集成电路制造技术

 山东大学

 信息科学与工程学院

《集成电路制造技术》

交互式多媒体计算机辅助教学课程

课程辅导教案

山东大学信息科学与工程学院

山东大学孟堯微电子研发中心

2002．6．26

山东大学信息科学与工程学院

《集成电路制造技术》多媒体计算机辅助教学课程

课程辅导教案

李惠军

  教  授（硕士研究生导师）

1. 本课程绪论部分辅助教案

• 绪论部分教学内容的重点：

了解半导体工业的形成及发展历史；了解半导体工业由半导体技术阶段过渡到微电子技术阶段的技术特征；掌握微电子时代的技术特征和当代微电子产业的技术水平。

    ★ 该部分教学内容的难点：

       当代微电子技术产业发展的内在驱动因素及各因素间的技术链作用。

    ★ 该部分教学内容的参考学时：2学时

    一．关于半导体及半导体工业

     电子技术的发展是以电子器件的发展而发展起来的。电子器件的发展，历经近百年，经历了四个阶段的更新换代。

          电子管    晶体管     集成电路     超大规模集成电路

历次变革都引发了电子技术和信息技术的。

以下为电子器件发展年表：

    1906年：    第一只电子管诞生

    1912年前后：电子管的制造日趋成熟引发了无线电技术的发展

    1918年前后：逐步发现了有一类半导体材料

    1920年：    发现半导体材料所具有的光敏特性

    1924年：    发现半导体与金属接触时具有的整流特性

    1932年前后：运用量子学说建立了能带理论研究半导体现象。

    1940年：对半导体的理性研究有文章成果发表

    1943年：研制出硅点接触整流二极管—美国贝尔实验室

    1943年前后：电子管已成为电信息处理和传输设备的主体

    1945年：第一台[电子管电子数字积分计算机（ENIAC）]诞生

            有关ENIAC的数据如下：

    主要研发人员：美国宾西法尼亚大学物理学家—莫克力、美国宾西法尼亚大学电子工程师—埃克特。

    第一台电子管计算机使用电子管约17000只；电子元件约14万只；使用机电继电器约1500只；运行功率约150千瓦（接近一台现代电动机车的牵引功率）；  总重量约30吨（由23个巨型控制柜和部分外部设备组成）；计算速度为：每秒钟完成八十三次加法运算；内存：80个字节（0Bit）；计算机系统 占地约180平方米。

    1947年12月：肖克莱和巴登等人发明半导体锗点接触三极管

    1948年：提出半导体的PN结理论并制成硅结型晶体三极管

    1955年：硅结形场效应晶体管问世

    1956年：硅台面晶体管问世

    1956年：肖克莱因在半导体领域的系列成就获诺贝尔奖

    1956年：肖克莱半导体实验室成立

    1957年：美国仙童半导体公司成立（由肖克莱半导体实验室解体而成）

         注：Intel公司总裁葛洛夫即为仙童半导体公司的创始人之一

    1958年：超高频硅微波晶体管问世

    1959年：有人提出汽相制备单晶硅晶层的设想并或成功

    1959年：有人提出硅与锗等主要半导体材料的氧化物特性数据

    1960年：发明以硅外延平面结构为架构模式的晶体管制造技术，被后人称为硅外延平面工艺技术。该技术虽经不断完善，但其思路的实质未变，沿用至今。该技术解决了此前无法解决的晶体管性能上的若干矛盾，为晶体管由分立的模式转化为集成模式铺平了道路（在此之前的合金及台面工艺技术是无法解决的）。

