電子元器件制造技術(shù).ppt

1、第二章 元器件制造技術(shù),可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院 付桂翠 2012年09月27日,本章內(nèi)容提要,半導(dǎo)體集成電路芯片制造技術(shù),1,混合集成電路工藝,2,半導(dǎo)體集成電路芯片制造技術(shù),發(fā)展里程碑,1,基本工藝,2,器件工藝,3,芯片加工中的缺陷和成品率預(yù)測,4,發(fā)展里程碑,1954年，Bell實驗室開發(fā)出氧化、光掩膜、刻蝕和擴散工藝； 1958年后期，仙童公司的物理學(xué)家Jean Hoerni開發(fā)出一種在硅上制造PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，并在結(jié)上覆蓋了一層薄的硅氧化層作絕緣層，在硅二極管上蝕刻小孔用于連接PN結(jié)； Sprague Electric的物理學(xué)家Kurt Lehovec開發(fā)出使用PN結(jié)隔離元件的技術(shù)； 19

2、59年，仙童公司的Robert Noyce通過在電路上方蒸鍍薄金屬層連接電路元件來制造集成電路； 1960年Bell實驗室開發(fā)出外延沉積/注入技術(shù)，即將材料的單晶層沉積/注入到晶體襯底上,發(fā)展里程碑,1963，RCA制造出第一片由MOS（Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝制造的集成電路； 1963，仙童公司的Frank Wanlass提出并發(fā)表了互補型MOS集成電路的概念。 CMOS是應(yīng)用最廣泛的、高密度集成電路的基礎(chǔ),歷史回顧,v 摩爾定律,1965年，仙童半導(dǎo)體的研發(fā)主管摩爾(Gordon Moore) 指出：微處理器芯片的電路密度，以及它潛在的計算

3、能力，每隔一年翻番,后來，這一表述又修正為每18個月翻番。這也就是后來聞名于IT界的“摩爾定律,戈登.摩爾,集成電路現(xiàn)狀,v芯片特征尺寸 v晶片尺寸,450mm(18英寸)(預(yù)計2012年面世),300mm(12英寸,2002)、200mm(8英寸,1990,Intel CPU芯片特征尺寸,Intel 45nm晶片,集成電路的基本工藝,以圓形的硅片為基礎(chǔ)，在初始硅片上經(jīng)過氧化、摻雜、薄膜淀積、光刻、蝕刻等步驟的單獨使用或組合重復(fù)使用，制作出器件，再通過電極制備、多層布線實現(xiàn)各器件間的互連，實現(xiàn)一定的功能，最后再經(jīng)過封裝測試成為成品； 前工藝:芯片制造； 后工藝:組裝、測試,雙極型晶體管制作工藝

4、,a)一次氧化 (b)光刻基區(qū) (c)基區(qū)硼擴散、氧化 (d)光刻發(fā)射區(qū),e)發(fā)射區(qū)磷擴散、氧化 (f)光刻引線孔 (g)蒸鍍鋁膜 (h)刻蝕鋁電極,硅片制備,多晶硅生產(chǎn)、單晶生長、硅圓片制造,硅片制備,直拉法生長單晶 首先將預(yù)處理好的多晶硅裝入爐內(nèi)石英坩堝中，抽真空或通入惰性氣體； 拉晶時，籽晶桿以一定速度繞軸旋轉(zhuǎn)，同時坩堝反方向旋轉(zhuǎn)，坩堝由高頻感應(yīng)或電阻加熱，其中的多晶硅料全部熔化； 將籽晶下降至與熔融的多晶硅接觸，熔融的多晶硅會沿籽晶結(jié)晶，并隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀單晶,硅片制備,3、切片-清洗,1、單晶生長,2、單晶切割分段-滾磨外圓-定位面研磨,4、磨片-清洗,5、拋光-清洗,6

5、最終晶片,制膜,膜的類型 二氧化硅膜 外延層 金屬膜 薄膜的制備技術(shù) 熱氧化法 物理氣相沉積PVD 蒸鍍、濺射 化學(xué)氣相淀積CVD 淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、設(shè)備簡單,氧化層生長,二氧化硅的特性 化學(xué)穩(wěn)定性高、絕緣、對某些雜質(zhì)能起到掩蔽作用(雜質(zhì)在其中的擴散系數(shù)非常小)； 氧化層的作用 器件的保護(hù)層、鈍化層、電性能隔離、絕緣介質(zhì)層和電容器的介質(zhì)膜，實現(xiàn)選擇性的擴散； 生長方法 熱氧化法 等離子氧化法 熱分解沉積法 濺射法 真空蒸鍍法,氧化層生長,熱氧化法 干氧氧化：以干燥純凈的氧氣作為氧化氣氛，在高溫下氧直接與硅反應(yīng)生成二氧化硅； 水汽氧化：以高純水蒸汽為氧化氣氛，

