单晶硅经典案例

1微电子工艺哈尔滨工业大学田丽tianlihit.edu864134422绪论引言微电子工艺发展状况微电子工艺特点与用途本课程内容3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4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。5什么是微电子工艺微电子工艺，是指用半导体材料制作微电子产品的方法、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），称为单项工艺。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。6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7npn-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+ebc82微电子工艺发展历程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-Ge10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。pn结SiO2Si氧化光刻扩散掺杂诞生11JackKilby’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。12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。13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14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15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。16DROM集成度与工艺的进展年代1985年1988年1991年1994年2019年2000年集成度1M4M16M64M256M1G最小线宽1.250.80.60.50.350.18光刻技术光学曝光准分子电子束电子束X射线（电子束）摩尔定律：每隔3年IC集成度提高4倍172019年1月：英特尔奔腾4处理器推出，它采用英特尔0.13µm制程技术生产，含有5500万个晶体管。2019年8月13日：英特尔透露了90nm制程技术的若干技术突破，包括高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。这是业内首次在生产中采用应变硅。2019年3月12日：针对笔记本的英特尔·迅驰·移动技术平台诞生，采用英特尔0.13µm制程技术生产，包含7700万个晶体管。2019年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含有2.3亿个晶体管----90nm制程技术生产。2019年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，含有17.2亿个晶体管----90nm制程技术生产。2019年7月27日：英特尔·酷睿™2双核处理器,含有2.9亿多个晶体管，采用英特尔65nm制程技术。2019年1月8日：65nm制程英特尔·酷睿™2四核处理器和另外两款四核服务器处理器。英特尔·酷睿™2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。2019年1月29日：英特尔酷睿™2双核、英特尔酷睿™2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的数以亿计的45nm晶体管或微小开关中用来构建18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19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。203微电子工艺特点及用途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。21超净环境2223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24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254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。26第一单元硅衬底1单晶硅结构2硅锭及圆片制备3外延基本单项工艺第二单元氧化与掺杂第三单元薄膜制备第四单元光刻技术4氧化5扩散6离子注入7CVD8PVD9光刻10现代光刻技术11刻蚀第五单元工艺集成和测试封装12金属化与多层互连13工艺集成14测试封装课程内容框架图27教材与参考书王蔚《微电子制造技术----原理与工艺》科学出版社2019关旭东《硅集成电路工艺基础》北京大学出版2019清华大学《集成电路工艺》多媒体教学课件2019StephenA.C.《微电子制造科学原理与工程技术》电子工业出版社，201928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60%；平时成绩占40%，出勤10%，小测验10%，作业20%。29第一章硅的晶体结构30第1章单晶硅结构、制备方法1.1硅晶体结构的特点1.2硅晶体缺陷1.3硅中杂质1.4杂质在硅晶体中的溶解度1.5硅单晶的制备311.1硅晶体结构的特点硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95％左右，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材料。硅四面体结构键角：109º28′32硅、锗、砷化镓电学特性比较性质SiGeGaAs禁带宽度（eV）1.120.671.43禁带类型间接间接直接晶格电子迁移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/V·s）4801900250本征载流子浓度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征电阻率（Ω·cm）2.3×1054710833锗应用的最早，一些分立器件采用；GaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度的高速IC，及超过GHz的模拟IC使用，以及光电器件从电学特性看硅并无多少优势,硅在其它方面有许多优势34性质SiGeGaAsSiO2原子序数143231/3314/8原子量或分子量28.972.6144.6360.08原子或分子密度（atoms/cm3）5.00×10224.42×10222.21×10222.30×1022晶体结构金刚石金刚石闪锌矿四面体无规则网络晶格常数（Å）5.435.665.65密度（g/cm3）2.335.325.322.27相对介电常数11.716.319.43.9击穿电场（V/μm）30835600熔点（℃）141793712381700蒸汽压（托）10-7（1050℃）10-7（880℃）1（1050℃）10-3（1050℃）比热（J/g·℃）0.700.310.351.00热导率（W/cm·℃）1.500.60.80.01扩散系数（cm2/s）0.900.360.440.006线热膨胀系数（1/℃）2.5×10-65.8×10-65.9×10-60.5×10-6有效态密度（cm-3）导带Nc价带Nv2.8×10191.0×10191.0×10196.0×10184.7×10177.0×101835硅作为电子材料的优点原料充分；硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要；重量轻，密度只有2.33g/cm3；热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃，热导率高，1.50W/cm·℃；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；机械性能良好。36硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞晶格常数：α=5.4305Å原子密度：8/a3=5*1022cm-3原子半径：rSi=√3a/8=1.17Å空间利用率：371.2硅晶向、晶面和堆积模型硅的几种常用晶向的原子分布图晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记晶列方向用晶向,记为[m1m2m3]。用m1m2m3表示等价的晶向.1/a1.41/a1.15/a晶向38硅晶面晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面。用晶面指数(h1h2h3)标记。如（100）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为{100}[100]晶向和(100)面是垂直的。立方晶系的几种主要晶面39硅晶面硅常用晶面上原子分布Si面密度:(100)2/a2(110)2.83/a2(111)2.3/a240ABAB…六角密积（镁型）ABCABC…立方密积（铜型）堆积模型图41六角密积42立方密积：第三层的另一种排列方式，是将球对准第一层的2，4，6位，不同于AB两层的位置，这是C层。12345612345612345643面心立方晶格在[111]晶向是立方密积，(111)面是密排面44硅晶体为双层立方密积结构硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双层密排面AA′BB′CC′双层密排面：原子距离最近，结合最为牢固，能量最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为{111}晶面的趋势。两层双层密排面之间：原子距离最远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着{111}晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。45解