    1960年12月：制造成功世界上第一块硅集成电路

       （仅集成了十几只晶体管和五个电阻，而占有约三个平方厘米的面积）

    1963年：仙童半导体公司提出MOS(金属-氧化物半导体)单极性集成电路结构模式

    1966年：美国贝尔实验室使用较为完善的硅外延平面工艺

            制成第一块公认的：大规模集成电路

           （单位平方厘米的面积内集成了千只以上的晶体管和上百只电阻）

    1969年：著名的美国Intel公司宣告成立

    1971年：Intel公司推出世界上第一颗微处理器4004

    1971年：Intel公司推出8006微处理器

    1971年：IBM提出集成注入逻辑结构扩大双极性电路的集成度

    1972年：Intel公司推出世界上第一块半导体存储器1103

     （这是一块记忆容量为1000位[bit]的DRAM-动态随机存取存储器芯片）

    1972年：Intel公司推出8008微处理器

    1974年：Intel公司推出8080微处理器

     （这是一块处理速度为4004微处理器的20倍的新型微处理器芯片）

    1976年：Intel公司推出8085微处理器

    1976年：Zilog公司推出Z80微处理器

            上述两款微处理器功能极为接近，竞争十分激烈。

    1978年：Intel公司推出8086微处理器

    1980年：Intel公司推出80186微处理器

    1982年：Intel公司推出80286微处理器

    1985年7月：Intel公司推出32位元的80386微处理器

    19年2月：第一颗80486微处理器在Intel公司出炉

    以下是回忆第一颗80486微处理器芯片在Intel公司开发成功的文字：

486原本预定在1988年圣诞节之前完成，只是设计实在是太复杂了，即便是圣诞节，整个研发小组（约80人）及整条486研制生产线（约200人）仍然是三班倒二十四小时轮值，工作的昏天黑地，二月十七日，第一颗80486微处理器芯片被取出高温钝化炉，立刻进行电极反刻，经全面的测试通过后，人们沸腾了，办公室及生产线里处处可见五彩缤纷的圣诞树和彩灯。

    1993年：推出第一颗Pentium75微处理器（0.8微米工艺）

    1994年：推出第一颗Pentium-Ⅱ微处理器（0.6微米工艺）

    1995年11月：Pentium-PRO微处理器（0.35微米工艺）问世

    二．关于半导体工业向微电子产业的演变

    集成电路的出现，一定程度上预示着半导体工业走向产业化和走向成熟；预示着半导体技术向微电子技术方向上的演变开始了。集成电路的设计与制造技术的发展使世人刮目相看，著名的摩尔定律就成功地预测了集成电路的集成度将以每一年半翻一翻的增长率变化，而表征功能的综合指标也会相应地提高一倍。当今，已经进入电子仪器发展的：即大规模集成电路和超大规模集成电路的发展阶段。我们使用一个被称之为“集成度”的概念来表征集成电路制造的水平及其变化。“集成度”这个概念，完全可以反映出微电子集成电路产业集成电路芯片的设计与制造技术的水平。它表示以单个管芯为单位，所包含（或称为集成）的晶体管个数。那么，超大规模集成电路是个什么概念呢？超大规模集成电路的集成度界定为1000万只晶体管/单位管芯。较为严格地讲，表征集成电路设计与制造技术水平的指标除了集成度之外，还有：单层表面电极布线的最小线宽（当代的水平为0.18微米，或称之为深亚微米[VDSM-Very deep submicron]）；硅圆片直径（现已达12英寸—约300mm）。

半导体工业为什么有如此高的发展速度呢？主要原因有三：

其一：集成电路业属于非资源耗尽型的环保类产业。制造集成电路的制造不像钢铁、化工、机械和建筑等工业那样需要消耗大量的能源和有限的资源，制造集成电路所用的原始材料，是蕴藏十分丰富的以硅为主体的半导体材料，它的原体形式是存在与地壳层中的二氧化硅，可以说是取之不尽用之不竭的，矿采成本又极其低廉。

其二：集成电路的设计与制造技术中的高新技术含量和技术赋加值极高，故产出效益极大。虽然，投入一条高新技术高度集中、自动化程度极高的集成电路生产线并保持起正常运行也需要高额的投资（建造一条当代水平的集成电路生产线约需人民币十亿元），但它的产出效益却是十分诱人的，可称之为“吞银吐金”的工业。

其三：集成电路的设计与制造业是充满技术驱动和效益驱动的高活性产业。IC（集成电路）产业与IT（信息通讯）产业及计算机产业构成的三位一体技术链形成了一个良性循环的技术驱动关系。就产业效益而言：以当今的超大规模集成电来讲。其中单位门电路的制造成本价已下降至十万分之一美元，比1965年期间下降了310万倍。而现在的以集成电路为技术依托的电子计算机也比早期的计算机降低了数万倍。有人匡算过，如果汽车制造业也具有与集成电路产业相类似的产业发展速度，那现在即便是最为豪华的高档轿车其生产价也不超过一美元。因此，集成电路产业的效益驱动力也是相当大的。

许多国家已将集成电路制造产业视为比石油产业和钢铁产业更为重要的支柱性产业。正是由于半导体工业的高速发展，极大地加速了半导体装置的微型化发展进程，促使了电子器件的集成化和微系统化。人们将其称之为半导体工业向微电子产业的演变过程。

    三. 关于半导体产业的发展趋势-进入微电子时代

读到这个题目，你可能会产生一个问题：何为“微电子时代”。是的，多少年来，人们似乎都在谈论什么“电子时代”或“电器时代”。“微电子时代”这个名词还未曾听说过。其实，着眼于当今世界科技的发展现状，我们已经接近或者说已经进入“微电子时代”了。问题在于，对“微电子时代”是怎样定义的。

