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1、电子元器件制造技术电子元器件制造技术现在学习的是第1页，共33页本章内容提要本章内容提要半导体集成电路芯片制造技术1混合集成电路工艺2现在学习的是第2页，共33页半导体集成电路芯片制造技术半导体集成电路芯片制造技术发展里程碑1基本工艺2器件工艺3芯片加工中的缺陷和成品率预测 4现在学习的是第3页，共33页发展里程碑v 1954年，年，Bell实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和扩散工艺；实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和扩散工艺；v 1958年后期，仙童公司的物理学家年后期，仙童公司的物理学家Jean Hoerni开发出一种在硅上制造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
2、绝缘层，在硅二极管结的结构，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上蚀刻小孔用于连接PN结；结；v Sprague Electric的物理学家的物理学家Kurt Lehovec开发出使用开发出使用PN结隔离元结隔离元件的技术；件的技术；v 1959年，仙童公司的年，仙童公司的Robert Noyce通过在电路上方蒸镀薄金属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；层连接电路元件来制造集成电路；v 1960年年Bell实验室开发出外延沉积实验室开发出外延沉积/注入技术，即将材料的单晶层注入技术，即将材料的单晶层沉积沉积/注入到晶体衬底上；注入到晶体衬底上
3、；现在学习的是第4页，共33页发展里程碑v 1963，RCA制造出第一片由制造出第一片由MOS（Metal Oxide Semiconductor，金，金属氧化物半导体）工艺制造的集成电路；属氧化物半导体）工艺制造的集成电路；v 1963，仙童公司的，仙童公司的Frank Wanlass提出并发表了互补型提出并发表了互补型MOS集集成电路的概念。成电路的概念。v CMOS是应用最广泛的、高密度集成电路的基础。是应用最广泛的、高密度集成电路的基础。现在学习的是第5页，共33页历史回顾v 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
4、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.摩尔现在学习的是第6页，共33页集成电路现状v芯片特征尺寸v晶片尺寸450mm(18英寸)(预计2012年面世)、300mm(12英寸,2002)、200mm(8英寸,1990)Intel CPU芯片特征尺寸Intel 45nm晶片现在学习的是第7页，共33页集成电路的基本工艺集成电路的基本工艺v 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
5、过电极制备、多层布线实现各器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；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；v 前工艺前工艺:芯片制造；芯片制造；v 后工艺后工艺:组装、测试。组装、测试。现在学习的是第8页，共33页双极型晶体管制作工艺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)刻蚀铝电极现在学习的是第9页，共33页硅片制备硅片制备v多晶硅生产、单晶生长、硅圆片制造多晶硅生产、单
6、晶生长、硅圆片制造 原料：石英石粗硅四氯化硅高温炭还原氯化多晶硅高温氯还原单晶硅直拉法区熔法硅片切割磨片现在学习的是第10页，共33页硅片制备硅片制备v直拉法生长单晶直拉法生长单晶 首先将预处理好的多晶硅装入炉内石英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；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，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，熔将籽晶下降至与熔融的多晶硅接触，熔融的多晶硅会沿籽
7、晶结晶，并随籽晶的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。逐渐上升而生长成棒状单晶。现在学习的是第11页，共33页硅片制备硅片制备3、切片-清洗1、单晶生长2、单晶切割分段-滚磨外圆-定位面研磨4、磨片-清洗5、抛光-清洗6最终晶片现在学习的是第12页，共33页制膜制膜 v膜的类型膜的类型 二氧化硅膜二氧化硅膜 外延层外延层 金属膜金属膜v薄膜的制备技术薄膜的制备技术 热氧化法热氧化法 物理气相沉积物理气相沉积PVD蒸镀、溅射蒸镀、溅射 化学气相淀积化学气相淀积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、设备简单淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重
8、复性好、设备简单现在学习的是第13页，共33页氧化层生长氧化层生长v 二氧化硅的特性二氧化硅的特性 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(杂质在其中的杂质在其中的扩散系数非常小扩散系数非常小)；v 氧化层的作用氧化层的作用 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；质膜，实现选择性的扩散；v 生长方法生长方法 热氧化法热氧化法 等离子氧化法等离子氧化法 热分解沉积法热分解沉积法 溅射法溅射法 真空蒸镀法真空蒸镀法现在学习的是第14页，共33页氧化层生
