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微电子工艺课件微电子工艺课件1zhang1zhang电子科技大学课程中心http:/222.197.164.43/webapps/login/关于更新课程中心登录密码的通知：各位老师、同学：课程中心已于上学期期末进行了系统升级，并与信息门户网站实现了密码统一。自即日起，登录课程中心的用户帐号不变，仍为工资号或学号，密码与信息门户网站的登录密码一致。信息门户网站初始登录密码：1）15位身份证号码：取最后6为密码;18位身份证号码：取去掉最后1位的倒数6位为密码2）如按照1）的规则输入密码无法登录，请尝试用工资号或者学号为密码登录。如果您遗忘了密码，可以找回。http:/ n通过本课程的学习，使学生在微电子技术方向上打下深厚的工艺基础；n n了解半导体产业状况及技术发展动态；n n理解微电子器件和集成电路制造先进工艺技术；n n掌握氧化、光刻、刻蚀、扩散、离子注入、沉积等各种单项工艺技术的基本原理、方法和主要特点；n n掌握工艺集成的特点以及微电子器件和集成电路制造的基本工艺流程。课程内容安排和要求课程内容安排和要求n n绪论：半导体产业介绍、器件技术、硅和硅片制备、硅片清洗。了解集半导体产业介绍、器件技术、硅和硅片制备、硅片清洗。了解集成电路产业状况及技术发展动态成电路产业状况及技术发展动态；n n单项工艺：氧化原理、氧化原理、SiO2SiO2结构、性质和用途、结构、性质和用途、SiO2SiO2Si Si界面及掺氯界面及掺氯氧化、扩散原理、杂质扩散机制、杂质的扩散分布、磷的液态源扩散、硼的氧化、扩散原理、杂质扩散机制、杂质的扩散分布、磷的液态源扩散、硼的涂源扩散以及两步扩散工艺、薄膜的特性、化学气相沉积原理、化学气相沉涂源扩散以及两步扩散工艺、薄膜的特性、化学气相沉积原理、化学气相沉积积CVDCVD生长过程、化学气相沉积工艺、外生长过程、化学气相沉积工艺、外 延、光刻工艺原理、光刻工艺的延、光刻工艺原理、光刻工艺的8 8个基本步骤、光刻胶、对准与曝光、光学光刻、焦深及套准精度、干法刻蚀、个基本步骤、光刻胶、对准与曝光、光学光刻、焦深及套准精度、干法刻蚀、干法刻蚀过程、干法刻蚀系统及其刻蚀机理、干法刻蚀系统、反应离子刻蚀干法刻蚀过程、干法刻蚀系统及其刻蚀机理、干法刻蚀系统、反应离子刻蚀（RIERIE）机理、离子注入工艺原理、离子注入浓度分布、离子注入设备、离）机理、离子注入工艺原理、离子注入浓度分布、离子注入设备、离子注入效应、沟道效应、注入损伤、离子注入退火、电子束蒸发系统的组成、子注入效应、沟道效应、注入损伤、离子注入退火、电子束蒸发系统的组成、磁控溅射系统的组成、电子束蒸发的工艺过程、磁控溅射的工艺过程、先进磁控溅射系统的组成、电子束蒸发的工艺过程、磁控溅射的工艺过程、先进的金属化技术、现代集成电路对金属膜的要求、传统的平坦化技术、化学机的金属化技术、现代集成电路对金属膜的要求、传统的平坦化技术、化学机械平坦化、械平坦化、CMPCMP的机理、的机理、CMPCMP的优点。了解设备结构及工作原理，掌握各单的优点。了解设备结构及工作原理，掌握各单项工艺技术的基本原理、方法和主要特点。项工艺技术的基本原理、方法和主要特点。课程内容安排和要求课程内容安排和要求n n工艺集成：4 46m6m双极集成电路工艺技术、典型双极型双极集成电路工艺技术、典型双极型ICIC工艺流程、早期工艺流程、早期2.02.03.0m 3.0m CMOS ICCMOS IC工艺技术、单阱（工艺技术、单阱（P P阱）工艺流程、现代阱）工艺流程、现代0.18m CMOS IC0.18m CMOS IC工艺技术。工艺技术。了解现代先进的了解现代先进的0.18m CMOS IC0.18m CMOS IC工艺技术及其特点、方法，掌握典型基本工艺技术及其特点、方法，掌握典型基本的的CMOS ICCMOS IC工艺技术及工艺流程。工艺技术及工艺流程。n n实践性教学环节和要求：实验实验1 1、微电子器件制造工艺实验（微电子器件制造工艺实验（6 6学时）：掌握集成电路工艺中氧化、光学时）：掌握集成电路工艺中氧化、光刻、扩散、蒸发等基本工序的生产过程，了解各工艺参数的选取原则。