事实上，“电子时代”是由“电真空阶段”延续到“固体电子阶段”的。所谓“固体电子阶段”，就是人们常说的“半导体技术阶段”，而当分立器件逐步过渡到“集成电路阶段”时，就出现了诸如：半导体器件集成化、电子系统集成化、电子系统微型化，出现了人们现在并不陌生的“微电子技术”这一题法。可以看得出，由“半导体技术”到“微电子技术”不仅仅是量的变化。而电子领域全面进入“系统集成化”则可以认为进入了“微电子时代”。

    我们知道，1959年设计出的第一块集成电路（可简称为IC-Integrate Circuit）仅包含有四只晶体管及几只电阻。而到了1998年，若以单个管芯为单位，所包含（或称为集成）的晶体管数近5个Million(注：1 Million = 1百万)。不到四十年的时间，集成电路的设计与制造技术水平何以发展地如此惊人，除了各个工业与技术领域的发展对微电子产业具有相当大的促进作用之外，更为重要的是微电子集成电路设计与制造技术的突飞猛进直接促使了计算机硬件技术和计算机软件技术的不断和高速发展。集成电路的设计手段与制造技术同计算机的软、硬件技术构成了一个“技术链”的互为辅助的关系。正是这样一种“技术链”的存在及其互为辅助的关系使得两者形成了一种相辅相成的、“良性循环发展”的态势。这种“技术链”的互助作用在集成电路的设计手段及制造技术体系上的作用点集中反映在计算机辅助设计技术（CAD-Computer Aided Design）对IC制造业发展的促进上。换句话说，正是由于有了CAD技术在微电子集成电路芯片的设计与制造领域中的全面应用，从本质上取代了传统的（以人工设计和人工实验、人工调试的方法为主）、落后的设计方法，方使电子系统的系统大规模集成或超大规模集成化成为现实。使集成电路的设计手段及分析手段逐步形成了当代的、可称之为现代计算机IC自动化设计的工程体系，这是一个充满活力的、前景无限的、十分诱人的、崭新的边缘科学领域。

以上，我们陈述了微电子集成电路设计与制造领域飞速发展的原因所在和“微电子时代”的主要特征。“微电子时代”的显著特点是多高科技学科的互动且作用于集成电路的超大规模化上。正是这种互动的技术动力作用，使得集成电路以极快的速度经历了小规模集成电路（简称为SSI-Small Scale Integrate）、大规模集成电路(简称为LSI-Large Scale Integrate)、超大规模集成电路(简称为VLSI-Very Large Scale Integrate)、特大规模集成电路(简称为ULSI-Ultra Large Scale Integrate)等若干发展阶段。那么，ULSI（特大规模集成电路）反映在集成电路的“集成度”和制造工艺水准上是个什么概念呢？就“集成度”而言，约在单个管芯内集成的晶体管个数近5个Million（五百万）范围内。就制造工艺水准上来讲，其集成电路内电极引线的线径接近于0.25微米（μm），集成电路制造产业将所位于的这一工艺水平称之为“深亚微米” 工艺水平。

集成电路制造业的技术进步表现在集成电路的“集成度”、电路的性能和电路的可靠性不断提高，不断采用新的控制技术使生产成本降低，从而导致了产品的价格不断下降，使集成电路的应用领域也不断扩大。以集成电路的“集成度”为例，几乎每三年即能达到以四倍的速度增长。例如：单位芯片面积的存储器存储位数由1K、4K、16K，很快就达到了K。目前，LSI已发展成VLSI (超大规模集成电路)的规模。从LSI到 VLSI的高速发展，除了工艺技术、设备、原材料等方面的不断改进等原因以外，设计技术手段的进步与革新是其首要的原因。

    设计与开发技术手段革新的主要表现是全面地采用了计算机辅助设计(Computer Aided Design-CAD)技术。

    集成电路的生产发展到今天的VLSI阶段，其电路设计的复杂性、制造工艺的高精度控制要求以及器件特性的高指标，已使在该技术领域从事研发的技术人员不可能只依靠常规的传统经验和简单的递推估算来进行研究、设计和开发工作。而计算机辅助设计手段则成为他们广泛使用和不可缺少的工具。

    通常，LSI的设计和制造过程包括：电路设计、逻辑设计、器件设计、工艺设计、版图设计、掩模制造、管芯制造、封装工序、成品测试等阶段。

采用计算机辅助设计（CAD）手段进行集成电路新产品的设计与开发不仅仅在于可以大大地减轻传统设计工作中的庞大工作量，还在于它大大地缩短了新品开发与设计的周期，提高了各个环节开发与设计的精度及可靠性。更为重要的是，采用CAD技术可以在产品制造之前就进行多种方案的比较、工艺环节及工艺条件的优化与筛选，从而提高了设计的质量。

