電子科大微電子工藝原理(第一章)緒論

微電子工藝

王剛李建軍電子科技大學微電子與固體電子學院電子郵箱：王剛phdforyou@

李建軍lijj@電話：王/p>

李建/p>

辦公室：211樓505室

上課安排第1周~第8周每周4學時，共32學時周一3、4節(jié)二教103

周四9、10節(jié)二教103

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》，曾瑩等譯，電子工業(yè)出版社，國外電子與通信教材系列。

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。課程教材考核方式考核方式：

平時考核(到課率、交作業(yè)情況)，占總成績20%

期末考核(開卷考試)，占總成績80%課程介紹“微電子工藝”也可以叫集成電路工藝，它是一門非常重要的專業(yè)基礎課，通過了解微電子工藝能夠深入理解器件物理，為器件與電路的設計打下牢固的基礎。掌握了微電子工藝，會大大提高器件與電路設計的成功率。先修課程：《微電子器件》

相關課程：《微電子工藝實驗》課程目標了解半導體產業(yè)的發(fā)展動態(tài)；了解集成電路制造先進工藝技術；掌握氧化、擴散、離子注入、沉積、光刻、刻蝕、金屬化、化學機械平坦化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。課程安排第一章：緒論第二章：氧化第三章：擴散/離子注入第四章：沉積課程安排第五章：光刻第六章：刻蝕第七章：金屬化第八章：化學機械平坦化第九章：工藝集成第十章：裝配與封裝第一章：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2、4章）

§1.4硅片清洗（書中第6章）§1.1半導體產業(yè)介紹1.產業(yè)的地位及重要性2.產業(yè)規(guī)模及市場需求3.產業(yè)競爭4.集成電路產業(yè)的特點5.集成電路產業(yè)模式及分工6.我國集成電路產業(yè)發(fā)展情況7.產業(yè)技術發(fā)展8.集成電路制造9.集成電路的發(fā)展趨勢§1.1半導體產業(yè)介紹1.產業(yè)的地位及重要性半導體產業(yè)：

與半導體器件的設計和制造相關的產業(yè)?！?.1半導體產業(yè)介紹以半導體產業(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)，半導體產業(yè)的發(fā)展規(guī)模及技術水平是衡量一個國家綜合國力的重要標志。

1985~1999年15年間，全球半導體產業(yè)銷售額年均增長率：16.2%，產業(yè)規(guī)模迅速擴大；1999~2006年7年間，全球半導體產業(yè)銷售額年均增長率：7.5%，產業(yè)規(guī)模平穩(wěn)增長；2006年產業(yè)規(guī)模達到2477億美元，從而使電子信息產業(yè)成為世界第一大產業(yè)；2006年全球集成電路生產線：600條，產能主要分布在8英寸和12英寸生產線；2007年底，全球8英寸線近190條；§1.1半導體產業(yè)介紹2.產業(yè)規(guī)模及市場需求2007年底，全球12英寸集成電路生產線超過70條。其中，臺灣地區(qū)19條，美國18條，日本16條，韓國9條，歐洲4條，我國大陸3條，新加坡1條；截止2012年，我國集成電路生產線合計65條，其中8英寸15條，12英寸6條；2012年最小工藝節(jié)點45nm，2015年有望提升至22nm，基本與世界先進水平同步；2012年全球半導體產業(yè)銷售額達到3000億美元；2014年半導體產業(yè)全球銷售額3398億美元；集成電路占個人電腦總成本的30％～40％；據東方證券研報顯示，集成電路在一部手機中其成本比例占據40%以上；§1.1半導體產業(yè)介紹20世紀60~70年代：世界十大半導體廠商由美國一統(tǒng)天下20世紀80年代：日本半導體崛起，世界十大半導體廠商由美、日兩國平分；20世紀90年代：產業(yè)開始出現多極化，世界十大半導體廠商由美國、日本、歐洲瓜分；近幾年來：產業(yè)進一步多極化，2014年全球二十大半導體廠商中，美國有8家、日本3家、歐洲3家、臺灣3家、韓國2家、新加坡1家；參加下圖：§1.1半導體產業(yè)介紹3.產業(yè)競爭2014年全球前二十大半導體廠商營收排名§1.1半導體產業(yè)介紹§1.1半導體產業(yè)介紹集成電路產業(yè)是更新換代最快的產業(yè)，產品的集成度每18個月增長一倍（摩爾定律）。產品的性價比越來越高。集成電路產業(yè)投資巨大，風險極高，被譽為“吞金”產業(yè)。投資建設集成電路生產線的費用：

