IC基础知识及制造工艺流程

新员工入职培训IC基础知识制造工艺流程&2/4/2023IC基础知识2/4/20231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2/4/20232硅片和芯片2/4/20233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2/4/20234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2/4/20235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=10-3-108-cm锗、硅、砷化镓、磷化铟－导体电阻率=10-3-10-8-cm

金、银、铜、铝

2/4/20236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2/4/20237硅的掺杂和电阻率-Ｐ型和Ｎ型硅Ｐ型掺杂元素硼、铝Ｎ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）2/4/20238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2/4/20239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2/4/202310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（Bipolartransistor)-MOSFET（金属－氧化物－半导体场效应晶体管）

ppnnpMOS2/4/202311双极型集成电路(NPN)2/4/202312双极型集成电路(PNP)2/4/202313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2/4/202314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(Ionimplantation)-外延(Epitaxy)-薄膜工艺化学气相淀积(CVD)

溅射(Sputtering)2/4/202315IC基础工艺技术

图形转移氧化硅光刻胶硅衬底掩膜2/4/202316IC基础工艺(1)－光刻-光刻机分辨率L=k/N

光源UV(g:436nmi:365nm)DUV248nm

对准精度曝光方式接触／投影1:1/5:1

-光刻胶正胶／负胶抗蚀性感光速度分辨率

2/4/202317光刻机2/4/202318IC基础工艺(2)－刻蚀湿法腐蚀

SiO2+6HFH2+SiF6+2H2O

NH4F

NH3+HF有侧向腐蚀问题，难以得到细线条

光刻胶光刻胶2/4/202319IC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

2/4/202320RIE刻蚀装置(ParallelPlate)RFGasPumpingSystem2/4/202321RIE刻蚀机(AME8330)2/4/202322IC基础工艺(2)－刻蚀被刻膜

刻蚀剂SiO2CHF3,C3F8SiCH4/O2,SF6AlSiCL4/Cl2,BCl3/Cl2Si3N4CHF3/O2PhotoresistO22/4/202323IC基础工艺(3)－扩散-扩散方程dC/dt=Dd2C/dx2恒定表面源C(x,t)=Cserf[x/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2/4/202324IC基础工艺(3)－扩散2/4/202325IC基础工艺(3)－扩散2/4/202326扩散（氧化）炉2/4/202327IC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）SiO2Si2/4/202328IC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2/4/202329IC基础工艺(5)－离子注入2/4/202330IC基础工艺(5)－离子注入2/4/202331IC基础工艺(6)－外延SiSiSiSiCl4H2HCl2/4/202332外

延

炉2/4/202333IC基础工艺(7)－化学气相淀积（CVD）-原理

SiH4+O2SiO2+2H2

Si(OC2H5)4SiO2+副产物

SiH4Si+2H2-LPCVD和PECVD-PSG和BPSG-用途导电层间绝缘层，钝化层2/4/202334CVD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2/4/2023352/4/202336IC基础工艺(8)－溅射（金属）基座硅片靶轰击离子Ar+溅射原子2/4/202337IC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Al－AlSi（防铝尖刺）－AlSiCu（抗电迁移）-合金化-多层布线

2/4/2023382/4/202339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2/4/202340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2/4/202341IC技术发展趋势(1)

特征线宽随年代缩小2/4/202342IC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1972197519771984199019972/4/202343IC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-420002/4/202344IC技术发展趋势(4)

结构复杂化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMOSBCD2/4/202345IC制造工艺流程2/4/202346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-cm2/4/202347双极型集成电路工艺流程(1)

埋层-埋层扩散

P衬底N+

埋层2/4/2023482/4/202349双极型集成电路工艺流程(2)

外延

PSubN-EpiN+埋层2/4/202350双极型集成电路工艺流程(3)

隔离隔离光刻－隔离注入PSubN-EpiN+2/4/202351双极型集成电路工艺流程(3)

隔离-隔离扩散N-EpiN+P+P+2/4/202352双极型集成电路工艺流程(3)

隔离2/4/202353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2/4/202354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+2/4/202355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+2/4/202356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+2/4/2023572/4/202358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)纯度>99.9999%

颗粒控制严0.5/L-超净化学药品纯度、颗粒控制2/4/202359IC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------------10002/4/202360净化室2/4/202361IC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/ml2/4/202362IC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10ppm5ppm100ppb80ppb10ppb