微电子制造工艺ch-1材料与工艺概论

半导体材料
和
集成电路平面工艺基础
课程目的
本课程是为今后从事集成电路设计和集成电路制造的微电子 学专业本科学生开设的专业选修课。 在掌握微电子器件和集成电路工作原理和结构的基础上
• 初步掌握与器件（电路）工作原理 直接相关的半导体材料物理知识 • 初步掌握集成电路芯片制造的基本 工艺流程 • 初步掌握集成电路芯片制造的基本 工艺和设备特点及工艺质量的测控 • 初步掌握工艺流程的设计和分析方 法。
隔离、基区、发射区、钨塞、集电区 介质膜 Al电极
1~10 m
SiO2膜 外延层
埋层
300~500 m
衬底
电阻：
电容： MOS PN Junction
特点：利用晶体管的 部分结构！
元器件的平面结构
Vin VDD
Ground Vout
DRAM
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
• 芯片制造的基本流程(以Si双极性晶体管为例)
– 第二单元：图形加工技术
• 第六章：图形转移技术（光刻技术）(Ch7~9) • 第七章：图形刻蚀技术(Ch10~)
– 第三单元：薄膜技术
• 第八章：薄膜物理淀积技术(Ch12) • 第九章：薄膜化学汽相淀积（CVD）技术(Ch13) • 第十章：晶体外延生长技术(Ch14)
– 第四单元：集成技术简介
材料厂
（代工场）Foundry
FAB 封装厂
•
器件（电路）设计
器 件 生 产 基 本 过 程
测试与验证 版图设计与制造 芯片制造
测试封装测试
大体上：
有分问题：
将大量的、各种类型的器件集成在同一芯 片上，会遇见什么基本的制造工艺问题？ 1）？ 2）？ 3）？ …;
• 对器件了解的要点
–任何一款器件，都有其特定的纵向和横向 结构，以实现其功能和性能， –形成器件结构的是具有特定性能的材料
1）集成电路： 超大（单元数、芯片面积）——超微（关键尺寸） 多功能、高性能（快速、低功耗、抗干扰）、 SoC（System on Chip） 低成本 高可靠性 2）工艺技术： 大直径材料（8”、12”、15”、。。。） 光刻极限 (0.35→0.13、90nm→40nm、25nm→?） 新结构器件（应变硅、纳电子技术、高k介质。。。） 超纯环境和材料（半导体材料、介质材料、试剂）、新测 试和封装技术 单项技术（压印光刻技术等）
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
• 半导体器件和集成电路种类
– 1、集成电路的基本单元（有源元件） 二极管：
• 按结构和工艺： 金/半接触二极管：肖特基二极管、（点接触二极管） 面结型二极管：合金结二极管、扩散结二极管、 生长结二极管、异质结二极管、等 • 按功能和机理： 振荡、放大类：耿氏二极管、雪崩二极管、变容二极管、等 信号控制类：混频二极管、开关二极管、隧道开关二极管、 检波二极管、稳压二极管、阶跃二极管、等 发光类：发光二极管(LED)（半导体激光器）、 传感器：各类光电二极管（探测器、光伏器件）、 各类力、热、磁传感器、等
课程特点
• IC工艺需要精密地定量控制（有相关工艺设计与仿真软 件），但是，本阶段工艺课程学习以定性或半定量 为主。 • 制造工艺包含了各种专门技术，技术的选用应保 证某一种器件的功能实现、保证其特殊的性能， 还应保证产品的大规模生产、高成品率（良率）、 高可靠性和低成本！ • 要掌握课程内容，需要熟悉半导体器件原理和特 性、相关材料的特性、各个环节的分析测试技术， 需要在实践中不断积累；因而，也需要较多地阅 读参考资料，以逐步掌握并应用工艺原理及技术。 • 本课程着重给出主要工艺环节的相关要点！
• References：(Materials)
1.Silicon Processing，By Stanley Wolf and Richard N. Tauber，(Lattice Press，2000),Ch1, Ch2
2.Silicon VLSI Technology—Fundamentals, Practice and Modeling, By Lame D.Plummer et al,(Pearson Education,2000)；Ch3
• • • • 第一章： 半导体工业及芯片工艺发展概述 第二章：半导体材料的基本性质 第三章：Si单晶的生长与加工 第四章：几种化合物半导体的材料生长与加工
• 小结:
材料
器件
工艺
• 第二篇(Unit Process)
• 第一章：IC制造中的超净和硅片清洁技术
– 第一单元：热处理和局域掺杂技术
• • • • 第二章：扩散掺杂技术(Ch3) 第三章：热氧化技术(Ch4) 第四章：离子注入技术(Ch5) 第五章：快速热处理技术(Ch6)
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
• 工艺兼容性、可制造性与成本！
–工艺并非独立的！（局部的加工过程对整体的影响） –工艺并非理想的！（材料的表/界面、杂质/缺陷）
