第一章 集成电路制造工艺
《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
集成电路基本制造工艺
– 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 – （绝对不许用手摸硅片—防止Na+沾污。）30
Sc
Sc
xJ
xJ
立体图
柱面
平面 球面
横向扩展宽度=0.8xj
剖面图
杂质横向扩散示意图
31
离子注入
离子注入是另一种掺杂技术，离子 注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和 退火再分布。离子注入是通过高能离子 束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质 离子被注入硅本体，在其他部位，杂质 离子被硅表面的保护层屏蔽，完成选择 掺杂的过程。进入硅中的杂质离子在一 定的位置形成一定的分布。通常，离子 注入的深度(平均射程)较浅且浓度较大， 必须重新使它们再分布。掺杂深度由注 入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓 度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。
27
1.2.3 掺杂工艺（扩散与离子注入）
通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型的半导体区
域，构成各种器件结构。掺杂工艺的基本思想就是通过 某种技术措施，将一定浓度的Ⅲ价元素，如硼，或Ⅴ价 元素，如磷、砷等掺入半导体衬底。
D
G
S
G
D
S
Al
SiO2
N
N
P-si
28
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
湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化 学反应进行刻蚀的方法。
干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子 体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子 及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过 轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。
26
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
集成电路制造工艺
集成电路制造工艺
一、集成电路(Integrated Circuit)制造工艺
1、光刻工艺
光刻是集成电路制造中最重要的一环，其核心在于成膜工艺，这一步
将深受工业生产，尤其是电子产品的发展影响。
光刻工艺是将晶体管和其
它器件物理分开的技术，可以生产出具有高精度，高可靠性和低成本的微
电子元器件。
a.硅片准备：在这一步，硅片在自动化的清洁装置受到清洗，并在多
次乳液清洗的过程中被稀释，从而实现高纯度。
b.光刻：在这一步，光刻技术中最重要的参数是刻蚀精度，其值很大
程度上决定着最终的制造成本和产品的质量。
光刻体系中有两个主要部分：照明系统和光刻机。
光刻机使用一种特殊的光刻液，它可以将图形转换成
光掩膜，然后将它们转换成硅片上的图形。
在这一步，晶圆上的图像将逐
步被清楚的曝光出来，刻蚀精度可以达到毫米的程度。
c.光刻机烙印：在这一步，将封装物理图形输出成为光刻机可以使用
的信息，用于控制光刻机进行照明和刻蚀的操作。
此外，光刻机还要添加
一定的标识，以方便晶片的跟踪。
2、掩膜工艺
掩膜工艺是集成电路制造的一个核心过程。
它使用掩模薄膜和激光打
击设备来将特定图案的光掩膜转换到晶圆上。
使用的技术包括激光掩膜、
紫外光掩膜等。
集成电路制造工艺流程
P N+ N-P+
23
1.1.1 工艺流程（续5） 蒸镀金属 反刻金属
P P+ N+ N- P+
P-Sub
2021/1/7 韩良
P N+ N-P+
24
1.1.1 工艺流程（续6） 钝化 光刻钝化窗口后工序
P P+ N+ N- P+
P-Sub
2021/1/7 韩良
P N+ N-P+
25
1.1.2 光刻掩膜版汇总
N–-epi
钝化层
SiO2
P+
P-Sub 2021/1/7 韩良
N+埋层 27
EB C
N+ P
N+
N–-epi
P+
1.1.4 埋层的作用
1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从 上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长。 2.减小寄生pnp晶体管的影响（第二章介绍）
