工藝技術_集成電路工藝概述

集成電路工藝概述 課程介紹 普通高校專業(yè)學科目錄 1998版 01哲學02經濟學03法學04教育學05文學06歷史學07理學08工學09農學10醫(yī)學11管理學 0806電氣信息類080601電氣工程及其自動化080602自動化080603電子信息工程080604通信工程080605計算機科學與技術080606電子科學與技術080607生物醫(yī)學工程 分設十一個學科門類 無軍事學 下設二級類71個 專業(yè)249種 電子科學與技術 專門研究電子科學理論及其應用技術的學科 其研究的主要內容是電子技術的核心理論制造電子元器件的材料 方法與工藝電路設計理論與應用技術設計制造測試 電子科學與技術的基本內容 1 電子元器件分立器件和集成器件如何設計出滿足應用系統(tǒng)要求的電子元器件2 電子材料半導體材料 金屬材料和非金屬材料采用什么樣的材料才能滿足工程實際的需要3 分析與設計基本理論電子材料的基本物理和化學性質 元器件的基本工作原理等4 工程應用技術與方法提供了最直接的應用技術 是電子科學與技術理論研究和工程應用技術聯(lián)系的紐帶 集成電路技術器件階段 集成電路設計技術是支持技術設計基礎是器件系統(tǒng)實現技術是器件組成系統(tǒng)基本工具是器件分析系和系統(tǒng)仿真SoC階段 集成電路設計技術是基本應用技術設計基礎是系統(tǒng)和電路系統(tǒng)實現技術是系統(tǒng)集成技術基本工具是系統(tǒng)和電路模型的仿真分析 時間安排 每周4學時 16周 64學時 參考教材 網絡 中國電子頂級開發(fā)網 考核方法 20 平時成績 考勤 作業(yè) 平時表現 20 實驗成績60 考試成績 開卷 課程作業(yè) 作業(yè)一1描述CZ拉單晶爐的工作原理 作業(yè)二2描述集成電路的制膜工藝原理 作業(yè)三3描述集成電路的圖形轉移工藝原理 作業(yè)四4描述集成電路的摻雜工藝原理 作業(yè)五5以反相器為例描述CMOS工藝流程 集成電路 2020 2 23 17 什么是集成電路 英文全稱IntegratedCircuit 縮寫IC通過一系列特定的加工工藝 將晶體管 二極管等有源器件和電阻 電容等無源器件 按照一定的電路互連 集成 在一塊半導體單晶片 如硅或砷化鎵 上 封裝在一個外殼內 執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能 制造電子器件的基本半導體材料是圓形單晶薄片 稱為硅片或硅襯底 在硅片制造廠 由硅片生產的半導體產品 又被稱為微芯片或芯片 2020 2 23 18 集成電路的內部電路 2020 2 23 19 2020 2 23 20 50 m 100 m頭發(fā)絲粗細 30 m 1 m 1 m 晶體管的大小 30 50 m 皮膚細胞的大小 90年代生產的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細 皮膚細胞大小的比較 一個工業(yè)的誕生 1906年 真空三極管 LeeDeforest 電信號處理工業(yè) 1947年 ENIAC1947年12月23日 晶體管 JohnBardeen WalterBrattin WilliamShockley 1956年諾貝爾物理獎 固態(tài) 分立器件 半導體工業(yè) 世界第一個晶體管 2020 2 23 23 集成電路 集成電路是由Kilby和Noyce兩人于1959年分別發(fā)明 并共享集成電路的專利 19692000年 Kilby被授予諾貝爾物理學獎 Noyce去世10年 杰克 基爾比 JackKilby 德州儀器公司 TexasInstruments鍺 1959 2 第一塊集成電路的發(fā)明家 羅伯特 諾伊思 RobertNoyce 仙童半導體公司 FairchildSemiconductor硅 1959 7 30 提出了適合于工業(yè)生產的集成電路理論 