刻、扩散、蒸发等基本工序的生产过程，了解各工艺参数的选取原则。实验实验2 2、测试实验（测试实验（2 2学时）：了解中测探针台的使用方法，掌握四探针测试学时）：了解中测探针台的使用方法，掌握四探针测试仪和晶体管特性图示仪的使用方法。仪和晶体管特性图示仪的使用方法。实验实验3 3、微电子器件版图设计实验（微电子器件版图设计实验（8 8学时）：了解微电子器件的版图设计规学时）：了解微电子器件的版图设计规则，掌握则，掌握L-EditL-Edit的使用方法，并使用的使用方法，并使用L-EditL-Edit完成一个实际器件的版图设计。完成一个实际器件的版图设计。n n考核方式：n n平时考核：考核到课率、交作业情况，平时成绩占总成绩的平时考核：考核到课率、交作业情况，平时成绩占总成绩的1010n n期末考核：采用期末考核：采用开卷开卷考试，期末考试占总成绩的考试，期末考试占总成绩的9090n n建议教材和参考资料：n n1 1、建议教材：、建议教材：半导体制造技术半导体制造技术中文版，韩郑生等译，电子工业出版社中文版，韩郑生等译，电子工业出版社 20042004，国外电子，国外电子与通信教材系列。与通信教材系列。2 2、参考资料：、参考资料：集成电路工艺基础集成电路工艺基础，王阳元等编著，高等教育出版社。，王阳元等编著，高等教育出版社。微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术，Stephen A.CampbellStephen A.Campbell著，电子工业著，电子工业出版社，国外电子与通信教材系列出版社，国外电子与通信教材系列 。集成电路制造技术集成电路制造技术原理与实践原理与实践，庄同曾编，电子工业出版社。，庄同曾编，电子工业出版社。课时安排（课时安排（32学时）学时）n n导论（导论（导论（导论（2 2学时）学时）学时）学时）n n半导体产业介绍（半导体产业介绍（半导体产业介绍（半导体产业介绍（2 2学时）学时）学时）学时）n n硅和硅片制备（硅和硅片制备（硅和硅片制备（硅和硅片制备（2 2学时）学时）学时）学时）n n集成电路制造工艺概况（集成电路制造工艺概况（集成电路制造工艺概况（集成电路制造工艺概况（3 3学时）学时）学时）学时）n n氧化（氧化（氧化（氧化（3 3学时）学时）学时）学时）n n淀积（淀积（淀积（淀积（3 3学时）学时）学时）学时）n n金属化（金属化（金属化（金属化（3 3学时）学时）学时）学时）n n光刻：气相成底膜到软烘（光刻：气相成底膜到软烘（光刻：气相成底膜到软烘（光刻：气相成底膜到软烘（2 2学时）学时）学时）学时）n n光刻：对准和曝光（光刻：对准和曝光（光刻：对准和曝光（光刻：对准和曝光（2 2学时）学时）学时）学时）n n光刻：光刻胶显影和先进的光刻技术（光刻：光刻胶显影和先进的光刻技术（光刻：光刻胶显影和先进的光刻技术（光刻：光刻胶显影和先进的光刻技术（2 2学时）学时）学时）学时）n n刻蚀（刻蚀（刻蚀（刻蚀（3 3学时）学时）学时）学时）n n离子注入、扩散（离子注入、扩散（离子注入、扩散（离子注入、扩散（3 3学时）学时）学时）学时）n n化学机械平坦化（化学机械平坦化（化学机械平坦化（化学机械平坦化（1 1学时）学时）学时）学时）n n装配与封装（选讲装配与封装（选讲装配与封装（选讲装配与封装（选讲 1 1学时）学时）学时）学时）微电子工艺特点微电子工艺特点n nSafety 安全第一（进实验室第一步）（剧毒，强酸，强碱，强腐蚀性）n nYield 良品率 例子：0.99450=1%0.999450=63.7%0.9999450=95.6%安全第一安全第一安全第一安全第一安全第一安全第一安全第一安全第一安全第一安全第一良品率良品率良品率良品率良品率良品率良品率良品率良品率良品率良品率良品率良品率良品率微电子发展历史参考书籍微电子发展历史参考书籍n n晶体之火晶体管的发明及信息时代的来晶体之火晶体管的发明及信息时代的来临临 美美 迈克尔迈克尔.赖尔登赖尔登 莉莲莉莲.