集成电路制造工艺教案第一章4学时.doc

教学课题：课程介绍及概述教学目的：了解课程的内容，了解该课程在专业体系以及现实生产中的意义，了解学习该课程应该注意的问题。教学内容：1、课程介绍 2、集成电路的发展历程 3、集成电路的分类 4、集成电路工艺基础 5、集成电路的生产环境教学重点：集成电路分类及工艺教学难点：集成电路制造工艺教学方法：讲授学 时：4学时详细教学内容：一、课程介绍1、简介集成电路的制造是与电子科学与技术中的两个专业方向（微电子技术方向和光电子技术方向）相关的制造业，该制造业是社会的基础工业、是现代化的基础工业，是国家远景规划中置于首位发展的工业。介绍了集成电路（硅集成电路）的制造工艺原理的内容。微电子技术从某种意义上是指大规模集成电路和超大规模集成电路的制造技术。由于集成电路的制造技术是由分离器件的制造技术发展起来的，则从制造工艺上看，两种工艺流程中绝大多数制造工艺是相通的，但集成电路制造技术中包含了分离器件制造所没有的特殊工艺。本课程简单介绍了制造器件时相关的工艺技术与原理。集成电路制造工艺原理的内容是随着半导体器件制造工艺技术发展而发展的、是随着电子行业对半导体器件性能不断提高的要求（小型化、微型化、集成化、以及高频特性、功率特性、放大特性的提高）而不断充实的。综观其发展历程，由四十年代末的合金工艺原理到五十年代初的合金扩散工艺原理，又由于硅平面工艺的出现而发展为硅平面工艺原理、继而发展为硅外延平面工艺原理。硅外延平面工艺是集成电路制造的基础工艺；在制造分离器件和集成电路时，为提高器件和集成电路的可靠性、稳定性，引入了若干有实效的保护器件表面的工艺，则加入了表面钝化工艺原理的内容；在制造集成电路时，为实现集成电路中各元器件间的电性隔离，引入了隔离墙的制造，则又加入了隔离工艺原理的内容。因此，集成电路工艺原理=硅外延平面工艺原理+表面钝化工艺原理+隔离工艺原理，而大规模至甚大规模集成电路的制造工艺，只不过是在掺杂技术、光刻技术（制版技术）、电极制造技术方面进行了技术改进而已。2、课程难点半导体器件制造的工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容；工艺流程设计包含的具体内容；工艺条件设计包含的具体内内容。工艺制造涉及的具体内容，工艺线流程与各工序操作流程的区别。半导体器件制造的工艺分析所涉及的四部分内容，进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的意义何在；如何对应器件的不合格性能参数，通过上述四项分析进行工艺改进，从而得到合格性能参数。半导体器件制造的质量控制须做哪些工作，为什么说通过质量控制，器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度。什么是工艺改革和新工艺的应用？什么是环境条件改革和工艺条件优化？为什么要注重情报和及时调整产品结构？什么是工业化大生产？这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题？为什么说半导体器件制造有冗长的工艺流程？十几步的分离器件制造工艺流程与二十几步的集成电路制造工艺流程有什么区别？集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作，各自有哪几步工艺构成？各起到什么作用？3、基本概念：1）半导体器件：由半导体材料制成的分离器件和半导体集成电路。2）半导体分离器件：各种晶体三极管；各种晶体二极管；各种晶体可控硅。3）半导体集成电路：以半导体（硅）单晶为基片，以平面工艺为基础工艺，将构成电路的各元器件制作于同一基片上，布线连接构成的功能电路。4）晶体三极管的电学参数：指放大倍数、结的击穿电压、管子的工作电压、工作频率、工作功率、噪声系数等。5）晶体三极管的结构参数：包括所用材料、电性区各层结构参数、器件芯片尺寸、外延层结构参数和工艺片厚度等。6）硅平面工艺：指由热氧化工艺、光刻工艺和扩散工艺为基础工艺构成的近平面加工工艺。4、基本要求：要求学生了解本课程的性质，知道学好集成电路制造工艺原理对学习专业课的重要性。掌握半导体器件制造技术中所涉及的工艺流程；工艺条件包含的具体内内容。了解工艺制造涉及的具体内容，知道工艺线流程与各工序操作流程的区别是什么。知道进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的指导意义；知道半导体器件制造的质量控制须做哪些工作。了解半导体器件制造有冗长的工艺流程，分离器件制造工艺至少有十几步的工艺流程，集成电路制造工艺至少有二十几步的制造工艺流程。知道集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作两大部分，知道制作隔离区的目的何在？制作埋层区的目的何在？清楚隔离制作有哪几步工艺构成？知道隔离氧化、隔离光刻和隔离扩散工艺各自达到什目的；清楚埋层制作有哪几步工艺构成？知道埋层氧化、埋层光刻和埋层扩散工艺各自达到什目的。5、发展趋势集成电路发展趋势三：新材料、新工艺、新方法的不断应用极大提升了现有技术水平。虽然，在未来10-15年间CMOS（互补金属氧化物导体）器件仍是市场上的主体，但是为了达到芯片集成程度的不断提高和性能的进一步提升，新材料、新工艺和新方法已被广泛应用于现有工艺。（1）设计开始向DFT、DFM、IP核复用方向发展随着系统的集成度越来越高，传统的设计、制造、测试方面已经受到越来越大的限制，基于可测性设计（DFT, design for test）和可制造性设计（DFM, design for manufacture）的方案是克服这些限制的很好解决方法。