IC基础知识及制造工艺流程

2020/6/6新员工入职培训IC基础知识制造工艺流程&2020/6/61IC基础知识2020/6/62集成电路产业链制版硅片硅片工艺设计封装测试纯水净化设备化学品2020/6/63硅片和芯片2020/6/64目录-最重要的半导体材料－硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2020/6/65目录-最重要的半导体材料－硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2020/6/66绝缘体／半导体／导体－绝缘体电阻率=108-1018-cm石英、玻璃、塑料－半导体电阻率=10-3-108-cm锗、硅、砷化镓、磷化铟－导体电阻率=10-3-10-8-cm金、银、铜、铝2020/6/67周期表中硅及相关元素周期IIIIIIVVVI2B硼C碳N氮3Al铝Si硅P磷4Ga镓Ge锗As砷5In铟Sn锡Sb锑6Pb铅2020/6/68硅的掺杂和电阻率-Ｐ型和Ｎ型硅Ｐ型掺杂元素硼、铝Ｎ型掺杂元素磷、砷、锑-掺杂浓度和电阻率1x1015硼0.00001%10-cm（衬底）1x1016磷0.0001%0.5-cm（外延）1x1018硼0.01%0.05-cm（基区）1x1020磷1%0.0008-cm（发射区）2020/6/69硅片主要技术指标-晶向(111)/(100)-掺杂类型／掺杂剂P/N-电阻率-直径／厚度-平整度/弯曲度／翘曲度-含氧量／含碳量-缺陷（位错密度／层错密度）-表面颗粒2020/6/610目录-最重要的半导体材料－硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2020/6/611构建集成电路的主要半导体器件-PN结／二极管(Diode)-（双极）晶体管（Bipolartransistor)-MOSFET（金属－氧化物－半导体场效应晶体管）ppnnpMOS2020/6/612双极型集成电路(NPN)2020/6/613双极型集成电路(PNP)2020/6/614目录-最重要的半导体材料－硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2020/6/615集成电路基础工艺技术-图形转移工艺光刻刻蚀(Etching)-掺杂工艺热扩散和热氧化离子注入(Ionimplantation)-外延(Epitaxy)-薄膜工艺化学气相淀积(CVD)溅射(Sputtering)2020/6/616IC基础工艺技术图形转移氧化硅光刻胶硅衬底掩膜2020/6/617IC基础工艺(1)－光刻-光刻机分辨率L=k/N光源UV(g:436nmi:365nm)DUV248nm对准精度曝光方式接触／投影1:1/5:1-光刻胶正胶／负胶抗蚀性感光速度分辨率2020/6/618光刻机2020/6/619IC基础工艺(2)－刻蚀•湿法腐蚀SiO2+6HFH2+SiF6+2H2ONH4FNH3+HF有侧向腐蚀问题，难以得到细线条光刻胶光刻胶2020/6/620IC基础工艺(2)－刻蚀•干法刻蚀等离子体F*扩散吸附反应解吸附2020/6/621RIE刻蚀装置(ParallelPlate)RFGasPumpingSystem2020/6/622RIE刻蚀机(AME8330)2020/6/623IC基础工艺(2)－刻蚀被刻膜刻蚀剂SiO2CHF3,C3F8SiCH4/O2,SF6AlSiCL4/Cl2,BCl3/Cl2Si3N4CHF3/O2PhotoresistO22020/6/624IC基础工艺(3)－扩散-扩散方程dC/dt=Dd2C/dx2恒定表面源C(x,t)=Cserf[x/2(Dt)1/2]恒定杂质总量C(x,t)=S/(Dt)1/2exp(-x2/4Dt)-扩散系数依赖于温度和浓度-氧化硅对杂质的掩蔽能力2020/6/625IC基础工艺(3)－扩散1.E+151.E+161.E+171.E+181.E+191.E+2000.20.40.60.81深度(um)杂质浓度(atm/cm3)t1t22020/6/626IC基础工艺(3)－扩散2020/6/627扩散（氧化）炉2020/6/628IC基础工艺(4)-热氧化-硅在氧气或水汽中的热氧化反应Si+O2---SiO2（干氧氧化，适合薄氧化层）Si+2H2O---SiO2+2H2（湿氧氧化，厚氧化层）-氧化生长速率线性率x=B/A(t+)O2抛物线率x2=B(t+)-氧化层质量要求厚度均匀，致密，清洁（无钠离子沾污）SiO2Si2020/6/629IC基础工艺(5)－离子注入-离子注入原理杂质分布投影射程和标准偏差-离子注入掺杂的优点掺杂量可精确控制温度低易得浅结可带胶注入2020/6/630IC基础工艺(5)－离子注入1.E+171.E+181.E+191.E+201.E