半导体制造技术(第一讲)

1、 陈芳陈芳机电工程学院机电工程学院 第第1 1章章 半导体工业半导体工业制造业传统的机械制造业 *18世纪末开始，蒸汽机为代表，制造业形成 *20世纪中期，精密制造（微米级）半导体制造业 *20世纪中期开始迅速发展的一个产业 *二极管、三极管、集成电路IC（多个）、大规模集成电路LSI（万个）、超大规模集成电路VLSI（百万个）、甚大规模集成电路ULSI（超过百万） *信息产业的支柱，与传统机械制造业已经平分秋色 *衡量一个国家经济的基础数据：生产使用硅片数 *政府已成立：工业和信息化部 第第1 1章章 半导体工业半导体工业 半导体制造：将半导体圆形单晶薄片半导体制造：将半导体圆形单晶薄片-

2、-硅片经诸多工艺硅片经诸多工艺过程加工成芯片的过程过程加工成芯片的过程 这些芯片作为核心器件安装在各种设备、仪器仪表、这些芯片作为核心器件安装在各种设备、仪器仪表、家电、飞机、汽车等任何现代产品中家电、飞机、汽车等任何现代产品中 2010 2010年全球芯片销售额达年全球芯片销售额达29832983亿美元，相关产值更是亿美元，相关产值更是数额巨大数额巨大芯片为信息化、智能化提供硬件平台芯片为信息化、智能化提供硬件平台 第第1 1章章 半导体工业半导体工业 第第1 1章章 半导体工业半导体工业固态半导体：固态硅或锗半导体晶体固态半导体：固态硅或锗半导体晶体 19471947年贝尔实验室的肖克利、

3、巴丁年贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿发明固体锗晶体管，和布拉顿发明固体锗晶体管，19561956年获诺年获诺贝尔物理奖贝尔物理奖N N型半导体材料：型半导体材料： 也称为电子型半导体，即自由电子浓度远大于空穴浓度也称为电子型半导体，即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。的杂质半导体。 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷、砷等）在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷、砷等）,使之取代晶格中硅原使之取代晶格中硅原子的位置，形成了子的位置，形成了N型半导体。型半导体。(带负电的电子作载流子带负电的电子作载流子)P P型半导体材料：也称为空穴型半导体，即空穴浓度远大于自由电子浓度型半导体材料：也称为

4、空穴型半导体，即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。的杂质半导体。 在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成子，就形成P P型半导体。型半导体。 (带正电的空穴作载流子带正电的空穴作载流子) 第第1 1章章 半导体工业半导体工业集成电路：集成电路：将多个电子元件集成在一个硅衬底上的电路。 第第1 1章章 半导体工业半导体工业随着技术的进步，集成电路总体发展趋势是：随着技术的进步，集成电路总体发展趋势是：1 1） 集成度不断提高集成度不断提高2 2） 运算速度不断增快运算速度不断增快3 3） 价格更

5、加低廉价格更加低廉可以总结为（更小更快更低廉）可以总结为（更小更快更低廉） 第第1 1章章 半导体工业半导体工业包括5个独立的制造阶段 硅片制备硅片制备 将硅从沙中提炼出来，炼成适当直径的硅锭，然后切割 成薄硅片 硅片制造硅片制造 经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂等工艺，在硅片上刻蚀成永久的一套集成电路 硅片测试硅片测试/ /拣选拣选 对单个芯片进行探测和电学测试，对有缺陷的芯片作标记 装配与封装装配与封装 将芯片与硅片分离，利用压焊或抽空形成装配包，密封在塑料或陶瓷壳内，最后根据需要封装 终测终测 对每一片集成电路进行功能测试 第第1 1章章 半导体工业半导体工业 第第1 1章章 半导体

6、工业半导体工业 第第1 1章章 半导体工业半导体工业3.3.硅片测试硅片测试/ /拣选拣选探测、测试硅片上的每一个芯片，剔除缺陷芯片探测、测试硅片上的每一个芯片，剔除缺陷芯片 第第1 1章章 半导体工业半导体工业4.4.装配与封装装配与封装切割芯片并进行压焊与包封切割芯片并进行压焊与包封 第第1 1章章 半导体工业半导体工业5.5.终测终测进行电学和环境测试进行电学和环境测试 第第1 1章章 半导体工业半导体工业半导体制造的三个趋势：半导体制造的三个趋势： 提高芯片性能提高芯片性能提高芯片可靠性提高芯片可靠性降低芯片成本降低芯片成本解决途径解决途径在单位尺寸的芯片上制造更多的元器件，这样可以加

7、大存储量、提高在单位尺寸的芯片上制造更多的元器件，这样可以加大存储量、提高速度、降低功耗和成本（摩尔定律）速度、降低功耗和成本（摩尔定律）引入新的制造技术和装备（引入新的制造技术和装备（18-2418-24个月一项重大新技术）个月一项重大新技术） 第第1 1章章 半导体工业半导体工业关键尺寸关键尺寸 指芯片上的最小物理尺寸，它的大小反映制造水平的高低CD一直在缩小，有时也叫它“技术节点”CD缩小可以提高芯片性能芯片上尺寸减小时是按比例进行的，不可能仅单一地减少某一特征尺寸198819921995199719992001200220052008CDum1.00.50.350.250.180.15

