集成电路制造工艺流程ppt课件

半导体制造工艺流程 半导体相关知识 本征材料 纯硅9 10个9250000 cmN型硅 掺入V族元素 磷P 砷As 锑SbP型硅 掺入III族元素 镓Ga 硼BPN结 N P 半导体元件制造过程可分为 前段 FrontEnd 制程晶圆处理制程 WaferFabrication 简称WaferFab 晶圆针测制程 WaferProbe 後段 BackEnd 构装 Packaging 测试制程 InitialTestandFinalTest 一 晶圆处理制程 晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与电子元件 如电晶体 电容体 逻辑闸等 为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程 以微处理器 Microprocessor 为例 其所需处理步骤可达数百道 而其所需加工机台先进且昂贵 动辄数千万一台 其所需制造环境为为一温度 湿度与含尘 Particle 均需控制的无尘室 Clean Room 虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关 不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗 Cleaning 之後 接著进行氧化 Oxidation 及沈积 最後进行微影 蚀刻及离子植入等反覆步骤 以完成晶圆上电路的加工与制作 二 晶圆针测制程 经过WaferFab之制程後 晶圆上即形成一格格的小格 我们称之为晶方或是晶粒 Die 在一般情形下 同一片晶圆上皆制作相同的晶片 但是也有可能在同一片晶圆上制作不同规格的产品 这些晶圆必须通过晶片允收测试 晶粒将会一一经过针测 Probe 仪器以测试其电气特性 而不合格的的晶粒将会被标上记号 InkDot 此程序即称之为晶圆针测制程 WaferProbe 然後晶圆将依晶粒为单位分割成一粒粒独立的晶粒 三 IC构装制程 IC構裝製程 Packaging 利用塑膠或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路目的 是為了製造出所生產的電路的保護層 避免電路受到機械性刮傷或是高溫破壞 半导体制造工艺分类 PMOS型 双极型 MOS型 CMOS型 NMOS型 BiMOS 饱和型 非饱和型 TTL I2L ECL CML 半导体制造工艺分类 一双极型IC的基本制造工艺 A在元器件间要做电隔离区 PN结隔离 全介质隔离及PN结介质混合隔离 ECL 不掺金 非饱和型 TTL DTL 饱和型 STTL 饱和型 B在元器件间自然隔离I2L 饱和型 半导体制造工艺分类 二MOSIC的基本制造工艺 根据栅工艺分类A铝栅工艺B硅栅工艺其他分类1 根据沟道 PMOS NMOS CMOS2 根据负载元件 E R E E E D 半导体制造工艺分类 三Bi CMOS工艺 A以CMOS工艺为基础P阱N阱B以双极型工艺为基础 双极型集成电路和MOS集成电路优缺点 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集成电路低的静态功耗 宽的电源电压范围 宽的输出电压幅度 无阈值损失 具有高速度 高密度潜力 可与TTL电路兼容 电流驱动能力低 半导体制造环境要求 主要污染源 微尘颗粒 中金属离子 有机物残留物和钠离子等轻金属例子 超净间 洁净等级主要由微尘颗粒数 m3 0 1um0 2um0 3um0 5um5 0umI级357 531NA10级350753010NA100级NA750300100NA1000级NANANA10007 半导体元件制造过程 前段 FrontEnd 制程 前工序晶圆处理制程 WaferFabrication 简称WaferFab 典型的PN结隔离的掺金TTL电路工艺流程 一次氧化 衬底制备 隐埋层扩散 外延淀积 热氧化 隔离光刻 隔离扩散 再氧化 基区扩散 再分布及氧化 发射区光刻 背面掺金 发射区扩散 反刻铝 接触孔光刻 铝淀积 隐埋层光刻 基区光刻 再分布及氧化 铝合金 淀积钝化层 中测 压焊块光刻 横向晶体管刨面图 纵向晶体管刨面图 NPN晶体管刨面图 1 衬底选择 P型Si 10 cm111晶向 偏离2O 5O晶圆 晶片 晶圆 晶片 的生产由砂即 二氧化硅 开始 经由电弧炉的提炼还原成冶炼级的硅 再经由盐酸氯化 产生三氯化硅 经蒸馏纯化后 透过慢速分解过程 制成棒状或粒状的 多晶硅 一般晶圆制造厂 将多晶硅融解后 再利用硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒 一支85公分长 重76 6公斤的8寸硅晶棒 约需2天半时间长成 经研磨 抛光 切片后 即成半导体之原料晶圆片 第一次光刻 N 埋层扩散孔 1 减小集电极串联电阻2 减小寄生PNP管的影响 SiO2 要求 1 杂质浓度大2 高温时在Si中的扩散系数小 以减小上推3 与衬底晶格匹配好 以减小应力 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 N 扩散 P 外延层淀积 1 VPE Vaporousphaseepitaxy 气相外延生长硅SiCl4 H2 Si HCl2 氧化Tepi Xjc Xmc TBL up tepi ox 第二次光刻 P 隔离扩散孔 在衬底上形成孤立的外延层岛 实现元件的隔离 SiO2 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 P 扩散 B 第三次光刻 P型基区扩散孔 决定NPN管的基区扩散位置范围 去SiO2 氧化 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 基区扩散 B 第四次光刻 N 发射区扩散孔 集电极和N型电阻的接触孔 以及外延层的反偏孔 Al N Si欧姆接触 ND 1019cm 3 去SiO2 氧化 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 扩散 第五次光刻 引线接触孔 去SiO2 氧化 