9、长氧化层生长v热氧化法热氧化法 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；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分子反应生成二氧化硅层(厚度一般在厚度一般在10-810-6)。水汽氧化的氧化。水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的高；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。于二者之间。现在学习的是
10、第15页，共33页氧化层生长氧化层生长v氧化层缺陷氧化层缺陷 裂纹裂纹引起金属连线与硅片短路，或多层连线间短路；引起金属连线与硅片短路，或多层连线间短路；针孔针孔 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；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。扩散掩埋失效，形成短路，连线或
11、铝电极下的二氧化硅有针孔会引起短路。厚薄不均匀厚薄不均匀 产生原因：氧化层划伤；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；属与硅之间短路而使器件失效；氧化层电荷氧化层电荷现在学习的是第16页，共33页外延生长外延生长 v 在单晶衬底上制备一层新的单晶层的技术在单晶衬底上制备一层新的单晶层的技术;v 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
12、响以调节，不受衬底中杂质种类与掺杂水平的影响;v 作用：作用：双极型集成电路：为了将衬底和器件区域隔离双极型集成电路：为了将衬底和器件区域隔离(电绝缘电绝缘)，在，在P型衬底上外延生长型衬底上外延生长N型单晶硅型单晶硅层；层；MOS集成电路：减少了粒子软误差和集成电路：减少了粒子软误差和CMOS电路中的闩锁效应等；电路中的闩锁效应等；v 生长方法：气相外延技术生长方法：气相外延技术利用硅的气态化合物，如四氯化硅或利用硅的气态化合物，如四氯化硅或(SiCl4)硅烷硅烷(SiH4)，在加热的衬底表面与氢气发生，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
13、底表面。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。现在学习的是第17页，共33页 制备金属膜制备金属膜v实现电连接；实现电连接；Al及其合金：最常用的金属互连材料；及其合金：最常用的金属互连材料；Cu制程；制程；v制备方法：蒸发和溅射。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；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
14、场的作用下溅射：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，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；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。、均匀。现在学习的是第18页，共33页图形转移图形转移-光刻光刻v 图形转移：将集成电路的单元图形转移：将集成电路的单元构件图形转移到圆片上的工艺构件图形转移到圆片上的工艺；v 光刻光刻+刻
15、蚀，统称光刻；刻蚀，统称光刻；v光刻胶：光刻胶：光致抗蚀剂光致抗蚀剂正胶正胶负胶负胶现在学习的是第19页，共33页图形转移图形转移-光刻光刻v常规的光刻工艺过程：常规的光刻工艺过程：涂胶涂胶-前烘前烘-曝光曝光-显影显影-坚膜坚膜-腐蚀腐蚀(刻蚀刻蚀)-去胶去胶 现在学习的是第20页，共33页图形转移图形转移-刻蚀刻蚀v分为干法刻蚀和湿法刻蚀；分为干法刻蚀和湿法刻蚀；v湿法刻蚀湿法刻蚀 一种化学刻蚀方法；一种化学刻蚀方法；将材料放在腐蚀液内；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、高效以上，优良的选择性，刻蚀完当前薄膜就停止；低成本、高效率；率；5um以下，
16、侧向腐蚀严重，线条宽难以控制；以下，侧向腐蚀严重，线条宽难以控制；v干法腐蚀干法腐蚀 等离子体轰击被刻蚀表面等离子体轰击被刻蚀表面现在学习的是第21页，共33页掺杂掺杂v掺杂：在半导体加入少量特定杂质，形成掺杂：在半导体加入少量特定杂质，形成N型与型与P型的半导体区域；型的半导体区域；掺杂锑、砷和磷可以形成掺杂锑、砷和磷可以形成N型材料；型材料；掺杂硼则可以形成掺杂硼则可以形成P型材料型材料；v主要技术手段主要技术手段 高温热扩散法：高温热扩散法：利用杂质在高温利用杂质在高温(约约800以上以上)下由高浓度区往低浓度区的扩散；下由高浓度区往低浓度区的扩散；早期使用；早期使用；集成度增加，无法精
17、确地控制杂质的分布形式和浓度；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。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。掺杂浓度控制精确、位置准确。现在学习的是第22页，共33页集成电路集成电路v集成电路集成电路(Integrated Circuit，缩写为，缩写为IC)是指通过是指通过一系列的加工工艺，将多个晶体管、二极管等有一系列的加工工艺，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路连接集成在一块半导
