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Manufacturing

Technology

半導體制造技術陳芳機電工程學院第1章

半導體工業1.1

制造業分類

制造業傳統的機械制造業

*18世紀末開始，蒸汽機為代表，制造業形成

*20世紀中期，精密制造（微米級）半導體制造業

*20世紀中期開始迅速發展的一個產業

*二極管、三極管、集成電路IC（多個）、大規模集成電路LSI（萬個）、超大規模集成電路VLSI（百萬個）、甚大規模集成電路ULSI（超過百萬）

*信息產業的支柱，與傳統機械制造業已經平分秋色

*衡量一個國家經濟的基礎數據：生產使用硅片數

*政府已成立：工業和信息化部第1章

半導體工業1.2半導體制造技術是信息技術的基礎

半導體制造：將半導體圓形單晶薄片-硅片經諸多工藝過程加工成芯片的過程這些芯片作為核心器件安裝在各種設備、儀器儀表、家電、飛機、汽車等任何現代產品中2010年全球芯片銷售額達2983億美元，相關產值更是數額巨大芯片為信息化、智能化提供硬件平臺第1章

半導體工業1.2半導體制造技術是信息技術的基礎

第1章

半導體工業1.3幾個基本概念

固態半導體：固態硅或鍺半導體晶體

1947年貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓發明固體鍺晶體管，1956年獲諾貝爾物理獎N型半導體材料：也稱為電子型半導體，即自由電子濃度遠大于空穴濃度的雜質半導體。

在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷、砷等）,使之取代晶格中硅原子的位置，形成了N型半導體。(帶負電的電子作載流子)P型半導體材料：也稱為空穴型半導體，即空穴濃度遠大于自由電子濃度的雜質半導體。

在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位子，就形成P型半導體。(帶正電的空穴作載流子)第1章

半導體工業1.4集成電路發展歷程

集成電路：將多個電子元件集成在一個硅襯底上的電路。第1章

半導體工業1.4集成電路發展歷程

隨著技術的進步，集成電路總體發展趨勢是：1）集成度不斷提高2）運算速度不斷增快3）價格更加低廉可以總結為（更小更快更低廉）第1章

半導體工業1.5集成電路的制造步驟

包括5個獨立的制造階段①硅片制備將硅從沙中提煉出來，煉成適當直徑的硅錠，然后切割成薄硅片②硅片制造經過各種清洗、成膜、光刻、刻蝕和摻雜等工藝，在硅片上刻蝕成永久的一套集成電路③硅片測試/揀選對單個芯片進行探測和電學測試，對有缺陷的芯片作標記④裝配與封裝將芯片與硅片分離，利用壓焊或抽空形成裝配包，密封在塑料或陶瓷殼內，最后根據需要封裝⑥終測對每一片集成電路進行功能測試第1章

半導體工業1.5集成電路的制造步驟

第1章

半導體工業1.5集成電路的制造步驟

第1章

半導體工業1.5集成電路的制造步驟

3.硅片測試/揀選探測、測試硅片上的每一個芯片，剔除缺陷芯片第1章

半導體工業1.5集成電路的制造步驟

4.裝配與封裝切割芯片并進行壓焊與包封第1章

半導體工業1.5集成電路的制造步驟

5.終測進行電學和環境測試第1章

半導體工業1.6半導體制造技術的發展趨勢

半導體制造的三個趨勢：

提高芯片性能提高芯片可靠性降低芯片成本解決途徑在單位尺寸的芯片上制造更多的元器件，這樣可以加大存儲量、提高速度、降低功耗和成本（摩爾定律）引入新的制造技術和裝備（18-24個月一項重大新技術）

第1章

半導體工業1.6半導體制造技術的發展趨勢1.6.1提高芯片性能1》關鍵尺寸不斷縮小

關鍵尺寸

指芯片上的最小物理尺寸，它的大小反映制造水平的高低CD一直在縮小，有時也叫它“技術節點”CD縮小可以提高芯片性能芯片上尺寸減小時是按比例進行的，不可能僅單一地減少某一特征尺寸

198819921995199719992001200220052008CDum1.00.50.350.250.180.150.130.100.04第1章

半導體工業1.6半導體制造技術的發展趨勢1.6.1提高芯片性能1》關鍵尺寸不斷縮小

第1章

半導體工業1.6半導體制造技術的發展趨勢1.6.1提高芯片性能2》增加每塊芯片上元件的數量

增加每塊芯片上的元件數量在單位尺寸的芯片上制造更多的元器件，這樣可以加大存儲量、提高速度、降低功耗和成本摩爾定律摩爾在1965年文章中指出，芯片中的晶體管和電阻器的數量每年會翻番，原因是工程師可以不斷縮小晶體管的體積。這就意味著，半導體的性能與容量將以指數級增長，并且這種增長趨勢將繼續延續下去。1975年，摩爾又修正了這一定律，他認為，每隔24個月，晶體管的數量將翻番。

