工藝技術(shù)_集成電路工藝概述

集成電路工藝概述 課程介紹 普通高校專業(yè)學(xué)科目錄 1998版 01哲學(xué)02經(jīng)濟(jì)學(xué)03法學(xué)04教育學(xué)05文學(xué)06歷史學(xué)07理學(xué)08工學(xué)09農(nóng)學(xué)10醫(yī)學(xué)11管理學(xué) 0806電氣信息類080601電氣工程及其自動(dòng)化080602自動(dòng)化080603電子信息工程080604通信工程080605計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)080606電子科學(xué)與技術(shù)080607生物醫(yī)學(xué)工程 分設(shè)十一個(gè)學(xué)科門類 無(wú)軍事學(xué) 下設(shè)二級(jí)類71個(gè) 專業(yè)249種 電子科學(xué)與技術(shù) 專門研究電子科學(xué)理論及其應(yīng)用技術(shù)的學(xué)科 其研究的主要內(nèi)容是電子技術(shù)的核心理論制造電子元器件的材料 方法與工藝電路設(shè)計(jì)理論與應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)制造測(cè)試 電子科學(xué)與技術(shù)的基本內(nèi)容 1 電子元器件分立器件和集成器件如何設(shè)計(jì)出滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求的電子元器件2 電子材料半導(dǎo)體材料 金屬材料和非金屬材料采用什么樣的材料才能滿足工程實(shí)際的需要3 分析與設(shè)計(jì)基本理論電子材料的基本物理和化學(xué)性質(zhì) 元器件的基本工作原理等4 工程應(yīng)用技術(shù)與方法提供了最直接的應(yīng)用技術(shù) 是電子科學(xué)與技術(shù)理論研究和工程應(yīng)用技術(shù)聯(lián)系的紐帶 集成電路技術(shù)器件階段 集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)是支持技術(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是器件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)是器件組成系統(tǒng)基本工具是器件分析系和系統(tǒng)仿真SoC階段 集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)是基本應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是系統(tǒng)和電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)是系統(tǒng)集成技術(shù)基本工具是系統(tǒng)和電路模型的仿真分析 時(shí)間安排 每周4學(xué)時(shí) 16周 64學(xué)時(shí) 參考教材 網(wǎng)絡(luò) 中國(guó)電子頂級(jí)開發(fā)網(wǎng) 考核方法 20 平時(shí)成績(jī) 考勤 作業(yè) 平時(shí)表現(xiàn) 20 實(shí)驗(yàn)成績(jī)60 考試成績(jī) 開卷 課程作業(yè) 作業(yè)一1描述CZ拉單晶爐的工作原理 作業(yè)二2描述集成電路的制膜工藝原理 作業(yè)三3描述集成電路的圖形轉(zhuǎn)移工藝原理 作業(yè)四4描述集成電路的摻雜工藝原理 作業(yè)五5以反相器為例描述CMOS工藝流程 集成電路 2020 2 23 17 什么是集成電路 英文全稱IntegratedCircuit 縮寫IC通過(guò)一系列特定的加工工藝 將晶體管 二極管等有源器件和電阻 電容等無(wú)源器件 按照一定的電路互連 集成 在一塊半導(dǎo)體單晶片 如硅或砷化鎵 上 封裝在一個(gè)外殼內(nèi) 執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能 制造電子器件的基本半導(dǎo)體材料是圓形單晶薄片 