6、由硅片表面的硅原子和水分子反應(yīng)生成二氧化硅層(厚度一般在10-810-6)。水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的高； 濕氧氧化法：實質(zhì)上是干氧氧化和水汽氧化的混合，氧化速率介于二者之間,氧化層生長,氧化層缺陷 裂紋 引起金屬連線與硅片短路，或多層連線間短路； 針孔 產(chǎn)生原因：光刻版上的小孔或小島，光刻膠中雜質(zhì)微粒，硅片上沾附的灰塵，膠膜上有氣泡或氧化層質(zhì)量較差等； 造成的后果：使氧化層不連續(xù)，破壞了二氧化硅的絕緣作用，針裂紋和針孔可使擴散掩埋失效，形成短路，連線或鋁電極下的二氧化硅有針孔會引起短路。 厚薄不均勻 產(chǎn)生原因：氧化層劃傷； 造成后果：會降低耐壓，使擊穿電壓降低或喪失對雜質(zhì)擴散的掩蔽能力，

7、或者金屬與硅之間短路而使器件失效； 氧化層電荷,外延生長,在單晶襯底上制備一層新的單晶層的技術(shù); 層中雜質(zhì)濃度可以極為方便的通過控制反應(yīng)氣流中的雜質(zhì)含量加以調(diào)節(jié)，不受襯底中雜質(zhì)種類與摻雜水平的影響; 作用： 雙極型集成電路：為了將襯底和器件區(qū)域隔離(電絕緣)，在P型襯底上外延生長N型單晶硅層； MOS集成電路：減少了粒子軟誤差和CMOS電路中的閂鎖效應(yīng)等； 生長方法：氣相外延技術(shù) 利用硅的氣態(tài)化合物，如四氯化硅或(SiCl4)硅烷(SiH4)，在加熱的襯底表面與氫氣發(fā)生反應(yīng)或自身發(fā)生熱分解反應(yīng)，進(jìn)而還原成硅，并以單晶形式淀積在硅襯底表面,制備金屬膜,實現(xiàn)電連接； Al及其合金：最常用的金屬互連

8、材料； Cu制程； 制備方法：蒸發(fā)和濺射。 蒸發(fā)：真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸氣原子，在其運動軌跡中遇到晶片，就會在晶片上淀積一層金屬薄膜； 濺射：在真空系統(tǒng)中充入一定的惰性氣體，在高壓電場的作用下，由于氣體放電形成離子，這些離子在強電場作用下被加速，然后轟擊靶材料，使其原子逸出并被濺射到晶片上，形成金屬膜； 濺射法形成的薄膜比蒸發(fā)淀積的薄膜附著力更強，且膜更加致密、均勻,圖形轉(zhuǎn)移-光刻,圖形轉(zhuǎn)移：將集成電路的單元構(gòu)件圖形轉(zhuǎn)移到圓片上的工藝； 光刻+刻蝕，統(tǒng)稱光刻； 光刻膠：光致抗蝕劑 正膠 負(fù)膠,圖形轉(zhuǎn)移-光刻,常規(guī)的光刻工藝過程： 涂膠-前烘-曝光-顯

9、影-堅膜-腐蝕(刻蝕)-去膠,圖形轉(zhuǎn)移-刻蝕,分為干法刻蝕和濕法刻蝕； 濕法刻蝕 一種化學(xué)刻蝕方法； 將材料放在腐蝕液內(nèi)； 5um以上，優(yōu)良的選擇性，刻蝕完當(dāng)前薄膜就停止；低成本、高效率； 5um以下，側(cè)向腐蝕嚴(yán)重，線條寬難以控制； 干法腐蝕 等離子體轟擊被刻蝕表面,摻雜,摻雜：在半導(dǎo)體加入少量特定雜質(zhì)，形成N型與P型的半導(dǎo)體區(qū)域； 摻雜銻、砷和磷可以形成N型材料； 摻雜硼則可以形成P型材料 ； 主要技術(shù)手段 高溫?zé)釘U散法： 利用雜質(zhì)在高溫(約800以上)下由高濃度區(qū)往低濃度區(qū)的擴散； 早期使用； 集成度增加，無法精確地控制雜質(zhì)的分布形式和濃度； 離子注入：將雜質(zhì)轉(zhuǎn)換為高能離子的形式，直接注入

10、硅的體內(nèi)。 摻雜濃度控制精確、位置準(zhǔn)確,集成電路,集成電路(Integrated Circuit，縮寫為IC)是指通過一系列的加工工藝，將多個晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件，按照一定的電路連接集成在一塊半導(dǎo)體晶片(如硅或GaAs)或陶瓷等基片上，作為一個不可分割的整體執(zhí)行某一特定功能的電路組件。 常見的分類方法主要有：按器件結(jié)構(gòu)類型、集成電路規(guī)模、使用的基片材料、電路功能以及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行分類,集成電路的工藝類型,根據(jù)集成電路中有源器件的結(jié)構(gòu)類型和工藝技術(shù)可以將集成電路分為三類。 雙極集成電路：采用的有源器件是雙極晶體管，是由電子和空穴兩種類型的載流子工作，因而取名為雙極集成電

