微电子工艺学课件_4
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微电子工艺原理与技术--离子注入 ppt课件
先加速后分析注入机结构示意
离子注入系统的原理示意图
国产中束流离子注入机
Vll Sta 810XEr 中束流注入机
20-80KeV 400-500W/h
Vll Sta 80HP 300mm 大束流注入 机
1-80KeV FOR 90nm IC process
900XP 高能注入机
高能P阱注入机
2keV - 900keV
国产多功能离子改性注入机
无分析器 气体 金属 辅助 溅射 四种离子源
全方位离子注入
离子源的种类
1. 潘宁源 在阴极-阳极间起弧电离源气分子，获得等离 子体，适合小束流气体离子注入
2. 2.热灯丝源（Freeman源） 靠灯丝发射电子激发等 离子体，适合无氧气体离子的中小束流注入
中束流离子源（CF-3000）
Eaton注入机 离子源
大束流离子源（8-10mA） 中束流离子源（NV-6200）
蒸发离子源的结构
磁分析器原理
设吸出电压为V，对电荷q的正离子，能量为qV(eV)。
EqV1m2v, v 2qV
2
m
经过磁场强度为B、方向与离子运动方向垂直的分析腔，
受到洛仑兹力qvB，该力使离子作圆周运动。有：
m2v
mv1 2m 1 m
qvr B, V ,B 2V
r
qBB q
rq
可见，偏转半径r与B成反比，与m成正比。对固定的离 子注入机，分析器半径r和吸出电压固定，调节B的大小 （励磁电流）即可分析出不同荷质比的离子。
BF3气源磁分析质谱
磁分析器的分辨率
注意： 同一荷质比的离子有相同的偏转半径，磁分析 器无法作出区分。要求源气有很高的纯度，尽量避免相 同荷质比离子出现。如：N2+ 和Si+，N+ 和Si++ ，H2+ 和 He++等。
微电子工艺课件资料
三、起始材料--石英岩（高纯度硅砂--SiO2）
1. SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g) 冶金级硅：98%；
300oC
2. Si(s)+3HCl(g) →SiHCl3(g)+H2 三氯硅烷室温下呈液态沸点为32℃，利用分馏法去 除杂质；
3. SiHCl3(g)+ H2→Si(s)+ 3HCl(g) 得到电子级硅（片状多晶硅）。
Si：
• 含量丰富，占地壳重量25%；
• 单晶Si 生长工艺简单，目前直径最大18英吋 （450mm）
• 氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、 钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；
• 易于实现平面工艺技术；
• 直径
二、对衬底材料的要求
• 导电类型：N型与P型都易制备；
• 晶向：Si:双极器件--<111>；MOS--<100>；
4. 放肩
缩颈工艺完成后，略降低温度（15-40℃） ，让晶体逐 渐长大到所需的直径为止。这称为“放肩”。
5. 等径生长
当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再 增大，称为收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长。 此时要严格控制温度和拉速。
6. 收晶
晶体生长所需长度后，升高熔体温度或熔体温度不变， 加快拉速，使晶体脱离熔体液面。
有效分凝系数
当结晶速度大于杂质在熔体中的扩散速度时，杂质在界面 附近熔体中堆积，形成浓度梯度。
按照分凝系数定义：
k0
Cs Cl (0)
由于Cl(0)未知，然而为了描述 界面粘滞层中杂质浓度偏离对固 相中的杂质浓度的影响，引入有效 分凝系数ke:
微电子工艺PPT课件
集成电 路应用
.
5
半导体产业结构
.
6
我国集成电路产业在世界中的地位
1、中国目前进口第一多的商品不是原油，是芯片，一 年进口2500亿美元。 2、我国集成电路产业处在世界的中下端，属于集成电 路消费大国、制造大国，粗放型、高投入、低利润。 3、缺少高端设计，设备主要被国外垄断。 4、集成电路产业是国家的命脉，走到了危险的边缘， 不能再继续落后下去。
.
