半导体制程技术导论Chapter_2简介

1、1Chapter2集成电路工艺介绍王红江， Ph. D2目标 定义及解释成品率的重要性 成品率的主要影响因素 识别污染在半导体器件及其工艺生产中的三大主要影响 列出芯片工艺生产中的主要污染源 解释无尘室的洁净等级及协议规范的重要性 列出在集成电路制程的四种基本操作方式 列出至少六种在集成电路生产厂房内的制程区间名称 解释芯片封装的目的 描述标准的引线键合工艺与覆晶键合工艺3集成电路生产流程材料设计光光刻版刻版无尘室生产厂房测试 封装最后测试热处理光刻离子注入与光刻胶 金属化化学机械研磨介质沉积晶圆蚀刻与光刻胶4成品率的重要意义 生产厂房的成本非常高，12吋晶圆的生产厂房成本 $1B 无尘室 设

2、备, 每一项工具经常 $1M 材料, 高纯度,超高程度 设施 人员, 训练和薪酬5晶圆成品率使用的晶圓數目完好的晶圓數目WY6晶粒成品率晶圓上的晶粒總數完好的晶粒數目DY7封装成品率晶片的總數完好的晶片數目CY晶圆生产成品率的制约因素8 工艺制程步骤的数量 ULSI：50-100个工艺操作 SLSI：600个工艺操作 工艺操作包括多个工艺步骤及分步分步骤分步骤对晶圆操作次数对晶圆操作次数1. 将晶圆从片架盒中取出并放入清洗舟内22. 晶圆清洗、漂洗和甩干13. 将晶圆从清洗盒中取出、检查并放到氧化舟内24. 将氧化舟从反应炉中取出05. 将晶圆从氧化舟中取出并放回到片架盒中16. 将测试的晶圆

3、从片架盒中取出2对晶圆操作总数89晶圆生产成品率的制约因素 晶圆破碎和弯曲 12英寸晶圆厚度800m 热处理 自动化设备 工艺制程不断变化 光刻掩模版缺陷 污染物 石英板基中的裂痕 图案变形晶圆电测成品率的影响因素10 晶圆直径 芯片尺寸与芯片面积 工艺制程步骤的数量 电路密度 缺陷密度 晶圆晶体缺陷密度 工艺制程周期 工艺制程步骤 特征图形尺寸和缺陷尺寸晶圆直径11边缘芯片芯片尺寸芯片尺寸(mil)晶圆直径（晶圆直径（mm）150200300300*300293531820400*400113165550500*500108191410芯片尺寸晶圆直径12晶体缺陷工艺制程变异缺陷密度13芯片

4、面积电路密度致命性缺陷：致命性缺陷：在一个电路中，仅仅一个非常小的缺陷就能使整个电路失效在一个电路中，仅仅一个非常小的缺陷就能使整个电路失效14缺陷与成品率nDAY)1 (115整体的成品率YT =YWYDYC 整体的成品率可以决定一间生产工厂是赚钱还是赔钱16生产厂房为何赚(赔)钱 成本: 晶圆 (8”): $150/晶圆* 处理: $1200 ($2/晶圆/步驟,600步骤) 封装: $5/芯片 销售: 200芯片/晶圆 $50/芯片 ( 2000年的低阶处理器)*晶圆成本,每片晶圆的芯片数,以及芯片价格的变动,此处的数字是随机一般获得的信息17生产工厂如何赚 (赔) 钱 100% 成品率

5、成品率: 150+1200+1000 = $2350/晶圆晶圆 50%成品率: 150+1200+500 = $1850/晶圆 0%成品率: 150+1200 = $1350/晶圆 100%成品率成品率: 200 50 = $10,000/晶圆晶圆 50%成品率: 10050 = $5,000/晶圆 0%成品率: 050 = $0.00/晶圆 100%成品率成品率: 10000- - 2350 = $7650/晶圆晶圆 50%成品率: 5000- 1850 = $3150/wafer 0%成品率: 0- 1350 = - $1350/晶圆成本:销售:获利空间:18Question 假如集成电路

