1、課題序號1授課班級075電子1、2授課課時4授課形式講授授課章節(jié)名稱主題1、初識半導(dǎo)體制造工藝使用教具多媒體教學(xué)目的1 了解基本半導(dǎo)體元器件結(jié)構(gòu)2 了解半導(dǎo)體器件工藝的發(fā)展歷史3 了解集成電路制造階段4 了解半導(dǎo)體制造企業(yè)5 了解基本的半導(dǎo)體材料6 熟悉半導(dǎo)體制造中使用的化學(xué)品7 熟悉芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境教學(xué)重點(diǎn)集成電路制造階段、半導(dǎo)體制造中使用的化學(xué)品、芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境教學(xué)難點(diǎn)基本半導(dǎo)體元器件結(jié)構(gòu)更新、補(bǔ)充、刪節(jié)內(nèi)容無課外作業(yè)1-11-19教學(xué)后記授課主要內(nèi)容或板書設(shè)計1.1引言1.2基本半導(dǎo)體元器件結(jié)構(gòu)1.3半導(dǎo)體器件工藝的發(fā)展歷史1.4 集成電路制造階段1.5半導(dǎo)體制造企業(yè)1.6基本的半

2、導(dǎo)體材料1.7半導(dǎo)體制造中使用的化學(xué)品1.8芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境課 堂 教 學(xué) 安 排教學(xué)過程主 要 教 學(xué) 內(nèi) 容 及 步 驟1.1引言圖1-1集成電路組成的抽象結(jié)構(gòu)圖圖1-2典型的半導(dǎo)體芯片的制造流程1.2 基本半導(dǎo)體元器件結(jié)構(gòu)圖1-3由二極管、MOS場效應(yīng)晶體管和電阻組成的SRAM電路圖無源元件結(jié)構(gòu)1. 集成電路電阻的結(jié)構(gòu)圖1-4集成電路中電阻的結(jié)構(gòu)圖1-5利用基區(qū)、發(fā)射區(qū)擴(kuò)散形成電阻的結(jié)構(gòu)圖1-6外延層電阻結(jié)構(gòu)圖1-7MOS集成電路中的多晶硅電阻2.集成電路電容結(jié)構(gòu)圖1-8集成電路中電容的結(jié)構(gòu)圖1-9PN結(jié)電容結(jié)構(gòu)圖1-10MOS場效應(yīng)晶體管電容結(jié)構(gòu)有源器件結(jié)構(gòu)有源器件，如二極管和晶體管

3、與無源元件在電子控制方式上有很大差別，可以用于控制電流方向，放大小的信號，構(gòu)成復(fù)雜的電路。這些器件與電源相連時需要確定電極（+或-）。工作時利用了電子和空穴的流動。1.二極管的結(jié)構(gòu)圖1-11集成電路中二極管的基本結(jié)構(gòu)圖1-12集成電路中二極管的結(jié)構(gòu)2.晶體管的結(jié)構(gòu)圖1-13晶體管的基本結(jié)構(gòu)3.場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)圖1-14MOS管的結(jié)構(gòu)圖和示意圖4. CMOS結(jié)構(gòu)圖1-15CMOS反相器電路的電路圖、頂視圖和剖面圖1.3 半導(dǎo)體器件工藝的發(fā)展歷史圖1-16生長型晶體管生長示意圖圖1-17合金結(jié)結(jié)型晶體管示意圖圖1-18臺面型結(jié)型晶體管示意圖圖1-19硅平面結(jié)型晶體管示意圖1.4集成電路制造階段集

4、成電路制造的階段劃分半導(dǎo)體集成電路制造一般包括以下幾大部分：硅片（晶圓）的制備、掩膜版的制作、硅片的制造及元器件封裝，如圖120所示。值得一提的是半導(dǎo)體制造的各個部分并不是由一個工廠來完成的，而是由不同的工廠分別來完成，也就是說硅片制備有專門的制造企業(yè)，制備硅片的企業(yè)并不進(jìn)行硅片的制造，它只為硅片制造廠提供硅片，而硅片制造廠從硅片制備廠買來所需要的硅片，進(jìn)行硅片制造，而制造中所用到的掩膜版也由專門的生產(chǎn)企業(yè)來提供，硅片制造完成的芯片的封裝也不由硅片制造企業(yè)完成，而是由封裝企業(yè)來完成，這樣做可以減少設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。圖1-20半導(dǎo)體芯片的制造框圖硅片制備將硅從沙中提煉并純化，形成半導(dǎo)體級的多晶硅。