8英寸線10億美元；12英寸線15億美元；8英寸集成電路生產線運轉費用：100萬元/天；極高的集成電路設計風險4.集成電路產業(yè)的特點§1.1半導體產業(yè)介紹集成電路一次流片的費用：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§1.1半導體產業(yè)介紹集成電路芯片制造是一個復雜的系統(tǒng)工程半導體產業(yè)5.集成電路產業(yè)模式及分工5.1集成電路產業(yè)模式集成電路產業(yè)是主要以IC設計業(yè)（Fabless如海思、英偉達）、IC芯片制造業(yè)（Foundry）、IC封裝測試業(yè)等三業(yè)為主的產業(yè)鏈結構，另外還有

IC支撐業(yè)（硅片材料廠、半導體設備廠、測試儀器廠等）。IDM（IntegratedDeviceManufacturer/IntegratedDesignandManufacture:整合元件制造/垂直整合制造）模式：指從設計、制造、封裝測試到銷售自有品牌IC都一手包辦的半導體公司，如：Intel,TI,Motorola,Samsung。§1.1半導體產業(yè)介紹5.2集成電路產業(yè)分工IC設計公司（Fabless）：根據電子系統(tǒng)的要求，利用EDA設計軟件、進行電路設計、電路仿真、版圖設計、版圖驗證等工作，最后完成版圖數據文件交給IC代工廠。IC代工廠（Foundry）:利用IC設計公司的版圖數據制成光刻掩膜版，利用復雜精密的儀器設備和光刻掩膜版等材料對硅片進行清洗、成膜、光刻、刻蝕、摻雜等多種復雜的工藝加工，最后制成帶有芯片的硅片?！?.1半導體產業(yè)介紹IC封裝測試公司：在探針臺自動測試系統(tǒng)上，對集成電路硅片進行功能和性能測試、揀選，然后對測好的硅片進行劃片，封裝。硅片材料廠（支撐）：通過拉制單晶、切片、研磨、拋光等工序制成符合IC制造要求的硅片?！?.1半導體產業(yè)介紹§1.1半導體產業(yè)介紹6.我國集成電路產業(yè)發(fā)展情況我國大陸的半導體產業(yè)發(fā)展十分迅速，中國是全球最大的半導體市場，2014年中國半導體市場規(guī)模達到1400億美元，約占全球半導體市場營業(yè)額的41%。6.1國內集成電路設計業(yè)1986年我國第一家專業(yè)設計公司（現中國華大集成電路設計公司）在北京成立；目前IC設計單位近500家，設計行業(yè)從業(yè)人員超過5萬人。§1.1半導體產業(yè)介紹§1.1半導體產業(yè)介紹§1.1半導體產業(yè)介紹2014年全球50大IC設計公司中國占9家§1.1半導體產業(yè)介紹6.2國內集成電路芯片制造業(yè)△我國擁有的第一條6英寸IC生產線：

20世紀90年代908工程（無錫華晶項目）△我國擁有的第一條8英寸IC生產線：

20世紀90年代909工程（上海華虹NEC項目）△我國擁有的第一條12英寸IC生產線：

2004年中芯國際北京芯片生產線△截至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。截止2012年，我國集成電路生產線合計65條?！?.1半導體產業(yè)介紹上海華虹NEC

中芯國際（上海、北京、武漢）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）國內主要集成電路芯片制造企業(yè)：§1.1半導體產業(yè)介紹6.3國內集成電路封裝測試業(yè)在國內封裝測試業(yè)的發(fā)展道路上，主要由三支力量構成：△