光P+刻胶
SiO2
EB C
N+ P
计公司。
2021/1/7
2
韩良
引言
2. 代客户加工（代工）方式
➢ 芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发 展，而芯片制造单位致力于工艺实现，即代客户加工（简称代工）方式。
➢ 代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特征。
2021/1/7
3
韩良
引言
3. PDK文件
2021/1/7
5
韩良
引言
5. 掩模与流片
➢ 代工单位根据设计单位提供的GDS-Ⅱ格式的版图 数据，首先制作掩模（Mask），将版图数据定义 的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。
集成电路制造工艺
集成电路制造工艺第1章绪论1.1 课题背景在过去的的几十年里，一个以计算机、互联网、无线通信和全球定位系统为组成部分的信息社会逐渐形成。
这个信息社会的核心部分是由众多内建于系统中的细小集成电路（IC）芯片支持和构成的。
集成电路广泛应用于生活中的各个领域—诸如消费类产品、家庭用品、汽车、信息技术、电信、媒体、军事和空间应用。
结合纳米技术，持续不断的研究和开发即将使得集成电路更小和更强有力。
在可见的未来，计算机的尺寸将缩小到指甲盖大小，达到集成电路在尺寸、速度、价格及功耗方面实际可能的极限。
1.2 集成电路制造工艺发展概况随着硅平面工艺技术的不断完善和发展，到1958年，诞生了第一块集成电路，也就是小规模集成电路（SSL）；到了20世纪60年代中期，出现了中规模集成电路（MSL）；20世纪70年代前期，出现了大规模集成电路（LSL）；20世纪70年代后期又出现了超大规模集成电路（VLSL）；到了20世纪90年代就出现了特大规模集成电路（ULSL）。
集成电路的制造工艺流程十分复杂，而且不同的种类、不同的功能、不同的结构的集成电路，其制造工艺的流程也不一样。
人们常常以最小线宽（特征尺寸）、硅晶圆片的直径和动态随机存取存储器（DRAM）的容量，来评价集成电路制造工艺的发展水平。
在表1-1中列出了从1995年到2010年集成电路的发展情况和展望。
表1-1 集成电路的发展情况和展望年代1995 1998 2001 2004 2007 2010 特征尺寸/um 0.35 0.25 0.18 0.13 0.09 0.065DRAM容量/bit 64M 256M 1G 4G 16G 64G微处理器尺寸/mm²250 300 360 430 520 620DRAM尺寸/mm²190 280 420 640 960 1400 逻辑电路晶体管密度（晶体管数）/个4M 7M 13M 25M 50M 90M 高速缓冲器/（bit/cm²）2M 6M 20M 50M 100M 300M最大硅晶圆片直径/mm 200 200 300 300 400 400第2章半导体集成电路制造工艺流程2.1 概括本章以大量精美的图片、图表及具体详实的数据详细描述了集成电路制造的全过程。
集成电路的制造工艺与发展趋势
集成电路的制造工艺与发展趋势集成电路是现代电子技术的重要组成部分，广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子等领域。
随着科技的不断进步，集成电路制造工艺也在不断发展。
下面将详细介绍集成电路制造工艺与发展趋势。
一、集成电路制造工艺1. 掩膜制作：通过光刻技术，将集成电路的设计图案绘制在光刻胶上，然后通过曝光和显影等步骤，制作出掩膜。
2. 清洗和蚀刻：将掩膜覆盖在硅片上，然后进行清洗，去除表面的杂质。
接着进行蚀刻，将掩膜图案暴露在硅片表面。
3. 沉积：使用化学气相沉积、物理气相沉积等方法，在硅片表面沉积上一层薄膜，常用的有氮化硅、氧化硅等。
4. 电镀：通过电解方法，在薄膜上电镀上一层金属薄膜，如铜、铂等，用于导电和连接电路中的元件。
5. 线路化：使用光刻技术，在薄膜上绘制导线、晶体管等电路元件。
然后通过金属蒸镀或电镀方法填充导线，形成完整的电路结构。
6. 封装：将制造好的芯片封装在塑料或陶瓷封装中，以保护芯片并方便与外界连接。
二、集成电路制造工艺的发展趋势1. 微缩化：随着技术的进步，集成电路的元件结构和线宽越来越小。
目前，主流制造工艺已经实现亚微米级别的线宽。
微缩化使得芯片的性能提高、功耗降低，并能够把更多的电路集成在一个芯片中。
2. 三维集成：为了提高集成度和性能，三维集成成为未来的发展方向。
通过堆叠多层芯片，可以实现更高的密度和更快的信号传输速度。
3. 更环保的制造过程：随着人们对环境保护的意识增强，集成电路制造过程也在朝着更环保的方向发展。
研究人员正在探索替代有害化学物质的材料和工艺，以减少对环境的污染。
4. 更高的集成度：随着技术的发展，未来的集成电路将实现更高的集成度。
