集成电路制造技术.ppt

1 集成电路制造技术 原理与工艺 2 教材与参考书 考核 教材 王蔚 微电子制造技术 原理与工艺 修订版 电子工业出版社2013参考书 关旭东 硅集成电路工艺基础 北京大学出版2003清华大学 集成电路工艺 多媒体教学课件2001StephenA C 微电子制造科学原理与工程技术 电子工业出版社 2003考核方式 考勤20 作业10 考试 闭卷 70 第0章绪论 1 引言2 集成电路的历史3 何为集成电路4 微电子工艺特点与基本工艺流程 4 1 为什么要学习本课程 2 本课程内容结构 3 本课程学习目的 4 如何学习本课程 第0章绪论 一 引言 为什么要学习本课程 5 集成电路应用 6 半导体产业结构 7 我国集成电路产业在世界中的地位 1 中国目前进口第一多的商品不是原油 是芯片 一年进口2500亿美元 2 我国集成电路产业处在世界的中下端 属于集成电路消费大国 制造大国 粗放型 高投入 低利润 3 缺少高端设计 设备主要被国外垄断 4 集成电路产业是国家的命脉 走到了危险的边缘 不能再继续落后下去 8 1 集成电路定位它是信息技术产业的核心 是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性 基础性和先导性产业 当前和今后一段时期是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期和攻坚期 2 发展目标到2015年 集成电路产业销售超3500亿元 移动智能终端 网络通信等部分重点领域集成电路设计技术接近国际一流水平 32 28纳米 nm 制造工艺实现规模量产 中高端封装测试销售收入占封装测试业总收入比例达到30 以上 65 45nm关键设备和12英寸硅片等关键材料在生产线上得到应用 到2020年 全行业销售收入年均增速超过20 移动智能终端 网络通信 云计算 物联网 大数据等重点领域集成电路设计技术达到国际领先水平 16 14nm制造工艺实现规模量产 封装测试技术达到国际领先水平 关键装备和材料进入国际采购体系 到2030年 集成电路产业链主要环节达到国际先进水平 一批企业进入国际第一梯队 实现跨越发展 2014年6月 国家集成电路产业发展推进纲要 9 2014年6月 国家集成电路产业发展推进纲要 3 主要任务和发展重点加速发展集成电路制造业 加快45 40nm芯片产能扩充 加紧32 28nm芯片生产线建设 加快立体工艺开发 推动22 20nm 16 14nm芯片生产线建设 大力发展模拟及数模混合电路 微机电系统 MEMS 高压电路 射频电路等特色专用工艺生产线 突破集成电路关键装备和材料 4 保障措施成立国家集成电路产业发展领导小组 国务院副总理马凯任组长 工业化信息化部部长苗圩任副组长 设立国家产业投资基金 已成功吸引了金融机构 民营企业等各方出资 募资已超1000亿 已向紫光集团投资合计300亿元 加大金融支持力度 加大人才培养和引进力度 产业现状 全球 10 2018 2014全球集成电路市场规模及增速 1 2014年全球半导体市场规模达到3331亿美元 同比增长9 为近四年增速之最 2 从产业链结构看 制造业 IC设计业 封装和测试业分别占全球半导体产业整体营业收入的50 27 和23 3 从产品结构看 模拟芯片 处理器芯片 逻辑芯片和存储芯片2014年销售额分别442 1亿美元 622 1亿美元 859 3亿美元和786 1亿美元 分别占全球集成电路市场份额的16 1 22 6 32 6 和28 6 技术现状 全球 Intel首款14nm处理器 第五代Core处理器问世 2015 1 6 第五代Core处理器平台电晶体 Transistor 数量比第四代Core加35 但尺寸却缩减37 此外 在3D图像处理性能 影片转码速度 电池续航力 整体性能等评比项目 第五代Core处理器平台都较前一代产品分别提升22 50 40 以及1 5小时的表现 12 集成电路产业发展白皮书 2015版 世界创新三大重点 一是14nmFinFET工艺芯片正式进入市场 英特尔公司在22nm的FinFET结构三栅晶体管技术及IBM和意法半导体公司的22nm制程节点中采用的FD SOI全耗尽技术 二是3D NAND存储技术走向商用 三是可穿戴市场推动无线充电技术走向成熟 无线充电技术已经成为业界 抢攻 的重点 五大展望 一是产业规模持续增大 