清华大学 集成电路制造工艺 王水弟 课件第1章概述-2
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《集成电路制造工艺》课件
CMOS工艺
适用广泛，消耗低功率，集成 度高
光刻和电子束刻蚀工 艺
芯片制造中影响巨大，直接决 定芯片精度和质量
IC封装技术
通过引线焊接连接芯片与外部 电路
集成电路制造工艺的未来发展方向
量子计算机
利用量子位的并行性，比传统计 算机更快速、更准确
纳米技术
更加精细的芯片制造和量子效应 的应用
3D打印
高质量、低成本的芯片制造和量 产
1 革命性
集成电路是现代科技的基础。无集成电路，无现代智能设备。
2 市场需求
集成电路产业是信息产业的核心，随着通讯和计算机的快速发展，需求量将节节攀升
集成电路制造工艺的发展历程
1
早期阶段
简单的扩散工艺和光刻工艺，可制造简单
集成度提高
2
的逻辑门和模拟器件
计算机辅助设计、离子注入、金属蒸镀等
新技术的应用，集成度不断提高
《集成电路制造工艺》 PPT课件
课程介绍：本课程将深入浅出地介绍集成电路制造的核心流程和未来发展方 向。欢迎大家学习！
什么是集成电路？
定义
集成电路是由数百万个微小电子元器件组成的电子 电路系统，它可以完成特定的功能。
历史
集成电路的起源可以追溯到20世纪60年代，它是计 算机和通讯技术的重要基础。
为什么集成电路制造工艺如此重要？
3
现代集成电路工艺
光刻、浸没/化学机械抛光、等离子刻蚀 等高级技术的应用，如今我们拥有极复杂 的芯片设计和制造工艺。
集成电路制造工艺的工作流程
芯片设计
设计加工工艺，布图加工
芯片构造
渗透、离子注入、扩散、腐蚀
芯片掩膜制作制作掩Fra bibliotek板、晶圆复制封装测试
集成电路制备工艺培训课件(ppt 30张)
1. 集成电路的基本概念 2. 半导体集成电路的分类 3. 半导体集成电路的几个重要概念
上节课内容 要点
20.02.2019
1
内容概述
双极型集成电路 集 成 电 路
按器件类型分
TTL、ECL I2L等
PMOS NMOS CMOS
按集成度分
BiCMOS集成电路 MOS集成电路 SSI（100以下个等效门） MSI（<103个等效门） LSI （<104个等效门） VLSI（>104个以上等效门）
双极集成电路中元件的隔离
12
§1.1.2
双极集成电路元件的形成过程、结构和寄生效应
集电区 (N型外延层)
E B C S P+ 衬底(P型)
发射区 (N+型)
基区(P 型)
P+
n+
n+-BL
p
n+
n-epi P-Si
四层三结结构的双极晶体管
20.02.2019
13 双极集成电路元件断面图
E
P+ n+
S
刻蚀（等离子体刻蚀）
去胶
n+ n-epi
3．N+掺杂： N+
P+
p
n+-BL
n+
P+
Tepi Tepi
P-Si P-Si N+
As掺杂（离子注入）
20.02.2019
去除氧化膜
19
3:外延层
主要设计参数 外延层的电阻率ρ;
A
E
B C S
外延层的厚度Tepi;
P+
n+
p
n+-BL
上节课内容 要点
20.02.2019
1
内容概述
双极型集成电路 集 成 电 路
按器件类型分
TTL、ECL I2L等
PMOS NMOS CMOS
按集成度分
BiCMOS集成电路 MOS集成电路 SSI（100以下个等效门） MSI（<103个等效门） LSI （<104个等效门） VLSI（>104个以上等效门）
双极集成电路中元件的隔离
12
§1.1.2
双极集成电路元件的形成过程、结构和寄生效应
集电区 (N型外延层)
E B C S P+ 衬底(P型)
发射区 (N+型)
基区(P 型)
P+
n+
n+-BL
p
n+
n-epi P-Si
四层三结结构的双极晶体管
20.02.2019
13 双极集成电路元件断面图
E
P+ n+
S
刻蚀（等离子体刻蚀）
去胶
n+ n-epi
3．N+掺杂： N+
P+
p
n+-BL
n+
P+
Tepi Tepi
P-Si P-Si N+
As掺杂（离子注入）
20.02.2019
去除氧化膜
19
3:外延层
主要设计参数 外延层的电阻率ρ;
A
E
B C S
外延层的厚度Tepi;
P+
n+
p
n+-BL
第1章集成电路的基本制造工艺(1)教学提纲
• 利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议 等开始设计电子系统，并将电子产品从电路设计、性 能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算 机上自动处理完成。
全球3万人从业人 员，缔造50亿美元 年产值----知识密集 型行业，处于技术
前沿
IP是一种知识产权（Intellectual Property），各个行业
12 英 寸 氧 化 扩 散 炉
As we look in this window we see the World's First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became fully operational in January of 1996.