稱為硅片或硅襯底 在硅片制造廠 由硅片生產(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品 又被稱為微芯片或芯片 2020 2 23 18 集成電路的內(nèi)部電路 2020 2 23 19 2020 2 23 20 50 m 100 m頭發(fā)絲粗細(xì) 30 m 1 m 1 m 晶體管的大小 30 50 m 皮膚細(xì)胞的大小 90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細(xì) 皮膚細(xì)胞大小的比較 一個(gè)工業(yè)的誕生 1906年 真空三極管 LeeDeforest 電信號(hào)處理工業(yè) 1947年 ENIAC1947年12月23日 晶體管 JohnBardeen WalterBrattin WilliamShockley 1956年諾貝爾物理獎(jiǎng) 固態(tài) 分立器件 半導(dǎo)體工業(yè) 世界第一個(gè)晶體管 2020 2 23 23 集成電路 集成電路是由Kilby和Noyce兩人于1959年分別發(fā)明 并共享集成電路的專利 19692000年 Kilby被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) Noyce去世10年 杰克 基爾比 JackKilby 德州儀器公司 TexasInstruments鍺 1959 2 第一塊集成電路的發(fā)明家 羅伯特 諾伊思 RobertNoyce 仙童半導(dǎo)體公司 FairchildSemiconductor硅 1959 7 30 提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論 2020 2 23 24 集成電路是怎么誕生的 早期的許多先驅(qū)者開始在北加利福尼亞州 現(xiàn)在以硅谷著稱的地區(qū) 1957年 在加利福尼亞州的帕羅阿托市 PaloAlto 的仙童半導(dǎo)體公司 FairchildSemiconductor 制造出第一個(gè)商用平面晶體管 它有一層鋁互連材料 這種材料被淀積在硅片的最頂層以連接晶體管的不同部分 從硅上熱氧化生長(zhǎng)的一層自然氧化層被用于隔離鋁導(dǎo)線 這些層的使用在半導(dǎo)體領(lǐng)域是一個(gè)重要發(fā)展 也是稱其為平面技術(shù)的原因 2020 2 23 25 半導(dǎo)體的集成時(shí)代 2020 2 23 26 半導(dǎo)體主要趨勢(shì) 提高芯片性能 速度 按比例縮小器件和使用新材料 關(guān)鍵尺寸 CD 芯片上的物理尺寸特征被稱為特征尺寸 硅片上的最小特征尺寸被稱為關(guān)鍵尺寸或CD 技術(shù)節(jié)點(diǎn)每塊芯片上的元件數(shù)摩爾定律功耗提高芯片可靠性浴盆曲線降低芯片成本 集成電路的5個(gè)制造階段 集成電路的5個(gè)制造階段 第1階段 硅片制備 2020 2 23 30 第2階段 硅片制造 裸露的硅片到達(dá)硅片制造廠 然后經(jīng)過(guò)各種清洗 成膜 光刻 刻蝕和摻雜步驟 加工完的硅片具有永久刻蝕在硅片上的一整套集成電路 IDMfablessfoundry半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)總是處于設(shè)備設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的前沿 2020 2 23 31 第3階段 硅片的測(cè)試 揀選 硅片制造完成后 硅片被送到測(cè)試 揀選區(qū) 在那里進(jìn)行單個(gè)芯片的探測(cè)和電學(xué)測(cè)試 然后揀選出可接受和不可接受的芯片 并為有缺陷的芯片做標(biāo)記 通過(guò)測(cè)試的芯片將繼續(xù)進(jìn)行以后的工藝 2020 2 23 32 第4階段 裝配和封裝 把單個(gè)芯片包裝在一個(gè)保護(hù)管殼內(nèi) DIP 2020 2 23 33 第5階段 終測(cè) 為確保芯片的功能 要對(duì)每一個(gè)封裝的集成電路進(jìn)行測(cè)試 以滿足制造商的電學(xué)和環(huán)境的特性參數(shù)要求 