01基础绪论——【微电子工艺学】
微电子工艺概述
一、微电子技术发展历史
一、微电子技术发展历史
1982 沟槽隔离， Rung，隔离 CMOS（取代其它的绝缘技 术） 1989 化学机械抛光， Davari，各层介电层全面平坦化 （的关键） 1993 铜布线，铝在大电流下有严重的电迁移现象 1999年的 0.18微米工艺、2001年的0.13微米、2003年 的90纳米（0.09微米），2005年的65纳米（0.065微米） 1960´s的25mm(1 英寸）， 1970´s的51mm(2英寸）， 1980´s的100mm(4英寸）， 1990´s的200 mm(8英寸），2000的 300mm(12英寸），现在400mm (16英寸)
微电子技术的 三个发展方向
微电子技术的三个发展方向
21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向
特征尺寸继续等比例缩小 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC) 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业 和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等
微电子器件的特征尺寸继续缩小 第一个关键技术层次：微细加工
工艺流程--前工序
⑺硼再分布（再分布/二次氧化/金扩散。再分布：控制 结深与表面浓度；金扩散:减少集电区少子寿命，缩 短开关管底存储时间，提高开关速度。）→ ⑻刻发射区/二次光刻（刻出发射区窗口）→ ⑼磷预淀积（形成发射区：β =30-40，BVceo>8V, BVcbo≈7V。）→ ⑽磷再分布（再分布/三次氧化；再分布：达到设计要 求，如β =50-60；三次氧化：光刻引线孔的掩蔽膜， 200-300nm。）→
PN结隔离双极型集成电路制造 工艺
工艺流程
⑴衬底制备（ρ =8-13Ω · cm，P型,（111）晶面，300 400μ m）→ ⑵埋层氧化（埋层扩散的掩蔽膜，1-1.5μ m；埋层作用 降低集电极串联电阻）→ ⑶埋层光刻（刻埋层扩散区窗口）→ ⑷埋层扩散（N+,R□≤20Ω /□）→ ⑸外延（N型Si，ρ =0.3-0.5Ω · cm，8-10μ m）→ ⑹隔离氧化（隔离扩散的掩蔽膜，0.6-1μ m）→
微电子学概论PPT课件
的特点
集成电路的分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路的分类
器件结构类型 集成电路规模 使用的基片材料 电路形式 应用领域
器件结构类型分类
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子 工业产值的增长率（REI）
电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率 （RGDP）
一般有一个近似的关系
RIC≈1.5~2REI REI≈3RGDP
微电子学发展情况
导论
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
世界GDP和一些主要产业的发展情况
晶体管的 发明
集成电路 发展历史
集成电路 的分类
微电子学 的特点
1947年12月13日 晶体管发明 1958年 的一块集成电路 1962年 CMOS技术 1967年 非挥发存储器 1968年 单晶体管DRAM 1971年 Intel公司微处理器
摩尔定律
导论 晶体管的
发明 集成电路
发展历史 集成电路
高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电 子学发展的方向
微电子学的渗透性极强
它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的 交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯 片等
作业
微电子学？
导论 晶体管的
微电子学核心？
发明 微电子学主要研究领域？
集成电路 发展历史
微电子学特点？
集成电路 集成电路？
的分类
例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等
第1章微电子工艺概述1
≥0.1μm
每立方米（m3）中微粒的最大允许数 ≥0.2μm ≥0.3μm ≥0.5μm ≥1μm
≥5μm
10
2
100
26
10
4
1000
265
106
35
8
10,000
2650
1060
353
83
100,000
26,500 10,600
集
成 电
路
组合逻辑电路
数字电路 时序逻辑电路
按 功 能 分 类
线性电路
模拟电路
非线性电路 7
类别
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
数字集成电路
MOS IC
00
100～1000
100～500
1000～100000
500～2000
100000～10000000
>2000
第一章 概述
一、集成电路的发展历程 集成电路的由来 摩尔定律之路
二、集成电路的分类 按器件导电类型分类 按器件功能分类
三、集成电路工艺基础 集成电路的材料 集成电路工艺基础
四、集成电路的生产环境
1
集成电路
集成电路，就是在一块半导体单晶片上，通过一系列 特定的加工工艺，制作出许多晶体管、二极管等有源器件和 电阻、电容等无源器件，并按照一定的电路互连关系“组 装”起来，封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功 能。这种新型电子器件在体积、重量、耗电、寿命、可靠性 和电性能等方面均优于传统的半导体分立元件电路。
3530
832
29
1,000,000 265,000 106,000
微电子工艺PPT课件
1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器 亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。
1、2014年全球半导体市场规模达到3331亿美元，同比增长9%，为近四年增速之最。 2、从产业链结构看。制造业、IC设计业、封装和测试业分别占全球半导体产业整体营业收入 的50%、27%、和23%。 3、从产品结构看。模拟芯片、处理器芯片、逻辑芯片和存储芯片2014年销售额分别442.1 亿美元、622.1亿美元、859.3亿美元和786.1亿美元，分别占全球集成电路市场份额的 16.1%、22.6%、32.6%和28.6%。
集成电 路应用
.