（2）浸入式光刻技术有了长足的进步集成电路在制造过程中经历了材料制备、掩膜、光刻、清洗、刻蚀、渗杂、化学机械抛光等多个工序，其中尤以光刻工艺最为关键，决定着制造工艺的先进程度。随着集成电路由微米级向钠米级发展，光刻采用的光波波长也从近紫外（NUV）区间的436nm、365nm波长进入到深紫外（DUV）区间的248nm、193nm波长。（3）封装业积极应对无铅化要求近年来集成电路封装技术发展非常迅速，很多新技术和新材料被引入，但是目前集成电路封装业遇到的最大挑战之一就是如何应对欧盟2006年7月1日开始执行的产品无铅化法案。（4）测试技术面临SOC技术发展和可测性带来的挑战（5）新兴器件开始崭露头角二、概述1、集成电路的发展历程1）集成电路的由来基本概念：集成电路（芯片）（实质；特点） 自1947年世界第一只晶体管的发明以及1958年世界第一块集成电路的诞生以来，集成电路技术迅猛发展，推动人类社会快速步入信息时代。2）摩尔定律之路 基本概念：摩尔定律：摩尔定律是由英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。IC，即集成电路是采用半导体制作工艺，在一块较小的单晶硅片上制作上许多晶体管及电阻器、电容器等元器件，并按照多层布线或遂道布线的方法将元器件组合成完整的电子电路。它在电路中用字母“IC”（也有用文字符号“N”等）表示。摩尔定律的发现计算机第一定律摩尔定律Moore定律1965年，戈登·摩尔（GordonMoore）准备一个关于计算机存储器发展趋势的报告。他整理了一份观察资料。在他开始绘制数据时，发现了一个惊人的趋势。每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量，每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。如果这个趋势继续的话，计算能力相对于时间周期将呈指数式的上升。Moore的观察资料，就是现在所谓的Moore定律，所阐述的趋势一直延续至今，且仍不同寻常地准确。在26年的时间里，芯片上的晶体管数量增加了3200多倍，从1971年推出的第一款4004的2300个增加到奔腾II处理器的750万个。 总结：集成电路的发展趋势主要体现在以下几个方面特征尺寸，晶圆尺寸（晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形，故称为晶圆），晶体管数目，时钟频率，电源电压，布线层数，I/O引脚。2、集成电路的分类1）按器件导电类型分类双极型集成电路：在半导体内，多数载流子和少数载流子两种极性的载流子（空穴和电子）都参与有源元件的导电，如通常的NPN或PNP双极型晶体管。以这类晶体管为基础的单片集成电路，称为双极型集成电路。它是1958年世界上最早制成的集成电路。双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离技术，以双极型晶体管为基础元件。按功能可分为数字集成电路和模拟集成电路两类。在数字集成电路的发展过程中，曾出现了多种不同类型的电路形式，典型的双极型数字集成电路主要有晶体管-晶体管逻辑电路(TTL)，发射极耦合逻辑电路(ECL)，集成注入逻辑电路(I2L)。TTL电路形式发展较早，工艺比较成熟。ECL电路速度快，但功耗大。I2L电路速度较慢，但集成密度高。金属氧化物半导体集成电路：简称“mos集成电路”。由金属、氧化物和半导体场效应管组成的集成电路。工艺简单、输入阻抗高、集成度高、功耗低，但工作频率低。主要用于数字电路。分p沟道mos集成电路和n沟道mos集成电路两种。将两者互补构成互补型集成电路(cmos)。双极-mos集成电路：由双极型门电路和互补金属-氧化物-半导体（CMOS）门电路构成的集成电路。特点是将双极（Bipolar）工艺和CMOS工艺兼容，在同一芯片上以一定的电路形式将双极型电路和CMOS电路集成在一起 ，兼有高密度 、低功耗和高速大驱动能力等特点 。主要应用在高速静态存储器、高速门阵列以及其他高速数字电路中，还可以制造出性能优良的模数混合电路，用于系统集成。2）按器件功能分类 数字集成电路：数字集成电路是将元器件和连线集成于同一半导体芯片上而制成的数字逻辑电路或系统。模拟集成电路：主要是指由电容、电阻、晶体管等组成的模拟电路集成在一起用来处理模拟信号的集成电路。3、集成电路工艺基础1）集成电路的材料2）集成电路工艺基础集成电路工艺（integrated circuit technique ）是把电路所需要的晶体管、二极管、电阻器和电容器等元件用一定工艺方式制作在一小块硅片、玻璃或陶瓷衬底上，再用适当的工艺进行互连，然后封装在一个管壳内，使整个电路的体积大大缩小，引出线和焊接点的数目也大为减少。集成的设想出现在50年代末和60年代初，是采用硅平面技术和薄膜与厚膜技术来实现的。电子集成技术按工艺方法分为以硅平面工艺为基础的单片集成电路、以薄膜技术为基础的薄膜集成电路和以丝网印刷技术为基础的厚膜集成电路。利用研磨、抛光、氧化、扩散、光刻、外延生长、蒸发等一整套平面工艺技术，在一小块硅单晶片上同时制造晶体管、二极管、电阻和电容等元件，并且采用一定的隔离技术使各元件在电性能上互相隔离。然后在硅片表面蒸发铝层并用光刻技术刻蚀成互连图形，使元件按需要互连成完整电路，制成半导体单片集成电路4、集成电路的生产环境习题：1.1什么是集成电路？如何衡量集成电路的制造水平？1.4集成电路中常用的材料有哪些并简述其用途。1.5简述集成电路的制造工序。小结：