ch-1材料与工艺概论

SemiconductorMaterials&BasicPrincipleofICPlanarProcessing半导体材料和集成电路平面工艺基础•References：(Materials)3.材料科学与技术丛书—半导体工艺，K.A.杰克逊等主编，（科学出版社，1999）ProcessingofSemiconductors,ByKennethA.JacksonandWolfgangSchröter,(Wiley-VCH,1996);Ch1,Ch24.半导体器件的材料物理学基础，陈治明等，科技版，19995.微电子技术工程—材料、工艺与测试，刘玉岭等，（电子工业出版社，2004）1.SiliconProcessing，ByStanleyWolfandRichardN.Tauber，（LatticePress，2000）;Ch1,Ch22.SiliconVLSITechnology—Fundamentals,PracticeandModeling,ByLameD.Plummeretal,(PearsonEducation,,2000);Ch3•References：(Processing)3.SiliconProcessing，ByStanleyWolfandRichardN.Tauber，（LatticePress，2000）4.ULSITechnology，ByG.Y.ChangandSimon.M.Sze，（MiGrawHill，1996）5.半导体制造技术，MichaelQuirk,JulianSerda（科学出版社，1999）SemiconductorManufacturingTechnology,(PrenticeHall,2001)6.微电子技术工程—材料、工艺与测试，刘玉岭等，（电子工业出版社，2004）1.TheScienceandEngineeringofMicroelectronicFabrication,ByStephenA.Campbell,(Oxford,2ndEdition,2001)2.SiliconVLSITechnology—Fundamentals,PracticeandModeling,ByLameD.Plummeretal,(PearsonEducation,,2000)•主要教学内容：•第一篇(Overview&Materials)•第一章：IC平面工艺及发展概述•第二章：半导体材料的基本性质•第三章：Si单晶的生长与加工•第四章：几种化合物半导体的材料生长与加工•小结:材料器件工艺•第二篇(UnitProcess)•第一章：IC制造中的超净和硅片清洁技术–第一单元：热处理和局域掺杂技术•第二章：扩散掺杂技术(Ch3)•第三章：热氧化技术(Ch4)•第四章：离子注入技术(Ch5)•第五章：快速热处理技术(Ch6)–第二单元：图形加工技术•第六章：图形转移技术（光刻技术）(Ch7~9)•第七章：图形刻蚀技术(Ch10~)–第三单元：薄膜技术•第八章：薄膜物理淀积技术(Ch12)•第九章：薄膜化学汽相淀积（CVD）技术(Ch13)•第十章：晶体外延生长技术(Ch14)–第四单元：集成技术简介•第十一章：基本技术(Ch15)•第十二章：几种IC工艺流程(Ch16)•第十三章：质量控制简介第一章：IC平面工艺及发展概述集成电路芯片？集成电路芯片？PassivationlayerBondingpadmetalp+SiliconsubstrateLIoxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3M-4Polygatep-Epitaxiallayerp+ILD-6LImetalViap+p+n+n+n+2314567891011121314集成电路芯片？集成电路芯片？•第一章：IC平面工艺及发展概述–1、集成电路的基本单元（有源元件）二极管：•按结构和工艺：金/半接触二极管：肖特基二极管、（点接触二极管）面结型二极管：合金结二极管、扩散结二极管、生长结二极管、异质结二极管、等•按功能和机理：振荡、放大类：耿氏二极管、雪崩二极管、变容二极管、等信号控制类：混频二极管、开关二极管、隧道开关二极管、检波二极管、稳压二极管、阶跃二极管、等光电类：发光二极管(LED)（半导体激光器）、光电二极管（探测器）晶体管：•双极型晶体管：（NPN、PNP）合金管、合金扩散管、台面管、外延台面管、平面管、外延平面管等•场效应晶体管：（P沟、N沟；增强型、耗尽型）MOS场效应晶体管（MOSFET）、结型场效应晶体管（JFET）、肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）2、集成电路的分类：–按功能：数字集成电路、模拟集成电路、微波集成电路、射频集成电路、其它；–按工艺：半导体集成电路（双极型、MOS型、BiCMOS）、薄/厚膜集成电路、混合集成电路–按有源器件：双极型、MOS型、BiCMOS、光电集成电路、CCD集成电路、传感器/换能器集成电路–按集成规模：小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、甚大规模（ULSI）、巨大规模（GLSI）3、基本工艺流程举例•几种二极管的基本结构合金平面生长（异质）台面Schottky•几种晶体管的基本结构合金生长（异质）平面1平面2MOS1~10m300~500m介质膜Al电极SiO2膜外延层埋层衬底隔离、基区、发射区、钨塞、集电区1）、简单的BipolarIC结构2）、Si双极npn晶体管芯片的工艺流程1、衬底制备，2、外延生长，3、一次氧化，4、一次光刻，5、基区扩散，6、二次氧化，7、二次光刻，8、发射区扩散，9、三次氧化，10、三次光刻，11、金属镀膜，12、反刻金属膜13、背面镀膜，14、合金化EBCn+pnn+一次光刻（基区）、二次光刻（发射区）、三次光刻（引线孔）、四次光刻（反刻引线）（负性光刻胶）一次氧化、一次光刻（基区光刻）、硼扩散（基区扩散）、基区再分布（二次氧化）二次光刻（发射区光刻）、磷扩散（发射区扩散+三次氧化）、三次光刻（引线孔光刻）、金属镀膜、反刻引线。氧化台阶、套刻电容：MOSPNJunction电阻：元器件的平面结构VinVoutVDDGroundDRAM–3）IC的基本制造环节•晶片加工•外延生长•介质膜生长•图形加工•局域掺杂•金属合金•封装、测试材料厂Foundry封装厂–4、发展(历史和现状)•出现，IC、LSI、VLSI和ULSI，规律，特征尺寸，工业化方式和SoC趋势•MEMS、OEIC、MOMES•“生物芯片”KilbyTexasInstrum.(TI)1959Feb.GemesatransistorsPatentNo.3138743出现•NoyceFairchild1959JulySiplanarIC2981877沟道长度0.13m特征尺寸~15inch~2cm2ChipWafer=300mmMEMCElectronicMaterials,•38•摩尔定理：由Intel创始人之一的Moore提出的，被人认为可以获得诺贝尔经济学奖的定理•一块芯片上的晶体管数目大约每隔12个月翻一番（1964年）（1975年修订为18个月）实现途径：晶体管尺寸减小；芯片尺寸增大；Moore’sLowMoore’sLowWorldSemiconductorTradeSystemFrom:器件（电路）设计测试与验证版图设计与制造芯片制造测试封装测试器件生产基本过程SoC——SystemonChip芯片系统集成MEMS——Micro-ElectronicMechanicSystem微电子机械系统OEIC——OptoelectronicIntegratedCircuit光电子集成系统MOMES•1）、微电子机械系统（MEMS）–微电子技术与精密机械技术相结合，将微型传感器（力、热、光、电、磁、声）、微型执行器（如：机械）、信号处理与控制电路、接口电路、通信系统以及电源集成一体。–目前主要用硅材料和介质膜通过光刻技术实现厚：20~30m直径：4mm转速：200rpm物理要点：振动的质量块电容极板在非惯性系统中受到科氏力的作用，质量块移动而引起电容的变化。LabonChip•2）、光电子集成芯片–以微电子加工技术为基础，将激光器、光调制器、光开关等等光子器件通过光波导的互连而优化集成在一个芯片上，实现各种系统功能。–硅基材料、光学晶体、光学薄膜激光多普勒速度仪（LiNbO3）•3）、DNA芯片*–基本思想是通过施加电场等措施，使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性。•制作高密度的特定的探针阵列性芯片——进行基因识别和分析–“生物成分分析芯片”——LoS（LabonSystem）5、微电子技术的发展趋势1）集成电路：超大（单元数、芯片面积）——超微（关键尺寸）多功能、高性能（快速、低功耗、抗干扰）、SoC（SystemonChip）低成本高可靠性2）工艺技术：大直径材料（8”、12”、15”、。。。）光刻极限(0.35→0.13、90nm→40nm、25nm→?）新结构器件（应变硅、纳电子技术、高k介质。。。）超纯环境和材料（半导体材料、介质材料、试剂）、新测试和封装技术单项技术（压印光刻技术等3）新领域：MEMS：多样化、小型化、与控制电路集成纳电子：量子线/点微结构、集成化、工作温度新材料电子器件：有机分子电路、自旋器件光子晶体：短波长、局域生长、三维材料、参数可控硅光子学：（硅光电集成系统）特征尺寸减小、芯片和晶圆尺寸增大、缺陷密度减小、内部连线水平提高、芯片成本降低学习该课程应注意认识到工艺中：1、基础知识应用上的综合性2、技术面上的综合性3、与器件（电路）的紧密相关性4、与可靠性、性价比的关系始终要问的问题：机理是什么？如何测量？与同类工艺的的比较？与前后工艺是否兼容？是否影响器件的可靠性？综合成本如何？