7
2014年6月，《国家集成电路产业发展推进纲要》
1、集成电路定位
它是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性 和先导性产业，当前和今后一段时期是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期和攻坚 期。
2、发展目标
到2015年，集成电路产业销售超3500亿元。移动智能终端、网络通信等部分重点 领域集成电路设计技术接近国际一流水平。32/28纳米（nm）制造工艺实现规模量产， 中高端封装测试销售收入占封装测试业总收入比例达到30%以上，65-45nm关键设备和 12英寸硅片等关键材料在生产线上得到应用。
1、2014年全球半导体市场规模达到3331亿美元，同比增长9%，为近四年增速之最。 2、从产业链结构看。制造业、IC设计业、封装和测试业分别占全球半导体产业整体营业收入 的50%、27%、和23%。 3、从产品结构看。模拟芯片、处理器芯片、逻辑芯片和存储芯片2014年销售额分别442.1 亿美元、622.1亿美元、859.3亿美元和786.1亿美元，分别占全球集成电路市场份额的 16.1%、22.6%、32.6%和28.6%。
电子工业出版社，2003
考核方式：考勤20+作业10+考试（闭卷）70
.
2
第0章 绪论
.
5
半导体产业结构
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6
我国集成电路产业在世界中的地位
1、中国目前进口第一多的商品不是原油，是芯片，一 年进口2500亿美元。 2、我国集成电路产业处在世界的中下端，属于集成电 路消费大国、制造大国，粗放型、高投入、低利润。 3、缺少高端设计，设备主要被国外垄断。 4、集成电路产业是国家的命脉，走到了危险的边缘， 不能再继续落后下去。
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7
2014年6月，《国家集成电路产业发展推进纲要》
1、集成电路定位
它是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性 和先导性产业，当前和今后一段时期是我国集成电路产业发展的重要战略机遇期和攻坚 期。
2、发展目标
到2015年，集成电路产业销售超3500亿元。移动智能终端、网络通信等部分重点 领域集成电路设计技术接近国际一流水平。32/28纳米（nm）制造工艺实现规模量产， 中高端封装测试销售收入占封装测试业总收入比例达到30%以上，65-45nm关键设备和 12英寸硅片等关键材料在生产线上得到应用。
1、2014年全球半导体市场规模达到3331亿美元，同比增长9%，为近四年增速之最。 2、从产业链结构看。制造业、IC设计业、封装和测试业分别占全球半导体产业整体营业收入 的50%、27%、和23%。 3、从产品结构看。模拟芯片、处理器芯片、逻辑芯片和存储芯片2014年销售额分别442.1 亿美元、622.1亿美元、859.3亿美元和786.1亿美元，分别占全球集成电路市场份额的 16.1%、22.6%、32.6%和28.6%。
电子工业出版社，2003
考核方式：考勤20+作业10+考试（闭卷）70
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2
第0章 绪论
第四章掺杂原理与技术
边界条件： C(x,0)=0, x0，C(0,t)=Cs ，C(,t)=0
解方程，得恒定扩散方程的表达式
Cx,t
Cserfc2
x Dt
C(x, t) 为某处t时的杂质浓度
Cs 为表面杂质浓度，取决于某
种杂质在硅中的最大固溶度
erfc 称作“余误差函数(complementary error function)”
4.2 扩散
间隙原子
推填子
4.2 扩散
间隙式扩散： Au, Ag, Cu, Fe, Ni等
间隙原子必须越过的势垒高度 Ei Ei 约为0.6 1.2 eV
跳跃几率和温度有关
Pi
v0
exp Ei kT
振动频率0＝1013～1014/s
快扩散杂质
T：绝对温度，k：玻尔兹曼常数
4.2 扩散
替位式扩散：B, P, As, Sb等
4.1 掺杂
As在硅中的固溶度: 21021 cm-3 As的电学可激活浓度: 21020 cm-3
4.1 掺杂
掺入的杂质是电活性的，能提供所需的载流子，使许多微结构和 器件得以实现。掺杂的最高极限约1021 atoms/cm3，最低 1013 atoms/cm3
晶片 硅 砷化镓 锗
器件
双极型晶体管及其IC
NMOS
BJT
BE
C
p well
p n+
p+
n-
n+
p
n+ p+
掺杂应用：MOSFET：阱、栅、源/漏、沟道等 BJT：基极、发射极、集电极等
4.1 掺杂
目的：改变晶片电学性质，实现器件和电路纵向结构。 方式：扩散（diffusion）、离子注入（ion implantation）、 合金、中子嬗变。
《微电子工艺实验》课件
微电子基础
半导体材料
介绍半导体材料的特性和 用途。
PN结的特性
解释PN结在微电子中的重 要性和特征。
晶体管的基础知识
讲解晶体管的工作原理和 应用。
工艺流程
1
制程图
详细展示微电子工艺的流程和步骤。
2
工艺流程步骤
逐步介绍微电子工艺的各个步骤和操作。
3
介质与薄膜敷 deposition
Hale Waihona Puke 探讨介质材料和薄膜敷的工艺和应用。
工艺装备及材料
微细加工设备介绍
介绍常用的微细加工设备及其功能和用途。
典型微电子工艺材料
列举和解释一些常见的微电子工艺材料。
微电子工艺实验
实验一：制 作硅片测试 样品
详细描述制作硅片 测试样品的实验步 骤与要点。
实验二：光 刻制作器
介绍使用光刻制作 器进行微电子加工 的实验过程。