MASK
• 光罩（英文：Reticle, Mask）：在制作IC的过程中， 利用光蚀刻技术，在半导体上形成图型，为将图型复 制于晶圆上，必须透过光罩做用的原理[1]。比如冲洗 照片时，利用底片将影像复制至相片上。
• 製作一套光罩的費用在數萬美元至數百萬美元均有。 目前一款晶片至少需用到八層光罩，较为复杂的产品 需用到二、三十層光罩。光罩數愈多，生產過程也愈 久。
硅原料
拉晶 切割 研磨 清洗
晶圆材料 厂
电路设计公司
电路设计
CAD
Tape out
Reticle 制作
mask制 作厂
硅片投入
刻号 清洗
氧化 化学气相
沉积
金属溅镀
护层沉积
微影 (光阻) (曝光) (显影)
全球3万人从业人 员，缔造50亿美元 年产值----知识密集 型行业，处于技术
前沿
IP是一种知识产权（Intellectual Property），各个行业
12 英 寸 氧 化 扩 散 炉
As we look in this window we see the World's First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became fully operational in January of 1996.
MASK
• 光罩（英文：Reticle, Mask）：在制作IC的过程中， 利用光蚀刻技术，在半导体上形成图型，为将图型复 制于晶圆上，必须透过光罩做用的原理[1]。比如冲洗 照片时，利用底片将影像复制至相片上。
• 製作一套光罩的費用在數萬美元至數百萬美元均有。 目前一款晶片至少需用到八層光罩，较为复杂的产品 需用到二、三十層光罩。光罩數愈多，生產過程也愈 久。
硅原料
拉晶 切割 研磨 清洗
晶圆材料 厂
电路设计公司
电路设计
CAD
Tape out
Reticle 制作
mask制 作厂
硅片投入
刻号 清洗
氧化 化学气相
沉积
金属溅镀
护层沉积
微影 (光阻) (曝光) (显影)
《集成电路工艺》课件
集成电路工艺设备
薄膜制备设备
化学气相沉积设备
用于在硅片上沉积各种薄膜，如氧化硅、氮化硅 等。
物理气相沉积设备
用于沉积金属、合金等材料，如蒸发镀膜机。
化学束沉积设备
通过离子束或分子束技术，在硅片上形成高纯度 、高质量的薄膜。
光刻设备
01
02
03
投影式光刻机
将掩膜板上的图形投影到 硅片上，实现图形的复制 。
降低成本
集成电路工艺能够实现大规模生产，降低了单个电子 元件的成本。
促进技术进步
集成电路工艺的发展推动了半导体制造技术的进步， 促进了微电子产业的发展。
02
CATALOGUE
集成电路制造流程
薄膜制备
物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD ）是最常用的两种沉积技术。
薄膜的厚度、均匀性和晶体结构等特性对集成电路的 性能和可靠性具有重要影响。
分类
按照制造工艺技术，集成电路可分为 薄膜集成电路和厚膜集成电路；按照 电路功能，集成电路可分为模拟集成 电路和数字集成电路。
集成电路工艺的发展历程
小规模阶段
20世纪60年代，晶体管被集成 在硅片上，形成了小规模集成 电路。
大规模阶段
20世纪80年代，微处理器和内 存被集成在硅片上，形成了大 规模集成电路。
02
它通过化学腐蚀和机械研磨的协同作用，将硅片表面研磨得更
加平滑，减小表面粗糙度。
抛光液的成分、抛光压力和抛光时间等参数对抛光效果具有重
03
要影响。
03
CATALOGUE
集成电路工艺材料
硅片
硅片是集成电路制造中最主要的材料之一，其质量直 接影响集成电路的性能和可靠性。
薄膜制备设备
化学气相沉积设备
用于在硅片上沉积各种薄膜，如氧化硅、氮化硅 等。
物理气相沉积设备
用于沉积金属、合金等材料，如蒸发镀膜机。
化学束沉积设备
通过离子束或分子束技术，在硅片上形成高纯度 、高质量的薄膜。
光刻设备
01
02
03
投影式光刻机
将掩膜板上的图形投影到 硅片上，实现图形的复制 。
降低成本
集成电路工艺能够实现大规模生产，降低了单个电子 元件的成本。
促进技术进步
集成电路工艺的发展推动了半导体制造技术的进步， 促进了微电子产业的发展。
02
CATALOGUE
集成电路制造流程
薄膜制备
物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD ）是最常用的两种沉积技术。
薄膜的厚度、均匀性和晶体结构等特性对集成电路的 性能和可靠性具有重要影响。
分类
按照制造工艺技术，集成电路可分为 薄膜集成电路和厚膜集成电路；按照 电路功能，集成电路可分为模拟集成 电路和数字集成电路。
集成电路工艺的发展历程
小规模阶段
20世纪60年代，晶体管被集成 在硅片上，形成了小规模集成 电路。
大规模阶段
20世纪80年代，微处理器和内 存被集成在硅片上，形成了大 规模集成电路。
02
它通过化学腐蚀和机械研磨的协同作用，将硅片表面研磨得更
加平滑，减小表面粗糙度。
抛光液的成分、抛光压力和抛光时间等参数对抛光效果具有重
03
要影响。
03
CATALOGUE
集成电路工艺材料
硅片
硅片是集成电路制造中最主要的材料之一，其质量直 接影响集成电路的性能和可靠性。
集成电路制造工艺PPT课件
掺杂工艺（Doping）
掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域 中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结 、电阻、欧姆接触。
掺入的杂质主要是： 磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅 掺杂工艺主要包括：扩散（diffusion)、离
子注入(ion implantation)。
亮场版和暗场版
曝光的几种方法
接触式光刻：分辨率较高， 但是容易造成掩膜版和光刻 胶膜的损伤。
接近式曝光：在硅片和掩膜 版之间有一个很小的间隙 (10～25mm)，可以大大减 小掩膜版的损伤，分辨率较 低。
投影式曝光：利用透镜或反 射镜将掩膜版上的图形投影 到衬底上的曝光方法，目前 用的最多的曝光方式。（特 征尺寸：0.25m)
❖等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游离 基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择 性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差。
❖反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)： 过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀 。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各 向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺 中应用最广泛的主流刻蚀技术。
–激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格 位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到 杂质的作用。
–消除损伤
❖ 退火方式：
–炉退火
–快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激 光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨 加热器、红外设备等)。
氧化（Oxidation）
❖ 氧化：制备SiO2层 ❖ SiO2 是 一 种 十 分 理 想 的 电 绝 缘 材 料 ， 它 的 化 学 性
集成电路制备工艺课件(PPT 40页)
PVD可分為三种技術： (1)蒸鍍（Evaporation）； (2)分子束外延成長（Molecular Beam Epitaxy MBE）； (3)濺鍍（Sputter）
28
集成电路生产工艺：制膜
29
集成电路生产工艺：制膜
30
集成电路生产工艺：制膜 溅射镀膜
31
集成电路生产工艺
下面以N型硅上扩散硼制做二极管 为例，说明平面工艺的工艺流程。
1
Contents 集成电路的定义 集成电路的分类 集成电路的工艺
2
集成电路定义
集成电路（integrated circuit）是一种微 型电子器件或部件。采用一定的工艺， 把一个电路中所需的晶体管、二极管、 电阻、电容和电感等元件及布线互连一 起，制作在一小块或 几小块半导体晶片 或介质基片上，然后封装在一个管壳内， 成为具有所需电路功能的微型结构；其 中所有元件在结构上已组成一个整体， 使电子元件向着微小型化、 低功耗和高 可靠性方面迈进了一大步。它在电路中 用字母“IC”表示。
氧化膜的用途
光刻掩蔽（扩散掩蔽层，离子注入阻挡层） MOS管的绝缘 栅材料 电路隔离或绝缘介质，多层金属间介质 电容介质材料 器件表面保护或钝化膜
24
集成电路生产工艺：制膜
SiO2的制备方法 热氧化法
干氧氧化 水蒸汽氧化 湿氧氧化 干氧－湿氧－干氧(简称干湿干)氧化法 氢氧合成氧化 化学气相淀积法 热分解淀积法 溅射法
• 装配和封装 一旦所有制造与测试完成，芯片被从硅片上分离出电性能 良好的器件，进行封装。为芯片提供一种保护以便它能粘贴 到其他装配板上。
35
集成电路生产工艺:测试与封装
硅片测试
硅片测试是为了检验规格的一致性而在硅片级集成电路上进行的电学参数测量。
28
集成电路生产工艺：制膜
29
集成电路生产工艺：制膜
30
集成电路生产工艺：制膜 溅射镀膜
31
集成电路生产工艺
下面以N型硅上扩散硼制做二极管 为例，说明平面工艺的工艺流程。
1
Contents 集成电路的定义 集成电路的分类 集成电路的工艺
2
集成电路定义
集成电路（integrated circuit）是一种微 型电子器件或部件。采用一定的工艺， 把一个电路中所需的晶体管、二极管、 电阻、电容和电感等元件及布线互连一 起，制作在一小块或 几小块半导体晶片 或介质基片上，然后封装在一个管壳内， 成为具有所需电路功能的微型结构；其 中所有元件在结构上已组成一个整体， 使电子元件向着微小型化、 低功耗和高 可靠性方面迈进了一大步。它在电路中 用字母“IC”表示。
氧化膜的用途
光刻掩蔽（扩散掩蔽层，离子注入阻挡层） MOS管的绝缘 栅材料 电路隔离或绝缘介质，多层金属间介质 电容介质材料 器件表面保护或钝化膜
