集成电路制造工艺概述 (2).ppt

集成电路工艺概述 课程介绍 普通高校专业学科目录 1998版 01哲学02经济学03法学04教育学05文学06历史学07理学08工学09农学10医学11管理学 0806电气信息类080601电气工程及其自动化080602自动化080603电子信息工程080604通信工程080605计算机科学与技术080606电子科学与技术080607生物医学工程 分设十一个学科门类 无军事学 下设二级类71个 专业249种 电子科学与技术 专门研究电子科学理论及其应用技术的学科 其研究的主要内容是电子技术的核心理论制造电子元器件的材料 方法与工艺电路设计理论与应用技术设计制造测试 电子科学与技术的基本内容 1 电子元器件分立器件和集成器件如何设计出满足应用系统要求的电子元器件2 电子材料半导体材料 金属材料和非金属材料采用什么样的材料才能满足工程实际的需要3 分析与设计基本理论电子材料的基本物理和化学性质 元器件的基本工作原理等4 工程应用技术与方法提供了最直接的应用技术 是电子科学与技术理论研究和工程应用技术联系的纽带 集成电路技术器件阶段 集成电路设计技术是支持技术设计基础是器件系统实现技术是器件组成系统基本工具是器件分析系和系统仿真SoC阶段 集成电路设计技术是基本应用技术设计基础是系统和电路系统实现技术是系统集成技术基本工具是系统和电路模型的仿真分析 时间安排 每周4学时 16周 64学时 参考教材 网络 中国电子顶级开发网 考核方法 20 平时成绩 考勤 作业 平时表现 20 实验成绩60 考试成绩 开卷 课程作业 作业一1描述CZ拉单晶炉的工作原理 作业二2描述集成电路的制膜工艺原理 作业三3描述集成电路的图形转移工艺原理 作业四4描述集成电路的掺杂工艺原理 作业五5以反相器为例描述CMOS工艺流程 集成电路 什么是集成电路 英文全称IntegratedCircuit 缩写IC通过一系列特定的加工工艺 将晶体管 二极管等有源器件和电阻 电容等无源器件 按照一定的电路互连 集成 在一块半导体单晶片 如硅或砷化镓 上 封装在一个外壳内 执行特定电路或系统功能 制造电子器件的基本半导体材料是圆形单晶薄片 称为硅片或硅衬底 在硅片制造厂 由硅片生产的半导体产品 又被称为微芯片或芯片 2020 3 29 17 2020 3 29 18 集成电路的内部电路 2020 3 29 19 2020 3 29 20 50 m 100 m头发丝粗细 30 m 1 m 1 m 晶体管的大小 30 50 m 皮肤细胞的大小 90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细 皮肤细胞大小的比较 一个工业的诞生 1906年 真空三极管 LeeDeforest 电信号处理工业 1947年 ENIAC1947年12月23日 晶体管 JohnBardeen WalterBrattin WilliamShockley 1956年诺贝尔物理奖 固态 分立器件 半导体工业 世界第一个晶体管 集成电路 集成电路是由Kilby和Noyce两人于1959年分别发明 并共享集成电路的专利 19692000年 Kilby被授予诺贝尔物理学奖 Noyce去世10年 杰克 基尔比 JackKilby 德州仪器公司 TexasInstruments锗 1959 2 第一块集成电路的发明家 罗伯特 诺伊思 RobertNoyce 仙童半导体公司 FairchildSemiconductor硅 1959 7 30 提出了适合于工业生产的集成电路理论 2020 3 29 23 集成电路是怎么诞生的 早期的许多先驱者开始在北加利福尼亚州 现在以硅谷著称的地区 1957年 在加利福尼亚州的帕罗阿托市 PaloAlto 的仙童半导体公司 FairchildSemiconductor 制造出第一个商用平面晶体管 它有一层铝互连材料 这种材料被淀积在硅片的最顶层以连接晶体管的不同部分 从硅上热氧化生长的一层自然氧化层被用于隔离铝导线 这些层的使用在半导体领域是一个重要发展 也是称其为平面技术的原因 2020 3 29 24 半导体的集成时代 2020 3 29 25 半导体主要趋势 提高芯片性能 速度 按比例缩小器件和使用新材料 关键尺寸 CD 芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸 硅片上的最小特征尺寸被称为关键尺寸或CD 技术节点每块芯片上的元件数摩尔定律功耗提高芯片可靠性浴盆曲线降低芯片成本 2020 3 29 26 集成电路的5个制造阶段 集成电路的5个制造阶段 第1阶段 硅片制备 第2阶段 硅片制造 裸露的硅片到达硅片制造厂 然后经过各种清洗 成膜 光刻 刻蚀和掺杂步骤 加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路 IDMfablessfoundry半导体产业总是处于设备设计和制造技术的前沿 2020 3 29 30 第3阶段 硅片的测试 拣选 硅片制造完成后 硅片被送到测试 拣选区 在那里进行单个芯片的探测和电学测试 然后拣选出可接受和不可接受的芯片 并为有缺陷的芯片做标记 通过测试的芯片将继续进行以后的工艺 2020 3 29 31 第4阶段 装配和封装 把单个芯片包装在一个保护管壳内 DIP 2020 3 29 32 第5阶段 终测 为确保芯片的功能 要对每一个封装的集成电路进行测试 以满足制造商的电学和环境的特性参数要求 至此 集成电路制造完成 2020 3 29 33 晶圆制造厂 晶圆 在亚微米CMOSIC制造厂典型的硅片流程模型 扩散区 扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的区域 主要设备 