1、SemiconductorMaterials&BasicPrincipleofICPlanarProcessing半导体材料半导体材料和和集成电路平面工艺基础集成电路平面工艺基础1 References：(Materials)3.材料科学与技术丛书材料科学与技术丛书半导体工艺，半导体工艺，K.A.杰克逊杰克逊 等等 主编，主编，（科学出版社，（科学出版社，1999）Processing of Semiconductors,By Kenneth A.Jackson and Wolfgang Schrter,(Wiley-VCH,1996);Ch1,Ch24.半导体器件的材料物理学基础，陈治明半导
2、体器件的材料物理学基础，陈治明 等，科技版，等，科技版，19995.微电子技术工程微电子技术工程材料、工艺与测试，刘玉岭材料、工艺与测试，刘玉岭 等，（电子工等，（电子工业出版社，业出版社，2004）1.Silicon Processing，By Stanley Wolf and Richard N.Tauber，（Lattice Press，2000）;Ch1,Ch22.Silicon VLSI TechnologyFundamentals,Practice and Modeling,By Lame D.Plummer et al,(Pearson Education,2000);Ch3 2
3、 References：(Processing)3.Silicon Processing，By Stanley Wolf and Richard N.Tauber，（Lattice Press，2000）4.ULSI Technology，By G.Y.Chang and Simon.M.Sze，（MiGraw Hill，1996）5.半导体制造技术，半导体制造技术，Michael Quirk,Julian Serda（科学出版社，（科学出版社，1999）Semiconductor Manufacturing Technology,(Prentice Hall,2001)6.微电子技术工程微电
4、子技术工程材料、工艺与测试，刘玉岭材料、工艺与测试，刘玉岭 等，（电子工等，（电子工业出版社，业出版社，2004）1.The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication,By Stephen A.Campbell,(Oxford,2nd Edition,2001)2.Silicon VLSI TechnologyFundamentals,Practice and Modeling,By Lame D.Plummer et al,(Pearson Education,2000)3 主要教学内容：主要教学内容：第一篇第一篇(Over
5、view&Materials)第一章：第一章：IC平面工艺及发展概述平面工艺及发展概述 第二章：半导体材料的基本性质第二章：半导体材料的基本性质 第三章：第三章：Si单晶的生长与加工单晶的生长与加工 第四章：几种化合物半导体的材料生长与加工第四章：几种化合物半导体的材料生长与加工 小结小结:材料材料 器件器件 工艺工艺4 第二篇第二篇(Unit Process)第一章：第一章：IC制造中的超净和硅片清洁技术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一单元：热处理和局域掺杂技术 第二章：扩散掺杂技术第二章：扩散掺杂技术(Ch3)第三章：热氧化技术第三章：热氧化技术(Ch4)第四
6、章：离子注入技术第四章：离子注入技术(Ch5)第五章：快速热处理技术第五章：快速热处理技术(Ch6)第二单元：图形加工技术第二单元：图形加工技术 第六章：图形转移技术（光刻技术）第六章：图形转移技术（光刻技术）(Ch79)第七章：图形刻蚀技术第七章：图形刻蚀技术(Ch10)5 第三单元：薄膜技术第三单元：薄膜技术 第八章：第八章：薄膜物理淀积技术薄膜物理淀积技术(Ch12)第九章：第九章：薄膜化学汽相淀积（薄膜化学汽相淀积（CVD）技术）技术(Ch13)第十章：晶体外延生长技术第十章：晶体外延生长技术(Ch14)第四单元：集成技术简介第四单元：集成技术简介 第十一章：基本技术第十一章：基本技术
7、(Ch15)第十二章：几种第十二章：几种IC工艺流程工艺流程(Ch16)第十三章：质量控制简介第十三章：质量控制简介6第一章：第一章：IC平面工艺及发展概述平面工艺及发展概述集成电路芯片？集成电路芯片？7集成电路芯片？集成电路芯片？Passivation layerBonding pad metalp+Silicon substrateLI oxideSTIn-wellp-wellILD-1ILD-2ILD-3ILD-4ILD-5M-1M-2M-3 M-4Poly gatep-Epitaxial layerp+ILD-6LI metalViap+p+n+n+n+2314567891011121