实验三：湿 法刻蚀
《微电子工艺实验》PPT 课件
在本课件中，将介绍《微电子工艺实验》课程的内容和目标，以及实验所需 的基础知识和工艺流程。通过该课程，您将深入了解微电子学的核心原理和 实践技巧。
绪论
课程简介
简要介绍《微电子工艺实验》的主题和内容。
实验教学要求
说明学生在实验中应遵守的规定和要求。
实验宗旨与目的
明确说明实验所追求的目标和意义。
实验现场注意事项
提醒学生在实验过程中需要注意的关键事项。
结论
课程总结
总结《微电子工艺实验》课程的重点和收获。
实验心得体会
分享学生参与实验后的体验和感悟。
参考文献
相关领域经典文献推荐
列出一些值得阅读的与微电子工艺实验相关的经典著作。
《微电子技术》课件
军事
微电子技术用于制造军事设备 ，如导弹制导系统、雷达、通
信设备等。
微电子技术的发展趋势
纳米技术
随着芯片上元件尺寸的 不断缩小，纳米技术成 为微电子技术的重要发
展方向。
3D集成
通过将多个芯片垂直集 成在一起，实现更高的
性能和更低的功耗。
柔性电子
柔性电子是将电子器件 制造在柔性材料上的技 术，具有可弯曲、可折
将杂质元素引入半导体材料中的 技术。
离子注入掺杂
利用离子注入机将杂质离子注入 到半导体材料中的技术。
化学气相掺杂
利用化学气相沉积的方法，将含 有杂质元素的化合物沉积到半导
体材料中的技术。
04
集成电路设计
集成电路设计流程
需求分析
明确设计要求，分析性能指标，确定设计规 模和复杂度。
逻辑设计
根据规格说明书，进行逻辑设计，包括算法 设计、逻辑电路设计等。
《微电子技术》 ppt课件
contents
目录
• 微电子技术概述 • 微电子器件 • 微电子工艺技术 • 集成电路设计 • 微电子封装技术 • 微电子技术发展面临的挑战与机遇
01
微电子技术概述
微电子技术的定义
微电子技术是一门研究在微小 尺寸下制造电子器件和系统的 技术。
它涉及到利用半导体材料、器 件设计和制造工艺，将电子系 统集成在微小尺寸的芯片上。
02
微电子技术领域的竞争非常激烈，企业需要不断提升自身的技
术水平和产品质量，以获得竞争优势。
客户需求多样化
03
客户需求多样化，要求企业提供更加定制化的产品和服务，以
满足不同客户的需求。
新材料、新工艺的机遇
新材料的应用
微电子技术用于制造军事设备 ，如导弹制导系统、雷达、通
信设备等。
微电子技术的发展趋势
纳米技术
随着芯片上元件尺寸的 不断缩小，纳米技术成 为微电子技术的重要发
展方向。
3D集成
通过将多个芯片垂直集 成在一起，实现更高的
性能和更低的功耗。
柔性电子
柔性电子是将电子器件 制造在柔性材料上的技 术，具有可弯曲、可折
将杂质元素引入半导体材料中的 技术。
离子注入掺杂
利用离子注入机将杂质离子注入 到半导体材料中的技术。
化学气相掺杂
利用化学气相沉积的方法，将含 有杂质元素的化合物沉积到半导
体材料中的技术。
04
集成电路设计
集成电路设计流程
需求分析
明确设计要求，分析性能指标，确定设计规 模和复杂度。
逻辑设计
根据规格说明书，进行逻辑设计，包括算法 设计、逻辑电路设计等。
《微电子技术》 ppt课件
contents
目录
• 微电子技术概述 • 微电子器件 • 微电子工艺技术 • 集成电路设计 • 微电子封装技术 • 微电子技术发展面临的挑战与机遇
01
微电子技术概述
微电子技术的定义
微电子技术是一门研究在微小 尺寸下制造电子器件和系统的 技术。
它涉及到利用半导体材料、器 件设计和制造工艺，将电子系 统集成在微小尺寸的芯片上。
02
微电子技术领域的竞争非常激烈，企业需要不断提升自身的技
术水平和产品质量，以获得竞争优势。
客户需求多样化
03
客户需求多样化，要求企业提供更加定制化的产品和服务，以
满足不同客户的需求。
新材料、新工艺的机遇
新材料的应用
04微电子工艺基础外延工艺
第4章 外延工艺
1 微电子工艺基础
第4章 外延工艺 本章（ 学时）目标： 本章 （ 3 学时 ） 目标 ：
1、了解相图和固溶度的概念 、 2、了解外延技术的特点和应用 、 3、 3、掌握外延的分类 4、掌握气相外延的原理、步骤 、掌握气相外延的原理、 5、了解分子束外延的实现方式和优点 、
2 微电子工艺基础
硅重量百分比
1414
液相
Ge-Si相图 固相
938.3
硅原子百分比
6 微电子工艺基础
6
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 3、固溶度
固溶度 在平衡态下， 在平衡态下，一种杂质可以溶在另一种材料的 最高浓度,或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱 最高浓度 或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱 和固溶体内溶质的浓度。 和固溶体内溶质的浓度。 杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。 杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。 例如硅中砷原子浓度3.5%相当于 相当于1.75X1021cm-3 例如硅中砷原子浓度 相当于
11 微电子工艺基础
11
第4章 外延工艺 二、外延工艺 1、概述
（2）外延特点： ）外延特点： 生成的晶体结构良好 掺入的杂质浓度易控制 可形成接近突变pn结的特点 可形成接近突变pn结的特点 pn
12 微电子工艺基础
12
第4章 外延工艺 二、外延工艺 1、概述
（3）外延分类： ）外延分类： ① 按工艺分类
2
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 二、外延工艺
1、概述 2、硅的气相外延 3、掺杂 4、缺陷与检测 5、外延的应用
三、其它外延
