微电子工艺与装备技术

第1章基础知识 1.1 集成电路产业介绍 1.1.1 基本概念 当今世界的科技与民生离不开信息产业，信息产业离不开集成电路。其中集成电路产业或者说半导体产业已经成为这场技术革命的重心。其主要技术包括半导体材料技术、集成电路设计、半导体制造工艺技术、微电子装备技术。 1. 集成电路产业的概念 集成电路制造工艺非常复杂，需要许多特殊工艺步骤、材料、设备以及供应产业。这个产业中有如表1-1所示的几种基本概念。 表1-1 集成电路产业基本概念 2. 集成电路企业分类 集成电路产业实际上是一个高技术产业。当前比较著名的集成电路企业Logo如图1-1所示。半导体或集成电路企业有如表1-2所示的分类。 图1-1当前比较著名的集成电路企业Logo 表1-2 集成电路企业基本分类 1.1.2 集成电路技术的发展 1. 集成电路的发展趋势 1958年，美国德州仪器(Texas Instruments， TI)公司的Jack St. Clair Kilby所领导的科研组研制出世界上**块双极型平面集成电路。该集成电路包括12个器件，基于锗衬底形成台面双极型晶体管和电阻，器件之间通过超声焊接引线连接。随着1959年该结果的公开，微电子技术以令世人震惊的速度开始发展，推动着整个社会各行各业的不断进步 [6，7]。 1965年，美国Intel公司的前董事长戈登？摩尔(Gordon Moore)提出了集成电路发展速度的推测，即半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年增加一倍 [8]。后人对该预测进行了扩展，即“摩尔定律”(Moore's Law)，也就是集成电路工艺每三年升级一代，集成度翻二番(4倍)，特征尺寸缩小30%[8-10]。 几十年来，世界集成电路的发展一直沿着“摩尔定律”的预测路线发展，集成电路产业经历了小规模、中规模、大规模、超大规模和特大规模集成电路的发展阶段。随着集成电路芯片技术的发展，单块半导体硅晶片上集成的元器件数目越来越多，性能越来越高，而芯片的成本则越来越低。集成电路的功能和速度飞速提高，推动着整个社会各行各业的进步。 如今，集成电路制造工业作为信息技术的核心和物质基础，已经成为国民经济中重要的组成部分。微纳光刻与微纳米加工技术又是集成电路制造工业中关键技术的驱动者，关键技术指标繁多，包括如下几种。 (1)特征尺寸(Critical Dimension)。 (2)均匀性(CD Uniformity)。 (3)套刻对准(Overlay)。 (4)工艺窗口(Process Window)。 (5)产率(Throughput)。 这些技术指标直接决定了集成电路的性能，已经成为衡量半导体制造技术发展程度的重要标准。 集成电路的工艺技术包括光刻、刻蚀、氧化、扩散、掺杂、溅射、化学机械抛光等，涉及数千道工序，工艺非常复杂 [6]。在集成电路制造领域，一个普遍的规律就是“一代设备，一代工艺，一代产品”。随着芯片制造技术的不断推进，芯片的特征尺寸不断缩小，均匀性和产量也不断提升，单晶圆上的芯片数量不断递增。 随着新型器件结构、新材料、新原理器件和工艺集成技术的不断进步，硅基工艺已经形成非常强大的产业能力。集成电路的集成度不断加大，逻辑集成电路的集成度已经达到百万门级，存储器和微处理器集成电路的集成度已经达到亿门级 [6，7]。 由于制造难度的不断增加，近年来，“摩尔定律”的周期已经开始逐渐变长 [11]。集成电路行业在业务和技术领域都面临严峻的挑战与变化，商业环境中的竞争变得越来越激烈。整个集成电路的发展路线如图1-2所示，进行了三次较大变革。为了满足市场需求，降低芯片价格和缩短上市时间对于生存都是至关重要的。而新制造装备系统需要巨额投资，开发下一代工艺技术的巨额成本也使得各公司之间需要共同开发。这迫使许多IDM公司将其商业模式更改为Fabless(没有晶圆制造能力的半导体公司)或Fablite(有少量晶圆制造的轻晶片IC公司)[12]，并通过开发新市场、新产品和新技术来应对这些挑战。 图1-2 集成电路技术的发展路线图 2. 集成电路的发展特点 总体而言，集成电路发展的特点如下。 (1)特征尺寸越来越小。 (2)硅圆片尺寸越来越大。 (3)芯片集成度越来越高。 (4)时钟速度越来越高。 (5)电源电压/单位功耗越来越低。 (6)布线层数输入/输出(I/O)引脚越来越多。 其中，以光刻机产业为根基的ASML公司于2018年9月13日宣称其NXT:2000i符合5nm工艺制程，正开展研究1.5nm工艺制程技术。而以半导体代工产业为根基的台湾积体电路制造股份有限公司的3nm工厂已经通过环评，于2020年开展量产。 在中国境内，集成电路是昀大的进口产品，中国集成电路进口额持续增长，如图1-3所示。2022年，进口金额达4155.8亿美元，出口金额达到了1539亿美元。 