市场引领全球增长 二是细分三业齐头并进 产业结构日趋合理 三是技术水平持续提升 国际差距逐步缩小 四是国内企业实力倍增 有望洗牌全球格局 五是政策环境日趋向好 基金引领投资热潮 13 产业现状 中国 2011 2014年我国集成电路产业销售规模及增长情况 1 2014年我国集成电路产业销售收入达3015 4亿元 同比增长20 2 增速较2013年提高4个百分点 2 从产业链结构看 2014年集成电路产业中 设计的销售额为1047 4亿元 同比增长29 5 芯片制造业销售收额712 1亿元 同比增长18 5 封装测试业销售额1255 9亿元 同比增长14 3 3 通信和消费电子是我国集成电路最主要的应用市场 合计共占整体市场的48 9 计算机类集成电路市场份额进一步下滑 同比下滑达13 28 2015中国集成电路产业发展十大趋势 1 中国IC市场仍将引领全球增长 2014年中国集成电路市场规模超过1万亿元2 中国IC企业开始步入全球第一梯队 海思2有望跻身全fablessTop10 紫光集团收购展讯和锐迪科 并获得英特尔入股之后 成为国内IC企业的巨头 长电科技联合国家集成电路产业投资基金股份有限公司 中芯国际子公司芯电上海共同出资收购全球第四大半导体封装测试企业 新加坡星科金朋 3 产业基金引领IC产业投资热潮 国家集成电路产业基金一期预计总规模已达1387 2亿元 实现超募187 2亿元 重点投资芯片制造业 未来10年将拉动5万亿元资金投入到芯片产业 4 中国将成为12寸IC生产线全球投资热点区域 国内中芯国际和华力微电子等代工厂急需扩充产能 建设新的12寸晶圆厂 5 12寸晶圆将正式实现 MadeinChina 6 中国集成电路制造工艺将跻身国际主流水平 目前国际主流制造工艺为28nm工艺 占据了约四成的市场份额 中芯国际的28nm制造工艺已经量产 7 4G 中国芯 将取得重大突破 8 芯片国产化替代进程将在多行业取得突破2014年 国产芯片在多个行业应用中取得了突破 9 智能终端与汽车电子仍将是推动中国IC市场发展的主要动力 10 趋势十 IC行业的专利争夺将愈加激烈 15 产业现状 重庆 集成电路 2015年 我省十大新兴产业首位 目前 已经初具规模 上世纪50年代 我国的集成电路正是从重庆开始起步 位于重庆研究所成功研制出国内的第1片集成电路芯片 这个研究所正是位于南岸区的光电路上 光电路得名由此而来 直到2004年前后 首先是台湾茂德科技最终落户重庆 建设集成电路芯片生产基地 随后 市政府成立 811 领导小组和指挥部 在沙坪坝区西永建立微电子园区 重点扶持茂德 2006年茂德科技在渝成立全资子公司 渝德科技 如今 渝德科技被中航集团收购 更名为中航微电子 我市已有西南集成电路 中航微电子 奥特斯集成电路基板 台晶 重庆 电子 重庆石墨烯科技公司 SK海力士 中电24所 四联微电子等集成电路生产和研发机构 形成了设计 制造 封装的完备产业链 重庆大学和重庆邮电大学成立了半导体学院培养集成电路人才 16 本课程内容结构 集成电路制造技术 原理与工艺 硅材料 集成电路工艺 集成和封装测试 第1单元 第2 3 4单元 第5单元 1单晶硅结构 2硅锭及圆片制备 3外延 12金属化与多层互连 13工艺集成 14测试封装 4氧化 5扩散 6离子注入 7CVD 8PVD 9光刻 10现代光刻技术 11刻蚀 17 本课程学习目的 1 掌握集成电路工艺设计 工艺集成流程 2 清楚各种工艺设备及各工艺环节 3 了解集成电路产业和技术发展 4 了解集成电路封装和电学测试 18 如何学习本课程 1 这是一门工程学科 不是理论基础课程 2 更多关注领域前沿 结合实际应用学习 19 1833年 英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属 一般情况下 金属的电阻随温度升高而增加 但巴拉迪发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低 这是半导体现象的首次发现 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 2 集成电路的历史 1947年 美国贝尔实验室的约翰 巴丁 布拉顿 肖克莱三人发明了晶体管 这是微电子技术发展中第一个里程碑 1950年 结型晶体管诞生1950年 ROhl和肖克莱发明了离子注入工艺 