芯片制造企業(yè)內部的封裝測試線（如華潤微電子、華越、首鋼NEC等）；△

國內獨立封裝測試企業(yè)（如江蘇長電、南通富士通、天水華天科技等）；△

國外獨資或合資企業(yè)（如Intel、Infineon、Samsung、Fairchild等）（近10年來一支主要力量）。具有一定規(guī)模的集成電路封裝測試企業(yè)已超過70家，其中年封裝量超過10億塊的企業(yè)超過20家。

7.產業(yè)技術發(fā)展7.1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7.2固體晶體管時代（20世紀50年代后）

§1.1半導體產業(yè)介紹△無真空△體積小△重量輕△功耗低△可靠性高1947年發(fā)明固體鍺晶體管（肖克萊、巴丁、布拉頓）1957年第一個硅平面晶體管誕生（仙童半導體公司)1959年發(fā)明硅基集成電路（諾伊思、基爾比）△1947在貝爾實驗室發(fā)明的固體鍺晶體管§1.1半導體產業(yè)介紹晶體管的發(fā)明者（肖克萊、巴丁、布拉頓）因此發(fā)明獲得諾貝爾獎(1956)△

固體晶體管的發(fā)明者§1.1半導體產業(yè)介紹△1957年誕生第一個硅平面晶體管§1.1半導體產業(yè)介紹△1958年德州儀器公司的基爾比（JackKilby）發(fā)明的鍺基集成電路§1.1半導體產業(yè)介紹△

1959年美國仙童公司的諾伊思（R.Noicy）開發(fā)出用于IC的硅平面工藝技術，從而推動了IC制造業(yè)的大發(fā)展?！?.1半導體產業(yè)介紹1959年仙童公司制造的IC7.3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：§1.1半導體產業(yè)介紹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造在一個芯片上并具有一定功能的電路。集成度每個芯片上的元器件數。

§1.1半導體產業(yè)介紹集成電路硅片、芯片§1.1半導體產業(yè)介紹含芯片的硅片§1.1半導體產業(yè)介紹

一種模擬集成電路芯片§1.1半導體產業(yè)介紹

一種ULSI芯片及其產品§1.1半導體產業(yè)介紹

8.集成電路制造

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)介紹集成電路制造步驟：§1.1半導體產業(yè)介紹9.集成電路的發(fā)展趨勢§1.1半導體產業(yè)介紹提高芯片性能降低芯片成本提高芯片可靠性提高芯片性能－提高速度，降低功耗

提高速度方法：降低關鍵尺寸（CriticalDimension,CD）

研發(fā)采用新材料降低芯片成本－提高集成度、增加硅片直徑提高芯片可靠性－優(yōu)化設計、嚴格控制污染§1.1半導體產業(yè)介紹關鍵尺寸摩爾定律硅片尺寸重要概念：關鍵尺寸芯片上的物理尺寸特征被稱為特征尺寸；最小的特征尺寸稱為關鍵尺寸（CriticalDimension,CD）；CD是衡量工藝難度的標志，代表集成電路的工藝水平，例如0.18微米CMOS技術就是指關鍵尺寸為0.18微米。§1.1半導體產業(yè)介紹器件的CD技術節(jié)點發(fā)展趨勢：△2012年，英特爾成功量產了22nm工藝技術，

臺積電量產28nm。△下一代：英特爾14nm、臺積電20nm?！?.1半導體產業(yè)介紹20042006200820102012CD（nm)906545322219941995199719992002CD（μm)0.60.33對微觀尺寸的認識§1.1半導體產業(yè)介紹

