《半導(dǎo)體集成電路》課件-第二章：集成電路制造工藝與環(huán)境

主講人：1.半導(dǎo)體集成電路制作環(huán)境要求降低缺陷，提高芯片制造的成功率制作環(huán)境的要求環(huán)境控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如何維護這些環(huán)境為什么制作環(huán)境如此重要？一半導(dǎo)體集成電路的生產(chǎn)需要在極高的精度下進行一粒灰塵大小的顆粒，可能會破壞數(shù)百萬個晶體管一、為什么制作環(huán)境如此重要？因此，生產(chǎn)環(huán)境必須達(dá)到極高的潔凈度，并控制所有關(guān)鍵環(huán)境因素制作環(huán)境的核心要求二聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)ISO標(biāo)準(zhǔn)二、制作環(huán)境的核心要求（一）潔凈度要求：顆粒控制Class1：每立方英尺空氣中不超過1個≥0.5微米的顆粒。Class10：不超過10個≥0.5微米的顆粒。（一）潔凈度要求：顆粒控制控制手段：高效過濾器超高效過濾器（ULPA）工作人員二、制作環(huán)境的核心要求通過恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)，確保溫濕度保持穩(wěn)定。溫度要求：溫度波動會導(dǎo)致晶圓的熱膨脹或收縮，影響工藝的精度。通?？刂圃?0%~50%之間，以避免靜電積累和水汽對電路的影響。

生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)通常需要保持在20±1℃的恒溫環(huán)境。濕度要求：(二）溫度和濕度控制二、制作環(huán)境的核心要求空調(diào)系統(tǒng)濕度光刻膠失效產(chǎn)生靜電高低濕度(二）溫度和濕度控制二、制作環(huán)境的核心要求控制手段：靜電放電（ESD）是一種隱形殺手，會瞬間損壞精密電路。人體活動設(shè)備摩擦（三）靜電控制二、制作環(huán)境的核心要求防靜電手環(huán)防靜電鞋防靜電材料防護措施（三）靜電控制二、制作環(huán)境的核心要求空氣質(zhì)量與污染控制三三、空氣質(zhì)量與污染控制被腐蝕的電路光刻工藝空氣中可能含有微量的有機溶劑或酸堿化學(xué)物質(zhì)三、空氣質(zhì)量與污染控制（一）化學(xué)污染（一）化學(xué)污染氣體凈化系統(tǒng)三、空氣質(zhì)量與污染控制控制措施導(dǎo)致電遷移效應(yīng)增加銅鐵(二）金屬污染三、空氣質(zhì)量與污染控制影響電路壽命(二）金屬污染三、空氣質(zhì)量與污染控制防護措施：振動與噪聲控制四振動光刻刻蝕薄膜沉積工藝步驟干擾四、振動與噪聲控制防震臺隔音屏障四、振動與噪聲控制控制手段：潔凈室等級與布局設(shè)計五潔凈室的布局需要盡可能減少人員和設(shè)備的移動，以避免污染擴散。潔凈室采用單向氣流設(shè)計，讓空氣從天花板流向地面，減少空氣中的顆粒。潔凈區(qū)和非潔凈區(qū)之間采用氣閘門，避免污染物進入潔凈室。020301五、潔凈室等級與布局設(shè)計設(shè)備維護與管理六光刻機刻蝕機六、設(shè)備維護與管理設(shè)備的定期清潔和校準(zhǔn)自動報警裝置監(jiān)控記錄晶圓廠六、設(shè)備維護與管理環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的使用人員管理與培訓(xùn)七無塵服潔凈室七、人員管理與培訓(xùn)嚴(yán)格的進出管理制度：七、人員管理與培訓(xùn)定期培訓(xùn)：總結(jié)八總結(jié)通過本節(jié)課，我們了解了半導(dǎo)體集成電路的制作環(huán)境要求及其對芯片質(zhì)量的影響。提升成品率延長設(shè)備的壽命減少生產(chǎn)成本主講人：2.CMOS集成電路基本制造工藝基本制造流程關(guān)鍵步驟什么是CMOS？一NMOS：負(fù)責(zé)在電路中傳導(dǎo)電流。PMOS：在邏輯上與NMOS相反，用于補償NMOS的工作。CMOS電路由兩種互補的晶體管組成：特點：在切換狀態(tài)時消耗較低功率。CMOS電路的基本制造步驟二（一）硅片準(zhǔn)備制造CMOS電路需要用到高純度單晶硅片作為基底。