1951年 场效应晶体管发明 1956年 CSFuller发明了扩散工艺 1956年三人共同获得诺贝尔物理奖 1958年 仙童公司RobertNoyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路 开创了世界微电子学的历史 1960年 HHLoor和ECastellani发明了光刻工艺 1962年 美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管 1963年 F M Wanlass和C T Sah首次提出CMOS技术 今天 95 以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺 1964年 Intel摩尔提出摩尔定律 预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍1966年 美国RCA公司研制出CMOS集成电路 并研制出第一块门阵列 50门 为现如今的大规模集成电路发展奠定了坚实基础 具有里程碑意义 1971年 Intel推出1kb动态随机存储器 DRAM 标志着大规模集成电路出现 1971年 全球第一个微处理器4004由Intel公司推出 这是一个里程碑式的发明 1978年 64kb动态随机存储器诞生 不足0 5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管 标志着超大规模集成电路 VLSI 时代的来临 1979年 Intel推出5MHz8088微处理器 之后 IBM基于8088推出全球第一台PC 1985年 80386微处理器问世 20MHz1988年 16MDRAM问世 1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管 标志着进入超大规模集成电路 VLSI 阶段1989年 486微处理器推出 25MHz 1 m工艺 后来50MHz芯片采用0 8 m工艺 1993年 66MHz奔腾处理器推出 采用0 6 m艺1995年 2003年 1995年 PentiumPro 133MHz 采用0 6 0 35 m工艺 1997年 300MHz奔腾 问世 采用0 25 m工艺 1999年 奔腾 问世 450MHz 采用0 25 m工艺 后采用0 18 m工艺 2000年 1GbRAM投放市场 2000年 奔腾4问世 1 5GHz 采用0 18 m工艺 2001年 Intel宣布2001年下半年采用0 13 m工 2003年 奔腾4E系列推出 采用90nm工艺 2005年 intel酷睿2系列上市 采用65nm工艺2007年 基于全新45纳米High K工艺的intel酷睿2E7 E8 E9上市2009年 intel酷睿i系列全新推出 创纪录采用了领先的32纳米工艺 并且下一代22纳米工艺正在研发 2012年 Intel发布代号为 IvyBridge 的第三代Corei系列 首次将CPU制作工艺提升到22nm 命名为Corei73770K 2014年 英特尔 Intel 首款14纳米 nm 处理器 第五代酷睿 Core 正式问世 2015年半导体业将迈入14 16纳米制程世代 英特尔为抢占先机 25 3 何为集成电路工艺 微电子产品 半导体分离器件和集成电路 90 集成电路 integratedcircuit 是一种微型电子器件或部件 采用一定的工艺 把一个电路中所需的晶体管 电阻 电容和电感等元件及布线互连一起 制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上 然后封装在一个管壳内 成为具有所需电路功能的微型结构 集成电路工艺 微电子工艺 狭义讲是指在半导体硅片上制造出集成电路或分立器件的芯片结构 这20 30各工艺步骤的工作 方法和技术即为芯片制造工艺 广义的讲 包含半导体集成电路和分立器件芯片制造及测试封装的工作 方法和技术 集成电路工艺是微电子学中最基础 最主要的研究领域之一 不同产品芯片的制造工艺就是将多个单项工艺按照需要以一定顺序进行排列 称为该产品的工艺流程 27 微电子工业生产过程图 300mm 12英寸 wafer CMOS结构 32 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 