24
集成电路生产工艺：制膜
SiO2的制备方法 热氧化法
干氧氧化 水蒸汽氧化 湿氧氧化 干氧－湿氧－干氧(简称干湿干)氧化法 氢氧合成氧化 化学气相淀积法 热分解淀积法 溅射法
• 装配和封装 一旦所有制造与测试完成，芯片被从硅片上分离出电性能 良好的器件，进行封装。为芯片提供一种保护以便它能粘贴 到其他装配板上。
35
集成电路生产工艺:测试与封装
硅片测试
硅片测试是为了检验规格的一致性而在硅片级集成电路上进行的电学参数测量。
第一章集成电路的基本制造工艺ppt课件
➢ 由于SOC（系统芯片）的出现，给IC设计者提出了 更高的要求，也面临着新的挑战：设计者不仅要懂系 统、电路，也要懂工艺、制造。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
半导体材料：硅
扩散
➢ 替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：
Ⅲ、Ⅴ族元素
一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行 磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数
均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧 化层作为杂质扩散的掩蔽层。
➢ 间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：
Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级
2(Dt) 2
其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度
N T311 0 5 (1cm )
D：P的扩散系数 t ：扩散时间 x：扩散深度
只要控制NT 、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
集成电路芯片的显微照片
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
V ss
p o ly 栅
V dd 布 线 通 道 参考孔
N+
P+
有源区
集成电路的内部单元(俯视图)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
半导体材料：硅
扩散
➢ 替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：
Ⅲ、Ⅴ族元素
一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行 磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数
均远小于在硅中的扩散系数，可以利用氧 化层作为杂质扩散的掩蔽层。
➢ 间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：
Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级
2(Dt) 2
其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度
N T311 0 5 (1cm )
D：P的扩散系数 t ：扩散时间 x：扩散深度
只要控制NT 、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
集成电路芯片的显微照片
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
V ss
p o ly 栅
V dd 布 线 通 道 参考孔
N+
P+
有源区
集成电路的内部单元(俯视图)
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
集成电路制造工艺PPT课件
10
可编辑课件PPT
11
可编辑课件PPT
12
可编辑课件PPT
13
集成电路的发展
• 从此IC经历了：
– SSI – MSI – LSI
• 现已进入到：
– VLSI – ULSI – GSI
可编辑课件PPT
14
小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)
减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺 寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸 向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18μm、0.13μm 工艺， Intel目前将大部分芯片生产制程转换到0.09 μm 。
可编辑课件PPT
30
2. 晶片直径(Wafer Diameter)
• 中芯国际集成电路制造有限公司 • 上海华虹(集团)有限公司 • 华润微电子(控股)有限公司 • 无锡海力士意法半导体有限公司 • 和舰科技(苏州)有限公司 • 首钢日电电子有限公司 • 上海先进半导体制造有限公司 • 台积电(上海)有限公司 • 上海宏力半导体制造有限公司 • 吉林华微电子股份有限公司
