集成电路工艺课件(PPT-105页)

集成电路工艺信息学院电子科学与技术•参考书：•C.Y.Chang,S.M.Sze,“ULSITechnology”•王阳元等,“集成电路工艺原理”•M.Quirk,J.Serda,“半导体制造技术”•成绩计算：•平时成绩（出勤、作业、小测验）20％＋期终考试80％•请假需有辅导员签名！补交作业，抄袭,扣分！！本门课程共分几大块来介绍：一、绪论主要介绍微电子器件工艺的发展历史，集成电路的发展历史及工艺实例。二、硅的晶体结构主要介绍硅晶体的特点，晶向，晶面，缺陷，杂质等等。三、热处理及离子注入氧化，扩散，离子注入工艺四、薄膜工艺物理气相淀积，化学气相淀积，外延工艺五、图形转移工艺光刻与刻蚀六、工艺集成金属化与多层互连，工艺集成七、后工艺，测试减薄，蒸金，划片，烧结，键合，封装，测试集成电路工艺分几大块技术：图形转移：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻等刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀掺杂：根据设计的需要，将适量的各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等离子注入：退火扩散：制膜：制作各种材料的薄膜氧化：干氧氧化、湿氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸发、溅射Chap0绪论Chap1硅的晶体结构Chap2氧化Chap3扩散工艺Chap4离子注入工艺Chap5物理气相沉积Chap6化学气相淀积Chap7外延Chap8光刻与刻蚀工艺Chap9金属化与多层互连Chap10工艺集成Chap11后工艺Chap12器件的可靠性测试集成电路制备主要工艺及设备1.晶片制备2.前道工艺3.后道工艺1.晶片制备1.1单晶拉伸：在适当的温度下，将特制的籽晶与熔化于坩埚内的高纯多晶材料相接触，在籽晶与坩埚相对旋转的同时，按一定速度向上提拉籽晶，使熔体不断沿籽晶晶向结晶，直接拉制成单晶。相关设备单晶炉1.2切片：将半导体单晶按所需晶向切割成指定厚度的薄片相关设备内圆切片机多刀切割机1.3倒角：由于刚切下来的晶片外边缘很锋利，硅单晶又是脆性材料，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏晶片表面光洁和对后工序带来污染颗粒，必须用专用的设备自动修整晶片边缘形状和外径尺寸。相关设备倒角机1.4抛光：利用抛光剂对研磨后的晶片进行物理、化学的表面加工，以获取无晶格损伤的高洁净度、高平整度的镜面晶片。相关设备单/双面抛光机单/多头抛光机1.5清洗：合理的清洗是保证硅片表面质量的重要条件。在晶片制备过程中需要多次清洗，以去除残留在晶片表面或边缘的废屑等。相关设备清洗机冲洗甩干机2.前道工艺2.1外延：在单晶衬底晶片上生长一层具有与基片不同电子特性的薄硅层。相关设备外延炉2.2氧化：在高温下，氧和水蒸气跟硅表面起化学作用，形成薄厚均匀的硅氧化层。相关设备氧化炉2.3化学汽相淀积（CVD）：使一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积所需固体薄膜。相关设备CVD设备2.4溅射：正离子受强电场加速，形成高能量的离子流轰击靶材，当离子的动能超过靶原子的结合能时，靶表面的原子就脱离表面，溅射到对面的阳极上，淀积成薄膜。相关设备溅射台2.5光刻：将掩模图形转印到涂有光刻胶的衬底晶片上。对准和曝光是光刻工艺中最关键的工序相关设备接触/接近式曝光机分步投影曝光机2.6刻蚀：活性气体可使曝光区，在晶片表面建立几何图形。相关设备刻蚀机2.7离子注入：先使待掺杂的原子电离，再加速到一定能量使之“注入”到晶体中，经过退火使杂质激活，达到掺杂目的。相关设备离子注入机3.后道工艺3.1探针测试：对晶圆上的每个电路进行电性能测试及特性测试。