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）。計算機界對于摩爾定律的兩點推論：

a)微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一半。

b)用一美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番。

§1.1半導體產業(yè)介紹IC發(fā)展的另一些規(guī)律：△建立一個芯片廠的造價每一年半翻一番。△線條寬度每4~6年下降一半。總晶體管數/芯片（單位：百萬）§1.1半導體產業(yè)介紹硅片尺寸§1.1半導體產業(yè)介紹降低成本§1.1半導體產業(yè)介紹硅片尺寸不斷增大，芯片成本逐漸降低20092010201120122013201420152016關鍵尺寸nm2927242220181715晶圓直徑mm300300300300300450450450INTERNATIONALTECHNOLOGYROADMAPFORSEMICONDUCTORSITRS2010§1.1半導體產業(yè)介紹20172018201920202021202220232024關鍵尺寸nm1413121110987晶圓直徑mm450450450450450450450450§1.1半導體產業(yè)介紹INTERNATIONALTECHNOLOGYROADMAPFORSEMICONDUCTORSITRS2010§1.2器件技術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§1.2器件技術1.集成電路分類按功能分數字電路－以門電路為基礎的電路模擬電路－以放大器為基礎的電路數模混合電路按構成集成電路基礎的晶體管分雙極型集成電路－以雙極型平面晶體管為主要器件MOS型集成電路－以MOS晶體管為主要器件BICMOS電路－雙極Bipolar與MOS混合型2.無源器件用于傳輸電流，不能控制電流方向集成電路電阻結構薄膜電阻§1.2器件技術§1.2器件技術擴散電阻俯視圖剖面圖集成電路電容結構：導電層/介質層/導電層構成電容結構。金屬層、摻雜的多晶硅和襯底的擴散層都是導電層?！?.2器件技術3.有源器件

用于控制電流方向，放大信號，并產生復雜電路。

§1.2器件技術主要的有源器件：二極管雙極晶體管MOS晶體管CMOS器件二極管結構（pn結）§1.2器件技術雙極晶體管結構§1.2器件技術CMOS器件結構（包括PMOS和NMOS結構）§1.2器件技術§1.2器件技術先進的場效應晶體管---FinFETIntel從Corei7-3770之后的22納米的處理器均使用了FinFET技術。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、功耗比較大CMOS集成電路靜態(tài)功耗低、電源電壓范圍寬、輸出電壓幅度寬、速度高、密度高、可與TTL電路兼容，電流驅動能力低BICMOS集成電路集上述兩種電路的優(yōu)點，但制造工藝復雜§1.2器件技術§1.3硅和硅片制備1.晶體結構2.晶體表征3.半導體級硅(SGS)的制備4.單晶硅生長5.硅片制備6.硅中的晶體缺陷7.硅外延層§1.3硅和硅片制備半導體產業(yè)選擇硅的原因：硅的豐裕度(地殼中含量第二，約占25%，僅次于氧)更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限(硅：1412

℃

，鍺：937

℃

)更寬的工作溫度范圍(軍用-55℃至+125℃，商用0℃至70℃)(鍺外層電子比硅活躍，溫度影響大)氧化硅的自然生成(容易生長，性能穩(wěn)定，用途廣泛)硅摻雜：純單晶硅是絕緣體其電阻率為2.5×105Ωcm，

當摻入百萬分之一的雜質磷或砷，則電阻率下降為0.2Ωcm，導電能力增強125萬倍！1.晶體結構§1.3硅和硅片制備自然界中硅的主要存在方式是二氧化硅：巖石、砂礫、塵土、水晶、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）形成單晶結構物質晶體非晶體單晶多晶內部原子非常規(guī)則地在三維空間重復排列§1.3硅和硅片制備晶體的原子排列非晶體原子排列內部原子排列雜亂無規(guī)則§1.3硅和硅片制備

晶胞：是組成晶體的最小重復單元。硅晶胞：面心立方金剛石結構§1.3硅和硅片制備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：晶胞無規(guī)律地排列，這樣的結構叫做多晶。多晶的原子排列短程有序長程無序。§1.3硅和硅片制備2.晶體表征晶向：晶胞在晶體中的方向晶向的表示法OA＝m1X＋m2Y＋m3Z§1.3硅和硅片制備密勒指數：m1

