19581958年在美国的德州仪器公司和仙年在美国的德州仪器公司和仙童公司各自研制出了集成电路，采童公司各自研制出了集成电路，采用的工艺方法是用的工艺方法是硅平面工

5、艺硅平面工艺。诞生诞生15平面工艺发明人：平面工艺发明人：JeanHoerniFairchild1958-1960:氧化氧化pn结隔离结隔离Al的蒸发的蒸发16扩散扩散光刻光刻氧化氧化掩蔽掩蔽17平面工艺基本光刻步骤平面工艺基本光刻步骤光刻胶光刻胶掩膜版掩膜版18应用平面工艺可以实现多个器件的集成应用平面工艺可以实现多个器件的集成19JackKilbysFirstIntegratedCircuitPhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.1959年2月，德克萨斯仪器公司（TI）工程师J.kilby申请第一个集成电路发明专利；利用台式法完成了用硅来实现晶体管、二极管

6、、电阻和电容，并将其集成在一起的创举。台式法-所有元件内部和外部都是靠细细的金属导线焊接相连。20(FairchildSemi.)SiIC21仙童（Fairchild）半导体公司n1959年7月，诺依斯提出：可以用蒸发沉积金属的方法代替热焊接导线，这是解决元件相互连接的最好途径。n1966年，基尔比和诺依斯同时被富兰克林学会授予巴兰丁奖章，基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”而诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。n1969年，法院最后的判决下达，也从法律上实际承认了集成电路是一项同时的发明。22J.KilbyTI2000诺贝尔物理奖R.NoyceFairchild半导体半

7、导体Ge，Au线线半导体半导体Si，Al线线23n6060年代的出现了外延技术，如：年代的出现了外延技术，如：n-Si/nn-Si/n+-Si-Si，n-Si/p-Sin-Si/p-Si。一般双极电路或晶体管制作在外。一般双极电路或晶体管制作在外延层上。延层上。n7070年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。ICIC的集成度提高得以实现。的集成度提高得以实现。n新工艺，新技术，不断出现。（等离子技术新工艺，新技术，不断出现。（等离子技术的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）的应用，电子束光刻，分子束外延，等等）发展发展24张忠谋：台湾半导体教父n全球第一个集成

8、电路标准加工厂（Foundry）是1987年成立的台湾积体电路公司，它的创始人张忠谋也被誉为“晶体芯片加工之父”。张忠谋张忠谋 25戈登-摩尔提出摩尔定律英特尔公司的联合创始人之一-戈登-摩尔早在1965年，摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。“摩尔定律”：集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每18个月翻一番的速度稳定增长。26简短回顾：一项基于科学的伟大发明简短回顾：一项基于科学的伟大发明Bardeen,Brattain,Shockley,FirstGe-basedbipolartransistorinvented1947,BellLabs.NobelprizeKilby(TI)&Noyce

9、(Fairchild),Inventionofintegratedcircuits1959,NobelprizeAtalla,FirstSi-basedMOSFETinvented1960,BellLabs.Planartechnology,JeanHoerni,1960,FairchildFirstCMOScircuitinvented1963,Fairchild“Mooreslaw”coined1965,FairchildDennard,scalingrulepresented1974,IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994,USA27SSI(小型

10、集成电路小型集成电路)，晶体管数，晶体管数10100，门数，门数10MSI(中型集成电路中型集成电路)，晶体管数，晶体管数1001,000，10门数门数100VLSI(超大规模集成电路超大规模集成电路)，晶体管数，晶体管数100,0001,000,000ULSI(特大规模集成电路特大规模集成电路)，晶体管数，晶体管数1,000,000GSI(极大规模集成电路极大规模集成电路)，晶体管数，晶体管数109，GrandScaleIntegrationSoCsystem-on-a-chip/SIPsysteminpackagingVLSI28摩尔定律（摩尔定律（MooresLaw)硅集成电路二年（或二

11、到三年）为一代，集成度翻一番，工艺硅集成电路二年（或二到三年）为一代，集成度翻一番，工艺线宽约缩小线宽约缩小30%，芯片面积约增，芯片面积约增1.5倍，倍，IC工作速度提高工作速度提高1.5倍倍技术节点技术节点特征尺寸特征尺寸DRAM半导体电子：全球最大的工业半导体电子：全球最大的工业29Explosive Growth of Computing PowerPentium IV1st transistor19471st electronic computer ENIAC(1946)Vacuum Tuber1st computer(1832)MacroelectronicsMicroelectr