高温扩散炉 1200 左右 能完成氧化 扩散 淀积 退火以及合金等多种工艺流程 湿法清洗设备 辅助 硅片在放入高温炉之前必须进行彻底的清洗 以去除硅片表面的沾污以及自然氧化层 2020 3 29 38 光刻区 光刻的本质是把 临时 电路图形复制到覆盖于硅片表面的光刻胶上 黄色荧光管照明主要设备步进光刻机 steper 涂胶 显影设备 coater developertrack 清洗装置和光刻胶剥离机 2020 3 29 40 光刻工艺模块示意图 刻蚀区 刻蚀是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形 一旦材料被错误刻蚀去掉 在刻蚀过程中所犯的错误将难以纠正 只能报废硅片 带来经济损失 主要设备 等离子体刻蚀机 湿法 干法 等离子去胶机湿法清洗设备 2020 3 29 42 干法等离子体刻蚀机示意图 离子注入区 离子注入机是亚微米工艺中常见的掺杂工具 主要设备 离子注入机等离子去胶机湿法清洗设备 2020 3 29 44 薄膜生长区 主要负责生产各个步骤当中的介质层和金属层的淀积 薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的工作温度 主要设备 中低真空环境 CVDPVDSOG RTP 湿法清洗设备 CVD多腔集成设备和工艺腔的示意图 抛光区 化学机械平坦化 CMP 工艺的目的是使硅片表面平坦化 通过将硅片表面突出的部分减薄到下凹部分的高度来实现的 主要设备 抛光机刷片机 waferscrubber 清洗装置 测量装置 2020 3 29 48 典故 威廉 肖克利 WilliamShockely 晶体管之父 1910 1989 1947 点接触晶体管 1950 面结型晶体管肖克利实验室 1955 1968 圣克拉拉谷 硅谷 1956 诺贝尔物理奖1957 八判逆1958 斯坦福大学1963 斯坦福大学70年代 人种学和优生学 肖克利博士非凡的商业眼光 成就了硅谷 肖克利博士拙劣的企业才能 创造了硅谷 天才与废物 硅谷的第一公民 硅谷第一弃儿 八叛逆 TheTraitorousEight 1955年 晶体管之父 威廉 肖克利 离开贝尔实验室创建肖克利实验室 他吸引了很多富有才华的年轻科学家加盟 但是很快 肖克利的管理方法和怪异行为引起员工的不满 其中八人决定一同辞职 他们是罗伯特 诺依斯 戈登 摩尔 朱利亚斯 布兰克 尤金 克莱尔 金 赫尔尼 杰 拉斯特 谢尔顿 罗伯茨和维克多 格里尼克 被肖克利称为 八叛逆 八人接受位于纽约的仙童摄影器材公司的资助 于1957年 创办了仙童半导体公司 乔布斯 仙童半导体公司就象个成熟了的蒲公英 你一吹它 这种创业精神的种子就随风四处飘扬了 硅谷人才摇篮 八叛逆在FairchildSemiconductor 1959年 从左至右GordonMoore SheldonRoberts EugeneKleiner RobertNoyce VictorGrinich JuliusBlank JeanHoerniJayLast 1968 INTEL 杰里 桑德斯 J Sanders AMD 查尔斯 斯波克 C Sporck NSC 2011年 台湾成为全球最大半导体晶圆生产地 根据市调机构ICInsights调查统计 2011年全球半导体晶圆总月产能达13 617 8千片8寸约当晶圆 其中台湾晶圆月产能达2 858 3千片8寸约当晶圆 占全球半导体总产能达21 跃居第1大生产国 原本是全球最大晶圆生产国的日本 月产能达2 683 6千片8寸约当晶圆 市占率达19 7 位居第2大生产国 韩国则以2 293 5千片8寸约当晶圆月产能 位居第3大生产国 市占率达16 8 美国月产能达1 995 1千片8寸约当晶圆 市占率降至14 7 是全球第4大生产国 台积电 联电 芯片制造 半导体工艺制程实用教程 第1章半导体工业 1 1一个工业的诞生 1906 LeeDeforest 真空三极管 电信号处理工业 1947 ENIAC 1947 12 23 贝尔实验室的Johnbardeen WalterBrattin和WilliamShockley 晶体管 1 2固态时代 晶体管二级管电容器电阻器分立器件 1 3集成电路 1959 TI的JackKilby 锗 集成电路1959 Fairchild的RobertNoyce 硅 集成电路两者共享集成电路专利 1 4工艺和产品趋势 工艺和结构摩尔定律 1 5特征图形尺寸的缩小 特征图形尺寸CD 1 6芯片和晶圆尺寸的增大 ChipWafer 1 7缺陷密度的减小 缺陷尺寸缺陷密度 1 8内部连线水平的提高 多层连线 1 9SIA的发展方向 未来技术路线图 1 10芯片成本 工艺产品成本价格性能 1 11半导体工业的发展 附加值最高的工业 1 12半导体工业的构成 半导体和系统 或产品 三类芯片供应商IDMFoundryFabless 1 6生产阶段 1材料准备2晶体生长和晶圆准备3晶圆制造和分选4封装5终测 1 14结型晶体管 PN结 晶体管双极型器件FET MOS单极性器件贝尔实验室 1956扩散结1957氧化掩膜 硅 1 15工业发展的50年 50年代 黄金时期 工艺 材料 公司 价格 60年代 成熟工业 塑封 IFET CMOS70年代 投射光刻机 洁净间 离子注入机 步进光刻机 自动化80年代 全程自动化 1um90年代 铜 开发的十年 1951 1960 基本工艺和材料 黄金十年 双极型和单极型设备和材料的问题内部解决 工艺的十年 1961 1970 价格下降的趋势形成 新老公司交替高产量的工艺 低价格的芯片设备和材料的问题导致半导体特殊供应商形成塑料封装1963实验室小批量生产 设备的十年 1971 1980 MSI LSI 膜板引起的缺陷 接触式光刻机造成的晶圆损