5
半导体产业结构
.
6
我国集成电路产业在世界中的地位
1、中国目前进口第一多的商品不是原油，是芯片，一 年进口2500亿美元。 2、我国集成电路产业处在世界的中下端，属于集成电 路消费大国、制造大国，粗放型、高投入、低利润。 3、缺少高端设计，设备主要被国外垄断。 4、集成电路产业是国家的命脉，走到了危险的边缘， 不能再继续落后下去。
2005年 65nm
2007年 45nm
2009年 32nm
2012年 22nm
2014年 14/16nm
Intel首款14nm处理器——第五代Core处理器问世（2015-1-6） 第五代Core处理器平台电晶体(Transistor)数量比第四代Core加35%，但尺寸却缩减37%; 此外，在3D图像处理性能、影片转码速度、电池续航力、整体性能等评比项目，第五代Core处理 器平台都较前一代产品分别提升22%、50%、40%以及1.5小时的表现。
微电子工艺原理与技术第1章引论
发展更先进的制造技术，如纳米压印、3D 打印等，以实现更高精度和更复杂的微纳 结构制造。
智能化与自动化
绿色制造与可持续发展
推动微电子工艺的智能化和自动化发展， 提高生产效率和产品质量。
注重微电子工艺的环保性和可持续性，减 少资源消耗和环境污染。
THANKS
感谢观看
旋涂法
将溶液、溶胶或悬浮液等 流体涂覆在基片表面，然 后通过旋转基片使流体均 匀分布，形成薄膜。
光刻技术
掩模制备
根据设计图案制作掩模， 通常采用铬版或石英版作 为掩模基材。
对准和曝光
将掩模与基片对准，然后 通过曝光将掩模上的图案 转移到基片表面的光刻胶 上。
显影和坚膜
通过显影去除曝光或未曝 光部分的光刻胶，然后进 行坚膜处理以提高光刻胶 的抗蚀性。
离子注入掺杂
将杂质元素以离子形式注入到基片内部，然后通过退火处理使杂 质元素在基片中均匀分布。
气相沉积掺杂
在气相沉积过程中引入杂质元素，使杂质元素与基片材料一起沉 积在基片表面。
04
微电子封装与测试技术
封装技术概述
封装定义
将微电子芯片与外部环境隔离，并提供电气连接和机械支撑的技 术。
封装目的
保护芯片免受外部环境影响，提供稳定的电气连接，以及实现芯片 间的互连。
微电子工艺概述
介绍了微电子工艺的基本概念、发展历程和主要应用领域。
微电子工艺基础
阐述了微电子工艺的基本原理，包括半导体物理、器件工 艺和集成电路设计等。
微电子工艺实践
介绍了微电子工艺的实际应用，包括晶圆制造、封装测试 和可靠性等。
对未来微电子工艺发展的展望
新材料与新器件
先进制造技术
探索新型半导体材料和器件结构，如二维 材料、生物电子器件等，以提高性能和降 低成本。
微电子工艺学课件_4
第四章加工环境与基片清洗4.1概述4.2 环境净化4.3 硅片清洗4.4 吸杂4.5 测量方法2局部光散射栅氧化层完整性≫≫ITRS Roadmap成品率每百分之一的提升都有巨大价值！Y randomY systematic Y total 起步阶段20％80％16％上升阶段80％90％72％成熟阶段90％95％86％影响成品率的因素：5!!!......................................¾e负二项模型聚集因子¾微粒金属离子化学物质细菌污染物静电缺陷从哪里来？缺陷：Life time killers1. ¾所有可以落在硅片表面的微小颗粒1 μm2 μm 30μm 100 μm烟尘尘埃指纹印人类毛发最关心颗粒尺寸：可在空气中长时间悬浮¾可移动离子污染物Fe, Cu, Ni,Fe, Cu, Ni,每10亿单位中金属杂质Sodium（Na）50 Potassium（K）50 Iron（Fe）50 Copper（Cu）60 Nickel （Ni）60 Aluminium（Al）60 Magnesium（Mg）60 Lead（Pb）60 Zinc（Zn）60某光刻胶去除剂金属杂质含量与氢原子发生电荷交换，和硅结合而被束缚在其表面。