可编辑课件PPT
22
❖Intel 公司CPU—386TM
电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
可编辑课件PPT
23
❖Intel 公司最新一代CPU—Pentium® 4
电路规模：4千2百万个晶体管
生产工艺：0.13um
可编辑课件PPT 最快速度：2.4GHz
wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties
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40
（34）1990年6月3日，罗伯特· 诺伊斯去世，享 年62岁。（杰克· 基尔比于2005年5月去 世，享年81岁。 ）
（35）1993年，三星建立第一个8英寸晶圆 厂，同年成为全球最大的存储器厂商。
（36）1995年，NEC开发出全球第一块1Gb DRAM。
41
4Gb DRAM
（1.8V 0.10μm 645mm2 0.1μm2/cell）
第10章MEMS加工技术
第3章 扩散工艺 第5章 离子注入 第7章 光刻工艺
第9章 薄膜淀积工艺
第11章 金属化工艺
6
IC设计/版图和分析 硅圆片加工
基板版图设计 基板加工和测试 IC芯片加工和测试
IC封装设计和分析
IC封装和测试
PCB版图设计 PCB加工和测试
设备
材料
PCB装配
性能不好 PCB测试
32
（16）1965年，摩尔提出“摩尔定律”
（17）1967年，TI发明第一个手持计算器。
33
（18）1968年，诺伊斯和摩尔离开了了仙童公 司，7月18日他们两人宣布整合NM电子， 罗克担任董事会主席，诺伊斯担任总裁， 摩尔担任执行副总裁。一个多月后，他们 决定换一个“有点性感”的公司名称，最 后决定选用Intel（Integrated Electronics “集成电子”的缩写）。同年英特尔推出第 一片1kRAM 。公司成立不久，就招聘了斯 坦的泰德· 霍夫——微处理器的发明人。
11
第1章 概
述
12
本章内容 1.1 微电子技术发展重大事件 1.2 IC制造的基本工艺流程 1.3 硅片的制备
13
1.1微电子技术发展重大事件
从二十世纪初（1906年），美国工 程师德· 福雷斯特(D.Forest)在弗莱明发 明真空电子二极管的基础上发明具有放 大电信号的真空三极管，到二十世纪末 发明纳米管，“信息技术”在100年内 发生了翻天覆地的变化。
（19）汉米尔顿公司推出世界上第一只数字手表 34 “普尔萨” 。
（20）1969年，博伊尔和史密斯共同发 明了电荷耦合器件(CCD)图像传感器 。
（2009年诺贝尔物理奖获得者）
35
（21）1970年， Intel推出世界上 第一片DRAM。
36
（22）1971年， Intel诞 生了历史上第一个微处 理器—— 4004。虽然只 有2300个晶体管，但其 计算能力并不输于世界 上第一台计算机ENIAC。 它虽然并不是首个商业 化的微处理器，但却是 第一个在公开市场上出 售的计算机元件。
从1959年集成电路诞生到现在：
◆ ◆ ◆
发明了MOS晶体管，并成为IC主流； IC沿着摩尔定律发展； 硅圆片直径增大、集成度提高、成本下降。
IC广泛应用，改变了人类的生活方式。
45
1.2 IC制造的基本工艺流程
备片 刻号 清洗
氧化
光刻 刻蚀
掺杂
CVD 溅射 CMP
去胶 测试
集成电路制造
46
硅片清洗
37
（23）1972年，HP发明第一个可装入口袋的计 算机。
（24）1974年，Zilog推出第一个微处理器 Z80；摩托罗拉推出6800微处理器；施乐 发明内置鼠标。 （25）1975年，第一台个人电脑Altair上市。 （26）1975年，比尔· 盖茨（Bill Gates）和 Paul Allen创立微软公司。
王水弟
wsd-ime@
清华大学微电子学研究所
1
学 学
时：32 分：2
授课方式：课堂教学 考试方式：闭卷 考试范围：第2章至第12章 要 求：上课认真听讲 考前认真复习
2
3
1. [美] Stephen A. Campbell 《The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication》 曾莹等译《微电子制造科学原理与工程技术》 2. [美] James D. Plummer, Michael Deal, Peter B. Griffin 《Silicon VLSI Technology Fundamentals, Practice and Modeling》 3. 韩郑生等译《半导体制造技术》 4. 赵树武等译《半导体集成电路制造手册》
16
弹簧
I1
金箔
聚苯乙烯塑 料劈
I2
金箔
金箔切口
P型反转层
输入信号
＋
V1
－
V2
－
＋
输出信号
N型锗
金属基底
第一个点接触半导体放大器剖面示意图
17
世界上第一个点接触晶体管
18
（2）1948年，肖克利（Shockley）提出 结型晶体管理论
把两个PN结相背并使他们共有一个很窄的 N区，就形成PNP结构的晶体管。称作“结型” 是为了区别点接触结构而言。
n
p
n
氧化 开窗口 掺杂 开窗口 掺杂 开窗口