清洗拋光（二）熱氧化工藝：生長二氧化硅層硅片氧氣高溫爐二氧化硅薄膜（納米圖）這層氧化物起到絕緣層的作用，可以隔離柵極與硅片的基底，防止漏電。（三）光刻在硅片上涂上一層光刻膠。通過掩膜版將紫外光照射到光刻膠上，未曝光的部分保留，而曝光的部分被去除。形成晶體管的圖案，為后續(xù)的工藝步驟打下基礎(chǔ)。010203光刻是制造CMOS電路中最關(guān)鍵的步驟之一。（四）離子注入：摻雜源極和漏極這一步會在硅片上形成不同類型的導(dǎo)電區(qū)域，為晶體管的源極和漏極提供電流通道。（五）柵極的沉積和刻蝕在柵氧化層上沉積一層多晶硅，并用光刻和刻蝕技術(shù)形成柵極的圖案。柵極控制電流的開關(guān)，是晶體管工作的核心部分。先進工藝中，可能會用金屬柵極替代多晶硅，以提高電路性能。（六）互連層的制作需要在各個晶體管之間進行電氣連接，這一步通過金屬互連層實現(xiàn)。鋁銅絕緣層防止短路（七）封裝與測試切割封裝測試CMOS電路的低功耗特點三NMOS和PMOS配合工作，可以在極短時間內(nèi)切換狀態(tài)。CMOS電路允許在一個芯片中集成大量的邏輯單元。當(dāng)電路保持狀態(tài)不變時，幾乎不會消耗電能。靜態(tài)功耗低高效的切換速度高密度集成CMOS工藝中的挑戰(zhàn)四01隨著工藝尺寸縮小到7nm甚至3nm，對每一步的控制要求越來越高。精度要求高02柵氧化層太薄會導(dǎo)致漏電，必須采用高-K材料進行改進。漏電問題03雖然CMOS電路功耗低，但大規(guī)模集成電路依然會產(chǎn)生熱量，需要良好的散熱設(shè)計。熱管理問題總結(jié)五CMOS集成電路的制造工藝：硅片光刻離子注入互連層制作CMOS技術(shù)在半導(dǎo)體行業(yè)中的地位無可替代，是推動現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的核心力量。主講人：3.半導(dǎo)體集成電路的制造工藝單擊此處添加標(biāo)題芯片制造關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)目標(biāo)：半導(dǎo)體集成電路的制造工藝制造工藝的概述一半導(dǎo)體制造流程：精密的制作過程硅片制備光刻刻蝕摻雜薄膜沉積互連封裝與測試高精度的設(shè)備保證電路的性能和良品率一，制造工藝的概述制造流程詳解二將硅棒切割成薄片，每片厚度在0.5毫米左右。拋光后的硅片表面必須極其平整，方便后續(xù)工藝。使用直拉法（Czochralski法），將熔融的硅液體拉成單晶硅棒。制造芯片的主要材料是高純度的硅，這種硅來自于普通的沙子，但必須經(jīng)過一系列提純。原材料單晶硅的拉制切片與拋光（一）硅片制備二，制造流程詳解光刻是芯片制造的核心步驟，其作用是在硅片上形成電路的微小圖案。（二）光刻二，制造流程詳解光刻步驟光刻是芯片制造的核心步驟，其作用是在硅片上形成電路的微小圖案。（二）光刻二，制造流程詳解極紫外光刻濕法刻蝕干法刻蝕影響芯片的性能和穩(wěn)定性刻蝕工藝用于移除不需要的材料，露出電路所需的區(qū)域。(三）刻蝕二，制造流程詳解使用液體化學(xué)試劑進行腐蝕通過等離子體來精確蝕刻材料硼磷（四）摻雜二，制造流程詳解離子注入技術(shù)（四）摻雜二，制造流程詳解薄膜二氧化硅氮化硅金屬材料（五）薄膜沉積二，制造流程詳解充當(dāng)絕緣層或?qū)щ妼映Ｓ玫某练e技術(shù)包括：化學(xué)氣相沉積（CVD）物理氣相沉積（PVD）（五）薄膜沉積二，制造流程詳解在晶體管和其他電路單元之間，需要用金屬線進行連接。這些金屬線通常使用銅或鋁。多層互連技術(shù)允許多個導(dǎo)線層疊加在一起，以實現(xiàn)復(fù)雜的電路設(shè)計。為了減少信號延遲，還會在導(dǎo)線上加一層低介電常數(shù)材料。020301（六）互連二，制造流程詳解封裝與測試三用于復(fù)雜的大規(guī)模集成電路常用于消費電子產(chǎn)品能夠提高芯片的集成度和性能球柵陣列BGA方型扁平式封裝技術(shù)QFP3D封裝常見的封裝形式：(一）封裝三，封裝與測試功能測試檢查電路能否正常工作。壓力測試模擬極端環(huán)境下的運行情況。合格的芯片會被分類和打包不合格的則會被廢棄在芯片出廠前，需要進行多輪測試，以確保其符合設(shè)計規(guī)格。