01集成电路制造工艺概述

网络
考核方法
20%平时成绩（考勤、作业、平时表现） 20%实验成绩 60%考试成绩（开卷）
课程作业
作业一
1描述CZ拉单晶炉的工作原理。
作业二
2描述集成电路的制膜工艺原理。
作业三
3描述集成电路的图形转移工艺原理。
作业四
4描述集成电路的掺杂工艺原理。
作业五
5以反相器为例描述CMOS工艺流程。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
扩散区
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扩散区一般认为是进行高温工艺及薄膜淀积的 区域。
主要设备：
高温扩散炉：1200℃左右，能完成氧化、扩散、 淀积、退火以及合金等多种工艺流程。
湿法清洗设备（辅助）
硅片在放入高温炉之前必须进行彻底的清洗， 以去除硅片表面的沾污以及自然氧化层。
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光刻区
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薄膜生长区
主要负责生产各个步骤当中的介质层和金属层的淀 积。薄膜生长中所采用的温度低于扩散区中设备的 工作温度。
主要设备（中低真空环境） CVD PVD SOG、RTP、湿法清洗设备
CVD多腔集成设备和工艺腔的示意图
抛光区
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化学机械平坦化（CMP）工艺的目的是使硅片 表面平坦化。通过将硅片表面突出的部分减薄 到下凹部分的高度来实现的。
肖克利博士非凡的商业眼光，成就了硅谷；肖克利博士拙 劣的企业才能，创造了硅谷。“天才与废物”硅谷的第一 公民，硅谷第一弃儿。
“八叛逆”（THE TRAITOROUS EIGHT）
1955年，“晶体管之父”威廉·肖克利，离开贝尔实验室创 建肖克利实验室。他吸引了很多富有才华的年轻科学家加 盟。但是很快，肖克利的管理方法和怪异行为引起员工的 不满。其中八人决定一同辞职，他们是罗伯特·诺依斯、戈 登·摩尔、朱利亚斯·布兰克、尤金·克莱尔、金·赫尔尼、 杰·拉斯特、谢尔顿·罗伯茨和维克多·格里尼克。被肖克利 称为“八叛逆”。八人接受位于纽约的仙童摄影器材公司的 资助，于1957年，创办了仙童半导体公司。
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•集成电路的内部电路
Vdd
A
A
B OUT
B
0
0
1
Out
0
1
0
1
0
0
1
1
0
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100 m 头发丝粗细
30m
50m 30~50m (皮肤细胞的大小)
1m 1m (晶体管的大小)
90年代生产的集成电路中晶体管大小与人 类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较
罗伯特·诺伊思（Robert Noyce）
仙童半导体公司——Fairchild Semiconductor 硅,1959,7,30,“提出了适合于工业生产的集成电路理论”
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集成电路是怎么诞生的？
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早期的许多先驱者开始在北加利福尼亚州，现在以 硅谷著称的地区。1957年，在加利福尼亚州的帕罗 阿托市（Palo Alto）的仙童半导体公司（Fairchild Semiconductor）制造出第一个商用平面晶体管。
光刻的本质是把（临时）电路图形复制到覆盖 于硅片表面的光刻胶上。
黄色荧光管照明
主要设备
步进光刻机（steper） 涂胶/显影设备（coater/developer track） 清洗装置和光刻胶剥离机？
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光刻工艺模块示意图
刻蚀区
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刻蚀是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永 久的图形。
集成电路工艺概述
课程介绍
普通高校专业学科目录（1998版）
分设十一个学科门类（无军事学），下设二级类71个， 专业249种。
01哲学
02经济学 03法学 04教育学 05文学 06历史学 07理学 08工学 09农学
0806 电气信息类
➢ 080601 电气工程及其自动化 ➢ 080602 自动化 ➢ 080603 电子信息工程 ➢ 080604 通信工程 ➢ 080605 计算机科学与技术 ➢ 080606 电子科学与技术 ➢ 080607
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第4阶段：装配和封装