集成电路制造技术特点 超净室 这些微小颗粒的主要问题是在空气中长时间漂浮 而洁净工作室的洁净度就是由空气中的微粒大小和微粒含量决定的 美国联邦标准209E规定空气质量由区域空气级别数来决定的 标准按两种方法设定 一是颗粒的大小 二是颗粒的密度 而级别数是指在一立方英尺中含有直径为0 5微米或更大的颗粒总数 一般城市空气中通常包含烟 雾 气 每立方英尺多达500万个颗粒 所以是500万级 超净室 35 超净环境 超净间 36 超纯材料 1 超纯的半导体材料 目前纯度已达到99 99999999999 即11个9 记为11N 2 功能性电子材料 如 Al Au等金属 掺杂用气体 外延气体等必须是高纯度材料 3 所用化学试剂 器皿 器具等的杂质含量必须低 4 芯片清洗用水是高纯度的去离子水 一般用电阻率来表示 超大规模集成电路纯用水的电阻为18M cm 批量复制和广泛的用途 一 更大的晶圆片面积 更小尺寸晶体管 一直在追求 高性价比 低成本 高质量 集成电路工艺是高可靠 高精度 低成本 适合批量化大生产的工艺 各项工艺技术的进步推动新的行业MEMS和纳米技术 IC产业流程图 IC测试厂 硅原料 拉晶 切割 研磨 清洗 晶圆材料厂 电路设计 CAD Tapeout 电路设计公司 Reticle制作 mask制作厂 硅片投入 刻号 清洗 氧化 化学气相沉积 金属溅镀 护层沉积 蚀刻 离子注入 扩散 光阻去除 WAT测试 微影 光阻 曝光 显影 mask投入 集成电路制造厂 硅片针测 IC测试 Burnin IC封装厂 封装 打线 切割 客户 IC制造流程 芯片设计 晶圆制造 芯片封装 芯片测试 芯片制造 光罩制造 上游 设计 中游 制造 下游 封测 IC设计 IC设计 EDA IP 占IC产业链产值30 EDA IP EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统 以计算机为工作平台 融合了应用电子技术 计算机技术 信息处理及智能化技术的最新成果 进行电子产品的自动设计 利用EDA工具 电子设计师可以从概念 算法 协议等开始设计电子系统 并将电子产品从电路设计 性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成 IP是一种知识产权 IntellectualProperty 各个行业都有自己的知识产权 半导体行业领域IP我们理解为 硅知识产权 SiliconIntellectualProperty 也叫 SIP 或者 硅智财 IP是一种事先定义 设计 经验证 可重复使用的功能模块 全球3万人从业人员 缔造50亿美元年产值 知识密集型行业 处于技术前沿 年产值8亿美元 成长率超40 知识密集型行业 IC制造 制造 光罩 晶圆 占IC产业链产值50 MASK Foundry 光罩 英文 Reticle Mask 在制作IC的过程中 利用光蚀刻技术 在半导体上形成图型 为将图型复制于晶圆上 必须透过光罩做用的原理 1 比如冲洗照片时 利用底片将影像复制至相片上 製作一套光罩的費用在數萬美元至數百萬美元均有 目前一款晶片至少需用到八層光罩 较为复杂的产品需用到二 三十層光罩 光罩數愈多 生產過程也愈久 晶圆代工是指向专业的集成电路设计公司提供专门的制造服务 这种经营模式使得设计公司不需要自己承担造价昂贵的厂房 就能生产 这就意味着 晶圆代工商将庞大的建厂风险分摊到广大的客户群以及多样化的产品上 从而集中开发更先进的制造流程 资金密集型 资金密集型知识密集型 IC封测 成品 封装 测试 占IC产业链产值20 TEST Assembly 晶圆测试晶圆测试为IC后端的关键步骤 标有记号的不合格晶粒会被洮汰 以免徒增制造成本 具承先起后的作用 IC成品测试封装成型后的测试 目的是确认IC成品的功能 速度 容忍度 电力消耗 热力发散等属性是否正常 以确保IC出货前的品质 IC封装是将前段制程加工完成之晶圆经切割 黏晶 焊线等过后被覆包装材料 以保护IC组件及易于装配应用 IC封装主要有四大功能 1 电力传送2 讯号传送 3 热量去除4 静电保护 测试并不须投入原料 无原料成本 但因设备投资金额大 固定成本高 封装业因设备投资金额不大 原料成本是制造成本的大宗 约占4 6成左右 2020 1 25 siliconsubstrate source drain gate oxide oxide