（二）測試三，封裝與測試制造工藝中的挑戰(zhàn)四晶圓制造中的任何微小缺陷都會導(dǎo)致芯片失效，因此良品率是衡量工藝水平的關(guān)鍵指標(biāo)。良品率問題：四，制造工藝中的挑戰(zhàn)成本上升一條先進的極紫外光刻生產(chǎn)線設(shè)備成本高達(dá)數(shù)億美金。01由于研發(fā)和生產(chǎn)成本高企，只有少數(shù)頂尖企業(yè)能夠進行最新制程的生產(chǎn)。02設(shè)備與工藝成本高昂四，制造工藝中的挑戰(zhàn)晶圓廠的潔凈度需要達(dá)到10級潔凈室（即每立方米空氣中只能有10個顆粒），以避免微粒污染影響芯片性能。環(huán)境要求苛刻：四，制造工藝中的挑戰(zhàn)未來制造工藝的發(fā)展方向五芯粒技術(shù)則通過模塊化設(shè)計，將不同功能的芯片組合在一起，降低成本并提高靈活性。3D集成與芯粒（Chiplet）技術(shù)：五，未來制造工藝的發(fā)展方向

碳納米管石墨烯硅類材料研究人員正在突破物理瓶頸代替新材料的應(yīng)用：五，未來制造工藝的發(fā)展方向氮化鎵高遷移率晶體管（如氮化鎵）也在未來有望應(yīng)用于高速計算領(lǐng)域。新材料的應(yīng)用：五，未來制造工藝的發(fā)展方向總結(jié)六通過今天的課程，我們了解了半導(dǎo)體集成電路的制造流程及其復(fù)雜性。硅片制備總結(jié)封裝與測試3D集成芯粒新材料（碳納米管）隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)將進一步推動半導(dǎo)體工藝的發(fā)展?？偨Y(jié)主講人：4.MOSFET晶體管的結(jié)構(gòu)及制造工藝MOSFET的基本結(jié)構(gòu)工作原理制造工藝步驟不同工藝對性能的影響今天我們將深入探討：MOSFET的基本結(jié)構(gòu)一兩者在結(jié)構(gòu)和工作原理上類似，但載流子類型不同MOSFET：一種電壓控制型開關(guān)，常用于數(shù)字邏輯電路中的開關(guān)操作，以及模擬電路中的電流控制器。類型：MOSFETN溝道（NMOS）P溝道（PMOS）一，MOSFET的基本結(jié)構(gòu)MOSFET的核心結(jié)構(gòu)如下：一，MOSFET的基本結(jié)構(gòu)典型MOSFET的橫截面結(jié)構(gòu)：一，MOSFET的基本結(jié)構(gòu)MOSFET的工作原理二二，MOSFET的工作原理MOSFET的制造工藝三三，MOSFET的制造工藝MOSFET的制造過程極其復(fù)雜，需要經(jīng)過多道工序，將每一個細(xì)節(jié)做到極致。（一）硅片的準(zhǔn)備三，MOSFET的制造工藝采用高純度的單晶硅片作為基底材料。硅片通過拋光和清洗，保證表面沒有污染物和顆粒。熱氧化硅（二）氧化工藝三，MOSFET的制造工藝在硅片表面生長二氧化硅，作為柵氧化層。光刻工藝原理（三）光刻三，MOSFET的制造工藝（四）離子注入三，MOSFET的制造工藝刻蝕工藝（圖案）（五）刻蝕三，MOSFET的制造工藝?yán)脻穹ɑ蚋煞涛g工藝，去除不需要的二氧化硅層和多晶硅層。金屬柵(六）柵極的形成三，MOSFET的制造工藝在柵氧化層上沉積一層多晶硅或金屬，然后通過光刻和刻蝕形成柵極。先進工藝中，采用高-K金屬柵材料，提升電容特性，減少漏電?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）物理氣相沉積（PVD）介電材料（七）沉積與互連三，MOSFET的制造工藝技術(shù)：防止短路封裝形式測試（八）封裝與測試三，MOSFET的制造工藝完成硅片制造后，將芯片切割、封裝，并進行電學(xué)測試和可靠性測試，確保每個MOSFET的性能符合標(biāo)準(zhǔn)。工藝節(jié)點對MOSFET的影響四更薄的柵氧化層更小的節(jié)點工藝節(jié)點代表了晶體管的尺寸縮小和制造技術(shù)的進步四，工藝節(jié)點對MOSFET的影響FinFET結(jié)構(gòu)：自22nm節(jié)點后廣泛使用，提供更好的電流控制和低功耗MOSFET的性能優(yōu)化五五，MOSFET的性能優(yōu)化高K柵氧化層：多柵結(jié)構(gòu)應(yīng)變硅技術(shù)（StrainedSilicon