IC基础知识及制造工艺流程

1、2022-6-24新员工入职培训新员工入职培训IC基础知识制造工艺流程&2022-6-241IC基础知识基础知识2022-6-242集成电路产业链制版硅片硅片工艺设计封装测试纯水净化设备化学品2022-6-243硅片和芯片2022-6-244目录目录-最重要的半导体材料硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2022-6-245目录目录-最重要的半导体材料硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2022-6-246绝缘体半导体导体绝缘体电阻率=108-1018-cm 石英、玻璃、 塑料半导体电阻率=10

2、-3-108-cm锗、硅 、砷化镓 、磷化铟 导体电阻率=10-3-10-8-cm金、银 、铜 、铝 2022-6-247周期表中硅及相关元素周期IIIIIIVVVI2B 硼C 碳N 氮3Al铝 Si硅 P 磷4Ga 镓 Ge 锗 As砷5In 铟Sn 锡 Sb锑6Pb 铅2022-6-248硅的掺杂和电阻率-型和型硅型掺杂元素硼、铝型掺杂元素磷、砷、锑-掺杂浓度和电阻率1x1015硼 0.00001% 10-cm （衬底）1x1016磷 0.0001% 0.5-cm（外延）1x1018硼 0.01% 0.05-cm （基区）1x1020磷 1% 0.0008-cm（发射区）2022-6-24

3、9硅片主要技术指标-晶向(111)/(100)-掺杂类型掺杂剂 P/N-电阻率-直径厚度-平整度/弯曲度翘曲度-含氧量含碳量-缺陷（位错密度层错密度）-表面颗粒2022-6-2410目录目录-最重要的半导体材料硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2022-6-2411构建集成电路的主要半导体器件- PN结二极管(Diode)-（双极）晶体管（Bipolar transistor)- MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管） ppnnpMOS2022-6-2412双极型集成电路(NPN )2022-6-2413双极型集成电路(PNP)2022-6

4、-2414目录目录-最重要的半导体材料硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2022-6-2415集成电路基础工艺技术- 图形转移工艺 光刻 刻蚀(Etching)- 掺杂工艺热扩散和热氧化离子注入(Ion implantation)- 外延(Epitaxy)- 薄膜工艺 化学气相淀积(CVD) 溅射(Sputtering)2022-6-2416IC基础工艺技术图形转移氧化硅光刻胶硅衬底掩膜2022-6-2417IC基础工艺(1)光刻- 光刻机分辨率 L=k/N 光源UV(g: 436nm i: 365nm) DUV 248nm对准精度曝光方式 接触

5、投影1:1/5:1- 光刻胶正胶负胶抗蚀性感光速度分辨率2022-6-2418光刻机2022-6-2419IC基础工艺(2)刻蚀 湿法腐蚀SiO2+6HF H2+SiF6+2H2ONH4F NH3+HF有侧向腐蚀问题，难以得到细线条光刻胶光刻胶2022-6-2420IC基础工艺(2)刻蚀 干法刻蚀等离子体 F*扩散吸附反应 解吸附2022-6-2421RIE刻蚀装置(Parallel Plate)RFGasPumpingSystem2022-6-2422RIE刻蚀机 (AME8330)2022-6-2423IC基础工艺(2)刻蚀被刻膜刻蚀剂SiO2CHF3,C3F8SiCH4/O2, SF6A

6、lSiCL4/Cl2, BCl3/Cl2Si3N4CHF3/O2PhotoresistO22022-6-2424IC基础工艺(3)扩散- 扩散方程dC/dt=Dd2C/dx2恒定表面源C(x,t)=Cserfx/2(Dt)1/2恒定杂质总量C(x,t)=S/(Dt)1/2exp(-x2/4Dt)- 扩散系数依赖于温度和浓度- 氧化硅对杂质的掩蔽能力2022-6-2425IC基础工艺(3)扩散1.E+151.E+161.E+171.E+181.E+191.E+2000.20.40.60.81深度 ( um)杂质浓度 ( a t m/cm3)t1t22022-6-2426IC基础工艺(3)扩散20

7、22-6-2427扩散（氧化）炉2022-6-2428IC基础工艺(4)- 热氧化- 硅在氧气或水汽中的热氧化反应 Si+O2-SiO2 （干氧氧化，适合薄氧化层） Si+2H2O-SiO2+2H2（湿氧氧化，厚氧化层）- 氧化生长速率 线性率x=B/A(t+)O2 抛物线率x2=B(t+ )- 氧化层质量要求厚度均匀，致密，清洁（无钠离子沾污）SiO2Si2022-6-2429IC基础工艺(5)离子注入- 离子注入原理杂质分布投影射程和标准偏差- 离子注入掺杂的优点掺杂量可精确控制温度低易得浅结可带胶注入2022-6-2430IC基础工艺(5)离子注入1.E+171.E+181.E+191.