通过设计更多的功能和更复杂的结构，可以实现更多的应用和更好的性能。
5. 新材料的应用：为了满足更高的性能需求，研究人员正在开发新的材料，如石墨烯、二维材料等，以用于集成电路制造。
总结：集成电路制造工艺是实现电子产品中心处理器及其他电子元件的制造过程。
集成电路生产工艺流程(一)
集成电路生产工艺流程(一)集成电路生产工艺概述集成电路生产工艺是指将所有电子元件集成在单一芯片上的生产过程。
它被广泛应用于电子设备制造业，如计算机、手机、电视等。
制造流程1.设计–集成电路设计师设计电路–使用EDA软件进行仿真与验证2.掩膜制造–制造掩膜–通过光刻技术将图案转移到硅片上3.投影光刻–使用掩膜将图案投影在硅片上–制造电路的输送4.融合–在高温下将掩膜和硅片融合–形成晶体管5.化学处理–使用化学液体进行蚀刻–将不需要的硅层去除6.金属化–在硅片表面蒸镀金属–形成线路和电极7.包装测试–切割硅片–用陶瓷或塑料封装芯片–测试芯片性能制造技术1.CMOS–基础工艺–低功耗和低噪音2.BJT–晶体管工艺–高频率和高速率3.BCD–模拟与数字工艺结合–适用于汽车、医疗和航空等领域4.MEMS–微电子机械系统–功能丰富的微型机械装置制造挑战1.芯片尺寸缩小–越来越小的芯片尺寸–需要更精密的光刻技术和更高的抗干扰能力2.成本控制–竞争日益激烈–芯片制造成本需要持续降低3.故障排除–单个芯片上有上亿个晶体管–如何排查其中的问题是一个挑战结论集成电路生产工艺是一个非常复杂的过程，需要各个流程相互合作，使用最新的技术和设备。
随着时间的推移，它将继续进化和改进，以满足越来越高的市场需求和更严格的质量控制。
制造趋势1.三维IC制造技术–将多个芯片堆叠在一起，以提高芯片效率和成本效益2.全球晶圆制造技术–分布式制造技术可帮助降低成本–全球晶圆制造可促进产业链的全球化3.自动化技术–机器学习和人工智能将推动制造工艺的自动化–减少人为干扰和错误应用领域1.通信–集成电路的高速率和低功耗等特点十分适合通信应用2.计算机–处理器、内存、存储等都需要集成电路–集成电路的不断进步也推动了计算机性能的提升3.汽车–外部环境复杂，需要集成电路来实现各种功能–集成电路技术适合于汽车电子系统的小型化和高度集成化4.医疗–集成电路技术在医疗成像、生物传感器和仿生器件等方面有广泛应用–提升了医疗设备的精度和可靠性结语随着各种工业领域的发展和需要，集成电路生产工艺将继续前进和改进。
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北京清华同方微电子有限公司 展讯通信(上海)有限公司
13
2008年中国十大集成电路设计企业
2月25日中国半导体行业协会官方公布了名单：列表如下： • 排名 企业名称 08年销售额（亿元） 1 深圳海思半导体有限公司 30.94 2 中国华大集成电路设计集团有限公司 14.43 3 大唐微电子技术有限公司 8.36 4 杭州士兰微电子股份有限公司 8,12 5 炬力集成电路设计有限公司 6.78 6 无锡华润矽科微电子有限公司 6.24 7 上海华虹集成电路有限公司 6.14 8 北京中星微电子有限公司 6.22 9 北京同方微电子有限公司 3.97 10 日电电子(中国)有限公司 2,82
1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。因此，将n型外延层分割 成若干个“岛” 。 N -epi N -epi 2. P+隔离接电路最低电位，使“岛” 与“岛” 之间形成两个背靠背的 反偏二极管。
6
•
在 内存芯片方面： 1965年，快捷公司的施密特 (J. D. Schmidt) 使用金属氧化物半导体技术做成实验性的随机存 取内存。 1969年，英特尔公司推出第一个商业性产品，这 是一个使用硅栅极、p型沟道的256位随机存取内 存。
发展过程中最重要的一步，就是1969年，IBM 的迪纳 (R. H. Dennard) 发明了只需一个晶体管 和一个电容器，就可以储存一个位的记忆单元； 由于结构简单，密度又高，现今半导体制造的发 展水平常以动态随机存取内存的容量为标志。
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
27
1.1.1 工艺流程（续5） 蒸镀金属 反刻金属
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
28
1.1.1 工艺流程（续6） 钝化 光刻钝化窗口后工序
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
29
1.1.2 光刻掩膜版汇总 埋层区隔离墙硼扩区 磷扩区 引线孔 金属连线钝化窗口
21
思考题
1.与分立器件工艺有什么不同？ 2.需要几块光刻掩膜版(mask)?