3 微电子工艺基础
3
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 1、定义
1 微电子工艺基础
第4章 外延工艺 本章（ 学时）目标： 本章 （ 3 学时 ） 目标 ：
1、了解相图和固溶度的概念 、 2、了解外延技术的特点和应用 、 3、 3、掌握外延的分类 4、掌握气相外延的原理、步骤 、掌握气相外延的原理、 5、了解分子束外延的实现方式和优点 、
2 微电子工艺基础
硅重量百分比
1414
液相
Ge-Si相图 固相
938.3
硅原子百分比
6 微电子工艺基础
6
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 3、固溶度
固溶度 在平衡态下， 在平衡态下，一种杂质可以溶在另一种材料的 最高浓度,或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱 最高浓度 或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱 和固溶体内溶质的浓度。 和固溶体内溶质的浓度。 杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。 杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。 例如硅中砷原子浓度3.5%相当于 相当于1.75X1021cm-3 例如硅中砷原子浓度 相当于
11 微电子工艺基础
11
第4章 外延工艺 二、外延工艺 1、概述
（2）外延特点： ）外延特点： 生成的晶体结构良好 掺入的杂质浓度易控制 可形成接近突变pn结的特点 可形成接近突变pn结的特点 pn
12 微电子工艺基础
12
第4章 外延工艺 二、外延工艺 1、概述
（3）外延分类： ）外延分类： ① 按工艺分类
2
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 二、外延工艺
1、概述 2、硅的气相外延 3、掺杂 4、缺陷与检测 5、外延的应用
三、其它外延
3 微电子工艺基础
3
第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念 1、定义
集成电路制造工艺(微电子)PPT课件
光刻5#版(发射区版)，利用光刻胶将基极接触 孔保护起来，暴露出发射极和集电极接触孔
进行低能量、高剂量的砷离子注入，形成发射 区和集电区
26
金属化
淀积金属，一般是铝或Al-Si、Pt-Si合金等 光刻6#版(连线版)，形成金属互连线
合金：使Al与接触孔中的硅形成良好的欧 姆接触，一般是在450℃、N2-H2气氛下处 理20～30分钟
19
生长n型外延层
利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层 将硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚度和掺杂
浓度一般由器件的用途决定
20
形成横向氧化物隔离区
热生长一层薄氧化层，厚度约50nm 淀积一层氮化硅，厚度约100nm 光刻2#版(场区隔离版
21
形成横向氧化物隔离区
利用反应离子刻蚀技术
22
形成横向氧化物隔离区
去掉光刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成 厚的场氧化层隔离区
去掉氮化硅层
23
形成基区
光刻3#版(基区版)，利用光刻胶将收集区遮挡 住，暴露出基区
基区离子注入硼
24
形成接触孔：
光刻4#版(基区接触孔版) 进行大剂量硼离子注入 刻蚀掉接触孔中的氧化层
25
形成发射区
形成P管源漏区
光刻，利用光刻胶将NMOS区保护起来 离子注入硼，形成P管源漏区
10
形成接触孔
化学气相淀积磷硅玻璃层 退火和致密 光刻接触孔版 反应离子刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔
11
形成第一层金属
淀积金属钨(W)，形成钨塞
12
形成第一层金属
淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等 光刻第一层金属版，定义出连线图形 反应离子刻蚀金属层，形成互连图形
进行低能量、高剂量的砷离子注入，形成发射 区和集电区
26
金属化
淀积金属，一般是铝或Al-Si、Pt-Si合金等 光刻6#版(连线版)，形成金属互连线
合金：使Al与接触孔中的硅形成良好的欧 姆接触，一般是在450℃、N2-H2气氛下处 理20～30分钟
19
生长n型外延层
利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层 将硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚度和掺杂
浓度一般由器件的用途决定
20
形成横向氧化物隔离区
热生长一层薄氧化层，厚度约50nm 淀积一层氮化硅，厚度约100nm 光刻2#版(场区隔离版
21
形成横向氧化物隔离区
利用反应离子刻蚀技术
22
形成横向氧化物隔离区
去掉光刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成 厚的场氧化层隔离区
去掉氮化硅层
23
形成基区
光刻3#版(基区版)，利用光刻胶将收集区遮挡 住，暴露出基区
基区离子注入硼
24
形成接触孔：
光刻4#版(基区接触孔版) 进行大剂量硼离子注入 刻蚀掉接触孔中的氧化层
25
形成发射区
形成P管源漏区
光刻，利用光刻胶将NMOS区保护起来 离子注入硼，形成P管源漏区
10
形成接触孔
