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日期: 2020-05-23
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  本章内容提要 1 半导体集成电路芯片制造技术 2 混合集成电路工艺 半导体集成电路芯片制造技术 1 2 3 4 发展里程碑 基本工艺 器件工艺 芯片加工中的缺陷和成品率预测 发展里程碑 ? 1954年,Bell实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和扩散工 艺; ? 1958年后期,仙童公司的物理学家Jean Hoerni开发出一种 在硅上制造PN结的结构,并在结上覆盖了一层薄的硅氧化 层作绝缘层,在硅二极管上蚀刻小孔用于连接PN结; ? Sprague Electric的物理学家Kurt Lehovec开发出使用PN结 隔离元件的技术; ? 1959年,仙童公司的Robert Noyce通过在电路上方蒸镀薄 金属层连接电路元件来制造集成电路; ? 1960年Bell实验室开发出外延沉积/注入技术,即将材料的 单晶层沉积/注入到晶体衬底上; 发展里程碑 ? 1963,RCA制造出第一片由MOS(Metal Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体)工艺制造的集成电路; ? 1963,仙童公司的Frank Wanlass提出并发表了互补型 MOS集成电路的概念。 ? CMOS是应用最广泛的、高密度集成电路的基础。 历史回顾 ? 摩尔定律 ? 1965年,仙童半导体的研发主管摩尔(Gordon Moore) 指 出:微处理器芯片的电路密度,以及它潜在的计算能力, 每隔一年翻番。 ? 后来,这一表述又修正为每18个月翻番。这也就是后来 闻名于IT界的“摩尔定律”。 戈登.摩尔 集成电路现状 ?芯片特征尺寸 ?晶片尺寸 Intel 45nm晶片 Intel CPU芯片特征尺寸 450mm(18英寸)(预计2012年面世)、 300mm(12英寸,2002)、200mm(8英寸,1990) 集成电路的基本工艺 ? 以圆形的硅片为基础,在初始硅片上经过氧化、掺杂、薄膜淀积、光 刻、蚀刻等步骤的单独使用或组合重复使用,制作出器件,再通过电 极制备、多层布线实现各器件间的互连,实现一定的功能,最后再经 过封装测试成为成品; ? 前工艺:芯片制造; ? 后工艺:组装、测试。 双极型晶体管制作工艺 (a)一次氧化 (b)光刻基区 (c)基区硼扩散、氧化 (d)光刻发射区 (e)发射区磷扩散、氧化 (f)光刻引线孔 (g)蒸镀铝膜 (h)刻蚀铝电极 硅片制备 ? 多晶硅生产、单晶生长、硅圆片制造 原料: 石英石 高温 炭还原 切割 磨片 粗硅 氯化 四氯化硅 高温氯还原 硅片 单晶硅 直拉法 区熔法 多晶硅 硅片制备 ? 直拉法生长单晶 ? 首先将预处理好的多晶硅装入炉内石英 坩埚中,抽真空或通入惰性气体; ? 拉晶时,籽晶杆以一定速度绕轴旋转, 同时坩埚反方向旋转,坩埚由高频感应 或电阻加热,其中的多晶硅料全部熔化; ? 将籽晶下降至与熔融的多晶硅接触,熔 融的多晶硅会沿籽晶结晶,并随籽晶的 逐渐上升而生长成棒状单晶。 硅片制备 1、单晶生长 2、单晶切割分段--滚磨外圆-定位面研磨 3、切片-清洗 6最终晶片 4、磨片-清洗 5、抛光-清洗 制膜 ? 膜的类型 ? 二氧化硅膜 ? 外延层 ? 金属膜 ? 薄膜的制备技术 ? 热氧化法 ? 物理气相沉积PVD ? 蒸镀、溅射 ? 化学气相淀积CVD ? 淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、设备简单 氧化层生长 ? 二氧化硅的特性 ? 化学稳定性高、绝缘、对某些杂质能起到掩蔽作用(杂质在其中的 扩散系数非常小); ? 氧化层的作用 ? 器件的保护层、钝化层、电性能隔离、绝缘介质层和电容器的介质 膜,实现选择性的扩散; ? 生长方法 ? 热氧化法 ? 等离子氧化法 ? 热分解沉积法 ? 溅射法 ? 