25
（10）1959年， Fairchild 的诺伊斯发明了第一 块单片集成电路。
（US Patent 2,981,877 filed Feb.1959, granted 1961）
26
从1947年第一个晶体管发明到1959年 集成电路诞生，几个关键性的变化：
从点接触晶体管发展到结型晶体管 （生长结、合金结、扩散结）；
◆
◆
从硅代替锗 发明了硅氧化和光刻工艺
◆
} IC
27
（11）1960年， Fairchild制造出第一块可以实 际使用的单片集成电路。诺伊斯的方案最 终成为集成电路大规模生产中的实用技术。 基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学 奖章”。他们被公认为集成电路共同发明 者。
（13）1962年，TI为“民兵-I”型和“民兵-II”型导弹 制导系统研制22套集成电路，这是集成电路 第一次在导弹制导系统中使用。到1965年，美国 空军已超越美国宇航局，成为世界上最大的集成 电路消费者。
29
（14）1962年研制出MOS场效应晶体管
绝缘层 G S D
c b
e
MOS场效应 晶体管的发明是 集成电路发展史上 具有划时代意义 的事件
（6）1957年，诺伊斯、摩尔、拉斯特、霍尔 尼等8人离开肖克利实验室，成立仙童 （ Fairchild ）半导体公司，1959年诺伊斯 任总经理。
22
（7）1957年，发明台面型 双扩散晶体管
n p
n
扩p型杂质 扩n型杂质 腐蚀台面 引出p区和n区 引出电极
23
（8）1958年，德州仪器公司（ Texas Instruments ） 的杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了第一个锗集 成电路（他是把5个电子元件用金材料小心翼翼 地连接而成）。2000年他获得诺贝尔物理学奖。
38
（27）1976年，Steve Wozniak和Steve Jobs推 出苹果电脑，这是全球第一台能进行文字 处理的电脑。 （28）1979年，摩托罗拉推出第一个16位微处 理器并被苹果电脑采用，它具有每秒处理 200万次计算的能力。 （29）1980年，摩托罗拉推出第一款寻呼机。 （30）1983年，摩托罗拉推出第一个蜂窝电话。
东芝
意法 台积电 海力士 瑞萨 索尼 英飞凌
台积电
东芝 意法 瑞萨 索尼 海力士 英飞凌
德州仪器
意法 高通 海力士 瑞萨 AMD 英飞凌
德州仪器
瑞萨 海力士 意法 美光 高通 博通
东芝
瑞萨 高通 意法 海力士 美光 博通
整体级设计 逻辑级设计
功能级设计 电路级设计
GDS Ⅱ
寄存器设计 版图级设计
从层次化设计过程中可知：设计的低端涉及到晶 体管的设计以及制造工艺，这两者与半导体的基本物 理过程有关。
9
“虽然一个人不可能深入地了解从半导体 基础理论到电子系统工作的各个方面，但 作为一个好的、专业的集成电路设计者应 该对于支持本设计的制造工艺和晶体管特 性有较深入的了解”。 ——杨之廉教授的话
10
设计人员要了解设计规则
IC设计人员设计产品时必须要知道在 哪里进行工艺流水，所以要根据工艺线提 供的设计规则和单元库数据进行设计。 如果不懂工艺，就很难看懂工艺线提 供的设计规则和有关工艺的文件资料。
P N P
19
（3）1950年，发明生长结晶体管
—— 在晶体生长过程中形成npn晶体管
n p n n p n
20
（4）1950年，萨拜（Saby）发明了合金结双极型晶体管
n
放置铟球
n
在156℃，In开始熔化
n
在550℃，In熔入锗内
n
p
p
冷却后形成两个PN结
21
（5）1955年，肖克利在硅谷创建了“肖克利半 导体实验室” ，骨干成员有戈登· 摩尔27岁 （Gordon Moore ）、吉恩· 霍尔尼（ Jean Hoerni ）、罗伯特· 诺伊斯（Robert Noyce ）等 。
4
目
第1章 概 述 第3章 氧化工艺 第5章 光刻工艺 第7章 刻蚀工艺
第9章 CMOS工艺
录
第2章 洁净技术 第4章 薄膜工艺 第6章 掺杂工艺 第8章 平坦化工艺
第10章MEMS技术
第11章 封装技术
第12章纳米时代的挑战
5
我所本科生的工艺课目录
第1章 绪 论 第2章 硅晶片的准备 第4章 热氧化工艺 第6章 快速热退火 第8章 刻蚀工艺
（US Patent 3,138,763 filed Feb.1959, granted 1964）
24
（9）1959年，Fairchild 的霍尔尼展示了自己对于氧 化物的设想，申请了两项专利，一个是平面型结 型晶体管的结构，二是制造流程。
（34）1990年6月3日，罗伯特· 诺伊斯去世，享 年62岁。（杰克· 基尔比于2005年5月去 世，享年81岁。 ）
（35）1993年，三星建立第一个8英寸晶圆 厂，同年成为全球最大的存储器厂商。
（36）1995年，NEC开发出全球第一块1Gb DRAM。
41
4Gb DRAM
（1.8V 0.10μm 645mm2 0.1μm2/cell）
第10章MEMS加工技术
第3章 扩散工艺 第5章 离子注入 第7章 光刻工艺
第9章 薄膜淀积工艺
第11章 金属化工艺
6
IC设计/版图和分析 硅圆片加工
基板版图设计 基板加工和测试 IC芯片加工和测试
IC封装设计和分析
IC封装和测试