2020 2 23 24 集成電路是怎么誕生的 早期的許多先驅者開始在北加利福尼亞州 現在以硅谷著稱的地區(qū) 1957年 在加利福尼亞州的帕羅阿托市 PaloAlto 的仙童半導體公司 FairchildSemiconductor 制造出第一個商用平面晶體管 它有一層鋁互連材料 這種材料被淀積在硅片的最頂層以連接晶體管的不同部分 從硅上熱氧化生長的一層自然氧化層被用于隔離鋁導線 這些層的使用在半導體領域是一個重要發(fā)展 也是稱其為平面技術的原因 2020 2 23 25 半導體的集成時代 2020 2 23 26 半導體主要趨勢 提高芯片性能 速度 按比例縮小器件和使用新材料 關鍵尺寸 CD 芯片上的物理尺寸特征被稱為特征尺寸 硅片上的最小特征尺寸被稱為關鍵尺寸或CD 技術節(jié)點每塊芯片上的元件數摩爾定律功耗提高芯片可靠性浴盆曲線降低芯片成本 集成電路的5個制造階段 集成電路的5個制造階段 第1階段 硅片制備 2020 2 23 30 第2階段 硅片制造 裸露的硅片到達硅片制造廠 然后經過各種清洗 成膜 光刻 刻蝕和摻雜步驟 加工完的硅片具有永久刻蝕在硅片上的一整套集成電路 IDMfablessfoundry半導體產業(yè)總是處于設備設計和制造技術的前沿 2020 2 23 31 第3階段 硅片的測試 揀選 硅片制造完成后 硅片被送到測試 揀選區(qū) 在那里進行單個芯片的探測和電學測試 然后揀選出可接受和不可接受的芯片 并為有缺陷的芯片做標記 通過測試的芯片將繼續(xù)進行以后的工藝 2020 2 23 32 第4階段 裝配和封裝 把單個芯片包裝在一個保護管殼內 DIP 2020 2 23 33 第5階段 終測 為確保芯片的功能 要對每一個封裝的集成電路進行測試 以滿足制造商的電學和環(huán)境的特性參數要求 至此 集成電路制造完成 晶圓制造廠 晶圓 在亞微米CMOSIC制造廠典型的硅片流程模型 2020 2 23 38 擴散區(qū) 擴散區(qū)一般認為是進行高溫工藝及薄膜淀積的區(qū)域 主要設備 高溫擴散爐 1200 左右 能完成氧化 擴散 淀積 退火以及合金等多種工藝流程 濕法清洗設備 輔助 硅片在放入高溫爐之前必須進行徹底的清洗 以去除硅片表面的沾污以及自然氧化層 2020 2 23 40 光刻區(qū) 光刻的本質是把 臨時 電路圖形復制到覆蓋于硅片表面的光刻膠上 黃色熒光管照明主要設備步進光刻機 steper 涂膠 顯影設備 coater developertrack 清洗裝置和光刻膠剝離機 光刻工藝模塊示意圖 2020 2 23 42 刻蝕區(qū) 刻蝕是在硅片上沒有光刻膠保護的地方留下永久的圖形 一旦材料被錯誤刻蝕去掉 在刻蝕過程中所犯的錯誤將難以糾正 只能報廢硅片 帶來經濟損失 主要設備 等離子體刻蝕機 濕法 干法 等離子去膠機濕法清洗設備 干法等離子體刻蝕機示意圖 2020 2 23 44 離子注入區(qū) 離子注入機是亞微米工藝中常見的摻雜工具 主要設備 離子注入機等離子去膠機濕法清洗設備 薄膜生長區(qū) 主要負責生產各個步驟當中的介質層和金屬層的淀積 薄膜生長中所采用的溫度低于擴散區(qū)中設備的工作溫度 主要設備 中低真空環(huán)境 CVDPVDSOG RTP 濕法清洗設備 CVD多腔集成設備和工藝腔的示意圖 2020 2 23 48 拋光區(qū) 化學機械平坦化 CMP 工藝的目的是使硅片表面平坦化 通過將硅片表面突出的部分減薄到下凹部分的高度來實現的 主要設備 拋光機刷片機 waferscrubber 清洗裝置 測量裝置 典故 威廉 肖克利 WilliamShockely 晶體管之父 1910 1989 1947 點接觸晶體管 1950 面結型晶體管肖克利實驗室 1955 1968 圣克拉拉谷 硅谷 1956 諾貝爾物理獎1957 八判逆1958 斯坦福大學1963 斯坦福大學70年代 人種學和優(yōu)生學 肖克利博士非凡的商業(yè)眼光 成就了硅谷 肖克利博士拙劣的企業(yè)才能 