电子元器件制造技术

第二章元器件制造技术可靠性与系统工程学院付桂翠2012年09月27日本章内容提要半导体集成电路芯片制造技术1混合集成电路工艺2半导体集成电路芯片制造技术发展里程碑1基本工艺2器件工艺3芯片加工中的缺陷和成品率预测

4发展里程碑1954年，Bell实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和扩散工艺；1958年后期，仙童公司的物理学家JeanHoerni开发出一种在硅上制造PN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PN结；SpragueElectric的物理学家KurtLehovec开发出使用PN结隔离元件的技术；1959年，仙童公司的RobertNoyce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；1960年Bell实验室开发出外延沉积/注入技术，即将材料的单晶层沉积/注入到晶体衬底上；发展里程碑1963，RCA制造出第一片由MOS（MetalOxideSemiconductor，金属氧化物半导体）工艺制造的集成电路；1963，仙童公司的FrankWanlass提出并发表了互补型MOS集成电路的概念。CMOS是应用最广泛的、高密度集成电路的基础。历史回顾v摩尔定律1965年，仙童半导体的研发主管摩尔(GordonMoore)指出：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。后来，这一表述又修正为每18个月翻番。这也就是后来闻名于IT界的“摩尔定律”。戈登.摩尔集成电路现状v芯片特征尺寸v晶片尺寸450mm(18英寸)(预计2012年面世)、300mm(12英寸,2002)、200mm(8英寸,1990)IntelCPU芯片特征尺寸Intel45nm晶片集成电路的基本工艺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；前工艺:芯片制造；后工艺:组装、测试。双极型晶体管制作工艺(a)一次氧化(b)光刻基区(c)基区硼扩散、氧化(d)光刻发射区(e)发射区磷扩散、氧化(f)光刻引线孔(g)蒸镀铝膜(h)刻蚀铝电极硅片轧制备多晶狱硅生盒产、也单晶烈生长库、硅忍圆片丛制造原料：石英石粗硅四氯化硅高温炭还原氯化多晶硅高温氯还原单晶硅直拉法区熔法硅片切割磨片硅片脱制备直拉迈法生捎长单捡晶首先奖将预蚕处理州好的缩慧多晶驴硅装篇入炉刷内石逼英坩沉埚中斯，抽赛真空谦或通劣入惰喊性气可体；拉晶叨时，笼籽晶森杆以没一定赵速度忌绕轴彩旋转西，同田时坩盆埚反礼方向咱旋转馋，坩本埚由吹高频纪感应胶或电琴阻加芽热，瘦其中亚的多迁晶硅碧料全缺部熔你化；将籽损晶下链降至能与熔滑融的颜多晶蒜硅接历触，战熔融焦的多枝晶硅昼会沿付籽晶少结晶浅，并匪随籽涛晶的左逐渐姐上升誉而生津长成移棒状惑单晶刑。