半导体工艺1

1第1章课程介绍及半导体工艺简介集成电路设计与制造2课程简介课程简介„„集成电路工艺是电路发展的基础，是学生进集成电路工艺是电路发展的基础，是学生进一步学习器件、电路设计课程的重要基础。一步学习器件、电路设计课程的重要基础。„„工艺课的目的是为了了解工艺技术，同时，工艺课的目的是为了了解工艺技术，同时，也能够深入到其物理基础。也能够深入到其物理基础。„„王阳元先生认为：结合工艺技术发展的主要王阳元先生认为：结合工艺技术发展的主要分支，侧重讲解其物理基础，即分支，侧重讲解其物理基础，即““物物””讲讲““理理””，，从而有助于提高同学掌握现有集成电路工艺从而有助于提高同学掌握现有集成电路工艺技术及发展新的工艺技术的自觉性。技术及发展新的工艺技术的自觉性。„„先修课程：半导体物理，普通物理，集成电先修课程：半导体物理，普通物理，集成电路设计路设计3课程安排课程安排3232学时学时„„主要内容主要内容„„教材：教材：MichaelQuirk&JulianMichaelQuirk&JulianSerdaSerda©©October2001byPrenticeHallOctober2001byPrenticeHall，，„„中文版：电子工业出版社中文版：电子工业出版社20042004„„《《半导体制造技术半导体制造技术》》韩郑生韩郑生等译等译„„参考资料参考资料„„《《集成电路工艺集成电路工艺》》（（19881988）王阳元等编，）王阳元等编，„„《《微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术》》Stephen.CampbellStephen.Campbell，，中英文版：电子工业出版社中英文版：电子工业出版社20032003„„《《硅超大规模集成电路工艺技术，理论实践与模型硅超大规模集成电路工艺技术，理论实践与模型》》PlummerPlummer等，中英文版：电子工业出版社等，中英文版：电子工业出版社200320034上课安排上课安排„„每周每周学时学时22„„星期一星期一下午下午第第33大节大节„„相关课程：相关课程：““微电子工艺实验微电子工艺实验””，，““ICIC原原理理””，，““微电子器件微电子器件””5主要内容主要内容„„教材中的要讲解的主要内容教材中的要讲解的主要内容„„Ch1Ch1半导体产业介绍半导体产业介绍„„Ch4Ch4硅材料和硅片制备硅材料和硅片制备„„Ch9Ch9集成电路制造工艺流程简介集成电路制造工艺流程简介„„Ch10Ch10氧化氧化„„Ch11Ch11淀积淀积„„Ch12Ch12金属化金属化„„Ch13Ch13光刻：气相成底膜到软烘光刻：气相成底膜到软烘6„„Ch14Ch14光刻：对准和曝光光刻：对准和曝光„„Ch15Ch15光刻：光刻胶显影和先进的光刻技术光刻：光刻胶显影和先进的光刻技术„„Ch16Ch16刻蚀刻蚀„„Ch17Ch17离子注入（含扩散）离子注入（含扩散）„„Ch18Ch18化学机械平坦化化学机械平坦化„„Ch20Ch20装配与封装装配与封装（选讲）（选讲）„„其它资料自学其它资料自学7半导体制造技术半导体制造技术„„Ch1Ch1半导体产业介绍半导体产业介绍„„背景：背景：机械技术的产品向电子技术变化机械技术的产品向电子技术变化的技术革命。的技术革命。„„半导体产业是这场技术革命的中心。半导体产业是这场技术革命的中心。8本章目标本章目标1.1.描述现在的经济状态和半导体产业的技术根基描述现在的经济状态和半导体产业的技术根基..2.2.解释什么是集成电路解释什么是集成电路(IC)(IC)并列出并列出55个电路集成时代个电路集成时代..3.3.描述硅片，包括它是如何分层的，并描述硅片制造的描述硅片，包括它是如何分层的，并描述硅片制造的55个阶段的基本方面个阶段的基本方面..4.4.说明并讨论伴随硅片制造发展的三个主要趋势说明并讨论伴随硅片制造发展的三个主要趋势..5.5.解释什么是特征尺寸解释什么是特征尺寸CDCD及摩尔定律如何预测未来硅及摩尔定律如何预测未来硅片制造进展片制造进展..6.6.描述自晶体管发明到现在硅片制造的不同电子时代。描述自晶体管发明到现在硅片制造的不同电子时代。7.7.讨论半导体中的不同职业。讨论半导体中的不同职业。910„„1.11.1硅芯片为制造的基本单元硅芯片为制造的基本单元„„集成电路构成了硬件与软件共同构成了高集成电路构成了硬件与软件共同构成了高技术产业的基础和核心技术产业的基础和核心11产品应用基础设施客户：•计算机•汽车•航天•医疗•其它工业客户服务原创设备制造商印刷电路板业工业标准(SIA,SEMI,NIST,etc.)生产工具设施材料和化学品计量工具分析实验室技术人员院校芯片制造121.21.2产业的发展产业的发展„„1.2.11.2.1工业基础工业基础„„真空管真空管„„无线通信无线通信（应用）（应用）„„机械计算机（应用、需求）机械计算机（应用、需求）13真空管真空管141.2.21.2.2固体固体„„固体物理固体物理„„晶体管的发明晶体管的发明（肖克利、（肖克利、巴丁、巴丁、布拉顿）布拉顿）„„利益利益1522贝尔实验室的第一支晶体管贝尔实验室的第一支晶体管贝尔实验室16肖克莱肖克莱(William(WilliamShockley)Shockley)巴丁巴丁((JohnBaJohnBardeenrdeen))布拉顿布拉顿((WalterWalterBrattain)Brattain)172晶体管的剖面图1822电路集成电路集成„„集成电路（集成电路（IntegratedCircuits(IC)IntegratedCircuits(IC)））„„发明者发明者KilbyKilby,,仙童公司不同说法仙童公司不同说法„„BenefitsofICsBenefitsofICs„„集成时代集成时代„„FromSSItoULSIFromSSItoULSI„„19