18、体晶片(如硅或如硅或GaAs)或陶或陶瓷等基片上，作为一个不可分割的整体执行某一瓷等基片上，作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。特定功能的电路组件。v常见的分类方法主要有：按器件常见的分类方法主要有：按器件结构类型结构类型、集成、集成电路电路规模规模、使用的基片、使用的基片材料材料、电路、电路功能功能以及以及应用应用领域领域等进行分类。等进行分类。现在学习的是第23页，共33页集成电路的工艺类型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。类。v 双极集成电路双极集成电路：采用的
19、有源器件是双极晶体管，是由：采用的有源器件是双极晶体管，是由电子和空穴两电子和空穴两种类型的载流子工作种类型的载流子工作，因而取名为双极集成电路，因而取名为双极集成电路v 金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体(MOS)集成电路集成电路：这种电路中所用的晶体管为：这种电路中所用的晶体管为MOS晶体管，由金属晶体管，由金属-氧化物氧化物-半导体结构组成的场效应晶体管，它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，的器件，只有一种载流子只有一种载流子(电子或空穴电子或空穴)，因此有时为了与
20、双极晶体管，因此有时为了与双极晶体管对应，也称它为单极晶体管。对应，也称它为单极晶体管。v 双极双极-MOS(BiMOS)集成电路集成电路：同时包括双极和：同时包括双极和MOS晶体管的集成晶体管的集成电路为电路为BiMOS集成电路。集成电路。现在学习的是第24页，共33页器件工艺器件工艺v双极型集成电路双极型集成电路 中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比较大中等速度、驱动能力强、模拟精度高、功耗比较大vCMOS集成电路集成电路 静态功耗低、电源电压范围宽、输出电压幅度宽（无阈值损失）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，具有高速度
21、、高密度潜力；电流驱动能力低vBiMOS集成电路工艺集成电路工艺PMOS型双极型MOS型CMOS型NMOS型BiMOS现在学习的是第25页，共33页双极型硅工艺v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
22、为金属铝薄层互连线。现在学习的是第26页，共33页双极型硅工艺v经过 5次氧化v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。v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。现在学习的是第27页，共33页v 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;局域缺陷光刻工艺中引入的氧化物针孔缺陷等点缺陷;控制随机点缺陷是相当困难;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；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。芯片加
23、工中的缺陷和成品率预测v 点缺陷v 来源现在学习的是第28页，共33页集成电路的结构类型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。合集成电路。v 单片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：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。导体基片上的集成电路。v 混合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：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，构成一个完整路芯
24、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。因此，有时也称混合集成电路为二次集成个整体使用。因此，有时也称混合集成电路为二次集成IC。现在学习的是第29页，共33页混合集成电路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46 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
25、设计容易，成本更低，投产快，适合中小批量产品的生产。混合集成电路工艺现在学习的是第30页，共33页混合集成电路工艺v 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。v 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。现在学习的是第31页，共33页课堂作业课堂作业现在学习的是第32页，共33页课堂习题课堂习题v集成电路芯片的基本工艺有哪些？主要作用是什集成电路芯片的基本工艺有哪些？主要作用是什么？么？v氧化层的主要作用是什么？氧化工艺所可能出现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？的缺陷是什么？现在学习的是第33页，共33页