半導(dǎo)體制造技術(shù)第一章：緒論

集成電路工藝電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院

張國(guó)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(chǔ)課，微電子器件和集成電路的設(shè)計(jì)完成后都需要通過(guò)集成電路工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，了解工藝能夠更深入理解器件物理和器件、電路的設(shè)計(jì)規(guī)則。掌握了集成電路工藝，會(huì)大大提高器件與電路設(shè)計(jì)的成功率。課程安排教材：

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

1.《集成電路工藝基礎(chǔ)》，王陽(yáng)元等編著，高等教育出版社。

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

3.《集成電路制造技術(shù)—原理與實(shí)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(xué)時(shí)數(shù)：32學(xué)時(shí)每周一、三的上午第3、4節(jié)相關(guān)課程：

“集成電路原理”

“微電子器件”

“集成電路工藝實(shí)驗(yàn)”課程安排主要內(nèi)容：第一章：緒論（3學(xué)時(shí)）第二章：氧化（3學(xué)時(shí)）第三章：擴(kuò)散（2學(xué)時(shí)）第四章：離子注入（3學(xué)時(shí)）第五章：光刻（4學(xué)時(shí)）第六章：刻蝕（3學(xué)時(shí)）課程安排第七章：沉積（3學(xué)時(shí)）第八章：蒸發(fā)與濺射（3學(xué)時(shí)）第九章：化學(xué)機(jī)械拋光（1學(xué)時(shí)）第十章：工藝集成（5學(xué)時(shí)）復(fù)習(xí)：（2學(xué)時(shí)）課程目標(biāo)了解半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)；理解集成電路制造的先進(jìn)工藝技術(shù)；掌握氧化、光刻、刻蝕、擴(kuò)散、離子注入、沉積等各種單項(xiàng)工藝技術(shù)的基本原理、方法和主要特點(diǎn)；掌握工藝集成的特點(diǎn)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(tīng)課率，嚴(yán)格考勤、實(shí)行請(qǐng)假制度2.采取“教學(xué)互動(dòng)”的教學(xué)方式，歡迎用電子郵件傳送疑難問(wèn)題3.考試方式：閉卷，平時(shí)成績(jī)（到課率、交作業(yè)）占30％，期末考試70％任課教師：張國(guó)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(nèi)容

§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹（書中第1章）

§1.2器件技術(shù)（書中第3章）

§1.3硅和硅片制備（書中第4章）

§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹

本節(jié)目錄1.產(chǎn)業(yè)的地位及重要性2.集成電路產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)3.集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及分工4.我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況5.產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展6.集成電路制造7.集成電路的發(fā)展趨勢(shì)§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹概念介紹半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)：

與半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。集成電路（IntegratedCircuit，IC）

集成在一塊半導(dǎo)體材料上的功能電路。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)≈集成電路產(chǎn)業(yè)

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

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)：3000億美元

電子整機(jī)業(yè)務(wù)：12000億美元

電子信息服務(wù)業(yè)：50000億美元戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要標(biāo)志§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹2.半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)投資大風(fēng)險(xiǎn)高更新?lián)Q代快產(chǎn)品的性價(jià)比越來(lái)越高

2007年的數(shù)據(jù)：投資建線費(fèi)用：8英寸10億美元；12英寸15億美元運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用：8英寸線：100萬(wàn)元/天§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹IC一次流片的費(fèi)用：IC費(fèi)用12英寸8英寸6英寸45nm90nm0.18μm0.5μm0.5μm1.0μm制版費(fèi)（每套）450萬(wàn)元250萬(wàn)元190萬(wàn)元20萬(wàn)元12萬(wàn)元流片費(fèi)（每晶圓）—1.0萬(wàn)元0.7萬(wàn)元0.5萬(wàn)元單位：萬(wàn)元人民幣

3.集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及分工集成電路產(chǎn)業(yè)是以IC設(shè)計(jì)業(yè)、IC芯片制造業(yè)、IC封裝測(cè)試業(yè)等三業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹IC設(shè)計(jì)市場(chǎng)IC芯片制造IC封裝測(cè)試IC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