5、芯片制造硅片到達(dá)硅片制造廠，經(jīng)過清洗、成膜(氧化、淀積)、光刻、刻蝕和摻雜(擴(kuò)散、離子注入)等主要工藝之后，加工完成的硅片具有永久刻蝕在硅片上的完整的集成電路。圖1-21半導(dǎo)體芯片制造的關(guān)鍵工藝 (3)掩膜版制作掩膜版中包括構(gòu)成芯片的各層圖形結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在最常用的掩膜版技術(shù)是石英玻璃涂敷鉻，在石英玻璃掩膜版表面的鉻層上形成芯片各層結(jié)構(gòu)圖形。(4)裝配與封裝芯片制造完成后，封裝之前芯片要經(jīng)過測試/揀選進(jìn)行單個芯片的電學(xué)測試，揀選出合格芯片和不合格芯片，并作出標(biāo)識，合格芯片包裝在保護(hù)殼體內(nèi)。(5)終測為了確保芯片的功能，要對每個被封裝的集成電路進(jìn)行測試，以保證芯片的電學(xué)和環(huán)境特性參數(shù)滿足要求，即保證發(fā)

6、給用戶的芯片是合格芯片。圖1-22世界上第一塊集成電路集成電路時代劃分表1-1集成電路時代劃分集成電路制造的發(fā)展趨勢電子器件中不論是電子管還是晶體管，一般都具有這樣的特點(diǎn)：隨著它們結(jié)構(gòu)尺寸的縮小，將會使工作速度增加，使功耗降低，其結(jié)果是使速度提高與晶體管的尺寸縮小的同時，集成電路的性能將獲得改善。同時，由于尺寸的減小，有可能容納更多的元器件，從而通過提高集成度，擴(kuò)大功能。就可靠性來考慮，隨著集成規(guī)模的增大，使印制電路板上的焊點(diǎn)數(shù)減少，從而使每個元器件的故障率降低。(1) 提高芯片的性能芯片的性能一般包括兩方面的內(nèi)容，一是芯片的工作速度，二是芯片工作過程中的功耗。1.4 集成電路制造階段表1-2

7、1m以下產(chǎn)業(yè)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)列表(2)提高芯片的可靠性芯片的可靠性主要指芯片壽命。(3)降低芯片的成本半導(dǎo)體芯片的價格一直持續(xù)下降。1.5半導(dǎo)體制造企業(yè)(1)設(shè)計/制造企業(yè)許多企業(yè)都集合了芯片設(shè)計和芯片制造，從芯片的前端設(shè)計到后端加工都在企業(yè)內(nèi)部完成。(2)代工企業(yè) 在芯片制造業(yè)中，有一類特殊的企業(yè)，專門為其他芯片設(shè)計企業(yè)制造芯片，這類企業(yè)稱為晶圓代工廠。1.6基本的半導(dǎo)體材料硅最常見的半導(dǎo)體材料20世紀(jì)50年代初期以前，鍺是半導(dǎo)體工業(yè)應(yīng)用得最普遍的材料之一，但因?yàn)槠浣麕挾容^小（僅為066eV），使得鍺半導(dǎo)體的工作溫度僅能達(dá)到90（因?yàn)樵诟邷貢r，漏電流相當(dāng)高）。鍺的另一個嚴(yán)重缺點(diǎn)是無法在其表面形成

8、一穩(wěn)定的且對摻雜雜質(zhì)呈鈍化性的氧化層，如二氧化鍺（GeO2）為水溶性，且會在800左右的溫度自然分解。相比而言，硅的禁帶寬度較大（112eV），硅半導(dǎo)體的工作溫度可以高達(dá)200。硅片表面可以氧化出穩(wěn)定且對摻雜雜質(zhì)有極好阻擋作用的氧化層（SiO2），這個特性使得硅在半導(dǎo)體的應(yīng)用上遠(yuǎn)優(yōu)于鍺，因?yàn)檠趸瘜涌梢员挥迷诨镜募呻娐方Y(jié)構(gòu)中。1980年以后半導(dǎo)體界曾對GaAs的應(yīng)用產(chǎn)生極高的期待，這是因?yàn)镚aAs具有更高的電子遷移率，而且具有直接禁帶寬度，但因?yàn)楦咂焚|(zhì)及大尺寸的GaAs不易獲得，所以終究無法取代硅單晶材料在半導(dǎo)體業(yè)的地位。(1)硅的豐裕度硅是地球上第二豐富的元素，占到地殼成分的25%，經(jīng)合理

