半导体制造技术第一章绪论.ppt

集成电路工艺 电子科技大学微电子与固体电子学院 张国俊 伍荣翔主讲 课程介绍 集成电路工艺 是一门非常重要的专业基础课 微电子器件和集成电路的设计完成后都需要通过集成电路工艺来实现 了解工艺能够更深入理解器件物理和器件 电路的设计规则 掌握了集成电路工艺 会大大提高器件与电路设计的成功率 课程安排 教材 半导体制造技术 中文版 韩郑生等译 电子工业出版社2004 国外电子与通信教材系列 参考教材 1 集成电路工艺基础 王阳元等编著 高等教育出版社 2 微电子制造科学原理与工程技术 StephenA Campbell著 电子工业出版社 3 集成电路制造技术 原理与实践 庄同曾编 电子工业出版社 S M Sze VLSITechnology 2ndEdition McGraw Hill 课程安排 总学时数 32学时每周一 三的上午第3 4节相关课程 集成电路原理 微电子器件 集成电路工艺实验 课程安排 主要内容 第一章 绪论 3学时 第二章 氧化 3学时 第三章 扩散 2学时 第四章 离子注入 3学时 第五章 光刻 4学时 第六章 刻蚀 3学时 课程安排 第七章 沉积 3学时 第八章 蒸发与溅射 3学时 第九章 化学机械抛光 1学时 第十章 工艺集成 5学时 复习 2学时 课程目标 了解半导体产业的发展动态 理解集成电路制造的先进工艺技术 掌握氧化 光刻 刻蚀 扩散 离子注入 沉积等各种单项工艺技术的基本原理 方法和主要特点 掌握工艺集成的特点以及集成电路制造的基本工艺流程 上课要求 1 提高到课率和听课率 严格考勤 实行请假制度2 采取 教学互动 的教学方式 欢迎用电子邮件传送疑难问题3 考试方式 闭卷 平时成绩 到课率 交作业 占30 期末考试70 任课教师 张国俊电子邮箱 zgj 电话 028 83207780任课教师 伍荣翔电子邮箱 eewurx 电话 028 83205760 第一章 绪论 本章主要内容 1 1半导体产业介绍 书中第1章 1 2器件技术 书中第3章 1 3硅和硅片制备 书中第4章 1 1半导体产业介绍 本节目录1 产业的地位及重要性2 集成电路产业的特点3 集成电路产业结构及分工4 我国集成电路产业发展情况5 产业技术发展6 集成电路制造7 集成电路的发展趋势 1 1半导体产业介绍 概念介绍半导体产业 与半导体器件的设计和制造相关的产业 集成电路 IntegratedCircuit IC 集成在一块半导体材料上的功能电路 半导体产业 集成电路产业 1 1半导体产业介绍 1 产业的地位及重要性以半导体产业为核心的电子信息产业是全球第一大产业 占全球GDP的10 半导体产业 3000亿美元电子整机业务 12000亿美元电子信息服务业 50000亿美元战略产业 衡量一个国家综合国力的重要标志 1 1半导体产业介绍 2 半导体产业的特点投资大风险高更新换代快产品的性价比越来越高2007年的数据 投资建线费用 8英寸10亿美元 12英寸15亿美元运转费用 8英寸线 100万元 天 1 1半导体产业介绍 IC一次流片的费用 单位 万元人民币 3 集成电路产业结构及分工集成电路产业是以IC设计业 IC芯片制造业 IC封装测试业等三业为主的产业链结构 1 1半导体产业介绍 IC设计 市场 IC芯片制造 IC封装测试 IC支撑 仿真软件公司硅片材料厂半导体设备厂测试仪器公司 3 集成电路产业结构及分工IDM IntegratedDeviceManufacturer 模式同一家公司完成所有流程Fabless Foundry模式IC设计公司 Fabless 负责设计和市场 IC代工厂 Foundry 负责芯片制造 IC封装测试公司 负责封装测试 1 1半导体产业介绍 3 集成电路产业结构及分工2011年半导体公司排名 Foundry除外 1 1半导体产业介绍 3 集成电路产业结构及分工2011年半导体Foundry排名 