电子元器件制造技术

1、第二章 元器件制造技术可靠性与系统工程学院可靠性与系统工程学院付桂翠付桂翠2012年年09月月27日日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半导体集成电路芯片制造技术1 1混合集成电路工艺混合集成电路工艺2 2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发展里程碑1 1基本工艺基本工艺2 2器件工艺器件工艺3 3芯片加工中的缺陷和成品率预测芯片加工中的缺陷和成品率预测 4 4发展里程碑v 1954年，年，bell实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和扩散工实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和扩散工艺；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jea

2、n hoerni开发出一种开发出一种在硅上制造在硅上制造pn结的结构，并在结上覆盖了一层薄的硅氧化结的结构，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层作绝缘层，在硅二极管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结结隔离元件的技术；隔离元件的技术；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；金属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

3、沉积/注入技术，即将材料的注入技术，即将材料的单晶层沉积单晶层沉积/注入到晶体衬底上；注入到晶体衬底上；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，金属氧化物半导体）工艺制造的集成电路；，金属氧化物半导体）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集成电路的概念。集成电路的概念。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。历史回顾v v 摩尔定律摩尔定律 1965年，仙童半导体的研发主管摩尔年，仙

4、童半导体的研发主管摩尔(gordon moore) 指指出：微处理器芯片的电路密度，以及它潜在的计算能力，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。每隔一年翻番。 后来，这一表述又修正为每后来，这一表述又修正为每18个月翻番。这也就是后来个月翻番。这也就是后来闻名于闻名于it界的界的“摩尔定律摩尔定律”。戈登戈登.摩尔摩尔集成电路现状vv芯片特征尺寸芯片特征尺寸vv晶片尺寸晶片尺寸450mm(18英寸英寸)(预计预计2012年面世年面世)、300mm(12英寸英寸,2002)、200mm(8英寸英寸,1990)intel cpu芯片特征尺寸芯片特征尺寸intel 45nm

5、晶片晶片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；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。双极型晶体管制作工艺双极型晶体管制作工艺(a)(a)一次氧化一次氧化 (

6、b)(b)光刻基区光刻基区 (c)(c)基区硼扩散、氧化基区硼扩散、氧化 (d)(d)光刻发射区光刻发射区(e)(e)发射区磷扩散、氧化发射区磷扩散、氧化 (f)(f)光刻引线孔光刻引线孔 (g)(g)蒸镀铝膜蒸镀铝膜 (h)(h)刻蚀铝电极刻蚀铝电极硅片制备硅片制备v多晶硅生产、单晶生长、硅圆片制造多晶硅生产、单晶生长、硅圆片制造 原料：原料：石英石石英石粗硅粗硅四氯化硅四氯化硅高温高温炭还原炭还原氯化氯化多晶硅多晶硅高温氯还原高温氯还原单晶硅单晶硅直拉法直拉法区熔法区熔法硅片硅片切割切割磨片磨片硅片制备硅片制备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首先将预处理好的

7、多晶硅装入炉内石英坩埚中，抽真空或通入惰性气体；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，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应或电阻加热，其中的多晶硅料全部熔化；熔化； 将籽晶下降至与熔融的多晶硅接触，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。晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。硅片制备硅片制备3、切片、切片-清洗清洗1、单晶生长、单晶生长2、单晶切割分段、单晶切割分段-滚磨外圆滚磨外圆-定位面研

8、磨定位面研磨4、磨片、磨片-清洗清洗5、抛光、抛光-清洗清洗6最终晶片最终晶片制膜制膜 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、均匀性和重复性好、设备简单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

9、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氧化层生长氧化层生长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

10、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。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

11、附的灰尘，胶膜上有气泡或氧化层质量较差等；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。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；力，或者金属与硅

12、之间短路而使器件失效； 氧化层电荷氧化层电荷外延生长外延生长 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含量加以调节，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型衬底上外型衬底上外延生长延生长n型单晶硅层；型单晶硅层； 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

13、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，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。淀积在硅衬底表面。 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

14、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，然后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；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

