半導(dǎo)體制造技術(shù)第一章：緒論

1、 n教材：教材： 半導(dǎo)體制造技術(shù)半導(dǎo)體制造技術(shù)中文版，韓鄭生等譯，中文版，韓鄭生等譯， 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 2004，國(guó)外電子與通信教材系列。，國(guó)外電子與通信教材系列。 n參考教材：參考教材： 1.集成電路工藝基礎(chǔ)集成電路工藝基礎(chǔ)，王陽(yáng)元等編著，高等教育出，王陽(yáng)元等編著，高等教育出 版社。版社。 2.微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)，Stephen A. Campbell著，電子工業(yè)出版社。著，電子工業(yè)出版社。 3.集成電路制造技術(shù)集成電路制造技術(shù)原理與實(shí)踐原理與實(shí)踐，莊同曾編，電，莊同曾編，電 子工業(yè)出版社。子工業(yè)出版社。 * S.M. Sze, VLSI

2、Technology，2nd Edition, McGraw-Hill n總學(xué)時(shí)數(shù)：總學(xué)時(shí)數(shù)：32學(xué)時(shí)學(xué)時(shí) n每周一、三的上午第每周一、三的上午第3、4節(jié)節(jié) n相關(guān)課程：相關(guān)課程： “集成電路原理集成電路原理” “微電子器件微電子器件” “集成電路工藝實(shí)驗(yàn)集成電路工藝實(shí)驗(yàn)” 1.提高到課率和聽(tīng)課率，嚴(yán)格考勤、實(shí)行請(qǐng)假提高到課率和聽(tīng)課率，嚴(yán)格考勤、實(shí)行請(qǐng)假 制度制度 2.采取采取“教學(xué)互動(dòng)教學(xué)互動(dòng)”的教學(xué)方式，歡迎用電子的教學(xué)方式，歡迎用電子 郵件傳送疑難問(wèn)題郵件傳送疑難問(wèn)題 3.考試方式：閉卷，平時(shí)成績(jī)（到課率、交作考試方式：閉卷，平時(shí)成績(jī)（到課率、交作 業(yè)）占業(yè)）占30，期末考試，期末考試7

3、0 n任課教師：張國(guó)俊任課教師：張國(guó)俊 電子郵箱：電子郵箱： 電話：電話：02883207780 n任課教師：伍榮翔任課教師：伍榮翔 電子郵箱：電子郵箱： 電話：電話：028 83205760 IC費(fèi)用費(fèi)用 12英寸英寸8英寸英寸6英寸英寸 45 nm 90 nm 0.18 m 0.5 m 0.5 m 1.0 m 制版費(fèi)制版費(fèi) （每套）（每套） 450 萬(wàn)元萬(wàn)元 250 萬(wàn)元萬(wàn)元 190 萬(wàn)元萬(wàn)元 20 萬(wàn)元萬(wàn)元 12 萬(wàn)元萬(wàn)元 流片費(fèi)流片費(fèi) （每晶圓）（每晶圓） 1.0 萬(wàn)元萬(wàn)元 0.7 萬(wàn)元萬(wàn)元 0.5 萬(wàn)元萬(wàn)元 單位：萬(wàn)元人民幣單位：萬(wàn)元人民幣 集成電路產(chǎn)業(yè)是以集成電路產(chǎn)業(yè)是以IC設(shè)計(jì)業(yè)

4、、設(shè)計(jì)業(yè)、IC芯片制造業(yè)、芯片制造業(yè)、IC封封 裝測(cè)試業(yè)等三業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。裝測(cè)試業(yè)等三業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)。 ICIC設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 市場(chǎng)市場(chǎng)ICIC芯片制造芯片制造 ICIC封裝測(cè)試封裝測(cè)試 ICIC支撐支撐 仿真軟件公司 硅片材料廠 半導(dǎo)體設(shè)備廠 測(cè)試儀器公司 IDM（Integrated Device Manufacturer）模式）模式 同一家公司完成所有流程同一家公司完成所有流程 Fabless + Foundry模式模式 IC設(shè)計(jì)公司（設(shè)計(jì)公司（Fabless）：負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和市場(chǎng)。）：負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和市場(chǎng)。 IC代工廠（代工廠（Foundry）：負(fù)責(zé)芯片制造。）：負(fù)責(zé)芯片制造。 IC封裝測(cè)試

5、公司：負(fù)責(zé)封裝測(cè)試。封裝測(cè)試公司：負(fù)責(zé)封裝測(cè)試。 2011年半導(dǎo)體公司排名（年半導(dǎo)體公司排名（Foundry除外）除外） 排名排名公司名稱公司名稱發(fā)源地發(fā)源地類型類型銷售額（億美元）銷售額（億美元） 1Intel美國(guó)IDM497 2Samsung Electronics韓國(guó)IDM292 3Texas Instruments美國(guó)IDM141 4Toshiba日本IDM134 5Renesas Electronics日本IDM112 6Qualcomm美國(guó)Fabless101 7STMicroelectronics法國(guó)、意大利IDM98 8Hynix韓國(guó)IDM89 9Micro Technolog

