微电子工艺
微电子工艺基础绪论
PPT文档演模板
微电子工艺基础绪论
1.为什么要学这门课？
³ 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。
PPT文档演模板
微电子工艺基础绪论
第1章 绪论
一、微电子产业
• 1、微电子业在国民经济中的作用* • 2、半导体工业的诞生* • 3、分立器件、集成电路*** ➢ 4、微电子工艺的发展**** • 5、微电子产业的分类***
PPT文档演模板
微电子工艺基础绪论
第1章 绪论 一、微电子产业
4、微电子工艺的发展概况
•70年代，离子注入技术，实现了浅结掺杂。
•新工艺新技术不断出现，例如：等离子技术，电子束光刻， 分子束外延等。（参照教材P10~P15）
PPT文档演模板
微电子工艺基础绪论
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***** •（2）平面工艺的发展** ✓（3）工艺及产品趋势** •（4）微电子工艺的特点*****
微电子工艺习题答案(整理供参考)
第一章1.集成电路：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如Si、GaAs）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。
集成电路发展的五个时代及晶体管数目：小规模集成电路（小于100个）、中规模集成电路（100~999）、大规模集成电路（1000~99999）、超大规模集成电路（超过10万）、甚大规模集成电路（1000万左右）。
2、硅片制备（Wafer preparation）、硅片制造（Wafer fabrication）硅片测试/拣选（Wafer test/sort）、装配与封装（Assembly and packaging）、终测（Final test）。
3、半导体发展方向：提高性能、提高可靠性、降低价格。
摩尔定律：硅集成电路按照4年为一代，每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%，IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。
4、特征尺寸也叫关键尺寸，集成电路中半导体器件能够加工的最小尺寸。
5、more moore定律：芯片特征尺寸的不断缩小。
从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸的继续缩小，more than moore定律:指的是用各种方法给最终用户提供附加价值，不一定要缩小特征尺寸，如从系统组件级向3D集成或精确的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。
6、High-K：高介电系数；low-K:低介电系数；Fabless：无晶圆厂；Fablite：轻晶片厂；IDM：Integrated Device Manufactory集成器件制造商；Foundry:专业代工厂；Chipless:无晶片1、原因：更大直径硅片，更多的芯片，单个芯片成本减少；更大直径硅片，硅片边缘芯片减小，成品率提高；提高设备的重复利用率。
硅片尺寸变化：2寸（50mm）-4寸（100mm）-5寸（125mm）-6寸（150mm）-8寸（200mm）-12寸（300mm）-18寸（450mm）.2、物理尺寸、平整度、微粗糙度、氧含量、晶体缺陷、颗粒、体电阻率。
微电子工艺概论1-5
1.硅作为电子材料的优点·原料充分，占地壳25%，沙子是硅在自然界中存在的主要形式；·硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要； ·密度只有2.33g/cm3，是锗/砷化镓的43.8%，用于航空、航天；·热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃ ，热导率高，1.50W/cm ·℃，芯片散热； ·单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好，目前16英寸；·机械性能良好，MEMS 。
2.硅晶体缺陷——点缺陷·本征缺陷（晶体中原子由于热运动） 空位 A ：晶格硅原子位置上出现空缺；自填隙原子B ：硅原子不在晶格位置上，而处在晶格位置之间。
·杂质（非本征缺陷：硅以外的其它原子进入硅晶体） 替位杂质C 填隙杂质D 注：·肖特基缺陷：空位缺陷； ·弗伦克尔（Frenkel ）缺陷：原子热运动脱离晶格位置进入晶格之间，形成的空穴和自填隙的组合；·填隙杂质在微电子工艺中是应尽量避免的，这些杂质破坏了晶格的完整性，引起点阵的 变，但对半导体晶体的电学性质影响不大； ·替位杂质通常是在微电子工艺中有意掺入的杂质。