PCB版图设计 PCB加工和测试
设备
材料
PCB装配
性能不好 PCB测试
32
（16）1965年，摩尔提出“摩尔定律”
（17）1967年，TI发明第一个手持计算器。
33
（18）1968年，诺伊斯和摩尔离开了了仙童公 司，7月18日他们两人宣布整合NM电子， 罗克担任董事会主席，诺伊斯担任总裁， 摩尔担任执行副总裁。一个多月后，他们 决定换一个“有点性感”的公司名称，最 后决定选用Intel（Integrated Electronics “集成电子”的缩写）。同年英特尔推出第 一片1kRAM 。公司成立不久，就招聘了斯 坦的泰德· 霍夫——微处理器的发明人。
11
第1章 概
述
12
本章内容 1.1 微电子技术发展重大事件 1.2 IC制造的基本工艺流程 1.3 硅片的制备
13
1.1微电子技术发展重大事件
从二十世纪初（1906年），美国工 程师德· 福雷斯特(D.Forest)在弗莱明发 明真空电子二极管的基础上发明具有放 大电信号的真空三极管，到二十世纪末 发明纳米管，“信息技术”在100年内 发生了翻天覆地的变化。
（19）汉米尔顿公司推出世界上第一只数字手表 34 “普尔萨” 。
（20）1969年，博伊尔和史密斯共同发 明了电荷耦合器件(CCD)图像传感器 。
（2009年诺贝尔物理奖获得者）
35
（21）1970年， Intel推出世界上 第一片DRAM。
36
（22）1971年， Intel诞 生了历史上第一个微处 理器—— 4004。虽然只 有2300个晶体管，但其 计算能力并不输于世界 上第一台计算机ENIAC。 它虽然并不是首个商业 化的微处理器，但却是 第一个在公开市场上出 售的计算机元件。
从1959年集成电路诞生到现在：
◆ ◆ ◆
发明了MOS晶体管，并成为IC主流； IC沿着摩尔定律发展； 硅圆片直径增大、集成度提高、成本下降。
IC广泛应用，改变了人类的生活方式。
45
1.2 IC制造的基本工艺流程
备片 刻号 清洗
氧化
光刻 刻蚀
掺杂
CVD 溅射 CMP
去胶 测试
集成电路制造
46
硅片清洗
37
（23）1972年，HP发明第一个可装入口袋的计 算机。
（24）1974年，Zilog推出第一个微处理器 Z80；摩托罗拉推出6800微处理器；施乐 发明内置鼠标。 （25）1975年，第一台个人电脑Altair上市。 （26）1975年，比尔· 盖茨（Bill Gates）和 Paul Allen创立微软公司。
王水弟
wsd-ime@
清华大学微电子学研究所
1
学 学
时：32 分：2
授课方式：课堂教学 考试方式：闭卷 考试范围：第2章至第12章 要 求：上课认真听讲 考前认真复习
2
3
1. [美] Stephen A. Campbell 《The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication》 曾莹等译《微电子制造科学原理与工程技术》 2. [美] James D. Plummer, Michael Deal, Peter B. Griffin 《Silicon VLSI Technology Fundamentals, Practice and Modeling》 3. 韩郑生等译《半导体制造技术》 4. 赵树武等译《半导体集成电路制造手册》
16
弹簧
I1
金箔
聚苯乙烯塑 料劈
I2
金箔
金箔切口
P型反转层
输入信号
＋
V1
－
V2
－
＋
输出信号
N型锗
金属基底
第一个点接触半导体放大器剖面示意图
17
世界上第一个点接触晶体管
18
（2）1948年，肖克利（Shockley）提出 结型晶体管理论
把两个PN结相背并使他们共有一个很窄的 N区，就形成PNP结构的晶体管。称作“结型” 是为了区别点接触结构而言。
n
p
n
氧化 开窗口 掺杂 开窗口 掺杂 开窗口
25
（10）1959年， Fairchild 的诺伊斯发明了第一 块单片集成电路。
（US Patent 2,981,877 filed Feb.1959, granted 1961）
26
从1947年第一个晶体管发明到1959年 集成电路诞生，几个关键性的变化：
从点接触晶体管发展到结型晶体管 （生长结、合金结、扩散结）；
◆
◆
从硅代替锗 发明了硅氧化和光刻工艺
◆
} IC
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（11）1960年， Fairchild制造出第一块可以实 际使用的单片集成电路。诺伊斯的方案最 终成为集成电路大规模生产中的实用技术。 基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学 奖章”。他们被公认为集成电路共同发明 者。
（13）1962年，TI为“民兵-I”型和“民兵-II”型导弹 制导系统研制22套集成电路，这是集成电路 第一次在导弹制导系统中使用。到1965年，美国 空军已超越美国宇航局，成为世界上最大的集成 电路消费者。
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（14）1962年研制出MOS场效应晶体管
绝缘层 G S D
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MOS场效应 晶体管的发明是 集成电路发展史上 具有划时代意义 的事件