6、y美國(guó)IDM73 10Broadcom美國(guó)Fabless72 Others1505 Total3114 2011年半導(dǎo)體年半導(dǎo)體Foundry排名排名 排名排名公司名稱公司名稱發(fā)源地發(fā)源地類型類型銷售額（億美元）銷售額（億美元） 1TSMC臺(tái)灣pure-play146.0 2UMC臺(tái)灣pure-play37.6 3Global Foundries美國(guó)pure-play35.8 4Samsung Semiconductor韓國(guó)IDM19.8 5SMIC中國(guó)pure-play13.2 6Tower Jazz以色列pure-play6.1 7Vanguard (VIS)臺(tái)灣pure-play5.2

7、8Dongbu HiTek韓國(guó)pure-play5.0 9IBM美國(guó)IDM4.5 10Magna Chip韓國(guó)IDM3.5 11SSMC新加坡pure-play3.5 12Hua Hong NEC中國(guó)pure-play3.4 排名排名企業(yè)名稱企業(yè)名稱銷售額（億元）銷售額（億元）占行業(yè)收入比占行業(yè)收入比 1華大集成電路設(shè)計(jì)集團(tuán)華大集成電路設(shè)計(jì)集團(tuán)14.616.5% 2海思半導(dǎo)體海思半導(dǎo)體12.95.7% 3展訊通信展訊通信11.064.9% 4大唐微電子大唐微電子10.794.8% 5珠海炬力珠海炬力8.783.9% 6無(wú)錫華潤(rùn)矽科無(wú)錫華潤(rùn)矽科8.53.8% 7杭州士蘭微杭州士蘭微8.23.6%

8、 8北京中星微電子北京中星微電子7.063.1% 9上海華虹上海華虹6.833.0% 10清華同方微電子清華同方微電子4.572.0% 2007年中國(guó)年中國(guó)IC設(shè)計(jì)銷售額前十位企業(yè)排名設(shè)計(jì)銷售額前十位企業(yè)排名 體積大 重量重 功耗高 可靠性差 無(wú)真空無(wú)真空 體積小體積小 重量輕重量輕 功耗低功耗低 可靠性高可靠性高 1947在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的固體晶體管在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的固體晶體管 晶體管的發(fā)明者（肖克萊、巴丁、布拉頓）晶體管的發(fā)明者（肖克萊、巴丁、布拉頓） 因此發(fā)明獲得諾貝爾獎(jiǎng)因此發(fā)明獲得諾貝爾獎(jiǎng) 1959年美國(guó)仙童公司的R.Noicy）開(kāi)發(fā)出 用于IC的Si平面工藝技術(shù)，從而推動(dòng)了IC制造業(yè)

9、 的大發(fā)展。 1959年仙童公司制造的年仙童公司制造的IC n集成電路時(shí)代集成電路時(shí)代 PGA （ Pin Grid Array Package）插針網(wǎng)格陣列封）插針網(wǎng)格陣列封 裝裝 DIP8 （dual in-line Package）8引腳雙列直插塑引腳雙列直插塑 料封裝料封裝 含芯片的硅片稱為集成電路硅片也稱為集成電路晶含芯片的硅片稱為集成電路硅片也稱為集成電路晶 圓圓 一種集成電路芯片一種集成電路芯片 Wafer preparation(硅片準(zhǔn)備硅片準(zhǔn)備) Wafer fabrication (硅片制造硅片制造) Wafer test/sort (硅片測(cè)試和揀選硅片測(cè)試和揀選) Ass

10、embly and packaging (裝配和封裝裝配和封裝) Final test(終測(cè)終測(cè)) Assembly and packaging (裝配和封裝裝配和封裝) 主要工序主要工序： 劃片劃片 粘片粘片 壓焊：鋁絲鍵合或金絲球焊壓焊：鋁絲鍵合或金絲球焊 封裝、封裝、 打印標(biāo)記打印標(biāo)記 nAssembly and packaging (裝配和封裝裝配和封裝) 一種完成裝配和封裝的一種完成裝配和封裝的MCU IC nAssembly and packaging (裝配和封裝裝配和封裝) 一種一種QFP（Quad Flat Pockage）方型扁平式封裝）方型扁平式封裝 IC晶圓測(cè)試系統(tǒng)晶圓