“微电子时代”的到来是客观现实，是人类社会走向文明与进步的必然。中国已经认定，自2000年开始，加大对微电子产业的投入，这将预示着中国的“微电子时代”即将来临。

 “微电子时代”不是空中楼阁，“微电子时代”是一种科技发展的“状态”，有着充实的实际内涵。讲到这里，我们似乎看到了一幅“微电子时代”的美丽画卷，“山雨欲来风满楼”，我们期待着中国的“微电子时代”尽快达到鼎盛。当我们真切地感觉到置身于“微电子时代”之中时，你会有什么样的感觉呢？尽快地学习与了解微电子集成电路制造技术，拓宽自己的知识面，开阔视野，积累创新的灵感。

2. 课件综述篇-半导体材料的基本特性教学内容辅导教案

• 该部分教学内容的重点：

了解半导体材料（以硅材料为重点）的基本特性，并联系其主要特性在晶体管和集成电路的设计与制造方面的主要应用。

• 该部分教学内容的难点：

   半导体材料的主要特性在晶体管和集成电路的设计与制造方面的主要应用。例如：若干半导体化合物材料的固有特性；半导体材料的单晶体属性与晶体管或集成电路间的关系；半导体单晶体的各向异性特征及其在器件设计与制造等方面应用。

    ★ 学习该部分教学内容的学时：2学时

1   关于半导体材料与半导体器件

    半导体器件是以半导体材料为基本原材料，利用半导体材料的某些特性制造而成的。

    以电阻率（ρ）来度量自然界物质的导电能力：

  A 易于导电的物质-导  体-电阻率范围：1E-6至1E-3 Ω·CM

  B 不易导电的物质-绝缘体-电阻率范围：1E+8至1E+20Ω·CM

  C 介于A与B之间-半导体-电阻率范围：1E-3至1E+8 Ω·CM

2   制造集成电路对半导体材料的基本要求

    关于制造集成电路所使用的衬底材料[Substrate-Sub.]

1. 衬底材料必须是纯净的（仅含所需类型及所需数量的杂质）、晶体结构完美（含有尽可能少的晶体缺陷）的单晶体。
2. 单晶硅片：单面或双面高度平整和光洁（▽13～▽14-属机械行业的表面光洁度的最高标识）；厚度在800至500微米范围内。
3. 晶体的基本形态：单晶形态、多晶形态和非晶形态

单晶形态-单晶体-体内原子呈三维有序排列；

      多晶形态-多晶体由若干晶粒结构而成。

      晶粒-内部原子排列三维有序的最小形式，故可认为晶粒是单晶体的最小形式。所以，多晶体也可认为是由若干微小的单晶体结合而成。

     非晶形态-非晶体-体内原子的排列呈近程有序而远程无序，随其整体也呈无序状态，但不存在间界（晶粒间界）。非晶体的能量状态描述与单晶截然不同，但其突出的光电转换效率和形态的韧性使其在光电起见领域有着广泛的应用。

4. 制造集成电路对半导体材料的指标要求：

确切的导电类型：N型或P型；

一定的电阻率（即特定的杂质含量）；

晶体结晶质量（缺陷面密度<10个/平方厘米）；

确定的晶体取向：<111>；<100>；<110>。

<111>-晶体的晶向指数符号。

     (111)-晶体的晶面指数符号。

★  对该部分教学内容的归纳与总结：

半导体单晶材料的若干属性，如：半导体材料的溶点和所能承受的正常晶体温度直接与其加工工艺的工艺温度及晶体管或集成电路的工作温度有关。硅的氧化衍生物二氧化硅具有俘获若干种杂质元素的作用，正式因为这一点而产生出硅的选择性刻蚀工艺和选择性掺杂工艺。半导体单晶体材料的各向异性特征在选择性腐蚀、晶体的各向异性生长、定向解理等方面具有重要的应用。

3. 课件综述篇-半导体材料的制备教学内容辅导教案

• 该部分教学内容的重点：

半导体材料（以硅材料为重点）的常规制备工艺及制备技术。

• 该部分教学内容的难点：

   半导体材料（以硅材料为重点）的常规制备工艺环节，特别是硅材料的常规提纯技术及提纯工艺。

    ★ 学习该部分教学内容的学时：2学时

      集成电路制造用单晶硅材料的加工制造过程

原料（石英石-SiO2）     粗硅                  四氯化硅

               高温  炭还原           高温氯化

SiO2+2C = Si+2CO         Si+2CL2 = SiCL4

（1600℃～1800℃）    （500℃～700℃氯化）冷凝后为液态

           高