例如，硅晶体中掺入Ⅲ、Ⅴ族替位杂质， 目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au 等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心， 缩短载流子寿命。
3.硅晶体缺陷——线缺陷·线缺陷最常见的就是位错。
位错附近，原子排列偏离了严格的周期性，相对位置发生了错 乱。
位错可看成由滑移形成，滑移后两部分晶体重新吻合。
在交界处形成位错。
用滑移矢量表征滑移量大小和方向。
·位错主要有刃位错和螺位错刃（形）位错：晶体中插入了一列原子或一个原子面，位错线AB与滑移矢量垂直； 螺（旋）位错：一族平行晶面变成单个晶面所组成的螺旋阶梯，位错线AD 与滑移矢量平kT E v v e N n /0-=νkTE i i i e N n /0-=1 23 BA 缺陷附近共价键被压缩1、拉长2、悬挂3，存在应力·刃形位错的两种运动方式：滑移和攀移。
微电子工艺流程(PDF 44页)
20、电极多晶硅的淀积
• 利用低压化学气相沉积（LPCVD ） 技 术在晶圆表面沉积多晶硅，以做为连接 导线的电极。
华中科技大学电子科学与技术系
21、电极掩膜的形成
• 涂布光刻胶在晶圆上，再利用光刻技术 将电极的区域定义出来。
华中科技大学电子科学与技术系
22、活性离子刻蚀
晶格排列。退火就是利
用热能来消除晶圆中晶
格缺陷和内应力，以恢
复晶格的完整性。同时
使注入的掺杂原子扩散
到硅原子的替代位置，
使掺杂元素产生电特
性。
华中科技大学电子科学与技术系
11、去除二氧化硅
• 利用湿法刻蚀方法去除晶圆表面的二氧化 硅。
华中科技大学电子科学与技术系
12、前置氧化
• 利用热氧化法在晶圆上形成一层薄的氧 化层，以减轻后续氮化硅沉积工艺所产 生的应力。
• 利用活性离子刻蚀技术刻蚀出多晶硅电 极结构，再将表面的光刻胶去除。
华中科技大学电子科学与技术系
23、热氧化
• 利用氧化技术，在晶圆表面形成一层氧 化层。
华中科技大学电子科学与技术系
24、NMOS源极和漏极形成
• 涂布光刻胶后，利用光刻技术形成NMOS源极与漏极 区域的屏蔽，再利用离子注入技术将砷元素注入源极 与漏极区域，而后将晶圆表面的光刻胶去除。
1. 洁净室和清洗 2. 氧化和化学气相淀积 3. 光刻和腐蚀 4. 扩散和离子注入 5. 金属连接和平面化 三. 标准CMOS工艺流程
华中科技大学电子科学与技术系
1、初始清洗
• 初始清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的 方法将在晶圆表面的尘粒或杂质去除，防止这些杂初始 清洗就是将晶圆放入清洗槽中，利用化学或物理的方法 将在晶圆表面的尘粒或杂质去除，防止这些杂质尘 粒， 对后续的工艺造成影响，使得器件无法正常工作。
微电子工艺的流程
微电子工艺的流程
1. 硅片制备：
从高纯度的多晶硅棒开始，通过切割、研磨和抛光等步骤制成具有一定直径和厚度的单晶硅片（晶圆）。
2. 氧化层生长：
在硅片表面生长一层二氧化硅作为绝缘材料，这通常通过热氧化工艺完成。
3. 光刻：
使用光刻机将设计好的电路图案转移到光刻胶上，通过曝光、显影等步骤形成掩模版上的图形。
4. 蚀刻：
对经过光刻处理的硅片进行干法或湿法蚀刻，去除未被光刻胶覆盖部分的硅或金属层，形成所需的结构。
5. 掺杂：
通过扩散或离子注入技术向硅片中添加特定元素以改变其电学性质，如N型或P型掺杂，形成PN结或晶体管的源极、漏极和栅极。
6. 薄膜沉积：
包括物理气相沉积（PVD，如溅射）和化学气相沉积（CVD），用于在硅片上沉积金属互连、导体、半导体或绝缘介质层。
7. 平坦化：
随着制作过程中的多次薄膜沉积，可能需要进行化学机械平坦化（CMP）处理，确保后续加工时各层间的均匀性。
8. 金属化与互联：
制作金属连线层来连接不同功能区，通常采用铝、铜或其他低电阻金属，并利用过孔实现多层布线之间的电气连接。
9. 封装测试：
完成所有芯片制造步骤后，对裸片进行切割、封装以及质量检测，包括电气性能测试、可靠性测试等。
微电子工艺的流程
微电子工艺的流程一、工艺步骤1. 材料准备：微电子工艺的第一步是准备好需要的材料，这些材料包括硅片、硼化硅、氧化铝、金属等。
其中，硅片是制造半导体芯片的基本材料，它具有优良的导电性和导热性能，而硼化硅和氧化铝则用于作为绝缘层和保护层。
金属材料则用于连接不同的电路元件。
2. 清洗：在进行下一步的工艺之前，需要对硅片进行清洗，以去除表面的杂质和污垢。