11、測(cè)試系統(tǒng) IC晶圓測(cè)試系統(tǒng)中的探針臺(tái)晶圓測(cè)試系統(tǒng)中的探針臺(tái) n提高芯片性能提高芯片性能減小特征尺寸，研發(fā)新材減小特征尺寸，研發(fā)新材 料料 n提高芯片可靠性提高芯片可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化，嚴(yán)格控制污設(shè)計(jì)優(yōu)化，嚴(yán)格控制污 染染 n降低芯片成本降低芯片成本提高集成度、增加硅片直提高集成度、增加硅片直 徑徑 硅片尺寸（硅片尺寸（Wafer Size）的不斷增大，使芯片的成）的不斷增大，使芯片的成 本逐漸降低本逐漸降低 目的：降低成本目的：降低成本 特征尺寸特征尺寸（ Critical Dimension,CD）的概念的概念 特征尺寸是芯片上的最小物理尺寸，是衡量工藝難度特征尺寸是芯片上的最小物理尺寸，是衡量工

12、藝難度 的標(biāo)志，代表集成電路的工藝水平。的標(biāo)志，代表集成電路的工藝水平。 在在CMOS技術(shù)中，特征尺寸通常指多晶硅柵的線寬技術(shù)中，特征尺寸通常指多晶硅柵的線寬 在雙極技術(shù)中，特征尺寸通常指接觸孔的尺寸在雙極技術(shù)中，特征尺寸通常指接觸孔的尺寸 加深對(duì)微尺度的印象加深對(duì)微尺度的印象 上一代，上一代，INTEL 32nm (2010)、TSMC 40nm (2009) 2012年，年， INTEL 22nm、TSMC 28nm技術(shù)已量產(chǎn)技術(shù)已量產(chǎn) 下一代：下一代：INTEL 14nm、TSMC 20nm 20042006200820102012 CD（nm)9065453222 1994199519

13、9719992002 CD（m)0.60.350.250.180.13 ITRS (國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖)技術(shù)節(jié)點(diǎn) n 摩爾定律：摩爾定律： IC 的集成度將每一年半翻一番（即每的集成度將每一年半翻一番（即每18個(gè)個(gè) 月增長(zhǎng)月增長(zhǎng)1倍）倍） （由（由Intel 公司創(chuàng)始人戈登公司創(chuàng)始人戈登.摩爾提出）摩爾提出） n IC 發(fā)展的另一些規(guī)律：發(fā)展的另一些規(guī)律： 建立一個(gè)芯片廠的造價(jià)也是每一年半翻一番。建立一個(gè)芯片廠的造價(jià)也是每一年半翻一番。 線條寬度每線條寬度每4 6 年下降一半。年下降一半。 集成薄膜電阻結(jié)構(gòu)集成薄膜電阻結(jié)構(gòu) l R A 集成擴(kuò)散電阻結(jié)構(gòu)集成擴(kuò)散電阻結(jié)構(gòu)-俯視圖及剖面圖俯視圖及剖

14、面圖 集成集成MOS電容結(jié)電容結(jié) 構(gòu)俯視圖及剖面圖構(gòu)俯視圖及剖面圖 A C d n除了信號(hào)，還需要額外電源定義工作點(diǎn)。除了信號(hào)，還需要額外電源定義工作點(diǎn)。 n用于控制電流方向，放大信號(hào)，并產(chǎn)生復(fù)用于控制電流方向，放大信號(hào)，并產(chǎn)生復(fù) 雜電路。雜電路。 n主要的有源器件：主要的有源器件： 集成二極管集成二極管 集成雙極晶體管集成雙極晶體管 集成集成MOS晶體管晶體管 集成集成CMOS器件器件 基于基于CMOS工藝工藝 基于雙極工藝基于雙極工藝 中等速度、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、模擬精度高、功耗較大中等速度、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、模擬精度高、功耗較大 速度高、驅(qū)動(dòng)能力低、功耗低、密度高、電源電速度高、驅(qū)動(dòng)能力低、功耗低、密度高、電源電 壓范圍寬、輸出電壓幅度寬、與壓范圍寬、輸出電壓幅度寬、與TTL電平兼容電平兼容 集上述兩種電路的優(yōu)點(diǎn)，但工藝復(fù)雜，制造成本集上述兩種電路的優(yōu)點(diǎn)，但工藝復(fù)雜，制造成本 高。高。 熔點(diǎn)熔點(diǎn)14141414o oC C，半導(dǎo)體禁帶寬度，半導(dǎo)體禁帶寬度1.12eV1.12eV 硅晶胞硅晶胞 多晶硅結(jié)構(gòu)多晶硅結(jié)構(gòu) 單晶硅結(jié)構(gòu)單晶硅結(jié)構(gòu) CZ單晶爐單晶爐 使用的材料使用的材料： 摻雜好的多摻雜好的多 晶硅棒晶硅棒 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 純度高純度高 含氧量低含氧量低 缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 硅片直徑比硅片直徑比 直拉的小直拉的小 晶向指數(shù)晶向指數(shù)： 晶向在以晶胞