（6）1957年，诺伊斯、摩尔、拉斯特、霍尔 尼等8人离开肖克利实验室，成立仙童 （ Fairchild ）半导体公司，1959年诺伊斯 任总经理。
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（7）1957年，发明台面型 双扩散晶体管
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扩p型杂质 扩n型杂质 腐蚀台面 引出p区和n区 引出电极
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（8）1958年，德州仪器公司（ Texas Instruments ） 的杰克·基尔比（Jack Kilby）发明了第一个锗集 成电路（他是把5个电子元件用金材料小心翼翼 地连接而成）。2000年他获得诺贝尔物理学奖。
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（27）1976年，Steve Wozniak和Steve Jobs推 出苹果电脑，这是全球第一台能进行文字 处理的电脑。 （28）1979年，摩托罗拉推出第一个16位微处 理器并被苹果电脑采用，它具有每秒处理 200万次计算的能力。 （29）1980年，摩托罗拉推出第一款寻呼机。 （30）1983年，摩托罗拉推出第一个蜂窝电话。
东芝
意法 台积电 海力士 瑞萨 索尼 英飞凌
台积电
东芝 意法 瑞萨 索尼 海力士 英飞凌
德州仪器
意法 高通 海力士 瑞萨 AMD 英飞凌
德州仪器
瑞萨 海力士 意法 美光 高通 博通
东芝
瑞萨 高通 意法 海力士 美光 博通
整体级设计 逻辑级设计
功能级设计 电路级设计
GDS Ⅱ
寄存器设计 版图级设计
从层次化设计过程中可知：设计的低端涉及到晶 体管的设计以及制造工艺，这两者与半导体的基本物 理过程有关。
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“虽然一个人不可能深入地了解从半导体 基础理论到电子系统工作的各个方面，但 作为一个好的、专业的集成电路设计者应 该对于支持本设计的制造工艺和晶体管特 性有较深入的了解”。 ——杨之廉教授的话
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设计人员要了解设计规则
IC设计人员设计产品时必须要知道在 哪里进行工艺流水，所以要根据工艺线提 供的设计规则和单元库数据进行设计。 如果不懂工艺，就很难看懂工艺线提 供的设计规则和有关工艺的文件资料。
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（3）1950年，发明生长结晶体管
—— 在晶体生长过程中形成npn晶体管
n p n n p n
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（4）1950年，萨拜（Saby）发明了合金结双极型晶体管
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放置铟球
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在156℃，In开始熔化
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在550℃，In熔入锗内
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冷却后形成两个PN结
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（5）1955年，肖克利在硅谷创建了“肖克利半 导体实验室” ，骨干成员有戈登· 摩尔27岁 （Gordon Moore ）、吉恩· 霍尔尼（ Jean Hoerni ）、罗伯特· 诺伊斯（Robert Noyce ）等 。
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第1章 概 述 第3章 氧化工艺 第5章 光刻工艺 第7章 刻蚀工艺
第9章 CMOS工艺
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第2章 洁净技术 第4章 薄膜工艺 第6章 掺杂工艺 第8章 平坦化工艺
第10章MEMS技术
第11章 封装技术
第12章纳米时代的挑战
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我所本科生的工艺课目录
第1章 绪 论 第2章 硅晶片的准备 第4章 热氧化工艺 第6章 快速热退火 第8章 刻蚀工艺
（US Patent 3,138,763 filed Feb.1959, granted 1964）
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（9）1959年，Fairchild 的霍尔尼展示了自己对于氧 化物的设想，申请了两项专利，一个是平面型结 型晶体管的结构，二是制造流程。