硅片表面氧化时，进入氧化例write, read 漏放电的峰值电流静电荷在两物体间未经控制地传递，可能损坏芯片；电荷积累产生的电场会吸引带电颗粒或极化并吸引如何控制污染、降低缺陷密度？4.2ISO, FS209E洁净度等级对照19个/M3≥0.5umISO14644-1(1999)US209E(1992)US209D(1988)EECGGMP(1989)FRANCEAFNOR(1981)GERMANYVDI2083(1990)JAPANJAOA(1989)13.520210.0M135.33M1.5113100M23534M2.51024 1,000M33,5305M3.5100A+B4,00035 10,000M435,3006M4.51,0001,00046 100,000M5353,0007M5.510,000C400,00057 1,000,000M63,530,0008M6.5100,000D4,000,00068 10,000,000M7空气洁净大于或等于表中粒径的最大浓度限值(pc/m3)度等级(N)0.1um0.2um0.3um0.5um1um5um11022 （光刻、制版）100241043 （扩散、CVD）10002371023584 （封装、测试）1000023701020352835 （单晶制备）1000002370010200352083229 61000000237000102000352008320293 7352000832002930 8352000083200029300 9352000008320000293000空气初级过滤器鼓风机亚高效过滤器高效过滤器排放口收集口出风口洁净环境洁净室局部净化垂直层流式水平层流式乱流式净化工作台净化通道局部微环境垂直层流式水平层流式乱流式净化工作台净化通道局部微环境洁净室（clean room）:泛指集成电路和其它微电子22231、屋顶：复杂的封闭式结构，有两种类型：a. 轧制铝支架加现场制作的静压箱／风道；b. 预制的整体式静压箱／风道加支架。
微电子工艺技术
微电子工艺技术引言微电子工艺技术是现代电子工程领域中的关键技术之一。
它主要涉及到在微米或纳米尺度范围内，对半导体材料进行加工和制备的技术方法。
微电子工艺技术的发展使得集成电路的制造变得更加精细化和复杂化，从而推动了电子设备的发展和智能化。
本文将介绍微电子工艺技术的基本原理、常用的工艺步骤以及最新的研究进展。
基本原理微电子工艺技术主要基于半导体材料的特性和物理原理进行设计和研究。
它通过在半导体表面上进行一系列加工步骤，形成电子元件和电路。
这些加工步骤包括：光刻、沉积、蚀刻、离子注入、热处理等。
光刻是微电子工艺中最关键的步骤之一。
它通过将光敏感的光刻胶涂覆在半导体表面上，然后通过光学投影曝光和显影的方式，将电路的图形转移到光刻胶上。
接着，通过蚀刻的方式，将暴露在光刻胶上的区域去除，以形成所需的电路图形。
沉积是指在半导体表面上进行材料层的沉积，主要是用于形成导电层、绝缘层和敏感层等。
常用的沉积方法包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和溅射沉积等。
蚀刻是指通过化学或物理的方式，使材料表面的部分区域被移除。
蚀刻可以用于去除不需要的材料，在半导体制造过程中起到精确控制电路形状和结构的作用。
离子注入是将离子注入到半导体材料中，改变其导电性质的过程。
离子注入可以形成导电层和控制器件的电性能。
热处理是通过高温处理，使材料发生结构和性能的改变。
热处理可以提高材料的晶格结构和电学性能，从而改善器件的性能。
工艺步骤微电子工艺技术涉及的步骤较为复杂，下面将介绍一般情况下的典型工艺步骤：1. 表面清洁表面清洁是微电子工艺中的第一步，它可以去除杂质、氧化物和有机物等对器件性能的影响。
常用的清洗方法包括浸泡清洗、超声波清洗和等离子体清洗等。
2. 沉积沉积是指在半导体表面上沉积材料层，形成所需的结构和功能。
常用的材料包括金属、绝缘层和敏感层等。
沉积方法根据要求的材料和性能不同，选择不同的方法，如化学气相沉积、物理气相沉积和溅射沉积等。
微电子工艺课件
直拉法生长单晶的特点
优点：所生长单晶的直径较大成本相对较低;
通过热场调整及晶转，埚转等工艺参数的优化，可较好 控制电阻率径向均匀性。
缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响， 易引入氧碳杂质，不易生长高电阻率单晶（含氧量通常 10-40ppm)。
二、悬浮区熔法（float-zone，FZ法）
利用分凝现象将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿 锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次（多次区熔）使杂 质被集中在尾部或头部，进而达到使中部材料被提纯。
一次区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（K=0.01） 单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好。
多次区熔提纯
硅片制备基本工艺步骤
晶体生长 整型 切片
拉晶过程
1. 熔硅 将坩埚内多晶料全部熔化 ；注意事项：熔硅时间不易长；
2. 引晶 将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热几分钟，俗称“烤
晶”，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳 定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，
控制温度使熔体在籽晶上结晶；
3. 收颈
指在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶 细的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶 内原有位错的延伸。颈一般要长于20mm。
单晶制备
一、直拉法（CZ法）
CZ 拉晶仪 1. 熔炉 石英坩埚：盛熔融硅液； 石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚； 旋转装置：顺时针转； 加热装置：RF线圈； 2. 拉晶装置 籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）； 旋转提拉装置：逆时针； 3. 环境控制系统 气路供应系统 流量控制器 排气系统 4. 电子控制反馈系统
缺点: 单晶直径不及CZ法
掺杂分布
假设多晶硅棒上的杂质掺杂浓度为C0（质量浓度），d为硅
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年 最小特征尺寸 DRAM比特/芯片 DRAM芯片尺寸（mm2）
微处理器晶体管/芯片
最大布线层数 最小掩模板数目 最小工作电压（V）
硅技术的发展规划
1997 250nm
1999 180nm
2003 130nm
半导体产业介绍
• 概述
•
微电子从40年代末的第一只晶体管（Ge合金管）问世，
50年代中期出现了硅平面工艺，此工艺不仅成为硅晶体管
的基本制造工艺，也使得将多个分立晶体管制造在同在一
硅片上的集成电路成为可能，随着制造工艺水平的不断成 熟， 使微电子从单只晶体管发展到今天的ULSI。
3.本课程的主要内容
4.第1章 绪论
第1章 绪论
本章（2学时）目标： 1、分立器件和集成电路的 区别 2、平面工艺的特点 3、微电子工艺的特点 4、芯片制造的四个阶段
第1章 绪论
一、微电子产业 二、芯片制造的几个阶段
第1章 绪论
一、微电子产业
➢ 1、微电子产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***
8、光刻工艺（6学时， p129-p215 ）
9、掺杂技术（4学时， p216-p240 ）
10、封装技术（4学时，p334-p397 ）
先修课程
半导体物理、固体物理学
参考文献
刘玉岭等编著，《微电子技术工程—材料、工艺与测试》 施敏等编著，《半导体制造工艺基础》
一 概述
1.为什么要学这门课？
2.这门课的对象？
interl petryn 45nm工艺处理器芯片图