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 第六次光刻 金属化内连线 反刻铝 SiO2 去SiO2 氧化 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 蒸铝 CMOS工艺集成电路 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 1 光刻I 阱区光刻 刻出阱区注入孔 N Si N Si SiO2 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 2 阱区注入及推进 形成阱区 N Si P CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 3 去除SiO2 长薄氧 长Si3N4 N Si P Si3N4 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 4 光II 有源区光刻 N Si P Si3N4 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 5 光III N管场区光刻 N管场区注入 以提高场开启 减少闩锁效应及改善阱的接触 光刻胶 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 6 光III N管场区光刻 刻出N管场区注入孔 N管场区注入 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 7 光 p管场区光刻 p管场区注入 调节PMOS管的开启电压 生长多晶硅 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 8 光 多晶硅光刻 形成多晶硅栅及多晶硅电阻 多晶硅 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 9 光 I P 区光刻 P 区注入 形成PMOS管的源 漏区及P 保护环 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 10 光 N管场区光刻 N管场区注入 形成NMOS的源 漏区及N 保护环 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 11 长PSG 磷硅玻璃 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 12 光刻 引线孔光刻 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 13 光刻 引线孔光刻 反刻AL 集成电路中电阻1 基区扩散电阻 集成电路中电阻2 发射区扩散电阻 集成电路中电阻3 基区沟道电阻 集成电路中电阻4 外延层电阻 集成电路中电阻5 MOS中多晶硅电阻 其它 MOS管电阻 集成电路中电容1 发射区扩散层 隔离层 隐埋层扩散层PN电容 集成电路中电容2 MOS电容 微电子制造工艺 IC常用术语 圆片 硅片芯片 Chip Die 6 8 硅 园 片直径 1 25 4mm6 150mm 8 200mm 12 300mm 亚微米 1 m的设计规范深亚微米 0 5 m的设计规范0 5 m 0 35 m 设计规范 最小特征尺寸 布线层数 金属 掺杂多晶硅 连线的层数 集成度 每个芯片上集成的晶体管数 IC工艺常用术语 净化级别 Class1 Class10 Class10 000每立方米空气中含灰尘的个数去离子水氧化扩散注入光刻 生产工厂简介 PSI FabTwowascompletedJanuary2 1996andisa StateoftheArt facility This2 200squarefootfacilitywasconstructedusingallthelatestmaterialsandtechnologies Inthissetofcleanroomswechangetheair390timesperhour ifyoudothemathwithULPAfiltrationthisisaClassOnefacility WehavehadittestedanditdoesmeetClassOneparameters withoutanypeopleworkinginit Sincewearenotmakingmicroprocessorshereandwedon twanttowear spacesuits werunitasaclass10fab EventhoughitconsistentlyrunswellbelowClassTen 一级净化厂房 HereintheFabTwoPhotolithographyareaweseeoneofour200mm 35micronI LineSteppers thissteppercanimageandalignboth6 8inchwafers 光刻区域 亚微米级光刻机 AnotherviewofoneoftheFabTwoPhotolithographyareas Hereweseeatechnicianloading300mmwafersintotheSemiTool Thewafersareina13waferTefloncassetteco designedbyProcessSpecialtiesandSemiToolin1995 Againthesearetheworld sfirst300mmwetprocesscassettes thatcanbespinrinsedried 花篮 AswelookinthiswindowweseetheWorld sFirsttrue300mmproductionfurnace Ourdevelopmentanddesignofthistoolbeganin1992 itwasinstalledinDecemberof1995andbecamefullyoperationalinJanuaryof1996 熔炉 