3.集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及分工IDM（IntegratedDeviceManufacturer）模式

同一家公司完成所有流程Fabless+Foundry模式 IC設(shè)計(jì)公司（Fabless）：負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和市場(chǎng)。 IC代工廠（Foundry）：負(fù)責(zé)芯片制造。 IC封裝測(cè)試公司：負(fù)責(zé)封裝測(cè)試?！?.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹

3.集成電路產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及分工2011年半導(dǎo)體公司排名（Foundry除外）§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)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(guó)IDM4972SamsungElectronics韓國(guó)IDM2923TexasInstruments美國(guó)IDM1414Toshiba日本IDM1345RenesasElectronics日本IDM1126Qualcomm美國(guó)Fabless1017STMicroelectronics法國(guó)、意大利IDM988Hynix韓國(guó)IDM899MicroTechnology美國(guó)IDM7310Broadcom美國(guó)Fabless72Others1505Total3114

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

中國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模：2010年7350億元—

全球第一大半導(dǎo)體市場(chǎng)（44%)?！黾呻娐吩O(shè)計(jì)業(yè)1986年我國(guó)第一家專業(yè)設(shè)計(jì)公司成立IC設(shè)計(jì)單位近500家，設(shè)計(jì)業(yè)人員超過(guò)5萬(wàn)人§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)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(shè)計(jì)集團(tuán)14.616.5%2海思半導(dǎo)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(wú)錫華潤(rùn)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(guó)IC設(shè)計(jì)銷售額前十位企業(yè)排名

§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹■

集成電路芯片制造業(yè)20世紀(jì)90年代我國(guó)先后建成第一條6英寸和8英寸IC生產(chǎn)線（分別是908工程無(wú)錫華晶項(xiàng)目和909工程上海華虹NEC項(xiàng)目）2007年國(guó)內(nèi)已經(jīng)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(chǎn)線50條§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹國(guó)內(nèi)主要集成電路芯片制造企業(yè)：

上海華虹NEC

中芯國(guó)際（上海、北京、成都）上海先進(jìn)上海宏力上海貝嶺臺(tái)積電（上海、深圳）無(wú)錫海力士意法蘇州和艦常州柏瑪無(wú)錫華潤(rùn)上華摩托羅拉（天津）§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹■

集成電路封裝測(cè)試業(yè)國(guó)內(nèi)主要封裝測(cè)試企業(yè)：江蘇長(zhǎng)電、天水華天科技、南通富士通、Intel、Infineon、Samsung、Fairchild等IC封裝測(cè)試企業(yè)超過(guò)70家，2007年國(guó)內(nèi)集成電路總封裝能力超過(guò)500億塊

5.產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展真空管時(shí)代（20世紀(jì)40年代前）體積大重量重功耗高可靠性差§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)介紹固體晶體管時(shí)代（20世紀(jì)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(gè)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(diǎn)：無(wú)真空體積小重量輕功耗低可靠性高△

1947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）因此發(fā)明獲得諾貝爾獎(jiǎng)△

固體晶體管的發(fā)明者△

1957年誕生第一個(gè)硅平面晶體管△

1959年美國(guó)仙童公司的諾伊思（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)的大發(fā)展。1959年仙童公司制造的IC集成電路時(shí)代（20世紀(jì)60年代后）集成電路發(fā)展的五個(gè)時(shí)代■認(rèn)識(shí)集成電路