8、E+201.E+2100.20.40.60.8深度 (um)浓度 (atm/cm3)2022-6-2431IC基础工艺(5)离子注入2022-6-2432IC基础工艺(6)外延SiSiSiSiCl4H2HCl2022-6-2433外延炉2022-6-2434IC基础工艺(7)化学气相淀积（CVD）- 原理 SiH4+O2 SiO2+2H2 Si(OC2H5)4 SiO2+副产物 SiH4 Si+2H2- LPCVD和PECVD- PSG和 BPSG- 用途导电层间绝缘层，钝化层2022-6-2435CVD系统CVD系统组成：气体源和输气系统质量流控制反应器加热系统2022-6-24362022

9、-6-2437IC基础工艺(8)溅射（金属）基座硅片靶轰击离子Ar+溅射原子2022-6-2438IC基础工艺(8)溅射（金属）- 常用金属化材料- 铝硅系统优点低电阻率低接触电阻纯AlAlSi（防铝尖刺）AlSiCu（抗电迁移）- 合金化- 多层布线2022-6-24392022-6-2440目录目录-最重要的半导体材料硅-构建集成电路的主要半导体器件-关键的集成电路工艺制造技术-集成电路技术发展趋势2022-6-2441集成电路技术发展趋势- 特征线宽不断变细、集成度不断提高- 芯片和硅片面积不断增大- 数字电路速度不断提高- 结构复杂化、功能多元化2022-6-2442IC技术发展趋势(

10、1)特征线宽随年代缩小2022-6-2443IC技术发展趋势(2)硅片大直径化直径 mm(inch)75(3)100(4)125(5)150(6)200(8)300(12)引入年代1972197519771984199019972022-6-2444IC技术发展趋势(3)CPU运算能力年代CPU型号运算能力(MIPS)19822861198838681991486201995Pentium1001996Pentium-22501998Pentium-38002001Pentium-420002022-6-2445IC技术发展趋势(4)结构复杂化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMO

11、SBCD2022-6-2446IC制造工艺流程制造工艺流程2022-6-2447双极型集成电路工艺流程(1)埋层- 埋层光刻埋层注入 Sb+P (111) Sub10-20-cm2022-6-2448双极型集成电路工艺流程(1)埋层- 埋层扩散 P 衬底N+埋层2022-6-24492022-6-2450双极型集成电路工艺流程(2) 外延 P SubN-EpiN+ 埋层2022-6-2451双极型集成电路工艺流程(3) 隔离隔离光刻隔离注入P SubN- EpiN+2022-6-2452双极型集成电路工艺流程(3) 隔离- 隔离扩散N-EpiN+P+P+2022-6-2453双极型集成电路工艺

12、流程(3) 隔离2022-6-2454双极型集成电路工艺流程(4)基区- 基区光刻硼离子注入基区扩散N埋层P+P+基区2022-6-2455双极型集成电路工艺流程(5)发射区发射区光刻磷离子注入发射区扩散N+P+P+ pN+N+2022-6-2456双极型集成电路工艺流程(6)接触孔- 接触孔光刻接触孔腐蚀N+P+P+ pN+N+2022-6-2457双极型集成电路工艺流程(7)金属连线- 溅射金属（Al或AlSiCu)光刻腐蚀N+P+P+ pN+N+2022-6-24582022-6-2459集成电路制造环境- 超净厂房 无尘、恒温、恒湿- 超净水- 超净气体 常用气体(N2、O2、H2)纯

13、度99.9999% 颗粒控制严0.5/L- 超净化学药品 纯度、颗粒控制2022-6-2460IC 制造环境(1)净化级别和颗粒数净化级别颗粒数立方英尺0.12um0.2um0.3um0.5um0.289.912.140.870.281357.53110350753010100 -7503001001000 - - -10002022-6-2461净 化 室2022-6-2462IC制造环境(2) 超纯水- 极高的电阻率（导电离子很少）18M- 无机颗粒数5ppb (SiO2)- 总有机碳（TOC) 20ppb- 细菌数 0.1/ml2022-6-2463IC制造环境(3)超纯化学药品DRAM64k256K4M64M1G线宽(um) 3.02.01.00.50.25试剂纯度 10ppm5ppm100pp