硅集成电路制造工艺第0章绪论

12345绪论引言集成电路制造工艺发展状况集成电路工艺特点与用途本课程内容6早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。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。1引言7基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959～）SSI、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和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。8什么是集成电路制造工艺集成电路工艺，是指用半导体材料制作集成电路产品的方法、原理、技术。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）——单项工艺。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——工艺集成。9微电子工业生产过程图前工序：微电子产品制造的特有工艺后工序10npn-Si双极型晶体管芯片工艺流程----硅外延平面工艺举例举例n+npn+ebc112集成电路制造工艺发展历程诞生:1947年12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是合金法制作pn结。合金法pn结示意图加热、降温pn结InGeN-Ge12合金结晶体管13W.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：~50μm14不足之处:可靠性低、噪声大、放大率低等缺点151958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，采用的工艺方法是硅平面工艺。诞生16平面工艺发明人：JeanHoerni－－Fairchild1958-1960:氧化p－n结隔离Al的蒸发……17扩散光刻氧化掩蔽18平面工艺基本光刻步骤光刻胶掩膜版19应用平面工艺可以实现多个器件的集成20JackKilby’sFirstIntegratedCircuitPhotocourtesyofTexasInstruments,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、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。21(FairchildSemi.)SiIC22仙童（Fairchild）半导体公司1959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。1966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。1969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。23J.Kilby－TI2000诺贝尔物理奖R.Noyce－Fairchild半导体Ge，Au线半导体Si，Al线2460年代的出现了外延技术，如：n-Si/n+-Si，n-Si/p-Si。一般双极电路或晶体管制作在外延层上。70年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。IC的集成度提高得以实现。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）发展25张忠谋：台湾半导体教父全球第一个集成电路标准加工厂（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26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。27简短回顾：一项基于科学的伟大发明Bardeen,Brattain,Shockley,FirstGe-basedbipolartransistorinvented1947,BellLabs.NobelprizeKilby(TI)&Noyce(Fairchild),Inventionofintegratedcircuits1959,NobelprizeAtalla,FirstSi-basedMOSFETinvented1960,BellLabs.Planartechnology,JeanHoerni,1960,FairchildFirstCMOScircuitinvented1963,Fairchild“Moore’slaw”coined1965,FairchildDennard,scalingrulepresented1974,IBMFirstSitechnologyroadmappublished1994,USA28•SSI(小型集成电路)，晶体管数10~100，门数10•MSI(中型集成电路)，晶体管数100~1,000，10门数100•LSI(大规模集成电路)，晶体管数1,000~100,000，门数100•VLSI(超大规模集成电路)，晶体管数100,000~1,000,000•ULSI(特大规模集成电路)，晶体管数1,000,000•GSI(极大规模集成电路)，晶体管数109，GrandScaleIntegration•SoC－－system-on-a-chip/SIP－－systeminpackagingVLSI29摩尔定律（Moore’sLaw)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30%，芯片面积约增1.5倍，IC工作速度提高1.5倍技术节点特征尺寸DRAM半导体电子：全球最大的工业30ExplosiveGrowthofComputingPowerPentiumIV1sttransistor19471stelectroniccomputerENIAC(1946)VacuumTuber1stcomputer(1832)MacroelectronicsMicroelectronicsNanoelectronics312003Itanium2®19714004®2001PentiumIV®1989386®2300134000410M42M1991486®1.2Mtransistor/chip10µm1µm0.1µmtransistorsizeHumanhairRedbloodcellBacteriaVirus32ITRS--InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors预言硅主导的IC技术蓝图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33器件几何尺寸：Lg，Wg，tox，xj→×1/k衬底掺杂浓度N→×k电压Vdd→×1/k⇒器件速度→×k芯片密度→×k2器件的等比例缩小原则Constant-fieldScaling-downPrinciplek≈1.434NEC35电子产品发展趋势：更小，更快，更冷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0.045微米。由于量子尺寸效应，集成电路线宽的物理极限约为0.035微米，即35纳米。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。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。未来36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）。5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。373集成电路工艺特点及用途超净环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，ULSI在100级超净室制作，超净台达10级。超纯指所用材料方面，如衬底材料、功能性电子材料、水、气等；Si、Ge单晶纯度达11个9。高技术含量设备先进，技术先进。高精度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。大批量，低成本图形转移技术使之得以实现。38超净环境394021世纪硅微电子技术的三个主要发展方向特征尺寸继续等比例缩小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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41工艺课程学习主要应用制作微电子器件和集成电路微机电系统(microelectromechanicolSystemMEMS)的所依托的微加工技术纳米技术，如光刻—图形复制转移工艺，MBE等424本课程内容重点介绍单项工艺和其依托的科学原理。简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。43讲课内容：知识领域1：集成电路单项工艺（A）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）知识单元A2：图形转换工艺光刻与刻蚀（10学时）知识领域2：集成电路集成工艺（B）知识单元B1：工艺集成（6学时）知识单元B2：封装、测试（4学时）44教材与参考书关旭东《硅集成电路工艺基础》北京大学出版2003王蔚《微电子制造技术----原理与工艺》科学出版社2010清华大学《集成电路工艺》多媒体教学课件2001StephenA.C.《微电子制造科学原理与工程技术》电子工业出版社，200345考试与课程评定期末考试采取笔试方式，考试成绩占总成绩的70%；平时成绩占30%，出勤10%，小测验10%，作业10%。46本节课主要内容CMOS工艺：光刻、氧化、扩散、刻蚀等硅技术的历史沿革和未来发展趋势：晶体管的诞生集成电路的发明平面工艺的发明CMOS技术的发明摩尔定律（Moore’slaw）VLSI、SoC、SIPConstant-field等比例缩小原则ITRS：技术代/节点