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把单个芯片包装在一个保护管壳内。
DIP
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第5阶段：终测
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为确保芯片的功能，要对每一个封装的集成电 路进行测试，以满足制造商的电学和环境的特 性参数要求。
至此，集成电路制造完成。
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晶圆制造厂
晶圆
在亚微米CMOS IC 制造厂典型的硅片流程模型
世界第一个晶体管
集成电路
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集成电路是由Kilby和Noyce两人于1959年分别发明， 并共享集成电路的专利。？1969
2000年，Kilby被授予诺贝尔物理学奖（Noyce去世10年） 杰克·基尔比（Jack Kilby）
德州仪器公司——Texas Instruments 锗,1959,2 “第一块集成电路的发明家”
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每个芯片元件数 1 2~50 20~5000 5000~100 000 100 000~1 000 000 大于1 000 000
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半导体主要趋势
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提高芯片性能：
速度（按比例缩小器件和使用新材料） 关键尺寸（CD）
芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。硅片上的最小特征 尺寸被称为关键尺寸或CD。技术节点
2晶圆制备
时间内容安排 3氧化
4物理气相淀积
5化学气相淀积 9刻蚀 13封装
6化学机械抛光 作业一、二、三 10扩散 作业四、五 14期末复习
7期中复习
8光刻
11离子注入
12工艺集成
15仿真实验一、二 16仿真实验三、四
制膜 氧化4 CVD4 PVD4 外延4 平坦化4
基本工艺 图形转移 光刻4 刻蚀4
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一个工业的诞生
1906年，真空三极管，Lee Deforest （电信号处理工业） 1947年，ENIAC
1947年12月23日，晶体管，John Bardeen， Walter Brattin，William Shockley（1956年诺贝 尔物理奖），固态，分立器件
（半导体工业）
集成电路
什么是集成电路？
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英文全称Integrated Circuit，缩写IC
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有 源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互 连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。
制造电子器件的基本半导体材料是圆形单晶薄片，称为硅 片或硅衬底。在硅片制造厂，由硅片生产的半导体产品， 又被称为微芯片或芯片。
主要设备：
抛光机 刷片机（wafer scrubber）、清洗装置、测量装置
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典故
威廉·肖克利（WILLIAM SHOCKELY）
“晶体管之父”（1910-1989） 1947，点接触晶体管；1950，面结型晶体管 肖克利实验室（1955-1968），圣克拉拉谷(硅谷) 1956，诺贝尔物理奖 1957，八判逆 1958，斯坦福大学 1963，斯坦福大学 70年代，人种学和优生学？？
【日】岩田 穆
出版社 电子工业
电子工业
北京大学 科学
时间 2004
2010
2003 2007
阮刚
复旦大学 2007
李哲英 李可为 李惠军 刘睿强 潘桂忠 王蔚 邱碧秀 【日】水野文
电子工业 电子
山东大学 电子工业 上海科学技术 电子工业 电子工业
科学
2006 2007 2007 2011 2010 2010 2006 2007
1968，INTEL
杰里·桑德斯（J. Sanders）AMD 查尔斯·斯波克（C. Sporck）NSC
2011年，台湾成为全球最大半导体晶圆生产地
