電子科大微電子工藝原理(第一章)緒論

1、考核方式：考核方式： 平時(shí)考核平時(shí)考核(到課率、交作業(yè)情況到課率、交作業(yè)情況)，占總成績(jī)，占總成績(jī)20% 期末考核期末考核(開(kāi)卷考試開(kāi)卷考試)，占總成績(jī)，占總成績(jī)80% 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)： 與半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。2. 產(chǎn)業(yè)規(guī)模及市場(chǎng)需求產(chǎn)業(yè)規(guī)模及市場(chǎng)需求3. 產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)4. 集成電路產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)集成電路產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)IC費(fèi)用費(fèi)用12英寸英寸8英寸英寸6英寸英寸45nm90nm0.18m0.5m0.5m1.0m制版費(fèi)制版費(fèi)（每套）（每套）450萬(wàn)元萬(wàn)元250萬(wàn)元萬(wàn)元190萬(wàn)元萬(wàn)元20萬(wàn)元萬(wàn)元12萬(wàn)元萬(wàn)元流片費(fèi)流片費(fèi)（每晶圓）（每晶圓）1.0萬(wàn)元萬(wàn)元0.7萬(wàn)元萬(wàn)元0.5萬(wàn)元萬(wàn)元半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)半

2、導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)2014年全球年全球50大大IC設(shè)計(jì)公司中國(guó)占設(shè)計(jì)公司中國(guó)占9家家國(guó)內(nèi)主要集成電路芯片制造企業(yè)：國(guó)內(nèi)主要集成電路芯片制造企業(yè)：體積大重量重功耗高可靠性差 無(wú)真空 體積小 重量輕 功耗低 可靠性高n 1947年發(fā)明固體鍺晶體管（肖克萊、巴丁、布拉頓）年發(fā)明固體鍺晶體管（肖克萊、巴丁、布拉頓）n 1957年第一個(gè)硅平面晶體管誕生（仙童半導(dǎo)體公司年第一個(gè)硅平面晶體管誕生（仙童半導(dǎo)體公司 )n 1959年發(fā)明硅基集成電路（諾伊思、基爾比）年發(fā)明硅基集成電路（諾伊思、基爾比）晶體管的發(fā)明者（肖克萊、巴丁、布拉頓）因此發(fā)明晶體管的發(fā)明者（肖克萊、巴丁、布拉頓）因此發(fā)明獲得諾貝爾獎(jiǎng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)(19

3、56)1959年仙童公司制造的年仙童公司制造的IC含芯片的硅片含芯片的硅片 一種模擬集成電路芯片集成電路制造步驟：提高芯片性能降低芯片成本提高芯片可靠性 關(guān)鍵尺寸關(guān)鍵尺寸 摩爾定律摩爾定律 硅片尺寸硅片尺寸重要概念：重要概念： 2012年，英特爾成功量產(chǎn)了年，英特爾成功量產(chǎn)了22nm工藝技術(shù)，工藝技術(shù)， 臺(tái)積電量臺(tái)積電量產(chǎn)產(chǎn)28nm 。下一代：英特爾下一代：英特爾 14nm、臺(tái)積電、臺(tái)積電 20nm。20042006200820102012CD（nm)906545322219941995199719992002CD（m)0.60.350.250.180.13對(duì)微觀尺寸的認(rèn)識(shí)IC 發(fā)展的另一些規(guī)

4、律： 建立一個(gè)芯片廠的造價(jià)每一年半翻一番。 線條寬度每4 6 年下降一半。降低成本硅片尺寸不斷增大，芯片成本逐漸降低硅片尺寸不斷增大，芯片成本逐漸降低20092010201120122013201420152016關(guān)鍵關(guān)鍵尺寸尺寸 nm2927242220181715晶圓晶圓直徑直徑mm300300300300300450450450INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORSITRS 201020172018201920202021202220232024關(guān)鍵關(guān)鍵尺寸尺寸 nm1413121110987晶圓晶圓直徑直徑mm450450

5、450450450450450450INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORSITRS 2010 按構(gòu)成集成電路基礎(chǔ)的晶體管分按構(gòu)成集成電路基礎(chǔ)的晶體管分n雙極型集成電路以雙極型平面晶體管為主要器件nMOS型集成電路以MOS晶體管為主要器件nBICMOS電路 雙極Bipolar與與MOS 混合型薄膜電阻擴(kuò)散電阻俯視圖剖面圖主要的有源器件：主要的有源器件：n 二極管n 雙極晶體管n MOS晶體管n CMOS器件先進(jìn)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管-FinFETIntel從Core i7-3770之后的22納米的處理器均使用了FinFET技術(shù)。1. 晶體結(jié)