化学气相淀积磷硅玻璃层 退火和致密 光刻接触孔版 反应离子刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔
11
形成第一层金属
淀积金属钨(W)，形成钨塞
12
形成第一层金属
淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等 光刻第一层金属版，定义出连线图形 反应离子刻蚀金属层，形成互连图形
微电子工艺课件
直拉法生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低;
通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好 控制电阻率径向均匀性。
缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响， 易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常 10-40ppm)。
二、悬浮区熔法（float-zone，FZ法）
利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿 锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂 质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。
一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（K=0.01） 单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好。
多次区熔提纯
硅片制备基本工艺步骤
晶体生长 整型 切片
拉晶过程
1. 熔硅 将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易长；
2. 引晶 将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤
晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳 定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，
控制温度使熔体在籽晶上结晶；
3. 收颈
指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶 细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶 内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。
单晶制备
一、直拉法（CZ法）
CZ 拉晶仪 1. 熔炉 石英坩埚：盛熔融硅液； 石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚； 旋转装置：顺时针转； 加热装置：RF线圈； 2. 拉晶装置 籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）； 旋转提拉装置：逆时针； 3. 环境控制系统 气路供应系统 流量控制器 排气系统 4. 电子控制反馈系统
缺点: 单晶直径不及CZ法
掺杂分布
假设多晶硅棒上的杂质掺杂浓度为C0（质量浓度），d为硅
微电子工艺PPT课件
1833年，英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的 电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下， 金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料 的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次 发现。
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。
如今，渝德科技被中航集团收购，更名为中航微电子。我市已有西南集 成电路、中航微电子、奥特斯集成电路基板、台晶（重庆）电子、重庆石墨 烯科技公司、SK海力士、中电24所、四联微电子等集成电路生产和研发机构， 形成了设计-制造-封装的完备产业链，重庆大学和重庆邮电大学成立了半导 体学院培养集成电路人才。
.
20
1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔 数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；
1960年：H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺；1962年：美国RCA 公司研制出MOS场效应晶体管。
1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天， 95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺
1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，这是一个里程碑 式的发明； 1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了 14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；
1979年：Intel推出5MHz 8088微处理器，之后，IBM基 于8088推出全球第一台PC
.