創(chuàng)造了硅谷 天才與廢物 硅谷的第一公民 硅谷第一棄兒 八叛逆 TheTraitorousEight 1955年 晶體管之父 威廉 肖克利 離開貝爾實驗室創(chuàng)建肖克利實驗室 他吸引了很多富有才華的年輕科學家加盟 但是很快 肖克利的管理方法和怪異行為引起員工的不滿 其中八人決定一同辭職 他們是羅伯特 諾依斯 戈登 摩爾 朱利亞斯 布蘭克 尤金 克萊爾 金 赫爾尼 杰 拉斯特 謝爾頓 羅伯茨和維克多 格里尼克 被肖克利稱為 八叛逆 八人接受位于紐約的仙童攝影器材公司的資助 于1957年 創(chuàng)辦了仙童半導體公司 喬布斯 仙童半導體公司就象個成熟了的蒲公英 你一吹它 這種創(chuàng)業(yè)精神的種子就隨風四處飄揚了 硅谷人才搖籃 八叛逆在FairchildSemiconductor 1959年 從左至右GordonMoore SheldonRoberts EugeneKleiner RobertNoyce VictorGrinich JuliusBlank JeanHoerniJayLast 1968 INTEL 杰里 桑德斯 J Sanders AMD 查爾斯 斯波克 C Sporck NSC 2011年 臺灣成為全球最大半導體晶圓生產地 根據市調機構ICInsights調查統(tǒng)計 2011年全球半導體晶圓總月產能達13 617 8千片8寸約當晶圓 其中臺灣晶圓月產能達2 858 3千片8寸約當晶圓 占全球半導體總產能達21 躍居第1大生產國 原本是全球最大晶圓生產國的日本 月產能達2 683 6千片8寸約當晶圓 市占率達19 7 位居第2大生產國 韓國則以2 293 5千片8寸約當晶圓月產能 位居第3大生產國 市占率達16 8 美國月產能達1 995 1千片8寸約當晶圓 市占率降至14 7 是全球第4大生產國 臺積電 聯(lián)電 芯片制造 半導體工藝制程實用教程 第1章半導體工業(yè) 1 1一個工業(yè)的誕生 1906 LeeDeforest 真空三極管 電信號處理工業(yè) 1947 ENIAC 1947 12 23 貝爾實驗室的Johnbardeen WalterBrattin和WilliamShockley 晶體管 1 2固態(tài)時代 晶體管二級管電容器電阻器分立器件 1 3集成電路 1959 TI的JackKilby 鍺 集成電路1959 Fairchild的RobertNoyce 硅 集成電路兩者共享集成電路專利 1 4工藝和產品趨勢 工藝和結構摩爾定律 1 5特征圖形尺寸的縮小 特征圖形尺寸CD 1 6芯片和晶圓尺寸的增大 ChipWafer 1 7缺陷密度的減小 缺陷尺寸缺陷密度 1 8內部連線水平的提高 多層連線 1 9SIA的發(fā)展方向 未來技術路線圖 1 10芯片成本 工藝產品成本價格性能 1 11半導體工業(yè)的發(fā)展 附加值最高的工業(yè) 1 12半導體工業(yè)的構成 半導體和系統(tǒng) 或產品 三類芯片供應商IDMFoundryFabless 1 6生產階段 1材料準備2晶體生長和晶圓準備3晶圓制造和分選4封裝5終測 1 14結型晶體管 PN結 晶體管雙極型器件FET MOS單極性器件貝爾實驗室 1956擴散結1957氧化掩膜 硅 1 15工業(yè)發(fā)展的50年 50年代 黃金時期 工藝 材料 公司 價格 60年代 成熟工業(yè) 塑封 IFET CMOS70年代 投射光刻機 潔凈間 離子注入機 步進光刻機 自動化80年代 全程自動化 1um90年代 銅 開發(fā)的十年 1951 1960 基本工藝和材料 黃金十年 雙極型和單極型設備和材料的問題內部解決 工藝的十年 1961 1970 價格下降的趨勢形成 新老公司交替高產量的工藝 低價格的芯片設備和材料的問題導致半導體特殊供應商形成塑料封裝1963實驗室小批量生產 設備的十年 1971 1980 MSI LSI 膜板引起的缺陷 接觸式光刻機造成的晶圓損傷