• 工艺的一般“安排”：先底层后顶层、先 高温后低温、先稳定后易变
材料 工艺
有分问题：（习题） 界面和缺陷状态的不理想，如何影响器件的功能或性能？
晶体管：（放大、开关、高频、…？）
• 双极型晶体管：（NPN、PNP） 合金管、合金扩散管、台面管、外延台面管、 平面管、外延平面管等 • 场效应晶体管：（P沟、N沟；增强型、耗尽型） MOS场效应晶体管（MOSFET）、 结型场效应晶体管（JFET）、 肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）
– 2、集成电路的分类：
一次氧化、一次光刻（基区光刻）、硼扩散（基区扩散）、基区再分布（二次氧化） 二次光刻（发射区光刻）、磷扩散（发射区扩散+三次氧化）、三次光刻（引线孔光 刻）、金属镀膜、反刻引线。
氧化台阶、套刻
–Байду номын сангаас3）IC的基本制造环节
• 晶片加工 • 外延生长 介质膜生长 图形加工 局域掺杂 金属合金 • 封装、测试 设计公司（FabLess）
9
Poly gate
8 LI metal
n+
3
p+
5
p+
LI oxide STI n+ p-well n+ p+
2 7
4
n-well
6
1
p- Epitaxial layer p+ Silicon substrate
集成电路芯片？
沟道 长度
集成电路芯片？
本课程只涉及芯片制造工艺!
• 主要教学内容： • 第一篇(Overview &Materials)
工艺的其它特征描述：
晶圆直径（8英寸、12英寸等） 器件类型（Bipolar、CMOS、BiCMOS等) 器件特征（铝栅/硅栅、GeSi技术、耐压等）
技术水平（光刻次数、误差容限、芯片尺寸等）
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
• 摩尔定理：由Intel创始人之一的Moore提出的，被人
认为可以获得诺贝尔经济学奖的定理
3.材料科学与技术丛书—半导体工艺， K. A. 杰克逊 等 主编， （科学出版社，1999） Processing of Semiconductors, By Kenneth A. Jackson and Wolfgang Schröter, (Wiley-VCH, 1996); Ch1,Ch2
4.半导体器件的材料物理学基础，陈治明 等，科技版，1999
器件
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
• 特征尺寸及其制约特征尺寸的因素
♠ 特征尺寸:
单元器件结构中的最小尺寸；一般特指MOSFET 的沟道长度，如0.5m、0.13 m、 90nm、45nm、25nm等
♠ 主要制约因素： 量子效应
图形加工技术（光刻） 栅介质材料 净化技术
♠ 解决方案：超高频、新型光刻技术、高k介质
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
• 集成电路中的元、器件结构
• 几种二极管的基本结构（a、n极）
合金
平面
生长（异质）
台面
Schottky
• 几种晶体管的基本结构（e、b、c极或s、d、g极）
合金
生长（异质） 平面1
平面2
MOS
Si双极npn晶体管芯片结构
n+ p n n+
E
B
C
简单的Bipolar IC 结构
• 一块芯片上的晶体管数目大约每隔12个月翻 一番（1964年）（1975年修订为18个月）
实现途径：晶体管尺寸减小；芯片尺寸增大；
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
• 摩尔定理的几种形式：
图1.9
图1.7
Moore’s Low
World Semiconductor Trade System
From:
• 特定性能的材料形成通常需要持续的高温热处理 • 材料种类（如Si、SiO2)和尺度 • 材料性能（如：导电类型、电阻率、载流子浓度、
迁移率、少子寿命等，以及导致它们变化的杂质 及浓度/分布/电荷态变化、缺陷、晶格畸变）
• 界面缺陷和界面态
–材料的性能（在高温下）可以发生变化， 因而可以导致器件的性能，甚至功能变化
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
• 良率：即，合格率 良率的测量： 影响良率的因数：
晶圆破碎和弯曲
制成变异（工艺误差） 制成缺陷（杂质污染） 光刻缺陷 器件参数
连线、密封、工艺缺陷
第一章 半导体工业及芯片工艺概述
良率的累积：工艺步骤与整体良品率！！！
Y=yi
yi=各种模型

微电子技术的发展趋势
课程学习要求
• • • • 鼓励课堂提问和答问（争取获得奖励分！） 鼓励相互小声（不影响他人！）讨论课堂内容 课程作业次周交，占课程总成绩30% 课程假设大家都已具备较好的大学物理、半导体 物理和半导体器件（含集成电路）的知识，能够 理解测试技术中的基本物理原理，（建议大家复/预习相