115
本课程内容结构？
集成电路制造技术—原理与工艺
硅材料
集成电路工艺
集成和封装测试
第1单元
1 单晶硅结 构
2 硅锭及圆 片制备
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。
如今，渝德科技被中航集团收购，更名为中航微电子。我市已有西南集 成电路、中航微电子、奥特斯集成电路基板、台晶（重庆）电子、重庆石墨 烯科技公司、SK海力士、中电24所、四联微电子等集成电路生产和研发机构， 形成了设计-制造-封装的完备产业链，重庆大学和重庆邮电大学成立了半导 体学院培养集成电路人才。
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20
1958年：仙童公司Robert Noyce与德仪公司基尔比间隔 数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；
1960年：H H Loor和E Castellani发明了光刻工艺；1962年：美国RCA 公司研制出MOS场效应晶体管。
1963年：F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天， 95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺
1971年：全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，这是一个里程碑 式的发明； 1978年：64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了 14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临；
1979年：Intel推出5MHz 8088微处理器，之后，IBM基 于8088推出全球第一台PC
.
115
本课程内容结构？
集成电路制造技术—原理与工艺
硅材料
集成电路工艺
集成和封装测试
第1单元
1 单晶硅结 构
2 硅锭及圆 片制备
哈尔滨工业大学-微电子工艺基础绪论(王静)PPT(共64页)
1.为什么要学这门课？
提高显示芯片的制造工艺具有重大的意义，因为更先进的制 造工艺会在显示芯片内部集成更多的晶体管，使显示芯片实 现更高的性能、支持更多的特效；更先进的制造工艺会使显 示芯片的核心面积进一步减小，也就是说在相同面积的晶圆 上可以制造出更多的显示芯片产品，直接降低了显示芯片的 产品成本，从而最终会降低显卡的销售价格使广大消费者得 利；更先进的制造工艺还会减少显示芯片的功耗，从而减少 其发热量，解决显示芯片核心频率提升的障碍.....显示芯片自 身的发展历史也充分的说明了这一点，先进的制造工艺使显 卡的性能和支持的特效不断增强，而价格则不断下滑，例如 售价为1500左右的中端显卡GeForce 7600GT其性能就足以 击败上一代售价为5000元左右的顶级显卡GeForce 6800Ultra。
先修课程
半导体物理、固体物理学
参考文献
刘玉岭等编著，《微电子技术工程—材料、工艺与测试》 施敏等编著，《半导体制造工艺基础》
一 概述
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ为什么要学这门课？
2.这门课的对象？
3.本课程的主要内容
4.第1章 绪论
第1章 绪论
本章（2学时）目标：
1、分立器件和集成电路的区别 2、平面工艺的特点
3、微电子工艺的特点 4、芯片制造的四个阶段
第1章 绪论 一、微电子产业
4、微电子工艺的发展概况 （1）平面工艺的诞生
平面工艺是由Hoerni于1960年提出的。在这项技术中，整个半导体表面先形成 一层氧化层，再借助平板印刷技术，通过刻蚀去除部分氧化层，从而形成一个 窗口。
①合金结方法 A 接触加热：
集成电路是工业发展水平的标志。
第1章 绪论
一、微电子产业
微电子技术绪论PPT课件
光刻技术的分辨率、对比度、均匀度等对微电子器件的 性能有着重要影响，需要精确控制和优化。
