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1、Si集成电路工艺基础,南开大学电子信息与光学工程学院 何炜瑜,本课程主要讲述硅集成电路制造的工艺，介绍各项工艺的物理基础和基本原理，主要包括氧化、扩散、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积、外延、光刻与刻蚀、金属化与多层互连，最后简要介绍集成电路的工艺集成。 本课程也是从事微电子相关领域（如太阳电池、激光器、LED和TFT及其它半导体器件等）的研究和工作的基础课程。,课程的主要内容,本课程学习的目的,通过学习本课程，可以： 了解并掌握常用的半导体工艺技术； 能够简要叙述集成电路每一个工艺过程； 了解基本的集成电路制备过程； 能够从事半导体工艺相关的工作。,教材与参考书,教材：关旭东，硅集成电路
2、工艺基础，北京大学出版社，2003年10月。 参考书： Michael Quirk , Julian Serda 著，韩郑生 等译，半导体制造技术(Semiconductor Manufacturing Technology)，电子工业出版社，2004年1月 (中英文版) Stephen A. Campbell著，周润德 译，微电子制造科学原理与工程技术（The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication），电子工业出版社，2004年1月（中/英文版均有） 张兴/黄如/刘晓彦，微电子学概论，北京大学出版社，2000年1月,教学方
3、式： 课堂讲授为主，每周2学时。 成绩评定： 期末考试：80%，考勤+作业：20 %。,教学方式与成绩评定,集成电路发展的简要历史 集成电路产业的发展趋势 集成电路的基本工艺流程,前 言,1947年12月16日贝尔实验室 Willian Shockley、John Bardeen、Walter Brattain， 以Ge为半导体材料，发明了用于替代真空管的固态晶体管，成功使用一个电接触型的“可变电阻”-即今天被称为三极管“Transistor”的器件得到放大倍数为100的放大电路。,第一个晶体管，美国Bell实验室，1947年。,集成电路(IC)发展的简要历史,这是微电子技术发展中第一个里程碑
4、,第一个晶体管的发明者： Willian Shockley、John Bardeen、Walter Brattain 获得1956年诺贝尔物理学奖,1950年代 晶体管技术不断发展,1952年，第一个单晶Ge晶体管。 1954年，第一个单晶硅晶体管，德州仪器公司，Gordon Teal。 1957年，加利福尼亚州的仙童半导体公司（FairChild Semiconductor） 制造出第一个商用平面晶体管。 平面技术 。 1958年，德州仪器(TI)公司，制造出第一个集成电路(IC)器件，半导体产业向前迈进了重要的一步。,第一个集成电路(IC)器件 1958年7月24日，德州仪器（Texas
5、Instruments）的雇员Jack Kilby，在笔记本中写道：如果电路元件，比如电阻、电容可以使用同种材料制造，则有可能将整个电路加工在单个片子上“single chip”。 当时的真空条件很差的情况下，Kilby于1958年9月12日制造了具有5个集成元件的简单振荡电路，1959年Kilby提交了专利申请 US3,138,743：Miniaturized electronic circuits并获得授权。 2000年Kilby和其他两位物理学家一起分享了诺贝尔物理学奖。,1961年，第一个Si集成电路(IC)产品， 由德州仪器(Texas Instrument) 的Jack Kilby
6、制备完成。,1960年代 集成电路产业快速发展,1、在技术上，新材料和工艺技术不断出现，集成电路工艺快速进步。 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，C.T.Sah和 F.M.Wanlass，首次提出CMOS技术，今天95%以上的集成电路都是基于CMOS工艺。 1966年，美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列(50门) 1966年，多晶硅栅技术出现 。 1968年，离子注入技术被应用于半导体器件制造中。,2、半导体制造商激增 。 1961年，Signetics公司。 196
7、7年：应用材料公司（Applied Materials）成立，现已成为全球最大的半导体设备制造公司。 1968年，Robert Noyce、Gordon Moor、Andrew Grove成立了Intel公司。 1969年，Jerry Sanders和其他FairChild Semiconductor 科学家成立了AMD（Advanced Micro Devices）公司。,3、半导体产业出现分工 。 出现了专门从事供应的行业，这些行业提供半导体产业必需的化学材料和设备。,1970年代,1、集成电路工艺技术迅速发展 1971年，Intel采用nMOS技术制成了世界上第一个微处理器Intel 4
8、004，这也是一个里程碑的发明。在20世纪的整个70年代和80年代初，nMOS技术成为集成电路的主流技术。 1974年，RCA公司推出第一个CMOS微处理器1802； 1976年，16kb DRAM和4kb SRAM问世； 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，标志着非常大规模集成电路（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；,2、70年代生产设备实现了半自动操作 3、出现了标准化组织 1970年，SEMI (Semiconduct or Equipment an