8、0.130.100.04 第第1 1章章 半导体工业半导体工业 第第1 1章章 半导体工业半导体工业增加每块芯片上的元件数量增加每块芯片上的元件数量 在单位尺寸的芯片上制造更多的元器件，在单位尺寸的芯片上制造更多的元器件，这样可以加大存储量、提高速度、降低功耗和成本这样可以加大存储量、提高速度、降低功耗和成本摩尔定律摩尔定律 摩尔在摩尔在1965年文章中指出，芯片中的晶体管和电阻器的数量年文章中指出，芯片中的晶体管和电阻器的数量每年会翻番，原因是工程师可以不断缩小晶体管的体积。这就意味着，每年会翻番，原因是工程师可以不断缩小晶体管的体积。这就意味着，半导体的性能与容量将以指数级增长，并且这种增

9、长趋势将继续延续下半导体的性能与容量将以指数级增长，并且这种增长趋势将继续延续下去。去。1975年，摩尔又修正了这一定律，他认为，每隔年，摩尔又修正了这一定律，他认为，每隔24个月，晶体管的个月，晶体管的数量将翻番。数量将翻番。 这篇文章发表的时候，芯片上的元件大约只有这篇文章发表的时候，芯片上的元件大约只有60个，而现在，英特尔最新的个，而现在，英特尔最新的Itanium芯片上已经有芯片上已经有17亿个硅晶体管。亿个硅晶体管。1997199920012003200520072009元件数106102040802006001700 第第1 1章章 半导体工业半导体工业 第第1 1章章 半导体工

10、业半导体工业通过元器件的微小化来降低功耗尽管每块芯片的元件数量迅速增加，但每片芯片的功耗却以低得多速率增长 第第1 1章章 半导体工业半导体工业与芯片尺寸的减小趋势一致l原因1：尺寸减小和批量生产l原因2：产品市场的迅速扩大 第第1 1章章 半导体工业半导体工业1947年，第一个锗晶体管，贝尔实验室1954年硅晶体管，德州仪器公司1958年第一个集成电路问世 德州仪器/仙童公司制造商增加,寻求解决基本工艺的时代。1961年仙童公司；1968年英特尔公司1969年先进器件(AMD)公司，IBM和HP也加入这一行列按批加工的手工工艺（成品率5%-30%）专用设备出现1977年半导体行业协会（SIA

11、）成立，标准诞生日本变为半导体制造强国，1979年占全球40% 第第1 1章章 半导体工业半导体工业PC机的出现使芯片的需求迅速增大面对日本的压力，美国以国防部牵头，成立美国半导体制造技术战略联盟（SEMATECH），目标是开发制造设备和制定行业规范，1999年改为International SEMATECH（国际半导体制造技术战略联盟）造设备实现了自动化，此时建一个制造厂已需10亿美元CD进入亚微米尺度CD=0.1um工艺增加到450多道芯片多层互连（可达8层）生产高度自动化（全部隔离、遥控） 第第1 1章章 半导体工业半导体工业市场需求迅速加大，除PC机外，手机、家电、嵌入式仪器仪表等迅速

12、增加纳米时代：CD=40nm国际合作迅速极强，台湾、韩国异军突起，中国加入行业竞争队伍 第第1 1章章 半导体工业半导体工业硅片制造技师：操作制造设备，基本设备维护和故障查询设备技师：查询设备故障并维护，需要专门进行培训设备工程师：专门从事设备设计、改造工艺技师：查询工艺过程参数，并进行初步分析，擅长沟通表述， 数学及分析能力好工艺工程师：分析工艺参数并进行优化现场服务代表：设备制造厂常驻技术人员，安装、诊断、保证设备的运行实验室技师：开发新工艺并实验质量分析师：缺陷分析主管/经理：生产运行，组织 第第1 1章章 半导体工业半导体工业 第第1 1章章 半导体工业半导体工业生产流程与生产周期 第

13、第1 1章章 半导体工业半导体工业制造业是如何分类的？为何说半导体制造技术是信息产业的技术基础？何谓N型和P型半导体？什么是硅片?它是如何加工的？简述“集成电路”及其发展过程简述集成电路的5个制造步骤半导体制造技术的发展趋势是什么？简述电子时代的发展历程说出半导体制造业中的几个职业 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性原子由电子、质子和中子组成电子：带负电，绕核沿固定轨道旋转各个电子包含K-Q的7个不同壳层的轨道，每壳层的轨道能量不同，即具有不同的电子能级最外部层叫做价电子层，位于价电子层的电子叫价电子，具有最高能级状态，价电子层最多允许8个电子，1个最易失去，7个最易获得。质子：带正