這篇文章發表的時候，芯片上的元件大約只有60個，而現在，英特爾最新的Itanium芯片上已經有17億個硅晶體管。

1997199920012003200520072009元件數106102040802006001700第1章

半導體工業1.6半導體制造技術的發展趨勢1.6.1提高芯片性能2》增加每塊芯片上元件的數量

第1章

半導體工業1.6半導體制造技術的發展趨勢1.6.2

降低芯片功耗通過元器件的微小化來降低功耗盡管每塊芯片的元件數量迅速增加，但每片芯片的功耗卻以低得多速率增長第1章

半導體工業1.6半導體制造技術的發展趨勢1.6.3降低芯片價格

與芯片尺寸的減小趨勢一致原因1：尺寸減小和批量生產原因2：產品市場的迅速擴大第1章

半導體工業1.7電子時代的歷程1.7.1晶體管時代（20世紀50年代）1947年，第一個鍺晶體管，貝爾實驗室1954年硅晶體管，德州儀器公司1958年第一個集成電路問世德州儀器/仙童公司制造商增加,尋求解決基本工藝的時代。1961年仙童公司；1968年英特爾公司1969年先進器件(AMD)公司，IBM和HP也加入這一行列

1.7.2工藝時代（20世紀60年代）

1.7.3競爭時代（20世紀70年代）按批加工的手工工藝（成品率5%-30%）專用設備出現1977年半導體行業協會（SIA）成立，標準誕生日本變為半導體制造強國，1979年占全球40%第1章

半導體工業1.7電子時代的歷程1.7.4自動化時代（20世紀80年代）PC機的出現使芯片的需求迅速增大面對日本的壓力，美國以國防部牽頭，成立美國半導體制造技術戰略聯盟（SEMATECH），目標是開發制造設備和制定行業規范，1999年改為InternationalSEMATECH（國際半導體制造技術戰略聯盟）造設備實現了自動化，此時建一個制造廠已需10億美元

1.7.5批量生產時代（20世紀90年代）CD進入亞微米尺度CD=0.1um工藝增加到450多道芯片多層互連（可達8層）生產高度自動化（全部隔離、遙控）第1章

半導體工業1.7電子時代的歷程1.7.6大規模批量生產時代（2000--）市場需求迅速加大，除PC機外，手機、家電、嵌入式儀器儀表等迅速增加納米時代：CD=40nm國際合作迅速極強，臺灣、韓國異軍突起，中國加入行業競爭隊伍第1章

半導體工業1.8半導體制造業中的從業職業硅片制造技師：操作制造設備，基本設備維護和故障查詢設備技師：查詢設備故障并維護，需要專門進行培訓設備工程師：專門從事設備設計、改造工藝技師：查詢工藝過程參數，并進行初步分析，擅長溝通表述，數學及分析能力好工藝工程師：分析工藝參數并進行優化現場服務代表：設備制造廠常駐技術人員，安裝、診斷、保證設備的運行實驗室技師：開發新工藝并實驗質量分析師：缺陷分析主管/經理：生產運行，組織第1章

半導體工業1.8半導體制造業中的從業職業第1章

半導體工業1.8半導體制造業中的從業職業生產流程與生產周期第1章

半導體工業習題制造業是如何分類的？為何說半導體制造技術是信息產業的技術基礎？何謂N型和P型半導體？什么是硅片?它是如何加工的？簡述“集成電路”及其發展過程簡述集成電路的5個制造步驟半導體制造技術的發展趨勢是什么？簡述電子時代的發展歷程說出半導體制造業中的幾個職業第2章

半導體材料特性2.1原子結構、能帶理論、離子鍵和共價鍵2.1.1原子結構原子由電子、質子和中子組成電子：帶負電，繞核沿固定軌道旋轉各個電子包含K-Q的7個不同殼層的軌道，每殼層的軌道能量不同，即具有不同的電子能級最外部層叫做價電子層，位于價電子層的電子叫價電子，具有最高能級狀態，價電子層最多允許8個電子，1個最易失去，7個最易獲得。質子：帶正電，位于核內，與電子數量相等中子：不帶電，位于核內，使原子的質量不同第2章

半導體材料特性2.1.1原子結構1個價電子的鈉原子最易失去價電子7個價電子的氯原子最易獲得價電子第2章

半導體材料特性2.1.2固體能帶理論價帶與導帶之間存在一個禁帶寬度。禁帶寬度為失去電子所需的能量絕緣體：禁帶寬度具有較高能級，通常大于2eV，所以電子從價帶移動到導帶很困難。導體：禁帶寬度具有很小能級，基本交疊。半導體：禁帶寬度介于導體與絕緣體之間，硅：1.11eV第2章