光刻技术包括接触式、接近式、扫描式等几种方式，不 同的方式适用于不同的工艺要求和节点。
未来发展方向包括探索更先进的光刻技术和方法，以提 高分辨率、降低成本和提高可靠性。
04
微电子封装与测试
封装技术
芯片贴装技术
集成电路
集成电路的基本概念
集成电路是将多个晶体管和其他电子元件集成在一块衬底上，实 现一定的电路或系统功能。
集成电路的制造工艺
集成电路的制造需要经过多个复杂工艺步骤，包括光刻、掺杂、刻 蚀和镀膜等，以确保电路性能的稳定性和可靠性。
集成电路的应用
集成电路被广泛应用于计算机、通信、消费电子和汽车电子等领域， 对现代科技的发展起着至关重要的作用。
晶体管
1 2 3
晶体管的基本结构
晶体管由三个电极（集电极、基极和发射极）构 成，其工作原理是通过控制基极电流来调节集电 极和发射极之间的电流。
晶体管的类型
晶体管分为NPN和PNP两种类型，其工作电压和 电流大小各不相同，根据实际需求选择合适的晶 体管类型。
晶体管的应用
晶体管是构成各种电子电路的基本元件，广泛应 用于信号放大、开关控制和逻辑运算等领域。
系统集成创新
系统集成创新
随着微电子器件的集成度不断提高，系统集成创新成为了一个重要的研究方向。通过将不同的器件和电路集成在一个 芯片上，可以实现更复杂的功能和更高的性能。
3D集成技术
3D集成技术是指将多个芯片堆叠在一起，并通过垂直互联实现高速信号传输。这种技术可以显著提高芯片的集成度 和性能，同时降低能耗和成本。
掺杂技术分为非故意掺杂和故意掺杂两种，非故 意掺杂是指在制造过程中不可避免地引入杂质， 而故意掺杂则是为了实现特定的电路功能而人为 地引入杂质。
光刻技术包括接触式、接近式、扫描式等几种方式，不 同的方式适用于不同的工艺要求和节点。
未来发展方向包括探索更先进的光刻技术和方法，以提 高分辨率、降低成本和提高可靠性。
04
微电子封装与测试
封装技术
芯片贴装技术
集成电路
集成电路的基本概念
集成电路是将多个晶体管和其他电子元件集成在一块衬底上，实 现一定的电路或系统功能。
集成电路的制造工艺
集成电路的制造需要经过多个复杂工艺步骤，包括光刻、掺杂、刻 蚀和镀膜等，以确保电路性能的稳定性和可靠性。
集成电路的应用
集成电路被广泛应用于计算机、通信、消费电子和汽车电子等领域， 对现代科技的发展起着至关重要的作用。
晶体管
1 2 3
晶体管的基本结构
晶体管由三个电极（集电极、基极和发射极）构 成，其工作原理是通过控制基极电流来调节集电 极和发射极之间的电流。
晶体管的类型
晶体管分为NPN和PNP两种类型，其工作电压和 电流大小各不相同，根据实际需求选择合适的晶 体管类型。
晶体管的应用
晶体管是构成各种电子电路的基本元件，广泛应 用于信号放大、开关控制和逻辑运算等领域。
系统集成创新
系统集成创新
随着微电子器件的集成度不断提高，系统集成创新成为了一个重要的研究方向。通过将不同的器件和电路集成在一个 芯片上，可以实现更复杂的功能和更高的性能。
3D集成技术
3D集成技术是指将多个芯片堆叠在一起，并通过垂直互联实现高速信号传输。这种技术可以显著提高芯片的集成度 和性能，同时降低能耗和成本。
掺杂技术分为非故意掺杂和故意掺杂两种，非故 意掺杂是指在制造过程中不可避免地引入杂质， 而故意掺杂则是为了实现特定的电路功能而人为 地引入杂质。
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工艺步骤数：4G DRAM，500 步工艺
工艺步骤增加
每步 99% Ytotal < 1%
成品率下降
每步99.99% Ytotal 95%
硅片直径：14.5% 不完整芯片（Φ 200mm）
10.8% 不完整芯片（Φ 300mm） ✔
？ 芯片尺寸： 芯片尺寸 成品率
例：2 英寸硅片，缺陷密度 D＝1/cm2
随机问题：保护膜上的针孔、颗粒在硅片上的粘附、金属线的腐蚀等。
工艺成熟性
起步阶段 上升阶段 成熟阶段
Yrandom 20％ 80％ 90％
Ysystematic 80％ 90％ 95％
Ytotal 16％ 72％ 86％
利润最大化
!!!