6、構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)2. 晶體表征晶體表征3. 半導(dǎo)體級(jí)硅半導(dǎo)體級(jí)硅(SGS)的制備的制備4. 單晶硅生長(zhǎng)單晶硅生長(zhǎng)5. 硅片制備硅片制備6. 硅中的晶體缺陷硅中的晶體缺陷7. 硅外延層硅外延層硅的豐裕度 (地殼中含量第二，約占25%，僅次于氧)更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限 (硅：1412 ，鍺：937 )更寬的工作溫度范圍 (軍用-55 至+125 ，商用0 至70 )(鍺外層電子比硅活躍，溫度影響大)氧化硅的自然生成 (容易生長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，用途廣泛)硅摻雜：純單晶硅是絕緣體其電阻率為2.5105cm， 當(dāng)摻入百萬(wàn)分之一的雜質(zhì)磷或砷，則電阻率下降為 0.2 cm，導(dǎo)電能力增強(qiáng)125萬(wàn)倍！1. 晶體

7、結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)晶體非晶體單晶多晶內(nèi)部原子非常規(guī)則地在三維空間重復(fù)排列n 晶體的原子排列內(nèi)部原子排列雜亂無(wú)規(guī)則硅晶胞：面心立方金剛石結(jié)構(gòu)多晶硅結(jié)構(gòu) 單晶硅結(jié)構(gòu)單晶：晶胞在三維空間整齊重復(fù)排列，這樣的結(jié)構(gòu)單晶：晶胞在三維空間整齊重復(fù)排列，這樣的結(jié)構(gòu)叫做單晶。叫做單晶。單晶的原子排列長(zhǎng)程有序。單晶的原子排列長(zhǎng)程有序。多晶：晶胞無(wú)規(guī)律地排列，這樣的結(jié)構(gòu)叫做多晶。多晶：晶胞無(wú)規(guī)律地排列，這樣的結(jié)構(gòu)叫做多晶。多晶的原子排列短程有序長(zhǎng)程無(wú)序。多晶的原子排列短程有序長(zhǎng)程無(wú)序。OAm1Xm2Ym3Z密勒指數(shù)：m1 m2 m3 晶向：MOS集成電路通常用（100）晶面或晶向雙極集成電路通常用（111）晶面或晶向

8、這種生產(chǎn)純SGS的工藝稱為西門(mén)子工藝98%98%99.9999999%99.9999999% CZ直拉法單晶爐關(guān)鍵工藝參數(shù)：關(guān)鍵工藝參數(shù)：拉伸速率和晶體旋轉(zhuǎn)速度拉伸速率和晶體旋轉(zhuǎn)速度1) 直拉法（直拉法（CZ法）法） 精確復(fù)制籽晶（具有所需晶向的單晶硅）結(jié)構(gòu)。 生產(chǎn)大直徑的單晶硅錠。85%的硅錠是由直拉法生產(chǎn)出來(lái)的。 實(shí)現(xiàn)均勻摻雜。直拉法（直拉法（CZ法）特點(diǎn)：法）特點(diǎn)：硅中電阻率和摻雜硅中電阻率和摻雜濃度之間的關(guān)系濃度之間的關(guān)系純純Si電阻率電阻率 2.5105 .cm使用的材料：摻雜好的多晶硅棒 優(yōu)點(diǎn)：純度高，含氧量低 (少量氧吸附雜質(zhì)；過(guò)量氧影響單晶硅的機(jī)械和電學(xué)性能) 缺點(diǎn)：硅片直徑比

9、直拉的小去掉兩端徑向研磨定位邊研磨注：直徑大于注：直徑大于300mm的硅片采用線鋸來(lái)切片。的硅片采用線鋸來(lái)切片。倒角：減小機(jī)械應(yīng)力，降低位錯(cuò)缺陷，避免沾污化學(xué)腐蝕深度約20微米，目的是消除硅片表面損傷CMP，目的：高平整度的光滑表面200mm及其以前硅片，僅上表面拋光；300mm以上硅片，雙面拋光。7) 評(píng)估評(píng)估8) 包裝包裝硅片質(zhì)量評(píng)估主要技術(shù)指標(biāo)硅片質(zhì)量評(píng)估主要技術(shù)指標(biāo):450mm 硅片計(jì)劃：硅片計(jì)劃：臺(tái)積電已在臺(tái)灣竹南購(gòu)買了土地，用來(lái)建設(shè)開(kāi)發(fā)和初期量產(chǎn)使用的450mm硅片生產(chǎn)線。計(jì)劃在20162017年啟動(dòng)試產(chǎn)線，2018年開(kāi)始量產(chǎn)。 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 原子層面的局部缺陷原子層面的局部缺陷 線缺陷（位錯(cuò)線缺陷（位錯(cuò) ） 錯(cuò)位的晶胞錯(cuò)位的晶胞 面缺陷（面缺陷（層錯(cuò)層錯(cuò) ） 晶體結(jié)構(gòu)的缺陷晶體結(jié)構(gòu)的缺陷 空位缺陷空位缺陷Vacancy defect(b) 間歇原子缺陷間歇原子缺陷Interstitial defect(c) Frenkel缺陷缺陷Frenkel defect成品率成品率在單晶襯底上生長(zhǎng)一薄層單晶層，稱為外延層。外延層晶體結(jié)構(gòu)與襯底一致，而厚度、導(dǎo)電類型、摻雜濃度可根據(jù)需要而定。硅外延發(fā)展的起因是為了提高雙極器件和集成電路的性能。外延可在重?fù)诫s的襯底上生長(zhǎng)輕摻雜的薄層