1 1半导体产业介绍 1 1半导体产业介绍 4 我国集成电路产业发展情况 中国半导体市场规模 2010年7350亿元 全球第一大半导体市场 44 集成电路设计业1986年我国第一家专业设计公司成立IC设计单位近500家 设计业人员超过5万人 1 1半导体产业介绍 2007年中国IC设计销售额前十位企业排名 1 1半导体产业介绍 集成电路芯片制造业20世纪90年代我国先后建成第一条6英寸和8英寸IC生产线 分别是908工程无锡华晶项目和909工程上海华虹NEC项目 2007年国内已经有集成电路芯片制造企业近50家 拥有各类集成电路芯片生产线50条 1 1半导体产业介绍 国内主要集成电路芯片制造企业 上海华虹NEC中芯国际 上海 北京 成都 上海先进上海宏力上海贝岭台积电 上海 深圳 无锡海力士意法苏州和舰常州柏玛无锡华润上华摩托罗拉 天津 1 1半导体产业介绍 集成电路封装测试业国内主要封装测试企业 江苏长电 天水华天科技 南通富士通 Intel Infineon Samsung Fairchild等IC封装测试企业超过70家 2007年国内集成电路总封装能力超过500亿块 5 产业技术发展真空管时代 20世纪40年代前 体积大重量重功耗高可靠性差 1 1半导体产业介绍 固体晶体管时代 20世纪50年代后 1947年发明固体晶体管 肖克莱 巴丁 布拉顿 1957年第一个硅平面晶体管诞生1959年发明硅基集成电路 诺伊思 基尔比 与真空管比 固体晶体管的优点 无真空体积小重量轻功耗低可靠性高 1947在贝尔实验室发明的固体晶体管 晶体管的发明者 肖克莱 巴丁 布拉顿 因此发明获得诺贝尔奖 固体晶体管的发明者 1957年诞生第一个硅平面晶体管 1959年美国仙童公司的诺伊思 R Noicy 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 集成电路时代 20世纪60年代后 集成电路发展的五个时代 认识集成电路 电脑接口转换电路板中的集成电路画圈A B C三个 集成电路成品 微处理器 集成电路成品PGA PinGridArrayPackage 插针网格阵列封装DIP8 dualin linePackage 8引脚双列直插塑料封装 集成电路的概念集成电路是把电阻 电容 二极管 晶体管等多个元器件制作在一个芯片上 并具有一定功能的电路 集成度是指每个芯片上的元器件数 集成电路硅片 芯片 含芯片的硅片称为集成电路硅片也称为集成电路晶圆 一种集成电路芯片 ULSI芯片 芯片中的器件之一 6 集成电路制造集成电路制造步骤 Waferpreparation 硅片准备 Waferfabrication 硅片制造 Wafertest sort 硅片测试和拣选 Assemblyandpackaging 装配和封装 Finaltest 终测 1 1半导体产业介绍 Assemblyandpackaging 装配和封装 主要工序 划片粘片压焊 铝丝键合或金丝球焊封装 打印标记 Assemblyandpackaging 装配和封装 一种完成装配和封装的MCUIC Assemblyandpackaging 装配和封装 一种QFP QuadFlatPockage 方型扁平式封装 IC晶圆测试系统 IC晶圆测试系统中的探针台 7 集成电路的发展趋势芯片性能不断提高芯片可靠性不断提高芯片成本不断降低 1 1半导体产业介绍 提高芯片性能 减小特征尺寸 研发新材料提高芯片可靠性 设计优化 严格控制污染降低芯片成本 提高集成度 增加硅片直径 硅片尺寸 WaferSize 的不断增大 使芯片的成本逐渐降低 目的 降低成本 特征尺寸 CriticalDimension CD 的概念特征尺寸是芯片上的最小物理尺寸 是衡量工艺难度的标志 代表集成电路的工艺水平 在CMOS技术中 特征尺寸通常指多晶硅栅的线宽在双极技术中 特征尺寸通常指接触孔的尺寸 