m2m3

晶向：<m1m2m3>晶面MOS集成電路通常用（100）晶面或<100>晶向雙極集成電路通常用（111）晶面或<111>晶向§1.3硅和硅片制備不同晶向的硅片，它的化學、電學、和機械性質都不同（例如遷移率，界面態(tài)等），這會影響最終的器件性能。思考:為什么MOS集成電路通常用（100）晶面而雙極集成電路通常用（111）晶面？§1.3硅和硅片制備3.半導體級硅(SGS)的制備這種生產純SGS的工藝稱為西門子工藝§1.3硅和硅片制備98%99.9999999%西門子工藝提純裝置§1.3硅和硅片制備4.單晶硅生長半導體級硅的純度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。晶體生長是把半導體級多晶硅轉變成單晶硅，長出硅錠。生長單晶硅錠的兩種方法：直拉法（CZ法）區(qū)熔法§1.3硅和硅片制備CZ直拉法單晶爐§1.3硅和硅片制備關鍵工藝參數：拉伸速率和晶體旋轉速度1)直拉法（CZ法）用CZ法拉出的單晶硅錠：§1.3硅和硅片制備精確復制籽晶（具有所需晶向的單晶硅）結構。生產大直徑的單晶硅錠。85%的硅錠是由直拉法生產出來的。實現均勻摻雜?！?.3硅和硅片制備直拉法（CZ法）特點：原位摻雜§1.3硅和硅片制備§1.3硅和硅片制備硅中電阻率和摻雜濃度之間的關系純Si電阻率2.5×105Ω.cm2)區(qū)熔法使用的材料：摻雜好的多晶硅棒優(yōu)點：純度高，含氧量低(少量氧吸附雜質；過量氧影響單晶硅的機械和電學性能)缺點：硅片直徑比直拉的小§1.3硅和硅片制備§1.3硅和硅片制備5.硅片制備§1.3硅和硅片制備§1.3硅和硅片制備1)整形§1.3硅和硅片制備去掉兩端徑向研磨定位邊研磨硅片的定位邊標識§1.3硅和硅片制備直徑200mm及以上的硅片采用定位槽取代定位邊§1.3硅和硅片制備2)切片§1.3硅和硅片制備注：直徑大于300mm的硅片采用線鋸來切片。3)磨片和倒角§1.3硅和硅片制備倒角：減小機械應力，降低位錯缺陷，避免沾污4)刻蝕§1.3硅和硅片制備化學腐蝕深度約20微米，目的是消除硅片表面損傷5)拋光§1.3硅和硅片制備CMP，目的：高平整度的光滑表面200mm及其以前硅片，僅上表面拋光；300mm以上硅片，雙面拋光。6)清洗§1.3硅和硅片制備7)評估8)包裝尺寸（直徑、厚度、形變）平整度（影響光刻質量）粗糙度（對硅片表面介質層的質量有影響）氧含量（少量氧起束縛金屬沾污物作用；過量氧

會吸引沾污深入硅片內部影響硅的機械、

電學性能）電阻率（摻雜類型、均勻性）顆粒（影響芯片成品率）缺陷密度§1.3硅和硅片制備硅片質量評估主要技術指標:§1.3硅和硅片制備

硅片尺寸和參數§1.3硅和硅片制備450mm硅片計劃：臺積電已在臺灣竹南購買了土地，用來建設開發(fā)和初期量產使用的450mm硅片生產線。

計劃在2016～2017年啟動試產線，2018年開始量產。追求更大直徑硅片的原因——降低成本，提高利潤在一個Wafer上的芯片個數增加，單個芯片的生產成本降低（300mm硅片比200mm硅片面積大2.25倍）；Wafer邊沿面積和邊沿芯片減少，成品率提高；設備使用率提高。§1.3硅和硅片制備Φ300mm的硅錠及硅單晶片成品§1.3硅和硅片制備§1.3硅和硅片制備6.硅中的晶體缺陷§1.3硅和硅片制備點缺陷–原子層面的局部缺陷線缺陷（位錯）–錯位的晶胞面缺陷（層錯）–

晶體結構的缺陷點缺陷：§1.3硅和硅片制備空位缺陷Vacancydefect(b)間歇原子缺陷Interstitialdefect(c)Frenkel缺陷Frenkeldefect線缺陷（位錯）：晶胞錯位，由不均勻的冷熱過程、應力、表面的熱氧化等引起?！?.3硅和硅片制備面缺陷（層錯）：晶體滑移§1.3硅和硅片制備減少缺陷密度是提高芯片成品率的重要方面：§1.