硅片棕制备3、切骗片-清洗1、单俊晶生饼长2、单臣晶切顷割分贿段--滚磨专外圆-定位索面研望磨4、磨厅片-清洗5、抛饭光-清洗6最终盆晶片制膜膜的往类型二氧杏化硅采膜外延饮层金属颤膜薄膜输的制蹦备技坟术热氧诵化法物理杆气相票沉积PV孙D蒸镀蠢、溅休射化学抱气相碑淀积CV昆D淀积柔温度络低、平薄膜盏成分旗和厚仆度易湖于控护制、锹均匀按性和剧重复周性好忧、设碧备简堡单氧化谁层生佩长二氧来化硅碧的特顿性化学候稳定每性高心、绝春缘、艇对某茄些杂辞质能延起到讲掩蔽某作用(杂质退在其产中的手扩散炒系数丈非常肤小)；氧化怎层的本作用器件帮的保辅护层调、钝赌化层粥、电供性能嘉隔离其、绝串缘介剪质层麦和电手容器武的介决质膜阔，实柱现选页择性傻的扩腥散；生长溜方法热氧俊化法等离蝴子氧获化法热分抛解沉种积法溅射眠法真空陕蒸镀犁法氧化纷层生但长热氧销化法干氧顾氧化煤：以守干燥罪纯净罩的氧蚂气作讨为氧朝化气诱氛，昌在高来温下易氧直有接与应硅反医应生套成二仅氧化次硅；水汽眠氧化莫：以处高纯逼水蒸算汽为愿氧化梯气氛惩，由扫硅片屯表面垮的硅合原子苗和水息分子炸反应轻生成攀二氧响化硅亩层(厚度林一般估在10在-8骆~1告0-罚6)。水眉汽氧谊化的司氧化箩速率银比干类氧氧视化的逆高；湿氧瓜氧化地法：锣实质疗上是羞干氧宪氧化祝和水刃汽氧挨化的悬混合矿，氧座化速断率介德于二厉者之明间。氧化玻层生泄长氧化渣层缺械陷裂纹引起蹦金属语连线梯与硅较片短遥路，躲或多猪层连险线间蚂短路专；针孔产生正原因举：光殃刻版肢上的编小孔暮或小民岛，钱光刻茶胶中宜杂质纸微粒芳，硅棍片上主沾附蜻的灰汪尘，外胶膜模上有撒气泡毁或氧汇化层搜质量勺较差董等；造成控的后宣果：消使氧仓化层中不连微续，歪破坏论了二茫氧化蜂硅的比绝缘陶作用乌，针油裂纹避和针菜孔可役使扩兴散掩扮埋失宁效，祖形成划短路购，连雀线或答铝电惯极下继的二隙氧化挠硅有努针孔糟会引殿起短而路。厚薄删不均增匀产生忠原因剖：氧郊化层臭划伤炕；造成泳后果良：会铜降低眠耐压怕，使崇击穿量电压喘降低伪或丧颗失对沫杂质臣扩散厉的掩隔蔽能虑力，非或者都金属尸与硅促之间严短路列而使毒器件际失效惜；氧化僵层电菊荷外延匙生长在单沫晶衬果底上营制备辉一层运新的煤单晶貌层的海技术;层中呢杂质茄浓度盛可以播极为泼方便属的通收过控鹿制反揪应气有流中愧的杂吧质含丘量加沃以调无节，妄不受泊衬底种中杂坝质种蒸类与偏掺杂漆水平窃的影疏响;作用针：双极浩型集牧成电图路：叉为了样将衬宪底和军器件背区域欠隔离(电绝右缘)，在P型衬记底上加外延痒生长N型单羞晶硅比层；MO致S集成榆电路两：减谱少了幻玉粒子裤软误剩差和CM礼OS电路属中的粘闩锁订效应提等；生长粱方法臣：气泉相外柏延技者术利用敢硅的肚气态牛化合暑物，施如四床氯化恩硅或(S送iC计l4)硅烷(S问iH4)，在叨加热裁的衬冬底表醒面与集氢气崖发生椅反应次或自弹身发互生热擦分解棕反应炼，进腿而还锅原成陵硅，争并以炉单晶叮形式另淀积预在硅建衬底液表面它。制备翻金属寻膜实现昏电连茄接；Al及其促合金线：最榜常用牢的金烛属互亿连材朋料；Cu制程封；制备瓦方法貌：蒸经发和焦溅射但。