真空蒸镀法 氧化层生长 ? 热氧化法 ? 干氧氧化:以干燥纯净的氧气作为氧化气氛,在高温下氧直接与硅 反应生成二氧化硅; ? 水汽氧化:以高纯水蒸汽为氧化气氛,由硅片表面的硅原子和水分 子反应生成二氧化硅层(厚度一般在10-8~10-6)。水汽氧化的氧化速 率比干氧氧化的高; ? 湿氧氧化法:实质上是干氧氧化和水汽氧化的混合,氧化速率介于 二者之间。 氧化层生长 ? 氧化层缺陷 ? 裂纹 ? 引起金属连线与硅片短路,或多层连线间短路; ? 针孔 ? 产生原因:光刻版上的小孔或小岛,光刻胶中杂质微粒,硅片上沾附 的灰尘,胶膜上有气泡或氧化层质量较差等; ? 造成的后果:使氧化层不连续,破坏了二氧化硅的绝缘作用,针裂纹 和针孔可使扩散掩埋失效,形成短路,连线或铝电极下的二氧化硅有 针孔会引起短路。 ? 厚薄不均匀 ? 产生原因:氧化层划伤; ? 造成后果:会降低耐压,使击穿电压降低或丧失对杂质扩散的掩蔽能 力,或者金属与硅之间短路而使器件失效; ? 氧化层电荷 外延生长 ? 在单晶衬底上制备一层新的单晶层的技术; ? 层中杂质浓度可以极为方便的通过控制反应气流中的杂质 含量加以调节,不受衬底中杂质种类与掺杂水平的影响; ? 作用: ? 双极型集成电路:为了将衬底和器件区域隔离(电绝缘),在P型衬底上外延 生长N型单晶硅层; ? MOS集成电路:减少了粒子软误差和CMOS电路中的闩锁效应等; ? 生长方法:气相外延技术 ? 利用硅的气态化合物,如四氯化硅或(SiCl4)硅烷(SiH4),在加热的衬底表 面与氢气发生反应或自身发生热分解反应,进而还原成硅,并以单晶形式 淀积在硅衬底表面。 制备金属膜 ? 实现电连接; ? Al及其合金:最常用的金属互连材料; ? Cu制程; ? 制备方法:蒸发和溅射。 ? 蒸发:真空系统中,金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表 面的束缚成为蒸气原子,在其运动轨迹中遇到晶片,就会在晶片上 淀积一层金属薄膜; ? 溅射:在真空系统中充入一定的惰性气体,在高压电场的作用下, 由于气体放电形成离子,这些离子在强电场作用下被加速,然后轰 击靶材料,使其原子逸出并被溅射到晶片上,形成金属膜; ? 溅射法形成的薄膜比蒸发淀积的薄膜附着力更强,且膜更加致密、 均匀。 图形转移-光刻 ? 图形转移:将集成电路的 单元构件图形转移到圆片 上的工艺; ? 光刻+刻蚀,统称光刻; ? 光刻胶:光致抗蚀剂 ? 正胶 ? 负胶 图形转移-光刻 ? 常规的光刻工艺过程: ? 涂胶-前烘-曝光-显影-坚膜-腐蚀(刻蚀)-去胶 图形转移-刻蚀 ? 分为干法刻蚀和湿法刻蚀; ? 湿法刻蚀 ? 一种化学刻蚀方法; ? 将材料放在腐蚀液内; ? 5um以上,优良的选择性,刻蚀完当前薄膜就停止;低成本、高效 率; ? 5um以下,侧向腐蚀严重,线条宽难以控制; ? 干法腐蚀 ? 等离子体轰击被刻蚀表面 掺杂 ? 掺杂:在半导体加入少量特定杂质,形成N型与P 型的半导体区域; ? 掺杂锑、砷和磷可以形成N型材料; ? 掺杂硼则可以形成P型材料 ; ? 主要技术手段 ? 高温热扩散法: ? 利用杂质在高温(约800℃以上)下由高浓度区往低浓度区的扩散; ? 早期使用; ? 集成度增加,无法精确地控制杂质的分布形式和浓度; ? 离子注入:将杂质转换为高能离子的形式,直接注入硅的体内。 ? 掺杂浓度控制精确、位置准确。 集成电路 ? 集成电路(Integrated Circuit,缩写为IC)是指通过 一系列的加工工艺,将多个晶体管、二极管等有 源器件和电阻、电容等无源元件,按照一定的电 路连接集成在一块半导体晶片 ( 如硅或 GaAs) 或陶 瓷等基片上,作为一个不可分割的整体执行某一 特定功能的电路组件。 ? 常见的分类方法主要有:按器件结构类型、集成 电路规模、使用的基片材料、电路功能以及应用 领域等进行分类。 集成电路的工艺类型 根据集成电路中有源器件的结构类型和工艺技术可以将集 成电路分为三类。 ? 双极集成电路:采用的有源器件是双极晶体管,是由电子 和空穴两种类型的载流子工作,因而取名为双极集成电路 ? 