Herewecanseetheloadingof300mmwafersontothePaddle ProcessSpecialtieshasdevelopedtheworld sfirstproduction300mmNitridesystem Webeganprocessing300mmLPCVDSiliconNitrideinMayof1997 2 500additionalsquarefeetof StateoftheArt ClassOneCleanroomiscurrentlyprocessingwafers Withincreased300mm 200mmprocessingcapabilitiesincludingmorePVDMetalization 300mmWetprocessing Cleaningcapabilitiesandfullwafer300mm 35umPhotolithography allinaClassOneenviroment 净化厂房 CurrentlyourPS300AandPS300Bdiffusiontoolsarecapableofrunningboth200mm 300mmwafers Wecanevenprocessthetwosizesinthesamefurnaceloadwithoutsufferinganyuniformityproblems ThermalOxideOnly 扩散 AccuracyinmetrologyisneveranissueatProcessSpecialties Weusethemostadvancedroboticlaserellipsometersandothercalibratedtoolsforprecisionthinfilm resistivity CDandstepheightmeasurement IncludingournewNanometrics8300fullwafer300mmthinfilmmeasurementandmappingtool WealsouseoutsidelaboratoriesandourexcellentworkingrelationshipswithourMetrologytoolcustomers foradditionalcorrelationandcalibration 光刻间 OneoftwoSEMLabslocatedinourfacility InthisoneweareusingafieldemissiontoolforeverythingfromlookingatphotoresistprofilesandmeasuringCD stodoublecheckingmetaldepositionthicknesses Atthehelm anotheroneofourprocessengineersyoumayhavespokenwithMarkHinkle 检测 HerewearelookingattheIncomingmaterialdispositionracks 材料间 AboveyouarelookingatacoupleofviewsofthefacilitiesonthewestsideofFabOne Hereyoucanseeoneofour18 5Meg OhmDIwatersystemsandoneoffour10 000CFMairsystemsfeedingthisfab leftpicture aswellasoneofourwasteairscrubberunits rightpicture Bothareinsidethebuildingforeasiermaintenance longerlifeandbettercontrol 集成电路 IntegratedCircuit IC 半导体IC 膜IC 混合IC半导体IC 指用半导体工艺把电路中的有源器件 无源元件及互联布线等以相互不可分离的状态制作在半导体上 最后封装在一个管壳内 构成一个完整的 具有特定功能的电路 半导体IC 双极IC MOSIC BiCMOS PMOSIC CMOSIC NMOSIC MOSIC及工艺 MOSFET MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor 金属氧化物半导体场效应晶体管 Si 金属 氧化物 绝缘层 SiO2 半导体 MOS MIS 结构 栅氧化层厚度 50埃 1000埃 5nm 100nm VT 阈值电压电压控制 N沟MOS NMOS P型衬底 受主杂质 栅上加正电压 表面吸引电子 反型 电子通道 漏加正电压 电子从源区经N沟道到达漏区 器件开通 N 衬底 p p 漏 源 栅 栅氧化层 场氧化层 沟道 P沟MOS PMOS VT VGS ID VDS 0 N型衬底 施主杂质 电子导电 栅上加负电压 表面吸引空穴 反型 空穴通道 漏加负电压 空穴从源区经P沟道到达漏区 器件开通 CMOS CMOS ComplementarySymmetryMetalOxideSemiconductor互补对称金属氧化物半导体 特点 低功耗 VSS VDD Vo Vi CMOS倒相器 PMOS NMOS I O I O VDD VSS C C CMOS传输门 N Si P P n n P 阱 D D Vo VG VSS S S VDD CMOS倒相器截面图 CMOS倒相器版图 ANMOSExample pwell PwellActivePolyN implantP implantOmicontactMetal N typeSi SiO2 光刻胶 MASKPwell N typeSi SiO2 光刻胶 光刻胶 MASKPwell N typeSi SiO2 光刻胶 光刻胶 SiO2 N typeSi SiO2 SiO2 Pwell pwell PwellActivePolyN implantP implantOmicontactMetal N typeSi SiO2 Pwell SiO2 光刻胶 MASKactive MASKActive Si3N4 N typeSi SiO2 Pwell SiO2 光刻胶 光刻胶 MASKactive MA