半導體制造技術第一章：緒論

集成電路工藝電子科技大學微電子與固體電子學院

張國俊、伍榮翔主講課程介紹“集成電路工藝”是一門非常重要的專業(yè)基礎課，微電子器件和集成電路的設計完成后都需要通過集成電路工藝來實現(xiàn)，了解工藝能夠更深入理解器件物理和器件、電路的設計規(guī)則。掌握了集成電路工藝，會大大提高器件與電路設計的成功率。課程安排教材：

《半導體制造技術》中文版，韓鄭生等譯，電子工業(yè)出版社2004，國外電子與通信教材系列。參考教材：

1.《集成電路工藝基礎》，王陽元等編著，高等教育出版社。

2.《微電子制造科學原理與工程技術》，StephenA.Campbell著，電子工業(yè)出版社。

3.《集成電路制造技術—原理與實踐》，莊同曾編，電子工業(yè)出版社。*S.M.Sze,VLSITechnology，2ndEdition,McGraw-Hill課程安排總學時數(shù)：32學時每周一、三的上午第3、4節(jié)相關課程：

“集成電路原理”

“微電子器件”

“集成電路工藝實驗”課程安排主要內容：第一章：緒論（3學時）第二章：氧化（3學時）第三章：擴散（2學時）第四章：離子注入（3學時）第五章：光刻（4學時）第六章：刻蝕（3學時）課程安排第七章：沉積（3學時）第八章：蒸發(fā)與濺射（3學時）第九章：化學機械拋光（1學時）第十章：工藝集成（5學時）復習：（2學時）課程目標了解半導體產業(yè)的發(fā)展動態(tài)；理解集成電路制造的先進工藝技術；掌握氧化、光刻、刻蝕、擴散、離子注入、沉積等各種單項工藝技術的基本原理、方法和主要特點；掌握工藝集成的特點以及集成電路制造的基本工藝流程。上課要求1.提高到課率和聽課率，嚴格考勤、實行請假制度2.采取“教學互動”的教學方式，歡迎用電子郵件傳送疑難問題3.考試方式：閉卷，平時成績（到課率、交作業(yè)）占30％，期末考試70％任課教師：張國俊電子郵箱：zgj@

電話：028－83207780任課教師：伍榮翔電子郵箱：eewurx@

電話：028

－83205760第一章：緒論本章主要內容

§1.1半導體產業(yè)介紹（書中第1章）

§1.2器件技術（書中第3章）

§1.3硅和硅片制備（書中第4章）

§1.1半導體產業(yè)介紹

本節(jié)目錄1.產業(yè)的地位及重要性2.集成電路產業(yè)的特點3.集成電路產業(yè)結構及分工4.我國集成電路產業(yè)發(fā)展情況5.產業(yè)技術發(fā)展6.集成電路制造7.集成電路的發(fā)展趨勢§1.1半導體產業(yè)介紹概念介紹半導體產業(yè)：

與半導體器件的設計和制造相關的產業(yè)。集成電路（IntegratedCircuit，IC）

集成在一塊半導體材料上的功能電路。半導體產業(yè)≈集成電路產業(yè)

§1.1半導體產業(yè)介紹1.產業(yè)的地位及重要性以半導體產業(yè)為核心的電子信息產業(yè)是全球第一大產業(yè)，占全球GDP的10%。

半導體產業(yè)：3000億美元

電子整機業(yè)務：12000億美元

電子信息服務業(yè)：50000億美元戰(zhàn)略產業(yè)，衡量一個國家綜合國力的重要標志§1.1半導體產業(yè)介紹2.半導體產業(yè)的特點投資大風險高更新?lián)Q代快產品的性價比越來越高

2007年的數(shù)據(jù)：投資建線費用：8英寸10億美元；12英寸15億美元運轉費用：8英寸線：100萬元/天§1.1半導體產業(yè)介紹IC一次流片的費用：IC費用12英寸8英寸6英寸45nm90nm0.18μm0.5μm0.5μm1.0μm制版費（每套）450萬元250萬元190萬元20萬元12萬元流片費（每晶圓）—1.0萬元0.7萬元0.5萬元單位：萬元人民幣

3.集成電路產業(yè)結構及分工集成電路產業(yè)是以IC設計業(yè)、IC芯片制造業(yè)、IC封裝測試業(yè)等三業(yè)為主的產業(yè)鏈結構?！?.1半導體產業(yè)介紹IC設計市場IC芯片制造IC封裝測試IC支撐仿真軟件公司硅片材料廠半導體設備廠測試儀器公司

3.集成電路產業(yè)結構及分工IDM（IntegratedDeviceManufacturer）模式

同一家公司完成所有流程Fabless+Foundry模式 IC設計公司（Fabless）：負責設計和市場。 IC代工廠（Foundry）：負責芯片制造。 IC封裝測試公司：負責封裝測試?！?.1半導體產業(yè)介紹