常用的清洗方法包括浸泡在溶剂中、超声波清洗等。
清洗后的硅片表面应平整光滑，以便后续的工艺步骤能够顺利进行。
3. 刻蚀：刻蚀是微电子工艺中的重要步骤，它用于在硅片表面上形成需要的电路图案。
刻蚀一般采用化学法或物理法，化学法包括湿法刻蚀和干法刻蚀，物理法包括离子束刻蚀、反应离子刻蚀等。
刻蚀后，硅片表面将形成不同深度和形状的电路结构。
4. 清洗：刻蚀后的硅片需要再次进行清洗，以去除刻蚀产生的残留物，并保证表面的平整度和清洁度。
清洗一般采用流动水冲洗、超声波清洗等方法。
5. 沉积：沉积是在硅片表面上沉积一层薄膜来形成电路元件或连接线的工艺步骤。
常用的沉积方法包括化学气相沉积、物理气相沉积、离子束沉积等。
沉积后，硅片表面将形成具有特定性能和功能的导电膜或绝缘膜。
6. 光刻：光刻是将需要的电路图案投射在硅片表面上的工艺步骤。
光刻过程中，先在硅片表面涂上感光胶，然后利用光刻机将光阴影形成在感光胶上，最后用化学溶液溶解感光胶，形成需要的电路结构。
光刻过程需要高精度的设备和技术支持。
7. 离子注入：离子注入是将控制的离子注入硅片表面形成电子器件的重要工艺步骤。
通过控制注入的离子种类、注入能量和注入剂量，可以形成不同性能和功能的电子器件。
离子注入是微电子工艺中的关键技术之一。
8. 清洗和检测：在工艺步骤完成后，硅片需要再次进行清洗和检测，以确保电路结构和性能符合要求。
清洗和检测一般采用高精度的设备和技术支持，包括扫描电子显微镜、原子力显微镜等。
二、工艺参数和设备微电子工艺需要严格控制各种工艺参数，包括温度、压力、流量、时间等。
微电子工艺基础氧化工艺
THANK YOU
感谢聆听
VS
随着技术的不断进步，高温氧化工艺 的研究也在不断深入。目前，高温氧 化工艺的研究重点主要集中在提高氧 化速率、降低氧化温度、优化氧化膜 质量等方面。同时，高温氧化工艺的 应用也面临着一些挑战，例如如何实 现节能减排、如何提高生产效率等。
低功耗氧化工艺的研究与应用
低功耗氧化工艺是一种新型的微电子工艺技术，通过降低氧 化温度和功耗，可以实现更低功耗的微电子器件。随着物联 网、智能终端等领域的快速发展，低功耗氧化工艺的应用前 景越来越广阔。
提高生活品质
微电子工艺的应用提高了人们的生活品质，如智能 手机的普及、医疗设备的数字化等。
微电子工艺的历史与发展
80%
历史回顾
微电子工艺的发展可以追溯到20 世纪50年代，随着晶体管的发明 和集成电路的诞生，微电子工艺 逐渐成熟。
100%
技术进步
随着材料科学、制程技术、封装 测试等领域的进步，微电子工艺 不断取得突破，实现更高性能、 更低成本的集成电路。
恒温氧化和变温氧化
根据氧化温度是否变化，可以将氧化工艺分为恒温氧化和变温氧化。恒温氧化是在恒定的温度下进行，而变温氧 化则是在变化的温度下进行。
03
微电子工艺氧化工艺流程
氧化前的准备
表面清洗
去除芯片表面杂质，如有机物、金属离子等， 确保表面洁净度。
干燥
确保芯片表面无水分，以免影响氧化层的形成。
预热
目前，低功耗氧化工艺的研究主要集中在优化氧化条件、提 高氧化膜质量、降低功耗等方面。同时，低功耗氧化工艺的 应用也需要解决一些技术难题，例如如何实现大面积均匀氧 化、如何提高氧化膜的稳定性等。
微电子工艺复习重点
1.干法氧化，湿法氧化和水汽氧化三种方式的优缺点。
20XX级《微电子工艺》复习提纲一.衬底制备1.硅单晶的制备方法。
直拉法悬浮区熔法1.硅外延多晶与单晶生长条件。
任意特左淀积温度下，存在最大淀积率，超过最大淀积率生成多晶薄膜，低于最大淀积率，生成单晶外延层。
三.薄膜制备1 •氧化干法氧化：干燥纯净氧气湿法氧化：既有纯净水蒸汽有又纯净氧气水汽氧化：纯净水蒸汽速度均匀重复性结构掩蔽性干氧慢好致密好湿氧快较好中基本满足水汽最快差疏松差2.理解氧化厚度的表达式和曲线图。
二氧化硅生长的快慢由氧化剂在二氧化硅中的扩散速度以及与硅反应速度中较慢的一个因素决左；当氧化时间很长时，抛物线规律，当氧化时间很短时，线性规律。
3.温度、气体分压、晶向、掺杂情况对氧化速率的影响。
温度：指数关系，温度越髙，氧化速率越快。
气体分压：线性关系，氧化剂分压升高，氧化速率加快晶向：(111)面键密度大于(100)而，氧化速率髙：髙温忽略。
掺杂：掺杂浓度高的氧化速率快：4.理解采用「法热氧化和掺氯措施提高栅氧层质量这个工艺。
m寧二氧化硅特恂提高氧化质量。
干法氧化中掺氯使氧化速率可提高1%$%。
四s薄膜制备2•化学气相淀积CVD1.三种常用的化学气相淀积方式，在台阶覆盖能力，呈膜质量等各方而的优缺点。