interl 微处理器芯片
这门课的对象？
这门课的对象？
晶圆
这门课的对象？
这门课的对象？
://amuseum.cdstm /AMuseum/ic/index_01_03.html
芯片制作流程
沙子变黄金
芯片制作流程
N MOS
沟 场 效 应 晶 体 管
沟 场 效 应 晶 体 管
P MOS
半导体器件的发展过程
• 1874年，布朗（Braun）发现了（金属-半导体接触）检波二极管
• 1907年，朗德（Round）发明了发光二极管
• 1947年AT&T公司的巴丁（J．Bardeen）、布拉顿（W．H．Brattain）和肖 克莱（W．Shockley）做出了世界上第一个晶体三极管
微电子工艺基础
一 概述
1.为什么要学这门课？ 2.这门课的对主要对象？ 3.本课程的主要内容 4.第1章 绪论
://v.youku /v_show/id_XNjQ2MTQ4MDQ.html
1.为什么要学这门课？
• 微电子技术的发展不外乎包括两个方面：制造工艺和 电路设计,而这两个又是相辅相成,互相促进,共同发展 。 微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断 改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断 提高，功耗降低，器件性能得到提高。芯片制造工艺在 1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、 0.15微米、0.13微米、0.11微米、0.09微米一直发展到当 前的0.025微米。 只有真正理解了芯片的制作过程，你才能根据具体的 需要设计集成度高，功耗低，性能好的器件，从而推动 微电子技术的进一步发展。
第1章 绪论 一、微电子产业
1、微电子产业在国民经济中的作用
信息业、计算机业以及家电业得益于微电子产业的发展，特 别是集成电路的发展
集成电路是工业发展水平的标志。
第1章 绪论
一、微电子产业Байду номын сангаас
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***
2006 100nm
256M
1G
4G
16G
280
400
560
790
2009 70nm 64G 1120
2012 50nm 256G 1580
11M
21M
76M
200M 520M 1.4G
6 22 1.8-2.5
6-7 22-24 1.5-1.8
724 1.2-1.5
7-8 24-26 0.9-1.2
2、半导体材料、晶圆制备（3学时，p16-p44 ）
本
3、污染控制、芯片制造基本工艺（3学时，p45-p89 ）
课
程
4、外延工艺（3学时，p255-p259 ）
的
学
5、氧化工艺（4学时，p104-p128 ）
时
安 排
6、化学气相淀积（3学时，p241-p255和 p261-p265 ）
7、金属淀积（4学时， p266-p285 ）
1.为什么要学这门课？
• 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，集成电路最主要的特征参数的设计 规则从1959年以来40年间缩小了140倍。而平均晶体管价
://v格.ku降6 /低sh了ow1/D0u7K倍r7。WHKajC2J7uk.html
一 概述
11..为有什机么电要致学发这光门器课件？的发展 2.这门课的研究对象？ 3.本课程的主要内容 4.第1章 绪论
这门课的对象？
这门课的对象？
• interl 45nm晶圆
Interl petryn 45nm工艺处理器集成了4.1亿个晶体管
8-9
9
26-28 28
0.6-0.9 0.5-0.6
一 概述
1.为什么要学这门课？
2.这门课的对象？ 3.本课程的主要内容 4.第1章 绪论
本课程的主要内容
1. 微电子产品制作单项工艺的原理、方法及趋势 2. 集成电路相对于分立器件的特有技术 3. 典型产品的工艺流程
1、绪论、微电子工艺概况（2学时，p1-p15）