8、3148集成电路芯片？集成电路芯片？9集成电路芯片？集成电路芯片？10 第一章：第一章：IC平面工艺及发展概述平面工艺及发展概述 1、集成电路的基本单元（有源元件）、集成电路的基本单元（有源元件）二极管：二极管：按结构和工艺：按结构和工艺：金金/半接触二极管：半接触二极管：肖特基二极管肖特基二极管、（点接触二极管）、（点接触二极管）面结型二极管：面结型二极管：合金结二极管、合金结二极管、扩散结二极管扩散结二极管、生长结二极管、异质结二极管、等生长结二极管、异质结二极管、等 按功能和机理：按功能和机理：振荡、放大类：振荡、放大类：耿氏二极管、雪崩二极管、变容二极管、等耿氏二极管、雪崩二极管、变容
9、二极管、等 信号控制类：信号控制类：混频二极管、开关二极管、隧道开关二极管、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、等检波二极管、稳压二极管、阶跃二极管、等 光电类：光电类：发光二极管发光二极管(LED)（半导体激光器）、（半导体激光器）、光电二极管（探测器）光电二极管（探测器）11晶体管：晶体管：双极型晶体管：（双极型晶体管：（NPN、PNP）合金管、合金扩散管、台面管、外延台面管、合金管、合金扩散管、台面管、外延台面管、平面管、外延平面管等平面管、外延平面管等 场效应晶体管：（场效应晶体管：（P沟、沟、N沟；增强型、耗尽型）沟；增强型、耗尽型）MOS场效
10、应晶体管（场效应晶体管（MOSFET）、）、结型场效应晶体管（结型场效应晶体管（JFET）、）、肖特基势垒场效应晶体管（肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）122、集成电路的分类：、集成电路的分类：按功能：按功能：数字集成电路、模拟集成电路、微波集成电路、数字集成电路、模拟集成电路、微波集成电路、射频集成电路、其它；射频集成电路、其它；按工艺：按工艺：半导体集成电路（双极型、半导体集成电路（双极型、MOS型、型、BiCMOS）、）、薄薄/厚膜集成电路、混合集成电路厚膜集成电路、混合集成电路 按有源器件：按有源器件：双极型、双极型、MOS型、型、BiCMOS、光电集成电路、光电集成电路、CCD集
11、成电路、传感器集成电路、传感器/换能器集成电路换能器集成电路 按集成规模：按集成规模：小规模（小规模（SSI）、中规模（）、中规模（MSI）、）、大规模（大规模（LSI）、超大规模（）、超大规模（VLSI）、）、甚大规模（甚大规模（ULSI）、巨大规模（）、巨大规模（GLSI）13143、基本工艺流程举例、基本工艺流程举例 几种二极管的基本结构几种二极管的基本结构合金合金 平面平面 生长（异质）生长（异质）台面台面 Schottky 几种晶体管的基本结构几种晶体管的基本结构合金合金 生长（异质）生长（异质）平面平面1 平面平面2 MOS1516110m300500m介质膜Al电极SiO2膜外延
12、层埋层衬底隔离、基区、发射区、钨塞、集电区1）、简单的Bipolar IC 结构172）、）、Si双极双极npn晶体管芯片的工艺流程晶体管芯片的工艺流程1、衬底制备，2、外延生长，3、一次氧化，4、一次光刻，5、基区扩散，6、二次氧化，7、二次光刻，8、发射区扩散，9、三次氧化，10、三次光刻，11、金属镀膜，12、反刻金属膜13、背面镀膜，14、合金化E BCn+pnn+18一次光刻（基区）、二次光刻（发射区）、三次光刻（引线孔）、四次光刻（反刻引线）（负性光刻胶）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）
13、、三次光刻（引线孔光刻）、金属镀膜、反刻引线。氧化台阶、套刻19电容：MOSPN Junction电阻：20元器件的平面结构元器件的平面结构2122VinVoutVDDGround23DRAM242526273）IC的基本制造环节的基本制造环节 晶片加工晶片加工 外延生长外延生长 介质膜生长介质膜生长 图形加工图形加工 局域掺杂局域掺杂 金属合金金属合金 封装、测试封装、测试材料厂材料厂Foundry封装厂封装厂 28 4、发展、发展(历史和现状历史和现状)出现，出现，IC、LSI、VLSI和和ULSI，规律，特征尺寸，工业，规律，特征尺寸，工业化方式和化方式和SoC趋势趋势 MEMS、OEI