11、路 金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)集成電路：這種電路中所用的晶體管為MOS晶體管，由金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)組成的場效應(yīng)晶體管，它主要靠半導(dǎo)體表面電場感應(yīng)產(chǎn)生的導(dǎo)電溝道工作，是電壓控制電流的器件，只有一種載流子(電子或空穴)，因此有時為了與雙極晶體管對應(yīng)，也稱它為單極晶體管。 雙極-MOS(BiMOS)集成電路：同時包括雙極和MOS晶體管的集成電路為BiMOS集成電路,器件工藝,雙極型集成電路 中等速度、驅(qū)動能力強、模擬精度高、功耗比較大 CMOS集成電路 靜態(tài)功耗低、電源電壓范圍寬、輸出電壓幅度寬（無閾值損失），具有高速度、高密度潛力；電流驅(qū)動能力低 BiMOS集成電路工藝,雙極型硅工藝,v

12、工藝特點,集成電路中各元件之間需要進(jìn)行電隔離,常規(guī)工藝中大多采用PN結(jié)隔離，即用反向PN結(jié)達(dá)到元件之間相互絕緣的目的。除PN結(jié)隔離以外，有時也采用介質(zhì)隔離或兩者混合隔離法,雙極型集成電路中需要增添隱埋層,工藝過程是：在 P型硅片上，在預(yù)計制作集電極的正下方某一區(qū)域里先擴散一層高濃度施主雜質(zhì)即N+區(qū);而后在其上再外延生長一層N型硅單晶層。于是，N型外延層將N+區(qū)隱埋在下面，再在這一外延層上制作晶體管,雙極型集成電路元件間需要互連線,通常為金屬鋁薄層互連線,雙極型硅工藝,v經(jīng)過 5次氧化,v對二氧化硅薄層進(jìn)行5次光刻，刻蝕出供擴散摻雜用的圖形窗口,v最后還經(jīng)過兩次光刻，刻蝕出金屬鋁互連布線和鈍化后

13、用于壓焊點的窗口,v 芯片的制造缺陷：引起成品率下降的主要因素 全局缺陷 幾乎可以消除; 光刻對準(zhǔn)誤差、工藝參數(shù)隨機起伏和線寬變化等; 局域缺陷 光刻工藝中引入的氧化物針孔缺陷等點缺陷; 控制隨機點缺陷是相當(dāng)困難,冗余物缺陷:短路故障； 丟失物缺陷:開路故障； 氧化物針孔缺陷:電路短路故障； 結(jié)泄漏缺陷:電路短路故障,潔凈室內(nèi)空氣中的灰塵微粒； 硅片和設(shè)備的物理接觸； 各類化學(xué)試劑中的雜質(zhì)顆粒,芯片加工中的缺陷和成品率預(yù)測,v 點缺陷,v 來源,集成電路的結(jié)構(gòu)類型,按照集成電路的結(jié)構(gòu)形式可以將它分為半導(dǎo)體單片集成電路及混合集成電路。 單片集成電路(IC)：它是指電路中所有的元器件都制作在同一塊

14、半導(dǎo)體基片上的集成電路。 混合集成電路(HIC)：是指將多個半導(dǎo)體集成電路芯片或半導(dǎo)體集成電路芯片與各種分立元器件通過一定的工藝進(jìn)行二次集成，構(gòu)成一個完整的、更復(fù)雜的功能器件，該功能器件最后被封裝在一個管殼中，作為一個整體使用。因此，有時也稱混合集成電路為二次集成IC,混合集成電路PK印刷電路板 混合集成電路可比等效的印刷電路板體積小46 倍、重量輕10倍，但成本較高。 散熱 混合電路中，大功率器件可以直接裝在導(dǎo)熱好的陶瓷基片上。 印刷電路板上要將元器件貼到電路板上，且用粘結(jié)劑粘上很重的散熱板或使用金屬芯的電路板。 混合集成電路PK半導(dǎo)體集成電路 混合電路設(shè)計容易， 成本更低，投產(chǎn)快，適合中小批量產(chǎn)品的生產(chǎn),混合集成電路工藝,混合集成電路工藝,v 厚膜混合集成電路,40年代中期出現(xiàn)； 膜厚一般在幾微米至幾十微米； 一般采用絲網(wǎng)印刷工藝，是一種非真空成膜技術(shù)； 特點是設(shè)計更為靈活、工藝簡便、成本低廉，