14、电，位于核内，与电子数量相等中子：不带电，位于核内，使原子的质量不同 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性1 1个价电子的钠原子最易失去价电子个价电子的钠原子最易失去价电子7 7个价电子的氯原子最易获得价电子个价电子的氯原子最易获得价电子 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性价带与导带之间存在一个禁带宽度。禁带宽度为失去电子所需价带与导带之间存在一个禁带宽度。禁带宽度为失去电子所需的能量的能量绝缘体：绝缘体：禁带宽度具有较高能级，通常大于2eV，所以电子从价带移动到导带很困难。导体：导体：禁带宽度具有很小能级，基本交叠。半导体：半导体：禁带宽度介于导体与绝缘体之间，硅：1.11

15、eV 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性 离子：当一个原子失去或获得离子：当一个原子失去或获得1 1个或多个电子时叫作离子个或多个电子时叫作离子失去电子时带正电，叫作阳（正）离子得到电子时带负电，叫作阴（负）离子价电子从一个原子转移到另一个原子时，形成离子键，不稳定的元素容易形成离子键钠（Na）价层具有1个原子，具有高腐蚀性。氯（Cl）价层具有7个原子，也不稳定。它与钠具有亲和力，易形成离子键。氧化：失去电子还原：得到电子 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性 共价键：不同元素的原子共有价层电子，通过共有电子完全填充共价键：不同元素的原子共有价层电子，通过共有电子完全填充各自

16、价层而变得稳定，形成共价键各自价层而变得稳定，形成共价键如HCl，由氢H和氯Cl原子形成共价键组成与离子键不同的是两个原子要分享共价电子 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性根据材料的导电特性，材料可以分为导体、绝缘体和半导体导体：高电流传导能力导体：高电流传导能力铜Cu有29个电子，只有一个价电子，且距离原子核相对较远，所以是一种优质导体 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性绝缘体：非常低的电流传导能力，也叫电介质。如橡胶、玻璃、陶瓷和塑料等通常用电容和介电常数来表征绝缘体的电学性能 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性半导体半导体 电流传导能力介于导体和绝缘体之间，

17、如硅和锗等，目前硅占绝对统治地位。硅有4个价电子，数目正好在优质导体（1个）和绝缘体（8个）之间它是一种硬脆性材料，与玻璃相似，可以抛光成镜面。熔点1412 oC锗是最先使用的半导体材料,但因为硅具有以下优点:含量丰富,第二位,占地壳成分的25%熔点远高于锗(937 oC),这允许使用一些高温工艺进行加工元器件工作温度可以更高表面具有自然生成氧化硅SiO2的能力, SiO2是很好的绝缘体,且具有与硅类似的机械性质、允许高温能力，不易使硅片产生翘曲。 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性半导体半导体 电流传导能力介于导体和绝缘体之间，如硅和锗等，目前硅占绝对统治地位。硅有4个价电子，数目

18、正好在优质导体（1个）和绝缘体（8个）之间它是一种硬脆性材料，与玻璃相似，可以抛光成镜面。熔点1412 oC锗是最先使用的半导体材料,但因为硅具有以下优点:含量丰富,第二位,占地壳成分的25%熔点远高于锗(937 oC),这允许使用一些高温工艺进行加工元器件工作温度可以更高表面具有自然生成氧化硅SiO2的能力, SiO2是很好的绝缘体,且具有与硅类似的机械性质、允许高温能力，不易使硅片产生翘曲。 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性纯硅：没有杂质或其它物质污染的本征硅，它的原子通过共价键共纯硅：没有杂质或其它物质污染的本征硅，它的原子通过共价键共享电子结合在一起，使价电子层完全填充。享

19、电子结合在一起，使价电子层完全填充。纯硅是绝缘体，不是可用的半导体。纯硅是绝缘体，不是可用的半导体。多个原子整齐排列形成三维结构多个原子整齐排列形成三维结构晶体。是光滑、透明的固体，晶体。是光滑、透明的固体，如玻璃。纯硅也是晶体。如玻璃。纯硅也是晶体。同族元素各层电子数目：（2、8、18、32、32、10、2）碳：2、4硅：2、8、4锗：2、8、18、4锡：2、8、18、18、4铅： 2、8、18、32、18、4 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性掺杂硅掺杂硅：在纯硅中掺杂少许其它元素物质，成掺杂剂或杂质。本征硅的结构发生变化，导电性显著加强。（掺杂硅也叫非本征硅纯硅电阻率2.5 1

20、05cm掺杂百万分之一的砷，电阻率0.2cm*控制掺杂的浓度可以控制半导体材料的电阻率。*向本征硅中掺入杂质，改变其导电性是固体半导体技术的本质问题*掺杂剂材料：硅位于元素周期表的IVA族，有4个价电子。其相邻2族IIIA和VA元素具有3个和5个价电子，是常用的掺杂材料。3价掺杂增加了空穴数（正掺杂，P型），掺杂剂叫受主（得到一个电子）5价掺杂增加了电子数（负掺杂，N型），掺杂剂叫施主（贡献一个电子） 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性N N型硅型硅 导电电子多于价带空穴，掺入了导电电子多于价带空穴，掺入了5价掺杂剂价掺杂剂 第第2 2章章 半导体材料特性半导体材料特性P P型硅型硅 导电空穴多于价带电子，掺入了导电空穴多于价带电子，掺入了