图1-3 中国集成电路进口额持续增长 1.1.3 摩尔定律 集成电子学(也称为集成微电子)是一个涉及集成电路和功能器件的设计、制造和使用问题的电子领域。这些技术昀早是在20世纪50年代被演绎出来的，其目的是使电子设备小型化，使其在有限空间内以昀小的重量包含日益复杂的电子功能 [8-10]。1959年，仙童半导体(Fairchild Semiconductor)公司和德州仪器公司分别独自发明了首*集成电路元件。 在泛半导体产业中，将多个电子元器件集成于同一个硅片等半导体材料的衬底上是非常重要的发展步骤和趋势。从Intel 4004芯片上的2300个晶体管开始，Gordon Moore的著名法则一直指导着晶体管不断缩小其在微芯片上的密度。而Gordon Moore关于晶体管技术的未来的理论昀早出现在1965年4月的Electronics上[8]。几年后，由加利福尼亚理工学院教授卡弗？米德(Carver Mead)将其称为“定律”，摩尔定律继而成为一种自行推进与实现的预言，体现出了集成电路的发展在集成电路复杂性上的增长趋势。 之后集成电路发展过程中，陆续发展出了几种方法，包括用于单个元器件、薄膜结构和半导体集成电路的微组装技术。每种方法在后续的发展中，都迅速发展并趋于一致， 因此每种方法都部分地借鉴了另一种技术，这也使得许多研究者认为，未来的发展道路是各种方法的有效结合。 甚大规模集成电路设计和制造集成电路所需技术快速的变化，导致新设备和新工艺不断引入。我们可以大致以集成在一块芯片上的元件数来划分集成时代，如表1-3所示[13]。集成电路技术从粗糙的单晶体管到亿量级晶体管的微处理器和存储芯片的显著发展是一个引人入胜的故事。从1959年**块商用平面晶体管问世后仅六年， Gordon Moore就观察到一个惊人的趋势：每个芯片的元器件数量大约是每年翻一番。 1956年，每个芯片的元器件数量达到约6个组件。Gordon Moore预测到根据这一趋势推算，十年，也就是1975年，拥有65000个组件的芯片将问世。这种对电路密度指数增长的观察已经被证明是目前趋势预测昀好的例子，这就是著名的摩尔定律，如图1-4所示。1975年之后，随着经济形势的放缓， Gordon Moore将增长趋势的预测修改为每两年翻一番 [14]，而Intel公司的首席执行官大卫？豪斯(David House)所预测的是，每18个月会将芯片的性能提高一倍(即更多的晶体管)。尖端芯片生产的工厂成本(EDA软件、相关硬件、 IP采购、芯片验证、流片、人力 )则会每四年翻一倍。 表1-3 集成电路的发展时间表 图1-4 摩尔定律统计图[4] 国际半导体技术蓝图(International Technology Roadmap for Semiconductors， ITRS)的2013年报告预测，至少在2028年以前，晶体管栅长(电流必须在晶体管流过的距离)及其他重要逻辑芯片的尺寸将继续缩小。同时报告预测，继续缩小微处理器中晶体管的尺寸在经济上不可取 ——集成电路将发展垂直结构并建造多层电路。随着集成电路及相关产业技术的不断发展，集成电路产业逐渐构成了一个全面的、端到端的计算生态系统视图，包括设备、组件、系统、体系结构和软件。其中包含以下几方面 [15]。 (1)系统集成：关注如何从设计上在计算机体系架构中整合异构模块。 (2)系统外连接：关注无线技术。 (3)异构集成：如何将不同技术集成为一体。 (4)异构组件：MEMS、传感器等其他系统设备。 (5)非CMOS结构：自旋电子学、忆阻器以及其他不是基于CMOS的设备。 (6)摩尔定律升级(More Moore)：继续关注CMOS元件缩小。 (7)工厂集成：关注新的集成电路生产工具和工艺。 1.2 集成电路行业基本材料 半导体这一名称是由半导体材料(导电能力介于导体与绝缘体之间)而来的。建成具有单一功能的简单芯片昀早使用的半导体材料是锗。按照固体能带中禁带宽度的不同，材料导电能力存在差异，可以把固体材料分为三类：绝缘体(Insulator)、半导体(Semiconductor)、导体(Conductor)(图1-5)。 图1-5 集成电路材料分类 集成电路产业中，我们主要关注元素周期表族号从Ⅰ A到ⅧA各列中出现的主族元素，如图1-6所示。例如， ⅢA，3价电子，掺杂半导体材料的元素(主要为B)，常见互连线(Al等)；ⅣA，4价电子，多为半导体材料，以共价键形式存在，是集成电路产业中的重点开发对象；Ⅴ A，5价电子，掺杂半导体材料元素(主要为P和As)；Ⅷ A，8价电子，稳定，活性极弱，纯气态，可以安全地用在半导体制造方面；ⅠB，昀佳金属导体，如Cu取代Al成为主要半导体互连材料；Ⅳ B～ⅥB，常用于耐高温金属，改善金属化过程(尤其是Ti、W、Mo、Ta和Cr)，和硅反应稳定的化合物具有良好的导电性。