至此 集成電路制造完成 晶圓制造廠 晶圓 在亞微米CMOSIC制造廠典型的硅片流程模型 2020 2 23 38 擴(kuò)散區(qū) 擴(kuò)散區(qū)一般認(rèn)為是進(jìn)行高溫工藝及薄膜淀積的區(qū)域 主要設(shè)備 高溫?cái)U(kuò)散爐 1200 左右 能完成氧化 擴(kuò)散 淀積 退火以及合金等多種工藝流程 濕法清洗設(shè)備 輔助 硅片在放入高溫爐之前必須進(jìn)行徹底的清洗 以去除硅片表面的沾污以及自然氧化層 2020 2 23 40 光刻區(qū) 光刻的本質(zhì)是把 臨時(shí) 電路圖形復(fù)制到覆蓋于硅片表面的光刻膠上 黃色熒光管照明主要設(shè)備步進(jìn)光刻機(jī) steper 涂膠 顯影設(shè)備 coater developertrack 清洗裝置和光刻膠剝離機(jī) 光刻工藝模塊示意圖 2020 2 23 42 刻蝕區(qū) 刻蝕是在硅片上沒有光刻膠保護(hù)的地方留下永久的圖形 一旦材料被錯(cuò)誤刻蝕去掉 在刻蝕過(guò)程中所犯的錯(cuò)誤將難以糾正 只能報(bào)廢硅片 帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失 主要設(shè)備 等離子體刻蝕機(jī) 濕法 干法 等離子去膠機(jī)濕法清洗設(shè)備 干法等離子體刻蝕機(jī)示意圖 2020 2 23 44 離子注入?yún)^(qū) 離子注入機(jī)是亞微米工藝中常見的摻雜工具 主要設(shè)備 離子注入機(jī)等離子去膠機(jī)濕法清洗設(shè)備 薄膜生長(zhǎng)區(qū) 主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)各個(gè)步驟當(dāng)中的介質(zhì)層和金屬層的淀積 薄膜生長(zhǎng)中所采用的溫度低于擴(kuò)散區(qū)中設(shè)備的工作溫度 主要設(shè)備 中低真空環(huán)境 CVDPVDSOG RTP 濕法清洗設(shè)備 CVD多腔集成設(shè)備和工藝腔的示意圖 2020 2 23 48 拋光區(qū) 化學(xué)機(jī)械平坦化 CMP 工藝的目的是使硅片表面平坦化 通過(guò)將硅片表面突出的部分減薄到下凹部分的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)的 主要設(shè)備 拋光機(jī)刷片機(jī) waferscrubber 清洗裝置 測(cè)量裝置 典故 威廉 肖克利 WilliamShockely 晶體管之父 1910 1989 1947 點(diǎn)接觸晶體管 1950 面結(jié)型晶體管肖克利實(shí)驗(yàn)室 1955 1968 圣克拉拉谷 硅谷 1956 諾貝爾物理獎(jiǎng)1957 八判逆1958 斯坦福大學(xué)1963 斯坦福大學(xué)70年代 人種學(xué)和優(yōu)生學(xué) 肖克利博士非凡的商業(yè)眼光 成就了硅谷 肖克利博士拙劣的企業(yè)才能 創(chuàng)造了硅谷 天才與廢物 硅谷的第一公民 硅谷第一棄兒 八叛逆 TheTraitorousEight 1955年 晶體管之父 威廉 肖克利 離開貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建肖克利實(shí)驗(yàn)室 他吸引了很多富有才華的年輕科學(xué)家加盟 但是很快 肖克利的管理方法和怪異行為引起員工的不滿 其中八人決定一同辭職 他們是羅伯特 諾依斯 戈登 摩爾 朱利亞斯 布蘭克 尤金 克萊爾 金 赫爾尼 杰 拉斯特 謝爾頓 羅伯茨和維克多 格里尼克 被肖克利稱為 八叛逆 八人接受位于紐約的仙童攝影器材公司的資助 于1957年 創(chuàng)辦了仙童半導(dǎo)體公司 喬布斯 仙童半導(dǎo)體公司就象個(gè)成熟了的蒲公英 你一吹它 這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風(fēng)四處飄揚(yáng)了 硅谷人才搖籃 八叛逆在FairchildSemiconductor 1959年 從左至右GordonMoore SheldonRoberts EugeneKleiner