15、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。图形转移图形转移-光刻光刻v 图形转移：将集成电路的图形转移：将集成电路的单元构件图形转移到圆片单元构件图形转移到圆片上的工艺；上的工艺；v 光刻光刻+刻蚀，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 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

16、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，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

17、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。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

18、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。 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

19、工艺技术可以将集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。成电路分为三类。v 双极集成电路双极集成电路：采用的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，是由电子电子和空穴两种类型的载流子工作和空穴两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：这种电路中所用的晶体管为晶体管为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场效应晶体管，它主要靠半导体表面电场感应产生的导

20、电沟道工作，是电压控制电流的器件，沟道工作，是电压控制电流的器件，只有一种载流子只有一种载流子(电子电子或空穴或空穴)，因此有时为了与双极晶体管对应，也称它为单极，因此有时为了与双极晶体管对应，也称它为单极晶体管。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晶体晶体管的集成电路为管的集成电路为bimos集成电路。集成电路。 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），

21、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、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双极型硅工艺双极型硅工艺vv工艺特点工艺特点 集成电路中各元件之间需要进行电隔离；集成电路中各元件之间需要进行电隔离；常规常规工艺中大多采用工艺中大多采用pn结隔离，即用反向结隔离，即用反向pn结达到元件结达到元件之之间相互间相互绝缘的目的。除绝缘的目的。除pn结隔离以外，有时也采用介质隔结隔离以外，有时也采用介质隔离离或两者或两者混合隔离法。混合隔离法。 双极型集成电路中

22、需要增添隐埋层；双极型集成电路中需要增添隐埋层；工艺工艺过程是：在过程是：在 p型硅片上，在预计制作集电极的正下方某型硅片上，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一区域里先扩散一层高浓度施主杂质即n+区区;而后在其上再而后在其上再外延生长外延生长一层一层n型硅单晶层。于是，型硅单晶层。于是，n型外延层将型外延层将n+区隐埋区隐埋在在下面下面，再在这一外延层上制作晶体管。，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；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。通常为金属铝薄层互连线。双极型硅工艺双极型硅工艺vv经过经过 5次氧化次氧化vv对

23、二氧化硅薄层进对二氧化硅薄层进行行5次光刻，刻蚀出次光刻，刻蚀出供扩散掺杂用的图形供扩散掺杂用的图形窗口。窗口。vv最后还经过两次光最后还经过两次光刻，刻蚀出金属铝互刻，刻蚀出金属铝互连布线和钝化后用于连布线和钝化后用于压焊点的窗口。压焊点的窗口。v v 芯片的制造缺陷：引起成品率下降的主要因素芯片的制造缺陷：引起成品率下降的主要因素全局缺陷全局缺陷几乎可以消除几乎可以消除;光刻光刻对准误差、工艺参数随机起伏和线宽变化等对准误差、工艺参数随机起伏和线宽变化等;局局域缺陷域缺陷光刻光刻工艺中引入的氧化物针孔缺陷等点缺陷工艺中引入的氧化物针孔缺陷等点缺陷;控制控制随机点缺陷是相当困难随机点缺陷是相

24、当困难; 冗余物缺陷冗余物缺陷:短路故障；短路故障； 丢失物缺陷丢失物缺陷:开路故障；开路故障； 氧化物针孔缺陷氧化物针孔缺陷:电路短路故障；电路短路故障； 结泄漏缺陷结泄漏缺陷:电路短路故障；电路短路故障；洁净室洁净室内空气中的灰尘微粒；内空气中的灰尘微粒；硅片硅片和设备的物理接触；和设备的物理接触；各各类化学试剂中的杂质颗粒。类化学试剂中的杂质颗粒。芯片加工中的缺陷和成品率预测芯片加工中的缺陷和成品率预测v v 点缺陷点缺陷v v 来源来源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

25、路。路及混合集成电路。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：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。同一块半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：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。因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此，有时也称混合集成电路为二次集成ic。混合集成电路混合集成电路pkpk印刷电路板印刷电路板 混合集成电路可比等效的印刷电路板体积小混合集成电路可比等效的印刷电路板体积小46 46 倍、重量轻倍、重量轻1010倍，但倍，但成本较高。成本较高。