集成電路工藝概述

1、01哲學(xué)02經(jīng)濟學(xué)03法學(xué)04教育學(xué)05文學(xué)06歷史學(xué)07理學(xué)0808工學(xué)工學(xué)09農(nóng)學(xué)10醫(yī)學(xué)11管理學(xué)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(xué)與技術(shù)080606電子科學(xué)與技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù)080607生物醫(yī)學(xué)工程分設(shè)十一個學(xué)科門類（無軍事學(xué)），下設(shè)二級類71個，專業(yè)249種。專門研究電子科學(xué)理論及其應(yīng)用技術(shù)的學(xué)科，其研究的主要內(nèi)容是電子技術(shù)的核心理論制造電子元器件的材料、方法與工藝工藝電路設(shè)計理論與應(yīng)用技術(shù)設(shè)計制造測試1.電子元器件分立器件和集成器件如何設(shè)計出滿足應(yīng)用系統(tǒng)要求的電子元器件2.電子材料

2、半導(dǎo)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(shè)計基本理論電子材料的基本物理和化學(xué)性質(zhì)、元器件的基本工作原理等4.工程應(yīng)用技術(shù)與方法提供了最直接的應(yīng)用技術(shù)，是電子科學(xué)與技術(shù)理論研究和工程應(yīng)用技術(shù)聯(lián)系的紐帶集成電路技術(shù)器件階段集成電路設(shè)計技術(shù)是支持技術(shù)設(shè)計基礎(chǔ)是器件系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)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(shè)計技術(shù)是基本應(yīng)用技術(shù)設(shè)計基礎(chǔ)是系統(tǒng)和電路系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)是系統(tǒng)集成技術(shù)基本工具是系統(tǒng)和電路模型的仿真分析時間內(nèi)容安排時間內(nèi)容安排1課程概述2晶圓制備3氧化4物理氣相淀積5化學(xué)氣相淀積6化學(xué)機械拋光7期中復(fù)習(xí)8光刻作業(yè)一、二、三9刻

3、蝕10擴散11離子注入12工藝集成作業(yè)四、五13封裝14期末復(fù)習(xí)15仿真實驗一、二16仿真實驗三、四基本工藝基本工藝制膜制膜氧化氧化4 4CVD4CVD4PVD4PVD4外延外延4 4平坦化平坦化4 4圖形轉(zhuǎn)移圖形轉(zhuǎn)移光刻光刻4 4刻蝕刻蝕4 4摻雜摻雜擴散擴散4 4離子注入離子注入4 4封測封測切片切片封裝封裝4 4測試測試老化老化篩選篩選工序集成CMOS工藝2雙極工序2新技術(shù)實驗軟件環(huán)境2氧化2摻雜2綜合2序號序號書名書名作者作者出版社出版社時間時間1 1半導(dǎo)體制造技術(shù)半導(dǎo)體制造技術(shù)【美美】Michael Michael QuirkQuirk電子工業(yè)電子工業(yè)200420042芯片制造半導(dǎo)體

4、工藝制程實用教程【美】Peter Van Zant電子工業(yè)20103硅集成電路工藝基礎(chǔ)關(guān)旭東北京大學(xué)20034超大規(guī)模集成電路基礎(chǔ)、設(shè)計、制造工藝【日】巖田 穆科學(xué)20075集成電路工藝和器件的計算機模擬IC TCAD技術(shù)概論阮剛復(fù)旦大學(xué)20076 6電子科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)論電子科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)論李哲英李哲英電子工業(yè)電子工業(yè)200620067集成電路芯片封裝技術(shù)李可為電子20078現(xiàn)代集成電路制造工藝原理李惠軍山東大學(xué)20079集成電路制程設(shè)計與工藝仿真劉睿強電子工業(yè)201110MOS集成電路結(jié)構(gòu)與制造技術(shù)潘桂忠上?？茖W(xué)技術(shù)201011集成電路制造技術(shù)原理與工藝王蔚電子工業(yè)201012微系統(tǒng)封裝原理與技

5、術(shù)邱碧秀電子工業(yè)200613圖解半導(dǎo)體基礎(chǔ)【日】水野文夫科學(xué)200720%平時成績（考勤、作業(yè)、平時表現(xiàn)）20%實驗成績60%考試成績（開卷）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(zhuǎn)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。英文全稱Integrated Circuit，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(dǎo)體單晶片（如硅或砷化鎵）上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定電路或系統(tǒng)功能。制造電子器件的基本半導(dǎo)體材料是

6、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(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)品，又被稱為微芯片或芯片。2021-12-21172021-12-2118集成電路的內(nèi)部電路集成電路的內(nèi)部電路VddABOutA AB BOUTOUT0010101001102021-12-21192021-12-2120 50 m100 m頭發(fā)絲粗細頭發(fā)絲粗細 30 m1 m 1 m(晶體管的大小晶體管的大小)3050 m(皮膚細胞的大小皮膚細胞的大小)90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人年代生產(chǎn)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類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較1906年，真空三極管，Lee Defo

7、rest（電信號處理工業(yè)）1947年，ENIAC1947年12月23日，晶體管，John Bardeen，Walter Brattin，William Shockley（1956年諾貝爾物理獎），固態(tài)，分立器件（半導(dǎo)體工業(yè)）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(xué)獎（Noyce去世10年）杰克基爾比（Jack Kilby）德州儀器公司Texas Instruments鍺鍺,1959,2,1959,2 “第一塊集成電路的發(fā)明家”羅伯特諾伊思（Robert Noyce）仙童半導(dǎo)體公司Fairchild Se