蒸发沃：真首空系稳统中腿，金阻属原垫子获莲得足乒够的福能量乒后便终可以忘脱离灭金属像表面耻的束违缚成伟为蒸垃气原秋子，工在其毕运动洋轨迹灾中遇使到晶作片，鸽就会招在晶洒片上肺淀积唯一层查金属凳薄膜妇；溅射汁：在薪真空倚系统令中充劲入一失定的铲惰性厉气体脑，在僻高压丢电场财的作比用下墙，由双于气磁体放昼电形炕成离孩子，秀这些胶离子余在强秆电场默作用暂下被雹加速蜻，然济后轰毛击靶涝材料颂，使民其原都子逸属出并妻被溅董射到值晶片厚上，择形成秒金属河膜；溅射赠法形价成的腥薄膜苦比蒸严发淀谱积的价薄膜痰附着律力更勇强，碍且膜来更加麻致密奸、均残匀。图形崖转移-光刻图形垫转移冷：将省集成鼻电路栗的单湾元构问件图爱形转零移到恰圆片查上的肆工艺饰；光刻+刻蚀止，统妖称光雁刻；光刻弊胶：光致或抗蚀劝剂正胶负胶图形术转移-光刻常规充的光吹刻工失艺过糕程：涂胶-前烘-曝光-显影-坚膜-腐蚀(刻蚀)-去胶图形勺转移-刻蚀分为止干法腐刻蚀薪和湿丹法刻肢蚀；湿法述刻蚀一种莲化学咬刻蚀椒方法饮；将材邮料放弯在腐你蚀液走内；5u乖m以上赚，优福良的咏选择歪性，经刻蚀闯完当盼前薄捡膜就装停止慢；低甜成本他、高队效率爸；5u舟m以下黎，侧兄向腐疗蚀严青重，旗线条遭宽难寒以控访制；干法字腐蚀等离笑子体苹轰击锈被刻页蚀表蒜面掺杂掺杂搜：在廉半导左体加辅入少条量特贞定杂蝇质，戒形成N型与P型的栽半导冷体区叶域；掺杂散锑、皂砷和酬磷可我以形唉成N型材魄料；掺杂拦硼则码可以帝形成P型材北料午；主要粘技术斩手段高温竟热扩爬散法尿：利用墙杂质得在高喝温(约80纺0℃以上)下由如高浓说度区垦往低均浓度和区的谣扩散示；早期妇使用怎；集成秧度增汪加，蜜无法暗精确用地控锋制杂捷质的晕分布左形式将和浓嫩度；离子愧注入参：将厘杂质涉转换娘为高烫能离芝子的孩形式绪，直巧接注图入硅过的体赠内。掺杂购浓度朴控制物精确悔、位众置准京确。集成旗电路集成销电路(I底nt芽eg咸ra它te丝式d爪Ci黑rc召ui根t，缩小写为IC)是指玩通过味一系惹列的写加工邻工艺福，将节多个友晶体园管、勒二极吊管等反有源扛器件滩和电酸阻、牧电容尝等无药源元级件，耗按照怎一定墓的电唤路连擦接集艳成在困一块厅半导训体晶坝片(如硅娘或Ga膛As优)或陶岛瓷等赔基片糊上，觉作为葬一个斯不可柴分割柿的整讯体执笛行某台一特差定功唱能的凉电路围组件谨。常见烫的分银类方亏法主丛要有怒：按私器件结构危类型、集牺成电半路规模、使筑用的饿基片材料、电集路功能以及应用剩领域等进怒行分框类。集成释电路淋的工叉艺类裙型根据辟集成勿电路商中有篮源器苍件的监结构泻类型回和工亡艺技蔑术可睡以将谅集成摊电路宁分为甘三类晓。双极民集成看电路：采努用的黄有源遭器件边是双吼极晶斩体管狭，是缩慧由电子航和空遥穴两烈种类沙型的笋载流狐子工陪作，因势而取绳名为片双极确集成绸电路金属-氧化箱物-半导李体(M祝OS觉)集成信电路：这谎种电督路中内所用文的晶轧体管早为MO肠S晶体男管，关由金勇属-氧化拼物-半导去体结畏构组脚成的特场效允应晶共体管铸，它腰主要样靠半亿导体简表面税电场寄感应铃产生恢的导红电沟妄道工兴作，纵是电倘压控愁制电磨流的芒器件锋，只有敲一种姜载流付子(电子然或空渔穴)，因州此有我时为过了与环双极她晶体身管对留应，罗也称恰它为钳单极父晶体肉管。双极-M骂OS堂(B乱iM耍OS戒)集成兵电路：同压时包晚括双雪极和MO异S晶体衬管的匹集成津电路孤为Bi母MO翅S集成独电路洗。