14、C、MOMES“生物芯片生物芯片”29KilbyTexas Instrum.(TI)1959 Feb.Ge mesa transistorsPatent No.3138743出现出现30 NoyceFairchild1959 JulySi planar IC2981877 31沟道长度0.13m特征尺寸特征尺寸3233 15 inch 2 cm234ChipWafer35=300mmMEMC Electronic Materials,36 37 摩尔定理：摩尔定理：由由IntelIntel创始人之一的创始人之一的MooreMoore提出的，被人提出的，被人认为可以获得诺贝尔经济学奖的定理认为可
15、以获得诺贝尔经济学奖的定理 一块芯片上的晶体管数目大约每隔一块芯片上的晶体管数目大约每隔1212个月个月翻一番（翻一番（19641964年）年）（19751975年修订为年修订为1818个月）个月）实现途径：实现途径：晶体管尺寸减小；晶体管尺寸减小；芯片尺寸增大；芯片尺寸增大；38Moores Low39Moores Low4041World Semiconductor Trade SystemFrom:www.wsts.org42器件（电路）设计测试与验证版图设计与制造芯片制造测试封装测试器件生产基本过程43SoC System on Chip芯片系统集成芯片系统集成MEMS Micro-E
16、lectronic Mechanic System微电子机械系统微电子机械系统OEICOptoelectronic Integrated Circuit光电子集成系统光电子集成系统MOMES44 1）、微电子机械系统（MEMS）微电子技术与精密机械技术相结合，将微型传感器（力、热、光、电、磁、声）、微型执行器（如：机械）、信号处理与控制电路、接口电路、通信系统以及电源集成一体。目前主要用硅材料和介质膜通过光刻技术实现45厚：2030m直径：4mm转速：200rpm4647物理要点：振动的质量块电容极板在非惯性系统中受物理要点：振动的质量块电容极板在非惯性系统中受到科氏力的作用，质量块移动而引起
17、电容的变化。到科氏力的作用，质量块移动而引起电容的变化。48Lab on Chip49 2）、光电子集成芯片 以微电子加工技术为基础，将激光器、光调制器、光开关等等光子器件通过光波导的互连而优化集成在一个芯片上，实现各种系统功能。硅基材料、光学晶体、光学薄膜5051激光多普勒速度仪（LiNbO3）52 3）、DNA芯片*基本思想是通过施加电场等措施，使一些特殊的物质能够反映出某种基因的特性。制作高密度的特定的探针阵列性芯片进行基因识别和分析“生物成分分析芯片”LoS（Lab on System）53545、微电子技术的发展趋势、微电子技术的发展趋势1）集成电路：）集成电路：超大（单元数、芯片面
18、积）超大（单元数、芯片面积）超微（关键尺寸）超微（关键尺寸）多功能、高性能（快速、低功耗、抗干扰）、多功能、高性能（快速、低功耗、抗干扰）、SoC（System on Chip）低成本低成本高可靠性高可靠性2）工艺技术：）工艺技术：大直径材料（大直径材料（8”、12”、15”、。）、。）光刻极限光刻极限(0.350.13、90nm40nm、25nm?）新结构器件（新结构器件（应变硅应变硅、纳电子技术、高、纳电子技术、高k介质。）介质。）超纯环境和材料（半导体材料、介质材料、试剂）、新测超纯环境和材料（半导体材料、介质材料、试剂）、新测试和封装技术试和封装技术单项技术（压印光刻技术等单项技术（压
19、印光刻技术等553）新领域：）新领域：MEMS：多样化、小型化、与控制电路集成：多样化、小型化、与控制电路集成纳电子：量子线纳电子：量子线/点微结构、集成化、工作温度点微结构、集成化、工作温度新材料电子器件：有机分子电路新材料电子器件：有机分子电路、自旋器件、自旋器件光子晶体：短波长、局域生长、三维材料、光子晶体：短波长、局域生长、三维材料、参数可控参数可控硅光子学：（硅光电集成系统）硅光子学：（硅光电集成系统）特征尺寸减小、芯片和晶圆尺寸增大、缺陷密度减小、特征尺寸减小、芯片和晶圆尺寸增大、缺陷密度减小、内部连线水平提高、芯片成本降低内部连线水平提高、芯片成本降低56学习该课程应注意认识到工艺中：学习该课程应注意认识到工艺中：1、基础知识应用上的综合性、基础知识应用上的综合性 2、技术面上的综合性、技术面上的综合性 3、与器件（电路）的紧密相关性、与器件（电路）的紧密相关性 4、与可靠性、性价比的关系、与可靠性、性价比的关系始终要问的问题：始终要问的问题：机理是什么？机理是什么？如何测量？如何测量？与同类工艺的的比较？与同类工艺的的比较？与前后工艺是否兼容？与前后工艺是否兼容？是否影响器件的可靠性？是否影响器件的可靠性？综合成本如何？综合成本如何？57