12、onicsNanoelectronics302003Itanium2197140042001PentiumIV19893862300134000410M42M19914861.2Mtransistor/chip10m1m0.1mtransistorsizeHumanhairRedbloodcellBacteriaVirus31由欧洲电子器件制造协会（EECA）、欧洲半导体工业协会（ESIA）、日本电子和信息技术工业协会（JEITA）、韩国半导体工业协会（KSIA）、台湾半导体工业协会（TSIA）和半导体工业协会（SIA）合作完成。器件尺寸下降，芯片尺寸增加互连层数增加掩膜版数量增加工作电压下降

13、32器件几何尺寸：器件几何尺寸：Lg，Wg，tox，xj1/k衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度Nk电压电压Vdd1/k器件速度器件速度k芯片密度芯片密度k2器件的等比例缩小原则器件的等比例缩小原则Constant-fieldScaling-downPrinciplek1.433NEC34n电子产品发展趋势：更小，更快，更冷电子产品发展趋势：更小，更快，更冷n现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。当前，光刻工艺线宽已达当前，光刻工艺线宽已达0.0450.045微米。由于量子微米。由于量子尺寸效应，集成电路线宽的物理极限约为尺寸效应，集成电路线宽的物理极限约为

14、0.0350.035微米，即微米，即3535纳米。纳米。n另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一步小型化的重要因素。步小型化的重要因素。n微电子业的发展面临转折。上世纪九十年代纳微电子业的发展面临转折。上世纪九十年代纳电子技术出现，并越来越受到关注。电子技术出现，并越来越受到关注。未来未来35n近10年来，“轻晶圆厂”（fab-light）或“无晶圆厂”（fabless）模式的兴起，而没有芯片设计公司反过来成为IDM（IntegratedDeviceManufacturer）。n5年前英特尔做45纳米时，台积电还停留在90纳米，中间隔了一个65纳米。但

15、到45纳米，台积电开始“抢先半步”。即遵循“摩尔定律”的英特尔的路线是45、32、22纳米，台积电的路线则是40、28、20纳米。363 3 集成电路集成电路工艺特点及用途工艺特点及用途n超净超净 环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，ULSIULSI在在100级超净室制作，超净台达级超净室制作，超净台达10级。级。n超纯超纯 指所用材料方面，如衬底材料、指所用材料方面，如衬底材料、功能性电子功能性电子材料、水、材料、水、气等；气等；Si、Ge单晶纯度达单晶纯度达11个个9。n高技术含量高技术含量 设备先进，技术先进。设备先进，技术先进。n高精度高

16、精度 光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。n大批量，低成本大批量，低成本 图形转移技术使之得以实现。图形转移技术使之得以实现。37超净环境3839n21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向n特征尺寸继续等比例缩小n集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)-SoC是一个通过IP设计复用达到高生产率的软/硬件协同设计过程n微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等-其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与

17、信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理处理功能。微电子技术的三个发展方向40工艺课程学习主要应用工艺课程学习主要应用n制作微电子器件和集成电路制作微电子器件和集成电路n微机电系统微机电系统(microelectromechanicolSystemMEMS)的所依托的微加工技术的所依托的微加工技术n纳米技术，如纳米技术，如光刻光刻图形复制转移工艺，图形复制转移工艺，MBE等等414 本课程内容本课程内容n重点介绍重点介绍单项工艺单项工艺和其依托的科学原理。和其依托的科学原理。n简单介绍典型产品的简单介绍典型产品的工艺流程工艺流程，芯片的封，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技

18、装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。术的发展趋势。42讲课内容：讲课内容：n知识领域知识领域1：集成电路单项工艺（：集成电路单项工艺（A）n知识单元A1：半导体制造工艺发展、衬底制备、热氧化、扩散、离子注入、薄膜工艺（26学时）n知识单元A2：图形转换工艺光刻与刻蚀（10学时）n知识领域知识领域2：集成电路集成工艺（：集成电路集成工艺（B）n知识单元B1：工艺集成（6学时）n知识单元B2：封装、测试（4学时）43教材与参考书教材与参考书n关旭东关旭东硅集成电路工艺基础北京大硅集成电路工艺基础北京大学出版学出版2003n王蔚王蔚微电子制造技术微电子制造技术-原理与工艺原理与工艺科学