常压化学气相淀积APCVD：操作简单淀积速率快，台阶覆盖性和均匀性差低压化学气相淀积LPCVD：台阶覆盖性和均匀性好，对反应式结构要求不高，速率相对低，工作温度相对高，有气缺现象PECVD：温度低，速率高，覆盖性和均匀性好，主要方式。
2.本征SiCh，磷硅玻璃PSG,硼磷硅玻璃BPSG的特性和在集成电路中的应用。
USG：台阶覆盖好，黏附性好，击穿电压高，均匀致密：介质层，掩模(扩散和注入)，钝化层，绝缘层。
PSG：台阶覆盖更好，吸湿性强，吸收碱性离子BPSG：吸湿性强，吸收碱性离子，金属互联层还有用(具体再查书)。
3.热生长SiO2和CVD淀积SiO?膜的区别。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
§ 2.2 无源元件
无源元件：传输电流，不能控制电流方向。
包括： •IC Resistor Structures
–Parasitic Resistor Structures •IC Capacitor Structures
–Parasitic Capacitance Structures
C Metal contact
E
B
n+ p
n+
p- substrate
双极集成电路技术：
采用二极管和双极晶体管——连同支撑元件电阻、电容、绝缘体
双极集成电路技术的优点：
高速、耐久性以及大的功率控制能力
双极集成电路技术的缺点：
功耗高
CMOS技术：
以MOS为基础、同时含有nMOS和pMOS的集成电路技术。
Metal contact Film type resistor
Film type resistor
n - Substrate
Parasitic Resistor
SiO2, dielectric material
Base Emitter
Collector
RBC RBB
REC
RCC
REB
n+ p-
RCB
集成电路:将多个电子元件集成在一块衬底上，完成 一定的电路或系统功能。
集成电路随着电子装备的小型化和高可靠性的要求 而发展起来的。
一、集成电路时代
集成电路
产业周期
元件数/芯片
无集成
1960年前
1
小规模（SSI） 20世纪60年代前期
2－50
中规模（MSI） 20世纪60年代—70年代前期 50－5000
Insulation layers
Recessed conductive layer
drain
Silicon substrate
Conductive layer
Silicon substrate
芯片供应商：制造芯片用于公开销售。 受控芯片生产商：制造芯片用于本公司产品。 无制造厂公司（fabless company）： 仅设计特殊芯片，交给芯片制造商生产。 代工厂(foundry):仅为其它公司生产芯片。
—— 课程内容 ——
第六章 淀积 第七章 金属化 第八章 光刻原理和技术 第九章 刻蚀 第十章 扩散和离子注入 第十一章 化学机械平坦化
第一章 概论
§ 1.1 半导体产业介绍
晶体管的发明（1947年） 集成电路的发明（1959年）
transconductance ＋
resistor
集成电路时代（1959－）
第二章 器件技术基础
§ 2.1 集成电路类型
一、按电路功能，主要分为： 1、数字逻辑电路——以门电路为基础的电路； 2、线性电路——以放大器为基础的电路； 3、还有微波集成电路和光集成电路等。 上述各类集成电路中，制造工序各异，但其基本
的制造工艺是共同的。
二、按构成集成电路基础的晶体管分类 分为双极型集成电路和MOS型集成电路两大类。
0.13 0.1
0.07 0.05
300 300 450 450
Microprocessor Total Transistors in Millions
总晶体管数/芯片（单位：百万）
1600 1400 1200 1000 800 600 400 200
1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 Year
nMOSFET
VDD
G
S
D
D
G
S
VSS
n+
p+
p+
n+
n+
p+
p-well
n-type silicon substrate
Field oxide
第三章 硅和硅片制备
3.1 半导体级硅
（1）半导体级硅
硅常常以沙子或者石英等形式存在于地表及岩石中。
硅在地壳中含量约为 26% ，仅次于氧元素。
2020 256G
0.10 ~ 0.07 0.05 ~ .01
400
450
Wafer Fab and Technician
五、集成电路发展面临的问题
1、器件与工艺限制 如短沟道效应和对CD的控制
2、材料限制 硅材料较低的迁移率将是影响 IC 发展的一个重 要障碍。
3、电路限制 除了电路本身的限制外，还包括测试限制、 互 连限制、管脚数量限制、内部寄生耦合限制等。