相关设备探针测试台3.2划片：将具有集成电路管芯的圆片用金刚砂刃具、激光束等方法分割成单独的管芯以便封装。相关设备砂轮划片机3.3粘片：把集成电路芯片用银浆、银玻璃、低温焊料或共晶焊料装配到塑料封装的引线框架或陶瓷封装外壳底座上。相关设备粘片机3.4引线键合：用金引线把集成电路管芯上的压焊点与外壳或引线框架上的外引线内引出端通过键合连接起来。相关设备引线键合机3.5封装：密封组件用作机械和外界保护。为保证封装质量，管壳必须具有良好的气密性、足够的机械强度、良好的电气性能和热性能。相关设备塑封压机切筋打弯机打标机3.6终测：又叫成品测试，目的是确保IC能满足最低电气规范化要求，并按不同要求分类，统计出分类结果和不同参数分布，供质量和生产部门参考。相关设备数字集成电路测试系Chap0绪论•微电子科学是在固体物理、微电子器件工艺和电子学三者的基础上发展起来的一门新的学科。近几年来，它发展迅速，主要归功于微电子器件工艺（即半导体工艺）的迅速发展。大规模集成电路和超大规模集成电路的诞生和发展,是微电子器件发展的里程碑。0．1微电子器件工艺的发展历史•大致分为三个阶段：•1.生长法：•在20世纪30、40年代，经过对半导体材料的性质及特点的深入研究和长时间的实践和探索，开始利用锗、硅晶体制造P-N结。刚开始方法较为原始，它是在拉制锗、硅单晶体的过程中实现的。以锗单晶为例，由于熔化的晶体的导电类型为N型（或P型），在拉制过程中，某一时刻突然改变掺杂浓度，如放入某种受主杂质（或施主杂质），这样已拉制好的单晶，先头部分为N型（或P型），而后一部分就成为P型(或N型),然后将锗单晶切成小片,在P型和N型交界面处就形成了一个P-N结,这就是晶体二极管。生长结晶体管•2.合金法：•到了20世纪50年代，采用合金法制造PN结。它是将一个受主杂质（施主杂质）的小球，放在一块N型（P型）锗晶片上，然后，将它们一起放在高温下加热，使小球熔化，以合金方式浸入到锗晶体中，当晶片完全冷却后，小球上制成了合金二极管或合金三极管。•3.扩散法：•上述两种制备PN结的方法，虽然工艺十分简单，但是基区很难制的很薄,直接影响了晶体管的特性。因此，经过探索研究，找到了一种更好的方法，这就是扩散法。用这种方法可以把基区制得十分薄，而且电阻率可以不均匀，这样晶体管的电学特性就大大提高了。扩散法是在硅平面工艺基础上发展起来的。合金结晶体管扩散平面工艺发明人：JeanHoerni－－Fairchild1958-1960:氧化p－n结隔离Al的蒸发……扩散光刻氧化掩蔽平面工艺基本光刻步骤光刻胶掩膜版应用平面工艺可以实现多个器件的集成•因为在硅片上用热生长氧化法能生长出具有优良电绝缘性能，又能掩蔽杂质扩散的二氧化硅层。此后，光刻技术，薄膜蒸发技术又先后被引进到半导体器件制造中来。这样，氧化、扩散、光刻、外延等技术相结合，导致硅平面工艺技术突飞猛进的发展。用扩散法制造的硅晶体管，其频率、功率、饱和压降和表面噪声等性能以及器件的稳定性、可靠性，大大超过了锗器件，这为集成电路制造技术奠定了基础。•把电路所需要的晶体管、二极管、电阻器和电容器等元件用一定工艺方式制作在一小块硅片、玻璃或陶瓷衬底上，再用适当的工艺进行互连，然后封装在一个管壳内，使整个电路的体积大大缩小，引出线和焊接点的数目也大为减少。集成的设想出现在50年代末和60年代初，是采用硅平面技术和薄膜与厚膜技术来实现的。•电子集成技术按工艺方法分为以硅平面工艺为基础的单片集成电路、以薄膜技术为基础的薄膜集成电路和以丝网印刷技术为基础的厚膜集成电路。比较•单片集成电路和薄膜与厚膜集成电路这三种工艺方式各有特点，可以互相补充。通用电路和标准电路的数量大，可采用单片集成电路。需要量少的或是非标准电路，一般选用混合工艺方式，也就是采用标准化的单片集成电路，加上有源和无源元件的混合集成电路。•厚膜、薄膜集成电路在某些应用中是互相交叉的。厚膜工艺所用工艺设备比较简易，电路设计灵生产周期短，散热良好，所以在高压、大功率和无源元件公差要求不太苛刻的电路中使用较为广泛。