根据市调机构IC Insights调查统计，2011年全球半 导体晶圆总月产能达13,617.8千片8寸约当晶圆。 其中台湾晶圆月产能达2,858.3千片8寸约当晶圆， 占全球半导体总产能达21%，跃居第1大生产国； 原本是全球最大晶圆生产国的日本，月产能达 2,683.6千片8寸约当晶圆，市占率达19.7%，位居 第2大生产国；韩国则以2,293.5千片8寸约当晶圆 月产能，位居第3大生产国，市占率达16.8%；美 国月产能达1,995.1千片8寸约当晶圆，市占率降 至14.7%，是全球第4大生产国。
掺杂 扩散4 离子注入4
筛选
切片 封测
封装4
老化
测试
工序集成
•CMOS工艺2 •双极工序2 •新技术
实验
• 软件环境2 • 氧化2 • 掺杂2 • 综合2
参考教材
序号
书名
1 半导体制造技术
2 芯片制造——半导体工艺制程实用教程
3 硅集成电路工艺基础 4 超大规模集成电路—基础、设计、制造工
艺 5 集成电路工艺和器件的计算机模拟——IC
它有一层铝互连材料，这种材料被淀积在硅片的 最顶层以连接晶体管的不同部分。从硅上热氧化 生长的一层自然氧化层被用于隔离铝导线。这些 层的使用在半导体领域是一个重要发展，也是称 其为平面技术的原因。
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半导体的集成时代
电路集成 分立元件 SSI MSI LSI VLSI ULSI
半导体产业周期 1960年前 20世纪60年代前期 20世纪60年代到70年代前期 20世纪70年代前期到70年代后期 20世纪70年代后期到80年代后期 20世纪90年代后期至今
每块芯片上的元件数
摩尔定律
功耗
提高芯片可靠性
浴盆曲线
降低芯片成本
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集成电路的5个制造阶段
集成电路的5个制造阶段
第1阶段：硅片制备
第2阶段：硅片制造
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裸露的硅片到达硅片制造厂，然后经过各种清洗、 成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，加工完的硅片具 有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。
一旦材料被错误刻蚀去掉，在刻蚀过程中所犯的 错误将难以纠正，只能报废硅片，带来经济损失。
主要设备：
等离子体刻蚀机（湿法、干法） 等离子去胶机 湿法清洗设备
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干法等离子体刻蚀机示意图
离子注入区
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离子注入机是亚微米工艺中常见的掺杂工具。
主要设备：
离子注入机 等离子去胶机 湿法清洗设备
➢ 2.电子材料
• 半导体材料、金属材料和非金属材料 • 采用什么样的材料才能满足工程实际的需要
➢ 3.分析与设计基本理论
• 电子材料的基本物理和化学性质、元器件的基本工作原理 等
➢ 4.工程应用技术与方法
• 提供了最直接的应用技术，是电子科学与技术理论研究和 工程应用技术联系的纽带
集成电路技术
器件阶段——集成电路设计技术是支持技术
设计基础是器件 系统实现技术是器件组成系统 基本工具是器件分析系和系统仿真
SoC阶段——集成电路设计技术是基本应用技术
设计基础是系统和电路 系统实现技术是系统集成技术 基本工具是系统和电路模型的仿真分析
时间安排（每周4学时*16周=64学时）
1课程概述
乔布斯：“仙童半导体公司就象个成熟了的蒲公英，你一 吹它，这种创业精神的种子就随风四处飘扬了。”
“硅谷人才摇篮”
八叛逆在FAIRCHILD SEMICONDUCTOR，1959年
从左至右 Gordon Moore, Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni Jay Last
10医学
11管理学
电子科学与技术
专门研究电子科学理论及其应用技术的学科， 其研究的主要内容是
➢ 电子技术的核心理论 ➢ 制造电子元器件的材料、方法与工艺 ➢ 电路设计理论与应用技术
设计 制造 测试
电子科学与技术的基本内容
➢ 1.电子元器件
• 分立器件和集成器件 • 如何设计出满足应用系统要求的电子元器件
TCAD技术概论 6 电子科学与技术导论 7 集成电路芯片封装技术 8 现代集成电路制造工艺原理 9 集成电路制程设计与工艺仿真 10 MOS集成电路结构与制造技术 11 集成电路制造技术——原理与工艺 12 微系统封装原理与技术 13 图解半导体基础
作者
【美】Michael Quirk
【美】Peter Van Zant 关旭东
IDM fabless foundry
半导体产业总是处于设备设计和制造技术的前沿。
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第3阶段：硅片的测试/拣选
硅片制造完成后，硅片被送到测试/拣选区， 在那里进行单个芯片的探测和电学测试，然后 拣选出可接受和不可接受的芯片，并为有缺陷 的芯片做标记，通过测试的芯片将继续进行以 后的工艺。