5
器件总成品率 = 工艺各步骤成品率的乘积（Ytotal = ∏Yi）
0
less random/independent (ex. Clustering)
Negative Binomial (C = 2)
ITRS needs
Negative Binomial (C = 10)
D = 1 cm -2 O
Poisson
•Defects are random
and independent
Particle Density Probability of Particle Causing Yield Loss
1
dp 最小工艺特征尺寸 0.8
0.6 直径 > dp的颗粒数目
N(dp)=k(dp)3
0.4
0.2 极小颗粒的影响也不为0
?00.1.1-~00.3.3祄m
Particle Diameter
4
影响成品率的因素：
工艺成熟性、工艺步骤数、硅片直径、芯片尺寸以及晶体缺陷等
器件总成品率 = 系统分量和随机分量的乘积（Ytotal = Ysystematic ×Yrandom） = 工艺各步骤成品率的乘积（Ytotal = ∏Yi）
系统问题: 工艺错误、设备故障、工艺能力局限、起始材料不纯和设 计错误等。
Particles of feature size cause defects
11
2. 金属离子
极少量电性污染物也会 改变器件的典型特征 & 在器件中移动造成失效
可移动离子污染物（MIC）：材料中以离子 形态存在的金属离子，在半导体材料中有很 强的可移动性。
金属离子的来源：化学溶液、各制造工序、
化学品与传输管道和容器的反应
污染物：制造过程中引入硅片的任何危害芯片 成品率及电学性能的不希望存在的物质。
微粒 金属离子
Life time killers
污染物
化学物质 细菌 静电
等待清洗的硅晶圆片
9
1. 微粒
所有可以落在硅片表面的微小颗粒 微粒污染是成品率损失的较大贡献者：引起图形缺陷、器件失效等问题
烟尘
指纹印
尘埃
1 m 2 m 30 m
聚集因子
致命缺陷（killer defect ） 位于器件关键部位并使器 件产生致命性失效的缺陷
金属线
线宽减半，潜在
缺陷
危害的缺陷数目
膜层
增加 4 ~ 8 倍 !!!
晶片
7
Chip Yield
缺陷密度
如芯片面积已知，可计算出不同 成品率所要求芯片的缺陷密度。
例：芯片面积 10cm2，成品率要
求 99％ 时，采用泊松模型计算
离子注入 干法刻蚀 去胶 水汽氧化
9
Fe Ni Cu
10
11
12
13
Log (concentration/cm2)
Na 最常见、移动性最强 － 首要 控制目标（ 1010 atoms/cm2）
Fe, Cu, Ni, Cr, W, Ti… Na, K, Li…
2
4.1 概述
不对污染进行有效控制，微电子制造就是句空话 随着器件尺寸缩小，污染控制的重要性不断增加
1 2
百个
保
证
局部光散射
≫
原子 间距
≫
90
栅氧化层完整性
%
成
品
率
所
必
需
ITRS Roadmap
3
硅片上好的芯片数
成品率（Yield ）=
100%
硅片上总的芯片数
百分之一成品率的价值是多少？ 假如整个制造厂的平均成品率是 70 ％ 假如制造厂芯片总收入是 5 亿美元 成品率 70 ％ 71 ％ 意味着： 多出 1.4 ％的芯片，或是： 增加 700 万美元的收益 成品率每百分之一的提升都有巨大价值！
•Predicts too low yields
Yields depend on defects (D) density and chip size (A)
成品率模型
泊松模型 墨菲模型
Y
1 e AD
Y
1 e AD
ห้องสมุดไป่ตู้
AD
2
Seed 模型
Y
1 e
AD
负二项模型
2
4
6
8
10
12
Chip Area (cm 2 )
微电子工艺学
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 第十一章
绪论 现代 CMOS 工艺技术 晶体生长与衬底制备 加工环境与基片清洗 光刻 热氧化 扩散掺杂 离子注入掺杂 薄膜淀积 刻蚀 后段工艺与集成
1
第四章 加工环境与基片清洗
4.1 概述 4.2 环境净化 4.3 硅片清洗 4.4 吸杂 4.5 测量方法
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..
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..
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加工10mm10mm 芯片，可加工数 12，其 中 4 个无缺陷，成品率 33 ％；
加工 5mm5mm 芯片，可加工数 57，其中
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. . .
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. .
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..
. . ..
41 个无缺陷，成品率 72 ％；
..
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6
Chip Yeld
1 0.1 0.01 0.001 0.0001
沉积途径 布朗运动 重力沉降
人类毛发
100 m
附着机理 静电力 范德华力 化学键 ……
最关心颗粒尺寸：10nm ~ 10µm 可在空气中长时间悬浮
较大颗粒易沉降 较小颗粒易凝聚为大颗粒 10
0.03 m 的微粒将会损害0.3m 线宽的特征图形
VLSI Fabs：75% 的成品率损失来源于颗粒污染； 0.1 ~ 0.3 µm 的颗粒危害最大； 甚至更小颗粒也会导致失效（eg. ，栅氧化层针孔）。
C=2
的缺陷密度为：
ln
D
1 Y
ln
1 0.99
0.001 个 / cm2
A
10
意味着：三个 12 in（300mm） 硅片上致命缺陷只允许有 2 个！ 这是非常高的要求。
8
缺陷从哪里来？
缺陷：可能引起产品失效的任何事物。不完善的工艺控制、可靠性 问题、制造环境中的污染物都是缺陷的来源。