6、制造的每一道制程步骤的晶粒成品率都是99%，而且共有600道制程步骤，试问整体的晶粒成品率是多少?19解答 相当于99%自乘600次 0.99600 = 0.0024 = 0.24% 几乎没有成品率可言!20晶圆产品的解说 測試晶粒 晶粒21晶圆产品的解说切割道晶粒测试结构22作业1 解释晶圆直径、芯片尺寸、芯片密度、边缘芯片数量和制程缺陷密度对晶圆电测成品率的影响污染控制及无尘室目标 识别污染在半导体器件及其工艺生产中的三大主要影响。 列出芯片工艺生产中的主要污染源。 定义洁净室的洁净等级。 列举等级分别为100，10 和1的芯片生产区域的微尘密度。23污染物分类 颗粒 金属离子 有机物 自

7、然氧化层 静电释放24Embedded particleSurface contaminant微颗粒25Millimeters110-110-210-310-4 10-610-710-510AtomsSize of single molecules of matterHazeThin smokeCloud particlesAtmospheric dustFog particlesSandDustPebbles 定义：指能粘附在硅片表面的小物体 问题：颗粒能够引起电路开路或短路，或相邻导体间短路，或成为其它污染物来源微颗粒26经验法则：微粒的大小要小于器件上最小特征图形尺寸的1/10倍检测方法

8、：激光束扫描ULSI：空气中的分子污染（Airborne molecular containment）金属离子27Heavy MetalsAlkali MetalsIron (Fe)Sodium (Na)Copper (Cu)Potassium (K)Aluminum (Al)Lithium (Li)Chromium (Cr)Tungsten (W)Titanium (Ti)金属离子28+ + + + + + + + + + + + + + + +SourceDrainP- silicon substrateGate N+N+-Vs+Vd+Vg Ionic contamination alte

9、rs the electrical characteristics of a transistor.Conduction of electrons+Gate oxidePolysilicon + + + + + + + + + + + + +降低成品率PN结上泄漏电流的增加以及少数载流子寿命的减少MIC能迁移到栅结构中的氧化硅表面，改变开户晶体管所需的阈值电压MIC性质活泼活泼，在电学测试和运输很久以后沿着器件移动，引起器件在使用期间失效有机物 定义：指那些包含碳的物质，几乎总是同碳自身及氢结合在一起，有时也和其它元素结合在一起 来源：细菌、润滑剂、蒸气、清洁剂、溶剂等 问题：在特定工艺条件下

10、，微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性、表面清洗不彻底，使得诸如金属杂质之类的沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面29自然氧化层30接触孔底部的自然氧化层在钨塞和掺杂硅区域引起差的电接触在钨沉积之前，自然氧化层生长在接触孔钨塞有源区层间介质层间介质氧化层隔离接触定义：如果暴露于室温下的空气或含溶解氧的去离子水中，硅片的表面将被氧化问题：妨碍其他工艺步骤；包含某些金属杂质，从而在硅中转移并形成电学缺陷；金属导体的接触区，增加互连线与半导体的源区及漏区间的接触电阻解决方案：使用含HF酸的混合液的湿法清洗静电释放31- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

11、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -定义：两种不同静电势的材料接触或摩擦（摩擦电）产生原因：湿度低（40%+-10%)问题：尽管ESD发生时转移的静电总量很小，但放电的能量积累在硅片上很小的一个区域内。发生在几个纳秒内的静电释放能产生超过1A的峰值电流；产生的电场能够吸引带电颗粒或极化并吸引中性颗粒到硅片表面。污染物的影响器件工艺良品率器件工艺良品率 污染会改变器件的尺寸，改变表面的洁净度，造成有凹痕的表面。在晶片生产的过程中，有一系列的质量检验和检测，他们是为检

12、测出被污染的晶片而特殊设计的。高度的污染使得仅有少量的晶片能够完成全工艺过程，从而导致成本升高。器件效能器件效能 一个更为严重的问题是在工艺过程中漏检的小的污染。晶片看起来是干净的，但其中未能检测出来的颗粒，不需要的化学物质，和高浓度的可移动离子污染物，可能会改变器件的电性能。这个问题通常是在芯片切割时的电测试中显现出来。器件可靠性器件可靠性 最令人担心的莫过于污染对器件可靠性的失效影响。小剂量的污染物可能会在工艺过程中进入晶片，而未被通常的器件测试检验出来。然而，这些污染物会在器件内部移动，最终停留在电性敏感区域，从而引起器件失效。这一失效模式成为航空业和国防业的首要关注。3233无尘室 低