加深对微尺度的印象 器件的CD技术节点 上一代 INTEL32nm 2010 TSMC40nm 2009 2012年 INTEL22nm TSMC28nm技术已量产 下一代 INTEL14nm TSMC20nm ITRS 国际半导体技术蓝图 技术节点 摩尔定律 IC的集成度将每一年半翻一番 即每18个月增长1倍 由Intel公司创始人戈登 摩尔提出 IC发展的另一些规律 建立一个芯片厂的造价也是每一年半翻一番 线条宽度每4 6年下降一半 1 2器件技术 本节目录1 集成电路分类2 无源器件3 有源器件4 双极型IC和MOSIC优缺点 1 集成电路分类 2 无源器件 集成电阻 集成电容用于传输电流集成电阻结构 集成薄膜电阻结构 集成电阻结构 集成扩散电阻结构 俯视图及剖面图 集成电容结构 集成MOS电容结构俯视图及剖面图 3 有源器件除了信号 还需要额外电源定义工作点 用于控制电流方向 放大信号 并产生复杂电路 主要的有源器件 集成二极管集成双极晶体管集成MOS晶体管集成CMOS器件 集成二极管结构 集成NPN双极晶体管结构 基于CMOS工艺 集成NPN双极晶体管结构 基于双极工艺 集成CMOS器件结构 包括PMOS和NMOS结构 先进的70nm集成CMOS器件结构 4 双极型IC和MOSIC优缺点双极型集成电路中等速度 驱动能力强 模拟精度高 功耗较大CMOS集成电路速度高 驱动能力低 功耗低 密度高 电源电压范围宽 输出电压幅度宽 与TTL电平兼容BICMOS集成电路集上述两种电路的优点 但工艺复杂 制造成本高 1 3硅和硅片制备 1 硅元素第三周期IVA族元素熔点1414oC 半导体禁带宽度1 12eV地球储量第二多的元素 26 主要以二氧化硅的形式存在 水晶 砂 玻璃自然界的硅不能满足集成电路制造的需要提高纯度 去掉杂质元素 形成单晶结构 2 硅的提纯 西门子工艺半导体级硅的纯度99 9999999 9个9 但其结构是多晶硅结构 不能使用 要经过晶体生长 形成单晶结构才能使用 西门子工艺提纯装置 3 晶体结构晶体的原子排列 内部原子有规则在三维空间重复排列 非晶体原子排列 内部原子排列杂乱无规则 晶胞是组成晶体的最小重复单元 硅晶胞 多晶和单晶 多晶硅结构 单晶硅结构 单晶 晶胞在三维空间整齐重复排列 这样的结构叫做单晶 单晶的原子排列长程有序 多晶 由大小不等的晶粒组成 而晶粒由晶胞在三维空间整齐重复排列构成 这样的结构叫做多晶 多晶的原子排列短程有序长程无序 4 单晶硅生长直拉法 CZ法 Czochralski CZ单晶炉 用CZ法拉出的硅锭 区熔法 FZ法 FloatZone 使用的材料 掺杂好的多晶硅棒优点 纯度高含氧量低缺点 硅片直径比直拉的小 掺杂在拉制单晶时 掺入硼杂质可得到P型单晶硅锭 掺入磷 砷等杂质可得到N型单晶硅锭 纯单晶硅是绝缘体其电阻率为2 5 105 cm 当掺入百万分之一的磷或砷 则电阻率下降到0 2 cm 导电能力增强125万倍 这是半导体的神奇之处 硅的原子密度 5 0 1022 cm3 5 硅片的晶向 OA m1X m2Y m3Z 晶向指数 晶向在以晶胞定义的坐标系中的坐标值 表示沿X方向移动m1个晶胞 沿Y方向移动m2个晶胞 沿Z方向移动m3个晶胞 晶面 MOS集成电路通常用 100 晶面或晶向双极集成电路通常用 111 晶面或晶向 晶面指数 m1m2m3 m1 m2 m3分别为晶面在X Y Z轴上截距的倒数 不同晶向的硅片 它的化学 电学 和机械性质都不同 这会影响最终的器件性能 例如迁移率 界面态等 6 硅片制备 硅片的定位边标识 直径200mm及以上的硅片采用定位槽取代定位边 直径450mm的硅锭及硅单晶片成品 硅片主要技术指标尺寸 直径 厚度 晶向电阻率平整度缺陷密度 7 外延层 半导体产业规模IDM模式 Fabless Foundry模式IDM Intel Samsung TIFabless Qualcomm