RobertNoyce VictorGrinich JuliusBlank JeanHoerniJayLast 1968 INTEL 杰里 桑德斯 J Sanders AMD 查爾斯 斯波克 C Sporck NSC 2011年 臺(tái)灣成為全球最大半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)地 根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)ICInsights調(diào)查統(tǒng)計(jì) 2011年全球半導(dǎo)體晶圓總月產(chǎn)能達(dá)13 617 8千片8寸約當(dāng)晶圓 其中臺(tái)灣晶圓月產(chǎn)能達(dá)2 858 3千片8寸約當(dāng)晶圓 占全球半導(dǎo)體總產(chǎn)能達(dá)21 躍居第1大生產(chǎn)國(guó) 原本是全球最大晶圓生產(chǎn)國(guó)的日本 月產(chǎn)能達(dá)2 683 6千片8寸約當(dāng)晶圓 市占率達(dá)19 7 位居第2大生產(chǎn)國(guó) 韓國(guó)則以2 293 5千片8寸約當(dāng)晶圓月產(chǎn)能 位居第3大生產(chǎn)國(guó) 市占率達(dá)16 8 美國(guó)月產(chǎn)能達(dá)1 995 1千片8寸約當(dāng)晶圓 市占率降至14 7 是全球第4大生產(chǎn)國(guó) 臺(tái)積電 聯(lián)電 芯片制造 半導(dǎo)體工藝制程實(shí)用教程 第1章半導(dǎo)體工業(yè) 1 1一個(gè)工業(yè)的誕生 1906 LeeDeforest 真空三極管 電信號(hào)處理工業(yè) 1947 ENIAC 1947 12 23 貝爾實(shí)驗(yàn)室的Johnbardeen WalterBrattin和WilliamShockley 晶體管 1 2固態(tài)時(shí)代 晶體管二級(jí)管電容器電阻器分立器件 1 3集成電路 1959 TI的JackKilby 鍺 集成電路1959 Fairchild的RobertNoyce 硅 集成電路兩者共享集成電路專利 1 4工藝和產(chǎn)品趨勢(shì) 工藝和結(jié)構(gòu)摩爾定律 1 5特征圖形尺寸的縮小 特征圖形尺寸CD 1 6芯片和晶圓尺寸的增大 ChipWafer 1 7缺陷密度的減小 缺陷尺寸缺陷密度 1 8內(nèi)部連線水平的提高 多層連線 1 9SIA的發(fā)展方向 未來(lái)技術(shù)路線圖 1 10芯片成本 工藝產(chǎn)品成本價(jià)格性能 1 11半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展 附加值最高的工業(yè) 1 12半導(dǎo)體工業(yè)的構(gòu)成 半導(dǎo)體和系統(tǒng) 或產(chǎn)品 三類芯片供應(yīng)商IDMFoundryFabless 1 6生產(chǎn)階段 1材料準(zhǔn)備2晶體生長(zhǎng)和晶圓準(zhǔn)備3晶圓制造和分選4封裝5終測(cè) 1 14結(jié)型晶體管 PN結(jié) 晶體管雙極型器件FET MOS單極性器件貝爾實(shí)驗(yàn)室 1956擴(kuò)散結(jié)1957氧化掩膜 硅 1 15工業(yè)發(fā)展的50年 50年代 黃金時(shí)期 工藝 材料 公司 價(jià)格 60年代 成熟工業(yè) 塑封 IFET CMOS70年代 投射光刻機(jī) 潔凈間 離子注入機(jī) 步進(jìn)光刻機(jī) 自動(dòng)化80年代 全程自動(dòng)化 1um90年代 銅 開發(fā)的十年 1951 1960 基本工藝和材料 黃金十年 雙極型和單極型設(shè)備和材料的問題內(nèi)部解決 工藝的十年 1961 1970 價(jià)格下降的趨勢(shì)形成 新老公司交替高產(chǎn)量的工藝 低價(jià)格的芯片設(shè)備和材料的問題導(dǎo)致半導(dǎo)體特殊供應(yīng)商形成塑料封裝1963實(shí)驗(yàn)室小批量生產(chǎn) 設(shè)備的十年 1971 1980 MSI LSI 膜板引起的缺陷 接觸式光刻機(jī)造成的晶圓損傷