霍德森著霍德森著 上上海科学技术出版社海科学技术出版社 2002年年n nHistory of Semiconductor Engineering by Bo Lojek Springer-Verlag Berlin 2007n n旷世奇才旷世奇才 巴丁传巴丁传 上海科学教育出版社上海科学教育出版社 2007第一章第一章 半导体产业介绍半导体产业介绍学习目标：学习目标：1 1、国际上半导体工业在社会发展中的重要作用、国际上半导体工业在社会发展中的重要作用、国际上半导体工业在社会发展中的重要作用、国际上半导体工业在社会发展中的重要作用 2 2、半导体产业的相关技术根基、半导体产业的相关技术根基、半导体产业的相关技术根基、半导体产业的相关技术根基3 3、什么是集成电路，、什么是集成电路，、什么是集成电路，、什么是集成电路，5 5个电路集成时代个电路集成时代个电路集成时代个电路集成时代4 4、硅片是如何分层的，硅片制造、硅片是如何分层的，硅片制造、硅片是如何分层的，硅片制造、硅片是如何分层的，硅片制造5 5个阶段个阶段个阶段个阶段5 5、硅片制造发展的三个主要趋势、硅片制造发展的三个主要趋势、硅片制造发展的三个主要趋势、硅片制造发展的三个主要趋势6 6、关键尺寸（、关键尺寸（、关键尺寸（、关键尺寸（CDCD），摩尔定律），摩尔定律），摩尔定律），摩尔定律7 7、硅片制造的不同电子时代、硅片制造的不同电子时代、硅片制造的不同电子时代、硅片制造的不同电子时代8 8、半导体产业中的不同职业路径、半导体产业中的不同职业路径、半导体产业中的不同职业路径、半导体产业中的不同职业路径国际上半导体工业在社会发展中的重要作用国际上半导体工业在社会发展中的重要作用n n现在全世界每年芯片销售突破2000亿美元 问题：当今有哪几类电子产业年产值已经 或有望达到这一数值？n n相应的微电子技术广泛应用于国民经济的各行各业，带动相关产业的大发展n n半导体产业是整个高技术产业最关键的一个子系统半导体产业半导体产业产业根基产业根基n n真空管电子学（放大音频、视频信号）n n无线电通信n n机械制表机n n固体物理真空管真空管问题：为什么现在真空管在某些场合还在使用？问题：为什么现在真空管在某些场合还在使用？体积大、不可靠、耗电大、寿命短体积大、不可靠、耗电大、寿命短固体物理（凝聚态物理）固体物理（凝聚态物理）n n最基本的是发展成熟的量子力学知识在固态物质尤其是半导体材料研究中的应用能带概念的提出n n半导体材料的提纯技术n n1947年贝尔实验室肖克来、巴丁、布拉顿发明点接触晶体管，随后肖克来发明面接触晶体管尺寸小、无真空，可靠、重量轻、最小的发热以及低功耗n n肖克来实验室（美国加州硅谷）-仙童公司第一支晶体管（贝尔实验室）第一支晶体管（贝尔实验室）1957年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖肖克来肖克来 巴丁巴丁 布拉顿布拉顿第一支平面晶体管第一支平面晶体管电路集成电路集成n n集成电路-将多个电子元件（晶体管、二极管、电容、电阻、电抗等）集成到硅衬底上n n德州电器TI基尔比（单线连接）n n仙童公司诺伊思发明第一个实用的集成电路结构（Al互联，二氧化硅薄膜隔离层）问题：为什么最初研究的半导体材料是锗，但很快硅就取问题：为什么最初研究的半导体材料是锗，但很快硅就取代锗从而在半导体工业中居主导地位，一直持续到现在？代锗从而在半导体工业中居主导地位，一直持续到现在？集成电路发明人基尔比（集成电路发明人基尔比（2000诺贝尔物理奖）诺贝尔物理奖）十二个元件，包括十二个元件，包括十二个元件，包括十二个元件，包括2 2个晶体管、个晶体管、个晶体管、个晶体管、2 2个电容和个电容和个电容和个电容和8 8个电阻，个电阻，个电阻，个电阻，用导线连接用导线连接用导线连接用导线连接集成电路发展的五个时代集成电路发展的五个时代集成电路制造集成电路制造硅芯片器件的分层（硅芯片器件的分层（超过超过450道工序道工序）集成电路的制造步骤集成电路的制造步骤n n硅片制备硅片制备n n硅芯片制造（硅芯片制造（重点重点）n n硅片测试硅片测试/拣选拣选n