601960--2000200019集成电路分类（集成电路分类（II））„„MOSICMOSIC„„功耗低，成本低，主流工艺功耗低，成本低，主流工艺„„双极双极ICIC„„速度快，功耗高，速度快，功耗高，„„BiCMOSBiCMOS„„综合两者优势综合两者优势„„化合物化合物ICIC（（GaAsGaAs，，SiGeSiGe，，InPInP））„„高频大功率现有及发展方向高频大功率现有及发展方向20⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧按应应用领域分数字模拟字模拟混非线线性电线性电路模拟拟电时序逻辑电路组合逻辑电路数字电字按功能分类GSIULSIVLSILSIMSISSI按规规模分薄膜混合集成电膜厚膜混合集成电膜混合集成电合BiCMOSBiMOS型BiMOSCMOSNMOSPMOS型MOS双极极单片集成电路按结结构分集成电成集成电路的分类集成电路的分类21JackJackKilbyKilby’’ssFirstIntegratedFirstIntegratedCircuitCircuitPhotocourtesyofTexasInstruments,Inc.Photo1.422青年基尔比第一块集成电路集成电路草图1958年9月12日，TI公司的JackS.Kilby在德州仪器半导体实验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻）。Kilby本人也因此与赫伯特·克勒默和俄罗斯的泽罗斯·阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物理学奖。Ge衬底上的混合集成电路，美国专利号3138743231959年美国仙童/飞兆公司（Fairchilds）的R.Noicy诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。1959年仙童公司制造的IC年轻时代的诺伊斯24含芯片的硅片含芯片的硅片Asingleintegratedcircuit,alsoknownasadie,chip,andmicrochipFigure1.325CircuitIntegrationSemiconductorIndustryTimePeriodNumberofComponentsperChipNointegration(discretecomponents)Priorto19601Smallscaleintegration(SSI)Early1960s2to50Mediumscaleintegration(MSI)1960stoEarly1970s50to5,000Largescaleintegration(LSI)Early1970stoLate1970s5,000to100,000Verylargescaleintegration(VLSI)Late1970stoLate1980s100,000to1,000,000Ultralargescaleintegration(ULSI)1990stopresent1,000,000Table1.122集成电路发展的五个时代集成电路发展的五个时代26例：例：ULSIChipULSIChipPhotocourtesyofIntelCorporation,PentiumIIIPhoto1.52733芯片制造工艺厂组成芯片制造工艺厂组成„„SiliconSilicon„„大大圆片、晶圆圆片、晶圆WaferWafer„„WaferSizesWaferSizes„„DevicesandLayersDevicesandLayers„„WaferFabWaferFab„„StagesofICFabricationStagesofICFabrication„„WaferpreparationWaferpreparation„„WaferfabricationWaferfabrication„„Wafertest/Wafertest/拣选（拣选（sortsort））„„装配与封装（装配与封装（AssemblyandpackagingAssemblyandpackaging））„„终终测（测（FinaltestFinaltest））28硅片尺寸（硅片尺寸（WaferSizeWaferSize））的变化的变化2000年1992年1987年1981年1975年1965年50mm100mm125mm150mm200mm300mm2吋4吋5吋6吋8吋12吋Figure1.429DevicesandLayersfromaSiliconChipSiliconsubstratedrainSiliconsubstrateTopprotectivelayerMetallayerInsulationlayersRecessedconductivelayerConductivelayerFigure1.530ICIC制造的５个主要步骤制造的５个主要步骤includescrystalgrowing,polishing.ncludescleaning,etchinganddoping.AssemblyandPackaging:Thewaferiscutalongscribelinestoseparateeachdie.Metalconnectionsaremadeandthechipisencapsulated.robing,testingandsortingafer.FinalTestensuresICpasseselectricalandenvironmentaltesting.Defectivedie1.2.3.ScribelineAsingledieAssemblyPackaging4.5.WafersslicedfromingotSinglecrystalsiliconFigure1.