（電腦接口轉(zhuǎn)換電路板中的集成電路畫圈A、B、C三個(gè)）■集成電路成品△微處理器■集成電路成品PGA（PinGridArrayPackage）插針網(wǎng)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(gè)元器件制作在一個(gè)芯片上，并具有一定功能的電路。集成度是指每個(gè)芯片上的元器件數(shù)?！黾呻娐饭杵?、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(zhǔn)備)Waferfabrication(硅片制造)Wafertest/sort(硅片測(cè)試和揀選)Assemblyandpackaging(裝配和封裝)Finaltest(終測(cè))§1.1半導(dǎo)體產(chǎn)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(biāo)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(cè)試系統(tǒng)IC晶圓測(cè)試系統(tǒng)中的探針臺(tái)7.集成電路的發(fā)展趨勢(shì)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(dǎo)體產(chǎn)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(shè)計(jì)優(yōu)化，嚴(yán)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(biāo)志，代表集成電路的工藝水平。在CMOS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加深對(duì)微尺度的印象器件的CD技術(shù)節(jié)點(diǎn)△上一代，INTEL32nm(2010)、TSMC40nm(2009)△2012年，INTEL22nm、TSMC28nm技術(shù)已量產(chǎn)△下一代：INTEL14nm、TSMC20nm20042006200820102012CD（nm)906545322219941995199719992002CD（μm)0.60.33ITRS(國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖)技術(shù)節(jié)點(diǎn)

摩爾定律：△IC的集成度將每一年半翻一番（即每18個(gè)月增長(zhǎng)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(gè)芯片廠的造價(jià)也是每一年半翻一番?！骶€條寬度每4~6年下降一半?！?.2器件技術(shù)

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

集成電阻結(jié)構(gòu)集成擴(kuò)散電阻結(jié)構(gòu)-俯視圖及剖面圖

集成電容結(jié)構(gòu)

集成MOS電容結(jié)構(gòu)俯視圖及剖面圖3.有源器件除了信號(hào)，還需要額外電源定義工作點(diǎn)。用于控制電流方向，放大信號(hào)，并產(chǎn)生復(fù)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(jié)構(gòu)

集成NPN雙極晶體管結(jié)構(gòu)—

基于CMOS工藝

集成NPN雙極晶體管結(jié)構(gòu)—

基于雙極工藝集成CMOS器件結(jié)構(gòu)（包括PMOS和NMOS結(jié)構(gòu)）

先進(jìn)的70nm集成CMOS器件結(jié)構(gòu)4.雙極型IC和MOSIC優(yōu)缺點(diǎn)雙極型集成電路

中等速度、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、模擬精度高、功耗較大CMOS集成電路速度高、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TTL電平兼容BICMOS集成電路集上述兩種電路的優(yōu)點(diǎn)，但工藝復(fù)雜，制造成本高。§1.3硅和硅片制備1.硅元素第三周期IVA族元素熔點(diǎn)1414oC，半導(dǎo)體禁帶寬度1.12eV地球儲(chǔ)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(zhì)元素）

形成單晶結(jié)構(gòu)2.硅的提純：西門子工藝半導(dǎo)體級(jí)硅的純度99.9999999％（9個(gè)9），但其結(jié)構(gòu)是多晶硅結(jié)構(gòu)，不能使用。要經(jīng)過(guò)晶體生長(zhǎng)，形成單晶結(jié)構(gòu)才能使用。西門子工藝提純裝置3.晶體結(jié)構(gòu)晶體的原子排列內(nèi)部原子有規(guī)則在三維空間重復(fù)排列非晶體原子排列內(nèi)部原子排列雜亂無(wú)規(guī)則晶胞是組成晶體的最小重復(fù)單元。硅晶胞多晶和單晶多晶硅結(jié)構(gòu)

單晶硅結(jié)構(gòu)單晶：晶胞在三維空間整齊重復(fù)排列，這樣的結(jié)構(gòu)叫做單晶。單晶的原子排列長(zhǎng)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(fù)排列構(gòu)成，這樣的結(jié)構(gòu)叫做多晶。多晶的原子排列短程有序長(zhǎng)程無(wú)序。4.單晶硅生長(zhǎng)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(diǎn)：純度高含氧量低缺點(diǎn)：硅片直徑比直拉的小摻雜在拉制單晶時(shí)，摻入硼雜質(zhì)可得到P型單晶硅錠。摻入磷、砷等雜質(zhì)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(dāng)摻入百萬(wàn)分之一的磷或砷，則電阻率下降到0.2Ω.cm，導(dǎo)電能力增強(qiáng)125萬(wàn)倍，這是半導(dǎo)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