n装配与封装装配与封装n n终测终测集成电路的集成电路的5个制造步骤个制造步骤硅片的制作硅片的制作（第四章详解）（第四章详解）硅芯片制造硅芯片制造n n清洗n n成膜n n光刻n n刻蚀n n掺杂n n电极n n芯片供应商芯片供应商n n附属生产商附属生产商（captive producerscaptive producers）n nFabless companyFabless companyn nFoundryFoundry代工厂代工厂前部工序前部工序n n图形转换（光刻、刻蚀）n n掺杂（离子注入、扩散）n n制模（介质膜、电极等）后部封装后部封装n n减薄n n划片n n粘片n n压焊n n封装n n沾锡n n老化n n成测n n包装半导体工业发展趋势半导体工业发展趋势n n提高芯片性能提高芯片性能 1 1、关键尺寸、关键尺寸、关键尺寸、关键尺寸CDCD硅片上的最小特征尺寸（技术节点）硅片上的最小特征尺寸（技术节点）硅片上的最小特征尺寸（技术节点）硅片上的最小特征尺寸（技术节点）2 2、集成度增加（减小、集成度增加（减小、集成度增加（减小、集成度增加（减小CDCD），），），），摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律（每隔（每隔（每隔（每隔1818个月，集个月，集个月，集个月，集成度增加一倍，性能增加一倍）成度增加一倍，性能增加一倍）成度增加一倍，性能增加一倍）成度增加一倍，性能增加一倍）3 3、功耗、功耗、功耗、功耗单个晶体管尺寸越小，电流越小，功耗越小，单个晶体管尺寸越小，电流越小，功耗越小，单个晶体管尺寸越小，电流越小，功耗越小，单个晶体管尺寸越小，电流越小，功耗越小，但是整个芯片的功耗很难急剧下降但是整个芯片的功耗很难急剧下降但是整个芯片的功耗很难急剧下降但是整个芯片的功耗很难急剧下降n n提高芯片可靠性提高芯片可靠性工艺线以及工艺过程中的洁净度工艺线以及工艺过程中的洁净度工艺线以及工艺过程中的洁净度工艺线以及工艺过程中的洁净度控制控制控制控制n n降低芯片成本降低芯片成本CDCD尺寸减小，从而单管价格急剧下尺寸减小，从而单管价格急剧下尺寸减小，从而单管价格急剧下尺寸减小，从而单管价格急剧下降；使用更大尺寸的硅片；规模经济降；使用更大尺寸的硅片；规模经济降；使用更大尺寸的硅片；规模经济降；使用更大尺寸的硅片；规模经济关键尺寸关键尺寸特征尺寸最近的技术节点特征尺寸最近的技术节点单个芯片上晶体管数目的增长（单个芯片上晶体管数目的增长（以百万为单位以百万为单位）摩尔定律（每摩尔定律（每18个月集成度翻番）个月集成度翻番）早期和现代半导体器件尺寸比较早期和现代半导体器件尺寸比较每个集成电路芯片上的功耗降低每个集成电路芯片上的功耗降低芯片可靠性提高（以百分之几为单位）芯片可靠性提高（以百分之几为单位）半导体芯片价格降低半导体芯片价格降低电子时代电子时代n n20世纪50年代：晶体管技术逐步取代真空管n n20世纪60年代：工艺技术肖克来实验室催生众多后来的大型电子跨国巨头n n20世纪70年代：竞争成品率提高的困难，微处理器的诞生，Intel弃存储器专攻处理器，半导体行业协会SIA诞生n n20世纪80年代：自动化费用飞涨n n20世纪90年代：批量生产，高达450道工序硅片制造厂的启动成本硅片制造厂的启动成本半导体中的职业半导体中的职业第一章小结第一章小结n n小结（P17）n n关键术语（P17）n n问题（P18）n n产业网站（P18）第一章作业第一章作业n n什么叫集成电路？写出集成电路发展的五什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量个时代及晶体管的数量n n写出写出IC IC 制造的个步骤制造的个步骤n n写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定律？律？n n 4.4.什么是特征尺寸？什么是关键尺寸？什么是特征尺寸？什么是关键尺寸？62结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！63