,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,集成电路制造技术,原理与工艺,西安交通大学 刘润民,1,第,0,章 绪论,引言,微电子工艺发展状况,微电子工艺特点与用途,本课程内容,2,早在,1830,年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。,1874,年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业,电子业的诞生。,以上设备所用电子元器件,均为真空管,01,引言,3,半导体器件的两个发展阶段,分立器件阶段（,1947,1959,）,半导体晶体管,集成电路阶段（,1959,至今）,SSI,、,MSI,、,LSI,、,VLSI,、,ULSI,集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着,高效能、低消耗、高精度、高稳定、智能化,的方向发展。,1960s Transistor,4,什么是微电子工艺,微电子工艺,是,指,用半导体材料,制作微电子产品的,方法,、,原理和技术,。,不同产品的制作工艺各有不同，但可将制作工艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为,单项工艺。,不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。,5,微电子工业产业链的划分,前工序,后工序,材料制备,单晶硅锭,6,npn-Si,双极型晶体管芯片工艺流程,硅外延平面工艺举例,n,+,n,p,n,+,e,b,c,7,Oxidation,(Field oxide),Silicon substrate,Silicon dioxide,oxygen,Photoresist,Develop,oxide,Photoresist,Coating,photoresist,Mask-Wafer,Alignment and Exposure,Mask,UV light,Exposed,Photoresist,exposed,photoresist,G,S,D,Active Regions,top nitride,S,D,G,silicon nitride,Nitride,Deposition,Contact,holes,S,D,G,Contact,Etch,Ion Implantation,resist,ox,D,G,Scanning ion beam,S,Metal Deposition and Etch,drain,S,D,G,Metal,contacts,Polysilicon,Deposition,polysilicon,Silane gas,Dopant gas,Oxidation,(Gate oxide),gate oxide,oxygen,Photoresist,Strip,oxide,RF Power,Ionized oxygen gas,Oxide,Etch,photoresist,oxide,RF Power,Ionized CF,4,gas,Polysilicon,Mask and Etch,RF Power,oxide,Ionized CCl,4,gas,poly gate,RF Power,MOS,晶体管工艺流程中的主要制造步骤,8,02,微电子工艺发展历程,诞生,:,1947,年,12,月在美国的贝尔实验室，发明了半导体点接触式晶体管，采用的关键工艺技术是合金法制作,pn,结。,合金法,pn,结示意图,加热、降温,pn,结,In,N-,Ge,9,The,First Transistor from Bell Labs,Photo courtesy of Lucent Technologies Bell Labs Innovations,10,1958,年在美国的德州仪器公司和仙童公司各自研制出了集成电路，采用的制造工艺是,硅平面工艺,。,pn,结,SiO,2,Si,氧化,光刻,扩散掺杂,诞生,11,Jack,Kilbys,First Integrated Circuit,Photo courtesy of Texas Instruments,Inc.,1959,年,2,月，德克萨斯仪器公司（,TI,）工程师,J.kilby,申请第一个集成电路发明专利；,利用台式法完成了用硅来实现晶体管、二极管、电阻和电容，并将其集成在一起的创举。,台式法,-,所有元件内部和外部都是靠细细的金属导线焊接相连。,12,上个世纪,60,年代的诞生了外延技术，如：,n-Si/n,+,-Si,，,n-Si/p-Si,。,一般双极电路或晶体管制作在外延层上。,上个世纪,70,年代的离子注入技术，实现了浅结掺杂。,IC,的集成度提高得以实现。,新工艺、新技术不断出现（等离子技术的应用，电子束光刻，分子束外延等）。,发展,13,戈登,-,摩尔提出,摩尔定律,英特尔公司的联合创始人之一,-,戈登,-,摩尔,早在,1965,年，摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。,“摩尔定律”：集成电路上能被集成的晶体管数目，将会以每,18,个月翻一番的速度稳定增长。,14,DROM,集成度与工艺的进展,年代,1985,年,1988,年,1991,年,1994,年,1997,年,2000,年,集成度,1,M,4M,16M,64M,256M,1G,最小,线宽,1.25,0.8,0.6,0.5,0.35,0.18,光刻,技术,光学曝光,准分子,电子束,电子束,X,射线,（电子束）,摩尔定律：每隔,3,年,IC,集成度提高,4,倍,15,微处理器的摩尔定律,Year,4004,8080,8086,80286,80386,80486,Pentium,Pentium Pro,100M,10M,1M,100K,10K,Transistors,19751980198519901995 2000,500,25,1.0,.1,.01,16,集成电路芯片上的功耗变化,10,8,6,4,2,0,1997199920012003200620092012,平均功率以微瓦为单位,(10,-6,W),Year,17,特征尺寸,芯片上,器件的尺寸,和,数量,使集成电路发展的两个共同标志。