金属 - 氧化物 - 半导体 (MOS) 集成电路:这种电路中所用的 晶体管为MOS晶体管,由金属-氧化物-半导体结构组成的 场效应晶体管,它主要靠半导体表面电场感应产生的导电 沟道工作,是电压控制电流的器件,只有一种载流子(电子 或空穴),因此有时为了与双极晶体管对应,也称它为单极 晶体管。 ? 双极-MOS(BiMOS)集成电路:同时包括双极和MOS晶体 管的集成电路为BiMOS集成电路。 器件工艺 ? 双极型集成电路 ? 中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比较大 ? CMOS集成电路 ? 静态功耗低、电源电压范围宽、输出电压幅度宽(无阈值损失), 具有高速度、高密度潜力;电流驱动能力低 ? BiMOS集成电路工艺 MOS型 双极型 PMOS型 NMOS型 CMOS型 BiMOS 双极型硅工艺 ?工艺特点 ? 集成电路中各元件之间需要进行电隔离; ? 常规工艺中大多采用PN结隔离,即用反向PN结达到元件之 间相互绝缘的目的。除PN结隔离以外,有时也采用介质隔离 或两者混合隔离法。 ? 双极型集成电路中需要增添隐埋层; ? 工艺过程是:在 P型硅片上,在预计制作集电极的正下方某 一区域里先扩散一层高浓度施主杂质即N+区;而后在其上再 外延生长一层N型硅单晶层。于是,N型外延层将N+区隐埋 在下面,再在这一外延层上制作晶体管。 ? 双极型集成电路元件间需要互连线; ? 通常为金属铝薄层互连线。 双极型硅工艺 ?经过 5次氧化 ?对二氧化硅薄层进 行5次光刻,刻蚀出 供扩散掺杂用的图形 窗口。 ?最后还经过两次光 刻,刻蚀出金属铝互 连布线和钝化后用于 压焊点的窗口。 芯片加工中的缺陷和成品率预测 ? 芯片的制造缺陷:引起成品率下降的主要因素 ? 全局缺陷 ? ? ? 几乎可以消除; 光刻对准误差、工艺参数随机起伏和线宽变化等; 光刻工艺中引入的氧化物针孔缺陷等点缺陷; ? 局域缺陷 ? 点缺陷 ? 冗余物缺陷:短路故障; ? 丢失物缺陷:开路故障; ? 氧化物针孔缺陷:电路短路故障; ? 结泄漏缺陷:电路短路故障; ? 来源 ? 洁净室内空气中的灰尘微粒; ? 硅片和设备的物理接触; ? 各类化学试剂中的杂质颗粒。 ? 控制随机点缺陷是相当困难; 集成电路的结构类型 按照集成电路的结构形式可以将它分为半导体单片集成电 路及混合集成电路。 ? 单片集成电路(IC):它是指电路中所有的元器件都制作在 同一块半导体基片上的集成电路。 ? 混合集成电路 (HIC) :是指将多个半导体集成电路芯片或 半导体集成电路芯片与各种分立元器件通过一定的工艺进 行二次集成,构成一个完整的、更复杂的功能器件,该功 能器件最后被封装在一个管壳中,作为一个整体使用。新万博体育网址,因 此,有时也称混合集成电路为二次集成IC。 混合集成电路工艺 混合集成电路PK印刷电路板 ? 混合集成电路可比等效的印刷电路板体积小4~6 倍、重量轻10倍,但成 本较高。 ? 散热 混合电路中,大功率器件可以直接装在导热好的陶瓷基片上。 印刷电路板上要将元器件贴到电路板上,且用粘结剂粘上很重的散热板 或使用金属芯的电路板。 混合集成电路PK半导体集成电路 ? 混合电路设计容易, 成本更低,投产快,适合中小批量产品的生产。 混合集成电路工艺 ? 厚膜混合集成电路 40年代中期出现; 膜厚一般在几微米至几十微米; 一般采用丝网印刷工艺,是一种非真空成膜技术; 特点是设计更为灵活、工艺简便、成本低廉,特别适 宜于多品种小批量生产; ? 常用在高压、大电流、大功率耐高温混合集成电路以 及较低频段的微波集成电路方面。 ? ? ? ? ? 薄膜混合集成电路 ? 50年代末期发展起来; ? 薄膜的膜厚大多小于1微米; ? 薄膜电路采用的是真空蒸发、磁控溅射等工艺方法, 是一种真空成膜技术; ? 常用在高精度、高稳定性低噪声电路以及微波集成电 路,抗辐射电路方面。 课堂作业 课堂习题 ? 集成电路芯片的基本工艺有哪些?主要作用是什 么? ? 氧化层的主要作用是什么?氧化工艺所可能出现 的缺陷是什么?

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