19、出版社科学出版社2010n清华大学集成电路工艺多媒体教学清华大学集成电路工艺多媒体教学课件课件2001nStephenA.C.微电子制造科学原理与工微电子制造科学原理与工程技术电子工业出版社，程技术电子工业出版社，200344考试与课程评定n期末考试采取笔试方式，考试成绩占总成绩期末考试采取笔试方式，考试成绩占总成绩的的70%；n平时成绩占平时成绩占30%，出勤出勤10%，小测验，小测验10%，作业，作业10%。45本节课主要内容本节课主要内容CMOS工艺：工艺：光刻、氧化、扩散、刻蚀等光刻、氧化、扩散、刻蚀等硅技术的历史沿革和未硅技术的历史沿革和未来发展趋势：来发展趋势：晶体管的诞生晶体管的

20、诞生集成电路的发明集成电路的发明平面工艺的发明平面工艺的发明CMOS技术的发明技术的发明摩尔定律（摩尔定律（Mooreslaw）VLSI、SoC、SIPConstant-field等比例缩小原则等比例缩小原则ITRS：技术代：技术代/节点节点46n9、静夜四无邻，荒居旧业贫。5月-235月-23Saturday,May13,2023n10、雨中黄叶树，灯下白头人。19:16:2319:16:2319:165/13/20237:16:23PMn11、以我独沈久，愧君相见频。5月-2319:16:2319:16May-2313-May-23n12、故人江海别，几度隔山川。19:16:2319:16

21、:2319:16Saturday,May13,2023n13、乍见翻疑梦，相悲各问年。5月-235月-2319:16:2319:16:23May13,2023n14、他乡生白发，旧国见青山。13五月20237:16:23下午19:16:235月-23n15、比不了得就不比，得不到的就不要。五月237:16下午5月-2319:16May13,2023n16、行动出成果，工作出财富。2023/5/1319:16:2319:16:2313May2023n17、做前，能够环视四周；做时，你只能或者最好沿着以脚为起点的射线向前。7:16:23下午7:16下午19:16:235月-23n9、没有失败，只有

22、暂时停止成功！。5月-235月-23Saturday,May13,2023n10、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。19:16:2319:16:2319:165/13/20237:16:23PMn11、成功就是日复一日那一点点小小努力的积累。5月-2319:16:2319:16May-2313-May-23n12、世间成事，不求其绝对圆满，留一份不足，可得无限完美。19:16:2319:16:2319:16Saturday,May13,2023n13、不知香积寺，数里入云峰。5月-235月-2319:16:2319:16:23May13,2023n14、意志坚强的人能把世界

23、放在手中像泥块一样任意揉捏。13五月20237:16:23下午19:16:235月-23n15、楚塞三湘接，荆门九派通。五月237:16下午5月-2319:16May13,2023n16、少年十五二十时，步行夺得胡马骑。2023/5/1319:16:2319:16:2313May2023n17、空山新雨后，天气晚来秋。7:16:23下午7:16下午19:16:235月-23n9、杨柳散和风，青山澹吾虑。5月-235月-23Saturday,May13,2023n10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。19:16:2319:16:2319:165/13/20237:16:23PMn11、越是

24、没有本领的就越加自命不凡。5月-2319:16:2319:16May-2313-May-23n12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。19:16:2319:16:2319:16Saturday,May13,2023n13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。5月-235月-2319:16:2319:16:23May13,2023n14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。13五月20237:16:23下午19:16:235月-23n15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。五月237:16下午5月-2319:16May13,2023n16、业余生活要有意义，不要越轨。2023/5/1319:16:2319:16:2313May2023n17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。7:16:23下午7:16下午19:16:235月-23MOMODA POWERPOINTLoremipsumdolorsitamet,consecteturadipiscingelit.Fusceidurnablandit,eleifendnullaac,fringillapurus.Nullaiaculistemporfelisutcursus.感感 谢谢 您您 的的 下下 载载 观观 看看专家告诉