,芯片上的物理尺寸特征被称为特征尺寸。,特别值得注意的是芯片上的,最小特征尺寸被称为关键尺寸，,(Critical Dimension),，简称,CD,。,我们将,CD,作为定义制造复杂性水平的标准。自半导体制造业开始以来，器件的,CD,一直在缩小，从,20,世纪,50,年代初期以大约,125,m,的,CD,开始，目前是,0.03,m,或更小。,18,Common IC Features,接触孔,线宽,间距,图,1.6 Critical Dimension,19,2.5,2.0,1.5,1.0,0.5,0,0.51.01.52.0,特征尺寸,(,m,m),延迟时间,(,10,-9,sec),互连延迟,(RC),门延迟,互连延迟,(RC),与特征尺寸的关系,20,Passivation,layer,Bonding pad metal,p,+,Silicon substrate,LI oxide,STI,n-well,p-well,ILD-1,ILD-2,ILD-3,ILD-4,ILD-5,M-1,M-2,M-3,M-4,Poly gate,p,-,Epitaxial layer,p,+,n,+,ILD-6,LI metal,Via,p,+,p,+,n,+,n,+,0.18,m,m,的,CMOS,局部剖面,21,Micrograph courtesy of Integrated Circuit Engineering,Mag.18,250 X,22,电子产品发展趋势：更小，更快，更冷,现有的工艺将更成熟、完善；新技术不断出现。当前，光刻工艺线宽已达,0.045,微米。由于量子尺寸效应，集成电路线宽的物理极限约为,0.035,微米，即,35,纳米。,另外，硅片平整度也是影响工艺特征尺寸进一步小型化的重要因素。,微电子业的发展面临转折。上世纪九十年代纳电子技术出现，并越来越受到关注。,未 来,23,近,10,年来，“轻晶圆厂”（,fab,-light,）或“无晶圆厂”（,fabless,）模式的兴起，而没有芯片设计公司反过来成为,IDM,（,Integrated Device Manufacturer,）,。,5,年前英特尔做,45,纳米时，台积电还停留在,90,纳米，中间隔了一个,65,纳米。但到,45,纳米，台积电开始“抢先半步”。即遵循“摩尔定律”的英特尔的路线是,45,、,32,、,22,纳米，台积电的路线则是,40,、,28,、,20,纳米,。,24,03,微电子制造工艺的特点,超净,环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，,ULSI,在,100,级超净室制作，超净台达,10,级。,超纯,指所用材料方面，如衬底材料、,功能性电子,材料、水、气等；,Si,单晶纯度达,1112,个,9,。,高技术含量,设备先进，技术先进。,高精度,器件几何图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。,大批量，低成本,图形转移技术使之得以实现。,25,超净环境,随着芯片特征尺寸进入深亚微米级，任何微粒的沾污都会对芯片性能产生很大影响，甚至导致失效，所以对制造环境的要求极为严格，因此必须在超净环境下生产。,26,27,超纯材料,用来制造半导体芯片的高纯硅通常称为半导体级硅（,Semiconductor-Grade Silicon,SGS,），,它包含少于百万分之（,ppm,）二的碳元素和少于十亿分之,(ppb),一的,、,族元素（主要的掺杂元素）。,其纯度一般在,99.9999999999%,（,812,个,9,）,在芯片生产整个过程中，要经过多次的化学刻蚀与清洗，所以所有工艺用水必须经过严格处理，达到非常严格洁净度的要求。通常采用,反渗透,和,离子交换,系统去除水中的离子。,去除离子后的水通常称为去离子水。,去离子水在,25,时的电阻率是,18000 000,cm,，简称,18M,。,28,21,世纪硅微电子技术的三个主要发展方向,特征尺寸继续等比例缩小；,集成电路,(IC),将发展成为系统芯片,(SoC),-,SoC,是一个通过,IP,设计复用达到高生产率的软,/,硬件协同设计过程；,微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科,，例如,MEMS,、,DNA,芯片等,-,其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理功能。,微电子技术的三个发展方向,29,工艺课程学习的主要应用,制作微电子器件和集成电路,微机电系统,(,microelectromechanicol,System,M,EMS),所依托的微加工技术,纳米技术，如,光刻,图形复制转移工艺，,MBE,等,30,4,本课程内容,重点介绍单项工艺和其,依托的科学原理。,简单介绍典型产品的工艺流程，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。,31,第一单元,硅衬底,1,单晶硅结构,2,硅锭及圆片制备,3,外延,基本单项工艺,第二单元,氧化与掺杂,第三单元,薄膜制备,第四单元光刻技术,4,氧化,5,扩散,6,离子注入,7 CVD,8 PVD,9,光刻,10,现代,光刻技术,11,刻蚀,第五单元,工艺集成和测试封装,12,金属化与多层互连,13,工艺集成,14,测试,封装,课程,内容,框架图,32,教材与参考书,王蔚,微电子制造技术,-,原理与工艺,电子工业出版社,2010,Gary S.May,半导体制造基础,人民邮电出版设,2007,Stephen A.C.,微电子制造科学原理与工程技术,电子工业出版社，,2003,韩郑生,半导体制造技术,电子工业出版社,2004,33,考试与课程评定,期末考试采取笔试方式，考试成绩占总成绩的,70,%,；,平时成绩占,30,%,，,出勤：,12%,，小测验及作业：,18%,。,34,