+2100.20.40.60.8深度(um)浓度(atm/cm3)2020/6/631IC基础工艺(5)－离子注入2020/6/632IC基础工艺(6)－外延SiSiSiSiCl4H2HCl2020/6/633外延炉2020/6/634IC基础工艺(7)－化学气相淀积（CVD）-原理SiH4+O2SiO2+2H2Si(OC2H5)4SiO2+副产物SiH4Si+2H2-LPCVD和PECVD-PSG和BPSG-用途导电层间绝缘层，钝化层2020/6/635CVD系统CVD系统组成：气体源和输气系统质量流控制反应器加热系统2020/6/6362020/6/637IC基础工艺(8)－溅射（金属）基座硅片靶轰击离子Ar+溅射原子2020/6/638IC基础工艺(8)－溅射（金属）-常用金属化材料-铝硅系统优点低电阻率低接触电阻－纯Al－AlSi（防铝尖刺）－AlSiCu（抗电迁移）-合金化-多层布线2020/6/6392020/6/640目录-最重要的半导体材料－硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2020/6/641集成电路技术发展趋势-特征线宽不断变细、集成度不断提高-芯片和硅片面积不断增大-数字电路速度不断提高-结构复杂化、功能多元化2020/6/642IC技术发展趋势(1)特征线宽随年代缩小0.111019701973197519791982198519871991199319972001YEARum2020/6/643IC技术发展趋势(2)硅片大直径化直径mm(inch)75(3)100(4)125(5)150(6)200(8)300(12)引入年代1972197519771984199019972020/6/644IC技术发展趋势(3)CPU运算能力年代CPU型号运算能力(MIPS)19822861198838681991486201995Pentium1001996Pentium-22501998Pentium-38002001Pentium-420002020/6/645IC技术发展趋势(4)结构复杂化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMOSBCD2020/6/646IC制造工艺流程2020/6/647双极型集成电路工艺流程(1)埋层-埋层光刻－埋层注入Sb+P(111)Sub10-20-cm2020/6/648双极型集成电路工艺流程(1)埋层-埋层扩散P衬底N+埋层2020/6/6492020/6/650双极型集成电路工艺流程(2)外延PSubN-EpiN+埋层2020/6/651双极型集成电路工艺流程(3)隔离隔离光刻－隔离注入PSubN-EpiN+2020/6/652双极型集成电路工艺流程(3)隔离-隔离扩散N-EpiN+P+P+2020/6/653双极型集成电路工艺流程(3)隔离2020/6/654双极型集成电路工艺流程(4)基区-基区光刻－硼离子注入－基区扩散N埋层P+P+基区2020/6/655双极型集成电路工艺流程(5)发射区发射区光刻－磷离子注入－发射区扩散N+P+P+pN+N+2020/6/656双极型集成电路工艺流程(6)接触孔-接触孔光刻－接触孔腐蚀N+P+P+pN+N+2020/6/657双极型集成电路工艺流程(7)金属连线-溅射金属（Al或AlSiCu)－光刻－腐蚀N+P+P+pN+N+2020/6/6582020/6/659集成电路制造环境-超净厂房无尘、恒温、恒湿-超净水-超净气体常用气体(N2、O2、H2)纯度99.9999%颗粒控制严0.5/L-超净化学药品纯度、颗粒控制2020/6/660IC制造环境(1)净化级别和颗粒数净化级别颗粒数／立方英尺0.12um0.2um0.3um0.5um0.289.912.140.870.281357.53110350753010100----7503001001000------------10002020/6/661净化室2020/6/662IC制造环境(2)超纯水-极高的电阻率（导电离子很少）18M-无机颗粒数5ppb(SiO2)-总有机碳（TOC)20ppb-细菌数0.1/ml2020/6/663IC制造环境(3)超纯化学药品DRAM64k256K4M64M1G线宽(um)3.02.01.00.50.25试剂纯度10ppm5ppm100ppb80ppb10ppb杂质颗粒0.5u0.2u0.1u0.05u0.025u颗粒含量（个／ml)1000100152.51金属杂质1ppm100ppb50ppb1ppb2020/6/664成品率-Y=Y1*Y2*Y3Y1:产出硅片／投入硅片Y2:合格芯片／硅片上总芯片Y2＝e-ADD缺陷密度A芯片面积Y3封装合格率-从材料、设备、工艺、人员、管理等方面减少缺陷密度，提高成品率．2020/6/665谢谢!