9、加工，硅能夠提純到半導(dǎo)體制造所需的足夠高的純度，而消耗的成本比較低。(2)更高的熔化溫度允許更寬的工藝容限硅的熔點(diǎn)是1412，遠(yuǎn)高于鍺937的熔點(diǎn)，更高的熔點(diǎn)使得硅可以承受高溫工藝。(3)更寬的工作溫度范圍用硅制造的半導(dǎo)體器件可以工作在比鍺制造的半導(dǎo)體器件更寬的溫度范圍，增加了半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍和可靠性。 (4)氧化硅的自然生成硅表面有能夠自然生長氧化硅(SiO2)的能力，SiO2是一種高質(zhì)量、穩(wěn)定的電絕緣材料，而且能充當(dāng)優(yōu)質(zhì)的化學(xué)阻擋層以保護(hù)硅不受外部沾污。圖1-23純硅的Si原子共價鍵示意圖圖1-24硅的電阻率隨摻雜濃度的變化半導(dǎo)體級硅對用來做芯片的硅片要求有很高的純度，還要求其原子級的

10、微缺陷減小到最小，這些缺陷對半導(dǎo)體性能是非常有害的，還要求硅片具有想要的晶向、適量的摻雜濃度。用來做芯片的純硅被稱為半導(dǎo)體級硅，是從天然硅中提煉出的多晶硅。多晶硅經(jīng)過拉單晶制成單晶硅，芯片就是制作在這種很高純度并具有一定的摻雜濃度和一定的晶向的單晶硅硅片上。單晶硅生長半導(dǎo)體級硅是多晶硅，半導(dǎo)體芯片加工需要純凈的單晶硅結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閱尉Ч杈哂兄貜?fù)的晶胞結(jié)構(gòu)，能夠提供制作工藝和器件性能所要求的電學(xué)和機(jī)械性能。晶體缺陷就是在重復(fù)排列的晶胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的任何中斷。晶體缺陷會影響半導(dǎo)體的電學(xué)性能，包括二氧化硅介質(zhì)擊穿和產(chǎn)生漏電流等。隨著器件尺寸的縮小，更多的晶體管集成在一塊芯片上，缺陷出現(xiàn)在芯片敏感區(qū)域的

11、可能性就會增加，這樣就會使IC器件的成品率受到影響。要將多晶硅轉(zhuǎn)換成單晶硅有兩種技術(shù)，它們是直拉法即Czochralski(CZ)法和區(qū)熔法。(1)直拉法直拉法生長單晶硅是將熔化了的半導(dǎo)體級多晶硅變成有正確晶向并被摻雜成N型或P型的固體硅錠。圖1-25CZ法拉單晶爐示意圖1-26用CZ法生長的硅(2)區(qū)熔法區(qū)熔法是另一種單晶生長方法，它所生產(chǎn)的單晶硅中含氧量非常少，能生產(chǎn)目前為止最純的單晶硅。圖1-27區(qū)熔法單晶生長設(shè)備示意圖圖1-28硅片加工制備的基本流程其他半導(dǎo)體材料集成電路的關(guān)鍵性能指標(biāo)是速度。無線和高速數(shù)字通信、空間應(yīng)用和汽車工業(yè)的消費(fèi)市場，正孕育著特殊的半導(dǎo)體市場。市場對集成電路性能

12、的要求超越了硅半導(dǎo)體產(chǎn)品的承受能力，這就推動了其他半導(dǎo)體材料的發(fā)展。1.7半導(dǎo)體制造中使用的化學(xué)品1.液態(tài)化學(xué)品的主要特征及其輸送表1-3半導(dǎo)體制造過程中常用的酸表1-4半導(dǎo)體制造過程中常用的堿表1-5半導(dǎo)體制造過程中常用的溶劑2.氣態(tài)化學(xué)品的主要特征及其輸送圖1-29特種氣體鋼瓶表1-6半導(dǎo)體制造中常用的通用氣體表1-7半導(dǎo)體制造中常用的特種氣體3.等離子體等離子體，又叫做電漿，是被電離后的氣體，即以離子態(tài)形式存在的氣體(正離子和電子組成的混合物 )。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣之外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。在自然界里，火焰、閃電、太陽等都是等離子體。等離子體有以下兩個特點(diǎn)：等離子體呈現(xiàn)出高度不穩(wěn)定態(tài)，有很強(qiáng)的化學(xué)活性。等離子體輔助CVD就是利用了這個特點(diǎn)。 等離子體是一種很好的導(dǎo)電體，利用經(jīng)過設(shè)計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。這兩個特點(diǎn)在后面的工藝中得到很好的利用。等離子體的產(chǎn)生方法有輝光放電 、射頻放電和電暈放電等。1.8芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境凈化間沾污類型凈化間沾污類型可以分為5大類：顆粒、金屬雜質(zhì)、有機(jī)物沾污、自然氧化層和靜電釋放。1.顆粒圖1-30顆粒引起的缺陷2.金屬雜質(zhì)3.有機(jī)物沾污4