另外，由于厚膜电路在工艺制造上容易实现多层布线，在超出单片集成电路能力所及的较复杂的应用方面，可将大规模集成电路芯片组装成超大规模集成电路，也可将单功能或多功能单片集成电路芯片组装成多功能的部件甚至小的整机。•单片集成电路除向更高集成度发展外，也正在向着大功率、线性、高频电路和模拟电路方面发展。不过,在微波集成电路、较大功率集成电路方面，薄膜、厚膜混合集成电路还具有优越性。在具体的选用上，往往将各类单片集成电路和厚膜、薄膜集成工艺结合在一起，特别如精密电阻网络和阻容网络基片粘贴于由厚膜电阻和导带组装成的基片上，装成一个复杂的完整的电路。必要时甚至可配接上个别超小型元件，组成部件或整机。0．2集成电路的发展历史•随着硅平面工艺技术的不断完善和发展，到1958年，诞生了第一块集成电路，也就是小规模集成电路（SSI）；到了20世纪60年代中期，出现了中规模集成电路(MSI)；20世纪70年代前期又出现了大规模集成电路（LSI）；20世纪70年代后期又出现了超大规模集成电路（VLSI）；到了20世纪90年代就出现了特大规模集成电路（ULSI）。可以说集成电路的集成度几乎以每年翻一番的速度高速发展。•SSI(小型集成电路)，晶体管数10~100，门数10•MSI(中型集成电路)，晶体管数100~1,000，10门数100•LSI(大规模集成电路)，晶体管数1,000~100,000，门数100•VLSI(超大规模集成电路)，晶体管数100,000~1,000,000•ULSI(特大规模集成电路)，晶体管数1,000,000•GSI(极大规模集成电路)，晶体管数109•SoC－－system-on-a-chip/SIP－－systeminpackagingVLSI•集成电路的制作可以分成三个阶段：①硅晶圆片的制作；②集成电路的制作；③集成电路的封装。目前，硅晶圆片（wafer）是以8in（直径200mm）为主，集成电路的设计与制造的最小线宽约为0.25~0.18μm。平均而言，每一个8in硅晶圆片上要制作200-300个芯片面积在2cm2左右的集成电路。•集成电路的制造工艺流程十分复杂，而且不同的种类、不同的功能、不同的结构的集成电路，其制造的工艺流程也不相同。人们通常以最小线宽（或称特征尺寸）、硅晶圆片的直径和动态随机存储器的容量，来评价集成电路制造工艺的发展水平。•在表0-1中列出了从1995年到2010年集成电路的发展情况和展望。年代199519982001200420072010特征尺寸/μm0.350.250.180.130.100.07DRAM容量/bit64M256M1G4G16G64G微处理器尺寸/mm2250300360430520620DRAM尺寸/mm21902804206409601400逻辑电路晶体管密度（晶体管数）/个4M7M13M25M50M90M高速缓冲器（bit/cm2）2M6M20M50M100M300M最大硅晶圆片直径/mm200200300300400400等比例缩小原则Scalingdown由欧洲电子器件制造协会（EECA）、欧洲半导体工业协会（ESIA）、日本电子和信息技术工业协会（JEITA）、韩国半导体工业协会（KSIA）、台湾半导体工业协会（TSIA）和半导体工业协会（SIA）合作完成。•器件尺寸下降，芯片尺寸增加•互连层数增加•掩膜版数量增加•工作电压下降ITRS—InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors预言硅主导的IC技术蓝图器件几何尺寸：Lg，Wg，tox，xj→×1/k衬底掺杂浓度N→×k电压Vdd→×1/k⇒器件速度→×k芯片密度→×k2器件的等比例缩小原则Constant-fieldScaling-downPrinciplek≈1.4•集成电路的技术发展趋势，是向较大的硅圆晶片及较小的特征尺寸方向发展。这样，可以在其体积不变的情况下，不断增强集成电路的功能，降低使用的成本。但从另一方面看，为了减小特征尺寸，在工艺及设备上的研究和制造方面所花费的成本，也越来越高。一般讲要制造一个可制造的64MBDRAM的生产线，需要投资