器件勿工艺双极鹊型集树成电贼路中等瘦速度自、驱恭动能联力强匙、模逃拟精绢度高灿、功室耗比档较大CM洁OS集成签电路静态挪功耗略低、叔电源胜电压舰范围轿宽、怎输出冈电压胳幅度趋宽（惩无阈阅值损宵失）淹，具医有高蚊速度夕、高泪密度旗潜力薪；电歉流驱左动能津力低Bi质MO旬S集成川电路夏工艺PMOS型双极型MOS型CMOS型NMOS型BiMOS双极工型硅登工艺v工艺困特点集成侄电路糠中各锦元件被之间哪需要肌进行格电隔个离；常规写工艺星中大货多采弟用PN结隔础离，缠即用薯反向PN结达往到元检件之坛间相斜互绝乏缘的竹目的庆。除PN结隔掀离以圣外，颗有时涌也采盘用介旱质隔棕离或即两者桌混合籍隔离旧法。双极搞型集迎成电固路中片需要疑增添材隐埋疯层；工艺脏过程战是：盘在P型硅形片上抄，在辣预计悔制作运集电抛极的组正下鱼方某启一区立域里裳先扩危散一旷层高萍浓度艇施主绍杂质滋即N+区;而后丝式在其部上再刻外延般生长班一层N型硅染单晶暖层。讲于是批，N型外最延层萌将N+区隐停埋在雀下面蝇，再里在这故一外忙延层盯上制丹作晶芽体管待。双极尊型集营成电裹路元伯件间南需要照互连钩线；通常逗为金粱属铝尼薄层生互连嫁线。双极瘦型硅瞎工艺v经过5次氧烟化v对二鸭氧化碌硅薄圆层进勉行5次光愤刻，掀刻蚀从出供凳扩散都掺杂遇用的漆图形李窗口领。v最后狭还经旋过两着次光牧刻，让刻蚀流出金社属铝锅互连起布线肥和钝波化后酬用于伸压焊朽点的暗窗口助。v芯片贡的制方造缺切陷：学引起切成品独率下篮降的挥主要隐因素全局床缺陷几乎菌可以纹消除;光刻穴对准垮误差荐、工孝艺参畅数随枪机起流伏和往线宽柴变化柄等;局域瞒缺陷光刻括工艺压中引目入的膨氧化粒物针桂孔缺古陷等饮点缺贫陷;控制姑随机卫点缺染陷是坐相当街困难;冗余嫁物缺虚陷:短路庸故障申；丢失锤物缺芽陷:开路饱故障找；氧化规物针从孔缺千陷:电路暑短路选故障岂；结泄皱漏缺折陷:电路叠短路据故障劳；洁净卸室内房诚空气防中的拦灰尘攻微粒你；硅片白和设蹲备的凤物理丘接触阳；各类很化学脾试剂贸中的环杂质宅颗粒鸣。芯片暮加工称中的南缺陷看和成惰品率杜预测v点缺苏陷v来源集成弟电路脉的结铸构类喷型按照饶集成晒电路科的结比构形董式可死以将撑它分双为半压导体拦单片遗集成馒电路恶及混序合集倾成电字路。单片羊集成继电路(I龟C)：它尚是指役电路嗽中所捉有的点元器留件都票制作脉在同距一块跳半导滩体基拥片上棕的集萍成电性路。混合昼集成糖电路(H塘IC予)：是窑指将嫌多个盈半导荒体集四成电萍路芯岔片或寺半导插体集土成电左路芯述片与盾各种伍分立斩元器挪件通袜过一梢定的喊工艺尤进行何二次中集成煤，构疗成一谜个完祸整的谎、更录复杂血的功笼能器盐件，棕该功稻能器更件最擦后被阳封装题在一务个管廉壳中乞，作宵为一找个整购体使绸用。统因此丘，有昆时也粱称混展合集吸成电惕路为斗二次在集成IC。混合筛集成似电路PK印刷朝电路佛板•混合刃集成俱电路拼可比桐等效萝的印平刷电芝路板节体积秩小4~慨6倍、译重量屑轻10倍，裕但成旋本较缝高。•散热混合假电路躁中，痕大功极率器笔件可药以直启接装巧在导伞热好超的陶命瓷基烂片上就。印刷铅电路的板上坦要将卡