3.集成電路產業(yè)結構及分工2011年半導體公司排名（Foundry除外）§1.1半導體產業(yè)介紹排名公司名稱發(fā)源地類型銷售額（億美元）1Intel美國IDM4972SamsungElectronics韓國IDM2923TexasInstruments美國IDM1414Toshiba日本IDM1345RenesasElectronics日本IDM1126Qualcomm美國Fabless1017STMicroelectronics法國、意大利IDM988Hynix韓國IDM899MicroTechnology美國IDM7310Broadcom美國Fabless72Others1505Total3114

3.集成電路產業(yè)結構及分工2011年半導體Foundry排名§1.1半導體產業(yè)介紹排名公司名稱發(fā)源地類型銷售額（億美元）1TSMC臺灣pure-play146.02UMC臺灣pure-play37.63GlobalFoundries美國pure-play35.84SamsungSemiconductor韓國IDM19.85SMIC中國pure-play13.26TowerJazz以色列pure-play6.17Vanguard(VIS)臺灣pure-play5.28DongbuHiTek韓國pure-play5.09IBM美國IDM4.510MagnaChip韓國IDM3.511SSMC新加坡pure-play3.512HuaHongNEC中國pure-play3.4§1.1半導體產業(yè)介紹4.我國集成電路產業(yè)發(fā)展情況■

中國半導體市場規(guī)模：2010年7350億元—

全球第一大半導體市場（44%)?！黾呻娐吩O計業(yè)1986年我國第一家專業(yè)設計公司成立IC設計單位近500家，設計業(yè)人員超過5萬人§1.1半導體產業(yè)介紹排名企業(yè)名稱銷售額（億元）占行業(yè)收入比1華大集成電路設計集團14.616.5%2海思半導體12.95.7%3展訊通信11.064.9%4大唐微電子10.794.8%5珠海炬力8.783.9%6無錫華潤矽科8.53.8%7杭州士蘭微8.23.6%8北京中星微電子7.063.1%9上海華虹6.833.0%10清華同方微電子4.572.0%2007年中國IC設計銷售額前十位企業(yè)排名

§1.1半導體產業(yè)介紹■

集成電路芯片制造業(yè)20世紀90年代我國先后建成第一條6英寸和8英寸IC生產線（分別是908工程無錫華晶項目和909工程上海華虹NEC項目）2007年國內已經有集成電路芯片制造企業(yè)近50家，擁有各類集成電路芯片生產線50條§1.1半導體產業(yè)介紹國內主要集成電路芯片制造企業(yè)：

上海華虹NEC

中芯國際（上海、北京、成都）上海先進上海宏力上海貝嶺臺積電（上海、深圳）無錫海力士意法蘇州和艦常州柏瑪無錫華潤上華摩托羅拉（天津）§1.1半導體產業(yè)介紹■

集成電路封裝測試業(yè)國內主要封裝測試企業(yè)：江蘇長電、天水華天科技、南通富士通、Intel、Infineon、Samsung、Fairchild等IC封裝測試企業(yè)超過70家，2007年國內集成電路總封裝能力超過500億塊

5.產業(yè)技術發(fā)展真空管時代（20世紀40年代前）體積大重量重功耗高可靠性差§1.1半導體產業(yè)介紹固體晶體管時代（20世紀50年代后）1947年發(fā)明固體晶體管（肖克萊、巴丁、布拉頓）1957年第一個硅平面晶體管誕生1959年發(fā)明硅基集成電路（諾伊思、基爾比）與真空管比，固體晶體管的優(yōu)點：無真空體積小重量輕功耗低可靠性高△

1947在貝爾實驗室發(fā)明的固體晶體管晶體管的發(fā)明者（肖克萊、巴丁、布拉頓）因此發(fā)明獲得諾貝爾獎△

固體晶體管的發(fā)明者△

1957年誕生第一個硅平面晶體管△

1959年美國仙童公司的諾伊思（R.Noicy）開發(fā)出用于IC的Si平面工藝技術，從而推動了IC制造業(yè)的大發(fā)展。1959年仙童公司制造的IC集成電路時代（20世紀60年代后）集成電路發(fā)展的五個時代■認識集成電路

（電腦接口轉換電路板中的集成電路畫圈A、B、C三個）■集成電路成品△微處理器■集成電路成品PGA（PinGridArrayPackage）插針網格陣列封裝DIP8（dualin-line

Package）8引腳雙列直插塑料封裝集成電路的概念集成電路是把電阻、電容、二極管、晶體管等多個元器件制作在一個芯片上，并具有一定功能的電路。集成度是指每個芯片上的元器件數(shù)。■集成電路硅片、芯片△含芯片的硅片稱為集成電路硅片也稱為集成電路晶圓

一種集成電路芯片△ULSI芯片△芯片中的器件之一6.集成電路制造

集成電路制造步驟：Waferpreparation(硅片準備)Waferfabrication(硅片制造)Wafertest/sort(硅片測試和揀選)Assemblyandpackaging(裝配和封裝)Finaltest(終測)§1.1半導體產業(yè)介紹