9、d Meterials International)国际半导体设备及材料协会成立。 1977年，SIA(Semiconductor Industry Association ) 半导体协会成立。 4、建厂费用激增,1980年代,1、工艺技术进步，低功耗的CMOS技术成为主流。,1981年：256kb DRAM和64kb CMOS SRAM问世。 1984年：日本宣布推出1Mb DRAM和256kb SRAM。 1985年：80386微处理器问世，20MHz。 1987年，IBM研制成功0.1m MOSFET, 标志着当代超深亚微米MOS技术基本成熟。同年，Intel在386CPU中引入1.2m
10、 CMOS技术至此CMOS技术占据了集成电路中的统治地位。 1988年：16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（ULSI）阶段。 1989年，486微处理器推出，25MHz，1m工艺，后来50MHz芯片采用0.8m工艺。,2、生产设备自动化 包括全部的重要硅片加工步骤，大幅度减少工艺中的操作者，这使得硅片制造厂的启动成本快速增加，到80年代后期，上涨到接近10亿美元。,1990年代,1、芯片的最小特征尺寸(Critical Design, CD)进一步缩小到1m以下，进入ULSI时代。,1993年：66MHz奔腾处理器推出,采用0.6工
11、艺。 1995年: Pentium Pro, 133MHz，采用0.6-0.35工艺。 1997年：300MHz奔腾问世,采用0.25工艺。 1999年：奔腾问世，450MHz，采用0.25工艺，后采用0.18m工艺。 2000年: 1Gb RAM投放市场。 2000年：奔腾4问世，1.5GHz，采用0.18工艺。,2、金属化与多层互连技术的发展（Cu互连），使得芯片的集成度、速度进一步提高，同时降低了功耗，减少工艺步骤。 3、集成电路设计全部采用计算机CAD。,2000年代,最小特征尺寸（ Critical Design ）越来越小 2001年：intel宣布2001年下半年采用0.13工艺
12、。 2003年：奔腾4 E系列推出，采用90nm工艺。 2005年：intel 酷睿2系列上市，采用65nm工艺。 2007年：采用45nm 基于High-K工艺的intel酷睿2 E7/E8/E9上市。 2009年：intel酷睿i系列全新推出，创纪录采用了领先的32纳米工艺，并且下一代22纳米工艺正在研发。,IC 规模分类,1、 提高芯片性能 缩小最小特征尺寸 (Critical Design)。 特征尺寸：芯片上的物理尺寸，如线宽、间距、接触孔等 。,2000年，Solid State Technology的技术总结与展望：,集成电路产业的发展趋势,2) 提高集成度,到了1980年代，这
13、一定律的速率放缓到18个月。,摩尔定律：随着半导体工艺技术的发展，每过12个月集成电路的晶体管数量增加一倍，而价格保持不变。 Intel的创建者之一Gorden Moore于1964年发现这一定律。,摩尔定律,3) 降低功耗,半导体工业的发展路线图,特征尺寸和硅片尺寸,特征尺寸越来越小，同时硅片尺寸越来越大，因而集成电路的规模越来越大 。,集成电路几何学上的限制,密集排列的每一个硅原子由原子核和外层电子构成。 原子具有一定的尺寸，这决定了集成电路的特征尺寸不可能无限小下去。,集成电路器件的限制, 原子尺寸为：数 ； 需要一定数量的原子才能形成器件； 这使得集成电路的最小特征尺寸限制在100 即
14、0.01 微米左右； 这一最小特征尺寸大约包含30个硅原子。,目前已知的特征尺寸最小的晶体管，由日本NEC公司于1997年制备完成（14nm）,2 提高芯片的可靠性,随着生产过程超净化的实现，化学试剂纯度的可控制，以及各种检测和测试技术的提高，使芯片的可靠性越来越高。,随着集成电路产业的发展，对超净环境的要求越来越高。,3 降低价格,1946到1996年，半导体微芯片的价格下降了一亿倍。,集成电路的基本工艺流程,第一章 硅的晶体结构 1.1 硅晶体结构的特点,单晶结构-晶体由单一的晶格连续组成,多晶结构-晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成,非晶结构-固体原子无规则地堆积而成,晶格： 配
15、置有原子、分子、离子或其集团的空间点阵，可以看成是由质点在三维空间按一定规则周期重复性排列所构成，这种周期性结构为晶格。 晶胞：能够最大限度地反映晶体对称性质的最小单元 。 晶格常数 ：晶胞的边长 300K时，a5.4305（Si），5.6463（Ge）,1 晶胞,简立方晶格,面心立方晶格,金刚石、硅、锗的晶格为金刚石结构，属于面心立方。,2 硅晶体原子密度,金刚石结构的立方晶胞 两套面心立方格子组成的复式格子,晶胞体积为：a3 一个原子占据的空间为：a3/8 原子密度单位体积含有的原子个数为：8/a351022/cm3硅4.421022/cm3锗,3 共价四面体,硅为元素周期表中四族元素，每
16、个原子有4个价电子，形成晶体时，可以形成4个共价键。一个原子在四面体的中心，另外4个同它共价的原子在4面体的顶角上，成为共价四面体。 硅形成的共价四面体的键称为四面体键，键之间的夹角为10928。 最小原子间距，即正四面体中心到顶角原子的距离，是体对角线长的1/4，为 。,4 晶体内部的空隙,空间利用率： 原子体积 晶胞中原子占据的体积 空间利用率,原子填充晶胞空间的百分比,则空间利用率为：34,1.2 晶向与晶面,晶向：一族晶列所指的共同方向，称为晶向。 晶面： 晶格中同一平面上的格点构成一个晶面。,： ： ：,线密度最大,原子线密度,100 110 111,原子面密度,2,1.3 硅晶体中的缺陷,点缺陷,间隙杂质 肖特基缺陷 弗仑克尔缺陷,线缺陷-位错,位错与滑移矢量平行， 为螺位错。,位错与滑移矢量垂直， 为刃位错。,1.4 硅中的杂质,替位式杂质 间隙式杂质 对于、族杂质，只有当其成为替位式杂质时，才能起到施主或受主的作用。 对于重金属杂质，以离子形式存在于间隙中 氧原子以SiOSi键合态存在间隙中，形成所谓的“成键间隙”状态。 碳原子