3.每块掩膜版的作用是什么？
4.器件之间是如何隔离的？ 5.器件的电极是如何引出的？
22
1.1.1 工艺流程(三极管和一个电阻）
衬底准备（P型）氧化 光刻n+埋层区 n+埋层区注入 清洁表面
P-Sub
23
1.1.1 工艺流程（续1） 生长n-外延 隔离氧化 光刻p+隔离区 p+隔离注入 p+隔离推进
7
•
大致而言，
• 1970年有1K的产品；
• 1974年进步到4K (栅极线宽10微米)； • 1976年16K （5微米）；
• 1979年64K (3微米)；
• 1983年256K （1.5微米）； • 1986年1M （1.2微米）； • 1989年4M (0.8微米)； • 1992年16M (0.5微米)； • 1995年64M (0.3微米)； • 1998年到256M (0.2微米)， • 大约每三年进步一个世代，2001年就迈入千兆位大关。
4
• 在二十世纪70年代是集成电路大发展的时期，决定半 导体工业发展方向的，有两个最重要的因素，那就是 微处理器 (micro processor)与半导体内存 (semiconductor memory) 。 • 在微处理器方面：
• 1968年，诺宜斯和摩尔成立了英特尔 (Intel) 公司， 不久，葛洛夫 (Andrew Grove) 也加入了。 • 1969年，一个日本计算器公司比吉康 (Busicom) 和英 特尔接触，希望英特尔生产一系列计算器芯片，但当 时任职于英特尔的霍夫 (Macian E. Hoff) 却设计出 一个单一可程序化芯片，
N+
N-
N+
N24
P-Sub
1.1.1 工艺流程（续2） 光刻硼扩散区 Nhomakorabea硼扩散 氧化
P+ P-Sub
N+
N-
P+
N+
N-
P+
25
1.1.1 工艺流程（续3） 光刻磷扩散区 磷扩散 氧化
P+ P-Sub
P N+ N-
P+
P N+
N-
P+
26
1.1.1 工艺流程（续4） 光刻引线孔 清洁表面
GND
Vi T
Vo
R
VDD
30
1.1.3 外延层电极的引出
欧姆接触电极：金属与掺杂浓度较低的外延 层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极 管）。因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。
钝化层
E
N+
B P
C
N+
SiO2
E B
N+
C
N+
P+
光刻胶 SiO2
N–-epi
P+
P
N–-epi
P+
P-Sub
N+埋层
14
加上未上市的公司重新排一 下名
• 排名 • 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 13 企业名称 08年销售额（亿元）
深圳海思半导体有限公司 30.94 中国华大集成电路设计集团有限公司 14.43 大唐微电子技术有限公司 8.36 杭州士兰微电子股份有限公司 8,12 泰景（上海）信息技术有限公司 7.00 展讯通信（上海）有限公司 6.9 炬力集成电路设计有限公司 6.78 无锡华润矽科微电子有限公司 6.24 上海华虹集成电路有限公司 6.24 北京中星微电子有限公司 6.22 福州瑞芯微电子有限公司 5.0 北京同方微电子有限公司 3.97 锐迪科微电子（上海）有限公司 3.4 日电电子(中国)有限公司 2,82
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第一章 集成电路制造工艺