8、miconductor硅,1959,7,30,“提出了適合于工業(yè)生產(chǎn)的集成電路理論”2021-12-2123早期的許多先驅(qū)者開始在北加利福尼亞州，現(xiàn)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（Palo Alto）的仙童半導(dǎo)體公司（Fairchild Semiconductor）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(dǎo)線。這些層的使用在半導(dǎo)體領(lǐng)域是一個重要發(fā)展，也是稱其為平面技術(shù)的原因。2021-12-21242021-12-2125電路集成電路集成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)周期半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)周

9、期每個芯片元件數(shù)每個芯片元件數(shù)分立元件1960年前1SSI20世紀60年代前期250MSI20世紀60年代到70年代前期205000LSI20世紀70年代前期到70年代后期5000100 000VLSI20世紀70年代后期到80年代后期100 0001 000 000ULSI20世紀90年代后期至今大于1 000 000提高芯片性能：速度（按比例縮小器件和使用新材料）關(guān)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(guān)鍵尺寸或CD。技術(shù)節(jié)點每塊芯片上的元件數(shù)摩爾定律功耗提高芯片可靠性浴盆曲線降低芯片成本2021-12-2126裸露的硅片到達硅片制造廠，然后經(jīng)過各種清

10、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。IDMfabless foundry半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)總是處于設(shè)備設(shè)計和制造技術(shù)的前沿。2021-12-2130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(xué)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(biāo)記，通過測試的芯片將繼續(xù)進行以后的工藝。2021-12-2131把單個芯片包裝在一個保護管殼內(nèi)。DIP2021-12-2132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(xué)和環(huán)境的特性參數(shù)要求。至此，集成電路制造完成。2021-12-2133擴散區(qū)一般認為是進

11、行高溫工藝及薄膜淀積的區(qū)域。主要設(shè)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(shè)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。2021-12-2138光刻的本質(zhì)是把（臨時）電路圖形復(fù)制到覆蓋于硅片表面的光刻膠上。黃色熒光管照明主要設(shè)備步進光刻機（steper）涂膠/顯影設(shè)備（coater/developer track）清洗裝置和光刻膠剝離機？2021-12-2140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(jīng)濟損失。主要設(shè)備

12、：等離子體刻蝕機（濕法、干法）等離子去膠機濕法清洗設(shè)備2021-12-2142離子注入機是亞微米工藝中常見的摻雜工具。主要設(shè)備：離子注入機等離子去膠機濕法清洗設(shè)備2021-12-2144主要負責(zé)生產(chǎn)各個步驟當(dāng)中的介質(zhì)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(shè)備的工作溫度。主要設(shè)備（中低真空環(huán)境）CVDPVDSOG、RTP、濕法清洗設(shè)備化學(xué)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(xiàn)的。主要設(shè)備：拋光機刷片機（wafer scrubber）、清洗裝置、測量裝置2021-12-2148“晶體管之父”（1910-1989）1947，

13、點接觸晶體管；1950，面結(jié)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(xué)1963，斯坦福大學(xué)70年代，人種學(xué)和優(yōu)生學(xué)？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?！疤觳排c廢物”硅谷的第一公民，硅谷第一棄兒。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(xué)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

14、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(dǎo)體公司。喬布斯：“仙童半導(dǎo)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(fēng)四處飄揚了。”“硅谷人才搖籃”從左至右Gordon Moore, Sheldon Roberts, Eugene Kleiner, Robert Noyce, Victor Grinich, Julius Blank, Jean Hoerni Jay Last1968，INTEL杰里桑德斯（J. Sanders）AMD查爾斯斯波克（C. Sporck）NSC根據(jù)市調(diào)機構(gòu)IC Insights調(diào)查統(tǒng)計，2011年

15、全球半導(dǎo)體晶圓總月產(chǎn)能達13,617.8千片8寸約當(dāng)晶圓。其中臺灣晶圓月產(chǎn)能達2,858.3千片8寸約當(dāng)晶圓，占全球半導(dǎo)體總產(chǎn)能達21%，躍居第1大生產(chǎn)國；原本是全球最大晶圓生產(chǎn)國的日本，月產(chǎn)能達2,683.6千片8寸約當(dāng)晶圓，市占率達19.7%，位居第2大生產(chǎn)國；韓國則以2,293.5千片8寸約當(dāng)晶圓月產(chǎn)能，位居第3大生產(chǎn)國，市占率達16.8%；美國月產(chǎn)能達1,995.1千片8寸約當(dāng)晶圓，市占率降至14.7%，是全球第4大生產(chǎn)國。臺積電聯(lián)電芯片制造半導(dǎo)體工藝制程實用教程1906，Lee Deforest ，真空三極管，電信號處理工業(yè)（1947，ENIAC）1947.12.23，貝爾實驗室的J

16、ohn bardeen，Walter Brattin和William Shockley，晶體管晶體管二級管電容器電阻器分立器件1959，TI的Jack Kilby，鍺，集成電路1959，F(xiàn)airchild的Robert Noyce，硅，集成電路兩者共享集成電路專利。工藝和結(jié)構(gòu)摩爾定律特征圖形尺寸CDChipWafer缺陷尺寸缺陷密度多層連線未來技術(shù)路線圖工藝產(chǎn)品成本價格性能附加值最高的工業(yè)半導(dǎo)體和系統(tǒng)（或產(chǎn)品）三類芯片供應(yīng)商IDMFoundryFabless1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PN結(jié)-晶體管雙極型器件FET-MOS單極性器件貝爾實驗室，1956擴散結(jié)1957氧化掩膜，硅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，基本工藝和材料（黃金十年）雙極型和單極型設(shè)備和材料的問題內(nèi)部解決價格下降的趨勢形成-新老公司交替高產(chǎn)量的