Assemblyandpackaging(裝配和封裝)主要工序：劃片粘片壓焊：鋁絲鍵合或金絲球焊封裝、打印標記Assemblyandpackaging(裝配和封裝)

一種完成裝配和封裝的MCUICAssemblyandpackaging(裝配和封裝)

一種QFP（QuadFlatPockage）方型扁平式封裝IC晶圓測試系統(tǒng)IC晶圓測試系統(tǒng)中的探針臺7.集成電路的發(fā)展趨勢芯片性能不斷提高芯片可靠性不斷提高芯片成本不斷降低§1.1半導體產業(yè)介紹提高芯片性能－減小特征尺寸，研發(fā)新材料提高芯片可靠性－設計優(yōu)化，嚴格控制污染降低芯片成本－提高集成度、增加硅片直徑△硅片尺寸（WaferSize）的不斷增大，使芯片的成本逐漸降低目的：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，是衡量工藝難度的標志，代表集成電路的工藝水平。在CMOS技術中，特征尺寸通常指多晶硅柵的線寬在雙極技術中，特征尺寸通常指接觸孔的尺寸加深對微尺度的印象器件的CD技術節(jié)點△上一代，INTEL32nm(2010)、TSMC40nm(2009)△2012年，INTEL22nm、TSMC28nm技術已量產△下一代：INTEL14nm、TSMC20nm20042006200820102012CD（nm)906545322219941995199719992002CD（μm)0.60.33ITRS(國際半導體技術藍圖)技術節(jié)點

摩爾定律：△IC的集成度將每一年半翻一番（即每18個月增長1倍）（由Intel公司創(chuàng)始人戈登.摩爾提出）

IC發(fā)展的另一些規(guī)律：△建立一個芯片廠的造價也是每一年半翻一番?！骶€條寬度每4~6年下降一半。§1.2器件技術

本節(jié)目錄1.集成電路分類2.無源器件3.有源器件4.雙極型IC和MOSIC優(yōu)缺點1.集成電路分類2.無源器件—集成電阻、集成電容用于傳輸電流集成電阻結構集成薄膜電阻結構

集成電阻結構集成擴散電阻結構-俯視圖及剖面圖

集成電容結構

集成MOS電容結構俯視圖及剖面圖3.有源器件除了信號，還需要額外電源定義工作點。用于控制電流方向，放大信號，并產生復雜電路。主要的有源器件：集成二極管集成雙極晶體管集成MOS晶體管集成CMOS器件

集成二極管結構

集成NPN雙極晶體管結構—

基于CMOS工藝

集成NPN雙極晶體管結構—

基于雙極工藝集成CMOS器件結構（包括PMOS和NMOS結構）

先進的70nm集成CMOS器件結構4.雙極型IC和MOSIC優(yōu)缺點雙極型集成電路

中等速度、驅動能力強、模擬精度高、功耗較大CMOS集成電路速度高、驅動能力低、功耗低、密度高、電源電壓范圍寬、輸出電壓幅度寬、與TTL電平兼容BICMOS集成電路集上述兩種電路的優(yōu)點，但工藝復雜，制造成本高?！?.3硅和硅片制備1.硅元素第三周期IVA族元素熔點1414oC，半導體禁帶寬度1.12eV地球儲量第二多的元素：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滿足集成電路制造的需要

提高純度（去掉雜質元素）

形成單晶結構2.硅的提純：西門子工藝半導體級硅的純度99.9999999％（9個9），但其結構是多晶硅結構，不能使用。要經過晶體生長，形成單晶結構才能使用。西門子工藝提純裝置3.晶體結構晶體的原子排列內部原子有規(guī)則在三維空間重復排列非晶體原子排列內部原子排列雜亂無規(guī)則晶胞是組成晶體的最小重復單元。硅晶胞多晶和單晶多晶硅結構

單晶硅結構單晶：晶胞在三維空間整齊重復排列，這樣的結構叫做單晶。單晶的原子排列長程有序。多晶：由大小不等的晶粒組成，而晶粒由晶胞在三維空間整齊重復排列構成，這樣的結構叫做多晶。多晶的原子排列短程有序長程無序。4.單晶硅生長直拉法（CZ法，Czochralski）CZ單晶爐用CZ法拉出的硅錠區(qū)熔法（FZ法,FloatZone)使用的材料：摻雜好的多晶硅棒優(yōu)點：純度高含氧量低缺點：硅片直徑比直拉的小摻雜在拉制單晶時，摻入硼雜質可得到P型單晶硅錠。摻入磷、砷等雜質可得到N型單晶硅錠。純單晶硅是絕緣體其電阻率為2.5×105Ω.cm，當摻入百萬分之一的磷或砷，則電阻率下降到0.2Ω.cm，導電能力增強125萬倍，這是半導體的神奇之處！硅的原子密度：5.0×1022/cm35.硅片的晶向OA＝m1X＋m2Y＋m3Z晶向指數(shù)<m1m2