Common IC Features
Line Width Contact Hole
Space
美国1992 ~ 2007 年半导体技术发展规划
1992 1995 1997 2001 2004 2007
比特/ 芯片 16M 64M 256M 1G 4G 16G
特征尺寸
（ μm）
晶片直径 （mm）
0.5 0.35 0.25 0.15 0.12 0.07
体积小 重量轻 功耗低 可靠性好
Inventors: Willian Schockley, Tohn Bardeen, Walter brattain
因此发明获得诺贝尔奖
Jack Kilby’s First Integrated Circuit
1959年德州仪器公司Jack Kilby发明
ULSI Chip
200 200 200 200 200 200 ~400 ~400 ~400 ~400
美国1997 ~ 2012 年半导体技术发展规划
1997 1999
比特/ 芯片
256M 1G
特征尺寸
（ μm）
晶片直径（mm）
0.25 200
0.18 300
2003 2006 2009 2012
4G 16G 64G 256G
微电子工艺
罗小蓉 主讲
电子科技大学 微电子与固体电子学院
课程任务
阐述半导体器件和半导体集成电路的制造工艺及 其基本原理的一门课程。本课程的目的是使学生对
微电子关键工艺技术及其原理有较为完整和系统的 概念，并具有初步工艺设计能力。
教材：
《半导体制造技术》英文原版，韩郑生 等译， 电子工业出版社，国外电子与通信教材系列。
场效应晶体管的是场控器件（双极晶体管是电流控 制），因而其最大优点低功耗。
BiCMOS技术：
将CMOS技术和双极技术的优良性能集中在同一集成电 路器件中。它具有CMOS结构的低功耗、高集成度和 TTL、ECL器件结构的高电流驱动能力。
Cross-section of CMOS Inverter
Interlayer pMOSFET Met
Average Power in micro Watts (10-6 W)
8
6
4
2
0 1997
1999
2001
2003 2006 Year
2009
2012
我国国防科工委对世界硅微电子技术发展的预测
集成度
特征尺寸
（ μm）
晶片直径 （mm）
2000 1G 0.18 300
2010 64G
3.
4.
Assembly and Packaging:
The wafer is cut
Scribe line
along scribe lines
to separate each die. A single die
Metal connections are made and the chip is encapsulated.
三、集成电路工艺技术的发展规律
Intel 公司创始人戈登.摩尔于1964 年总结出摩尔定律： IC 的集成度将每隔一年翻一番。 1975年被修改为： IC 的集成度将每隔一年半翻一番。
IC 发展的另一些规律为：
建立一个芯片厂的造价也是每隔一年半翻一番。 线条宽度每 4 ~ 6 年下降一半。
四、集成电路的发展展望
Assembly
5.
Packaging
Test/Sort includes
probing, testing and sorting of each die on
the wafer.
Defective die
Final Testensures IC
passes electrical and environmental testing.
参考教材
1、《集成电路工艺基础》，王阳元等编著，高等教育出版社。 2、《微电子制造科学原理与工程技术》，Stephen A. Campbell
著，国外电子与通信教材系列，电子工业出版社。 3、《集成电路制造技术—原理与实践》，庄同曾编，电子工业出
版社。
—— 课程内容 ——
学时：32学时
第一章 概论 第二章 器件技术基础 第三章 硅和硅片制备简述 第四章 集成电路制造工艺概括 第五章 氧化
1、双极型电路——以双极型平面晶体管为主要器件 晶体管-晶体管逻辑（TTL）电路、高速发射极耦
合逻辑（ECL）电路、高速低功耗肖特基晶体管-晶体 管逻辑电路（SLTTL）及注入逻辑电路（I2L）等。
2、 MOS型电路——以MOS晶体管为主要器件 N 沟 道 MOS 电 路 （ NMOS）、P 沟 道 MOS 电 路
Top View of Wafer with Chips
A single integrated circuit, also known as a die, chip, and microchip
集成电路制造步骤：