半導體材料特性2.1.3離子鍵和共價鍵離子：當一個原子失去或獲得1個或多個電子時叫作離子失去電子時帶正電，叫作陽（正）離子得到電子時帶負電，叫作陰（負）離子價電子從一個原子轉移到另一個原子時，形成離子鍵，不穩定的元素容易形成離子鍵鈉（Na）價層具有1個原子，具有高腐蝕性。氯（Cl）價層具有7個原子，也不穩定。它與鈉具有親和力，易形成離子鍵。氧化：失去電子還原：得到電子第2章

半導體材料特性2.1.3離子鍵和共價鍵

共價鍵：不同元素的原子共有價層電子，通過共有電子完全填充各自價層而變得穩定，形成共價鍵如HCl，由氫H和氯Cl原子形成共價鍵組成與離子鍵不同的是兩個原子要分享共價電子第2章

半導體材料特性2.2材料分類根據材料的導電特性，材料可以分為導體、絕緣體和半導體2.2.1導體導體：高電流傳導能力銅Cu有29個電子，只有一個價電子，且距離原子核相對較遠，所以是一種優質導體第2章

半導體材料特性2.2.2絕緣體絕緣體：非常低的電流傳導能力，也叫電介質。如橡膠、玻璃、陶瓷和塑料等通常用電容和介電常數來表征絕緣體的電學性能第2章

半導體材料特性2.2.3半導體半導體電流傳導能力介于導體和絕緣體之間，如硅和鍺等，目前硅占絕對統治地位。硅硅有4個價電子，數目正好在優質導體（1個）和絕緣體（8個）之間它是一種硬脆性材料，與玻璃相似，可以拋光成鏡面。熔點1412

oC鍺是最先使用的半導體材料,但因為硅具有以下優點:含量豐富,第二位,占地殼成分的25%熔點遠高于鍺(937

oC),這允許使用一些高溫工藝進行加工元器件工作溫度可以更高表面具有自然生成氧化硅SiO2的能力,SiO2是很好的絕緣體,且具有與硅類似的機械性質、允許高溫能力，不易使硅片產生翹曲。第2章

半導體材料特性2.2.3半導體半導體電流傳導能力介于導體和絕緣體之間，如硅和鍺等，目前硅占絕對統治地位。硅硅有4個價電子，數目正好在優質導體（1個）和絕緣體（8個）之間它是一種硬脆性材料，與玻璃相似，可以拋光成鏡面。熔點1412

oC鍺是最先使用的半導體材料,但因為硅具有以下優點:含量豐富,第二位,占地殼成分的25%熔點遠高于鍺(937

oC),這允許使用一些高溫工藝進行加工元器件工作溫度可以更高表面具有自然生成氧化硅SiO2的能力,SiO2是很好的絕緣體,且具有與硅類似的機械性質、允許高溫能力，不易使硅片產生翹曲。第2章

半導體材料特性2.3硅2.3.1純硅純硅：沒有雜質或其它物質污染的本征硅，它的原子通過共價鍵共享電子結合在一起，使價電子層完全填充。純硅是絕緣體，不是可用的半導體。多個原子整齊排列形成三維結構——晶體。是光滑、透明的固體，如玻璃。純硅也是晶體。同族元素各層電子數目：（2、8、18、32、32、10、2）碳：2、4硅：2、8、4鍺：2、8、18、4錫：2、8、18、18、4鉛：2、8、18、32、18、4第2章

半導體材料特性2.3硅2.3.2摻雜硅摻雜硅：在純硅中摻雜少許其它元素物質，成摻雜劑或雜質。本征硅的結構發生變化，導電性顯著加強。（摻雜硅也叫非本征硅純硅電阻率2.5×105Ωcm摻雜百萬分之一的砷，電阻率0.2Ωcm*控制摻雜的濃度可以控制半導體材料的電阻率。*向本征硅中摻入雜質，改變其導電性是固體半導體技術的本質問題*摻雜劑材料：硅位于元素周期表的IVA族，有4個價電子。其相鄰2族IIIA和VA元素具有3個和5個價電子，是常用的摻雜材料。》3價摻雜增加了空穴數（正摻雜，P型），摻雜劑叫受主（得到一個電子）》5價摻雜增加了電子數（負摻雜，N型），摻雜劑叫施主（貢獻一個電子）第2章

半導體材料特性2.3硅2.3.2摻雜硅第2章

半導體材料特性2.3硅2.3.2摻雜硅N型硅導電電子多于價帶空穴，摻入了5價摻雜劑第2章

半導體材料特性2.3硅2.3.2摻雜硅P型硅導電空穴多于價帶電子，摻入了3價摻雜劑第2章

半導體材料特性2.3