集成电路工艺原理
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“集成电路工艺原理” 集成电路工艺原理
复习
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第一章导论
半导体产业
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11 引 言 1.1 引 言
微电子学：Microelectronics－微型电子学
微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构
成的微小型化电路及系统的电子学分支
微电子学：Microelectronics 微型电子学
成的微小型化电路及系统的电子学分支。
电
子
学
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核心：集成电路。 微电子学
11 引 言 1.1 引 言
集成电路：IC Integrated Circuit
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源
件 容等 件 连
集成电路：IC，Integrated Circuit
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 个外壳内 执行特定电路或系统功能 在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。
封装后的
集成电路
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11 特征尺寸
Common IC Features
1.1 特征尺寸
Contact Hole
Line Width Space
关键尺寸(CD)：集成电路中半导体器件能够加工的最小尺寸。
它是衡量集成电路设计和制造水平的重要尺度，关键尺寸越小，
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它是衡量集成电路设计和制造水平的重要尺度，关键尺寸越小，
芯片的集成度越高，速度越快，性能越好
11 特征尺寸 1.1 特征尺寸
关键尺寸(CD)的发展
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11 特征尺寸
晶体管集成数量的发展
1.1 特征尺寸 1971年，Intel的第一个微处理器4004：10微米工艺，仅包含2300多只晶体管；
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2010年，Intel的最新微处理器Core i7：32纳米工艺，包含近20亿只晶体管。
12 摩尔定律
The Moore’s Law－摩尔定律
1.2 摩尔定律
Moore定律是在
1965年由INTEL 公司
的Gd M 提 的Gor don M oore提
出的，其内容是：硅
集成电路按照4年为 集成电路按照年为
一代，每代的芯片集
成度要翻两番、工艺
线宽约缩小30% IC 线宽约缩小30%，IC
工作速度提高1.5倍
等发展规律发展。
主要有以下三种" 版本" ：
1、芯片上所集成的晶体管的数目，每隔18个月就翻一番。
、微处理器的性能每隔 个月提高一倍，而价格下降一倍。
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2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍。
3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。
13 硅片尺寸 1.3 硅片尺寸
硅片尺寸（Wafer Size）的发展
2008年
片尺寸 的发展
2000年
1992年
1987年
年 1981年
1975年
1965年 1965 年
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50mm 100mm 125mm 150mm 200mm 300mm 450mm
2 吋 4 吋 5 吋 6 吋 8 吋 12吋 18吋
14 半导体产业发展趋势 1.4 半导体产业发展趋势
SiP＋3D集成
融合
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ITRS国际半导体技术蓝图
1 4 More Moore 1.4 More Moore
“More Moore”－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 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
与此关联的3D结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影
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关 结构改善等非几何学 技术 新材料 用来
响晶圆的电性能。
1 4 More Moore
More Moore
1.4 More Moore
High-K材料：高介电常数，取代SiO
2作栅介质，降低漏电。
Hig h-K 材料相对介电常数为25左右，甚至可以到37。
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g
Low-K 材料：低介电常数，减少铜互连导线间的电容，提
高信号速度。Low-K材料相对介电常数在3 左右。
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ITRS国际半导体技术蓝图
1 4 More Than Moore 1.4 More Than Moore
More
Than
Moore
功能多样化的“More Than Moore”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
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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。
1 4 More Than Moore 1.4 More Than Moore
功率系统集成芯片
(Power SoC or SiP )
功率器件
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15 集成电路IC 企业划分
◎ 集成电路IC企业大致上可分为以下几类
1.5 集成电路IC 企业划分
通用电路生产厂，典型—生产存储器和CPU；
集成器件制造商(IDM- 集成器件制造商(IDMIntegrated
Device Manufactory
Co.) ，从晶圆之设计、制造到以自有品牌行销全球
皆一手包办，如Intel，Mortorola；
厂，标准工艺加工厂或称专业代工厂商，
如TSMC 、SMIC ；
：IC 设计公司，只设计不生产。如AMD；
：既不生产也不设计芯片，而是设计IP内
核 授权给半 体公 使 如 核，授权给半导体公司使用。如RAM（Advanced RISC Machines ）；
轻晶片厂 有少量晶圆制造厂的IC公司
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：轻晶片厂，有少量晶圆制造厂的IC公司。
第二章
硅和硅片的制备
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21 半导体级硅 2.1 半导体级硅
SiHCl
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Polycrystalline
silicon rod 多晶硅棒
西门子工艺提纯的
材料有很高纯度：
silicon rod 多晶硅棒
99.% (共9 个9) ；
没有按照希望的晶体
顺序排列原子 还不 顺序排列原子，还不
能直接使用。
SGS 的西门子反应器
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SGS 的西门子反应器
22晶体结构－多晶和单晶结构 2.2 晶体结构 多晶和单晶结构
多晶结构 单晶结构 多晶结构
Polycrystalline structure
单晶结构
Monocrystalline structure
单晶硅结构：晶胞重复的单晶结构能够制作工艺和器
件特性所要求的电学和机械性能。糟糕的晶体结构
和缺陷会导致微缺陷的形成 并将影响晶片制备
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和缺陷会导致微缺陷的形成，并将影响晶片制备
23 单晶硅生长－CZ法 2.3 单晶硅生长 CZ法
CZ法( Czochralski 切克劳斯基） 法( 切克劳斯
法生长单晶硅把熔化的半导体级硅液体变
成有正确晶向并且被掺杂成n 或p 型的固体硅锭；
以上的单晶硅是采用CZ法生长； 以 的单晶 是采用 法长；
籽晶为所需晶向的单晶硅。
CZ法生长的硅锭
Silicon Ingot Grown
by CZ Method
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23 单晶硅生长－CZ单晶炉 2.3 单晶硅生长 CZ单晶炉
Crystal puller and Crystal seed
籽晶
Crystal puller and
rotation mechanism
单晶拉伸与转动机械
Single crystal silicon
Molten polysilicon
熔融多晶硅
Single crystal silicon
单晶硅
Heat shield
热屏蔽
Quartz crucible
石英坩锅
Carbon heating element
拉单晶炉
Water jacket
水套
Carbon heating element
碳加热部件
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CZ拉单晶炉－CZ Crystal Puller
23 单晶硅生长－CZ单晶炉 2.3 单晶硅生长 CZ单晶炉
直拉法目的 实现均匀掺杂和复 直拉法目的：实现均匀掺杂和复
制籽晶结构，得到合适的硅锭直径，
限制杂质引入；
关键参数：拉伸速率和晶体旋转 关键参数：拉伸速率和晶体旋转
速度。
300 mm Si cr y stal puller
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yp
Photograph courtesy of
Kayex Corp.,
24 单晶硅生长－区熔法
区熔法（Float Zone ）晶体生长 气体入口
2.4 单晶硅生长 区熔法
区熔法（Float Zone）晶体生长 气体入口
Gas inlet (inert)
卡盘
Chuck
熔融区
Molten zone
多晶硅（硅）棒
rod