13、粒子数的人造环境 最初的无尘室是为了医院手术房而建的 粒子是成品率的杀手 集成电路制造必须在无尘室中进行34无尘室 最初的无尘室是为了医院手术房而建的 1950年之后半导体工业采用本项技术 越小的图形尺寸就需要纯净度更高的无尘室 粒子数越少，造价越高35无尘室等级 等级 10：每立方英尺内其直径大于0.5微米的微粒数目必须小于10颗 等级 1 ：每立方英尺内其直径大于0.5微米的微粒数目必须小于1颗 0.18mm组件需要高于等级1以上的无尘室36无尘室等级0.1110100100010000100000Class 100,000Class 10,000Class 1,000Class 100C

14、lass 10Class 1粒子总数 / 立方英尺0.11.010以微米为单位的粒子尺寸Class M-137依联邦标准209E定义所制定之空气含微粒子的洁凈等级表 等级粒子 / 立方英尺0.1m0.2m0.3m0.5m5mM-19.82.120.8650.28 1357.531 10350753010 100 750300100 1000 1000710000 100007038光刻版上粒子污染效应39粒子污染的效应局部布植的接面微粒离子束光阻屏蔽氧化层光阻中的掺杂物40无尘室结构制程区设备区 1000级设备区 1000级孔状框型高架地板回风HEPA过滤网风扇帮浦、电力供应系统制程工具制程工

15、具补充空气补充空气1级41最少化微粒环境 等级1000的无尘室,较低的成本 董事长会议室的安排方式,制程和设备之间无墙面阻隔 在晶圆和制程工具的周围环境较等级1佳 制程工具间晶圆转移自动化42最少化微粒环境的无尘室设备区 1000级设备区 1000级孔状框型高架地板回风HEPA过滤网风扇帮浦、电力供应系统制程工具补充空气补充空气制程工具HEPA过滤网1级43更衣区无尘衣挂架长椅手套、发套和鞋套架弃物箱刷洗 / 清洁位置储物区手套架手套架入口往无尘室44集成电路制程流程图微影技术薄膜成长、沉积，且(或)化学机械研磨蚀刻光阻剥除光阻剥除离子布植快速高温回火或扩散45半导体生产工厂的平面图制程区间更

16、衣区走道设备区拉门服务区46半导体生产工厂基本平面图更衣区紧急出口服务区制程和度量工具47湿式制程干燥蚀刻、光阻涂布或清洗冲洗48中心带区平带区距离温度加热线圈石英管气流晶圆水平炉管49垂直炉管制程反应室晶圆塔状承座加热器50轨道步进机整合示意图加热平台底层涂布反应室冷却平台冷却平台自旋涂布站显影站步进机晶圆移动方向晶圆51具备蚀刻和光阻剥除反应室的群集工具转换室光阻剥除反应室装载站蚀刻反应室光阻剥除反应室蚀刻反应室卸除站机械手臂52具备介电质化学气相沉积(CVD)及回蚀刻反应室的群集工具转换室装载站PECVD反应室O3-TOES反应室卸除站机械手臂Ar离子溅射室53具有气相沉积(PVD)反应

17、室的群集工具转换室装载站Ti/TiN反应室AlCu反应室卸除站机械手臂AlCu反应室Ti/TiN反应室54干进、干出多研磨头的化学机械研磨(CMP)系统晶圆装载及等待位置CMP后段清洁位置清洗位置干燥及晶圆卸除位置多研磨头研磨机研磨衬垫清洁机台研磨头55制程区和设备区制程区设备区设备区制程工具计算机桌与度量工具桌服务区拉门晶圆装载门56测试结果失效晶粒57芯片接合结构硅芯片芯片背面金属化焊接材料基片金属化基片(金属或陶瓷)微电子组件和电路融熔及凝固58打线接合制程金属线形成融熔金属球接合垫片接合垫片接合垫片紧压使之连结接合垫片打线头退返线夹59打线接合制程引线接合垫片接合垫片引线施压及加热使金属线连结引线线夹闭合加热以截断金属线60带有接合垫片的集成电路芯片接合垫片61IC芯片封装引线