集成电路（Integrated Circuit）
制造工艺是集成电路实现的手段， 也是集成电路设计的基础。
19
集成电路制造工艺分类 1. 双极型工艺（bipolar）
2. MOS工艺 3. BiMOS工艺
20
§1-1 双极型集成电路工艺
(典型的PN结隔离工艺)
(P1~5)
今天，在一个几百平方毫米面积的芯片上，集 成的晶体管数目已经超过10亿。
9
如NEC公司用0.15mCMOS工艺生产的4GB DRAM, 芯 片中含44亿个晶体管，芯片面积985.6mm2。 英特尔公司用0.25 m工艺生产的333MHz的 奔腾Ⅱ处理 器，在一个芯片中集成了750万个晶体管。
集成电路之所以能迅速发展，完全由于巨大的经济 效益。工业发达国家竞相投资。我国在“九五” 期间投 资100个亿组建了集成电路“909”专项工程。2002年推 出首款可商业化、拥有自主知识产权、通用高性能的 CPU-龙芯1号，它采用0.18 m工艺生产，主频最高达 266MHz。 去年研制的龙芯2号通过使用SPECE CPU2000对龙芯2 号的性能分析表明，相同主频下龙芯2号的性能已经明显 超过PII的性能，是龙芯1号的3-5倍
15
2009年最具潜力中国IC设计公司
• • • • • • • • • • 1、上海摩威电子科技有限公司 2、卓胜微电子（上海）有限公司 3、北京希图视鼎科技有限公司 4、硅谷数模半导体（中国）有限公司 5、澜起科技（上海）有限公司 6、创毅视讯科技有限公司 7、杭州国芯科技有限公司 8、北京海尔集成电路设计有限公司 9、北京炬力北方微电子有限公司 10、深圳市华芯飞科技有限公司
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中国半导体协会(CSIA)发布了2005年度 中国十大IC设计公司排名。
• 珠海炬力以12.575亿元人民币年销售额勇夺桂冠。它
是MP3播放器芯片的主要供货厂商
。
• 中星微电子，2005年销售额为7.678亿元人民币。它 的主要产品是“星光系列”多媒体处理芯片，中星微 电子最初提供PC用的摄像头芯片。后来瞄准了手机用 多媒体处理芯片市场，并成功地打开了欧美市场。 排名第三到第十的分别是华大、士兰、大唐、上海华虹、 杭州友旺、绍兴芯谷、北京清华同方和无锡华润。 2005年中国前十大IC设计公司的销售额已经达到51.63亿 元人民币，根据CCID的预测，2005年中国集成电路设计 业的市场规模约131亿元人民币，前十大IC设计公司的份 额已经40%。 12
• 2006年度中国集成电路设计前十大企业是： • 炬力集成电路设计有限公司 • 中国华大集成电路设计集团有限公司(包含北京 中电华大电子设计公司等) • 北京中星微电子有限公司 • 大唐微电子技术有限公司 • 深圳海思半导体有限公司 • 无锡华润矽科微电子有限公司 • 杭州士兰微电子股份有限公司 • 上海华虹集成电路有限公司 •
10
预见
根据国际半导体科技进程 (International Technology Roadmap for Semiconductor) 的推估，公元2014年，最小线宽可达0.035微 米，内存容量更高达两亿五千六兆位，尽管新 工艺、新技术的开发越来越困难，但相信半导 体业在未来十五年内，仍会迅速的发展下去。
吉林大学珠海学院电子系10级专业课
半导体集成电路
授课教师 王东红
1
课程地位
集成电路 传感器 光电器件 微波器件 MEMS
微电子工艺基础
半导体物理与器件
固体物理
半导体物理
微电子器件原理
2
课程地位
集成电路 传感器 光电器件 微波器件 MEMS