半導(dǎo)體制程技術(shù)導(dǎo)論Chapter_2簡介

1、1Chapter2集成電路工藝介紹王紅江， Ph. D2目標(biāo) 定義及解釋成品率的重要性 成品率的主要影響因素 識別污染在半導(dǎo)體器件及其工藝生產(chǎn)中的三大主要影響 列出芯片工藝生產(chǎn)中的主要污染源 解釋無塵室的潔凈等級及協(xié)議規(guī)范的重要性 列出在集成電路制程的四種基本操作方式 列出至少六種在集成電路生產(chǎn)廠房內(nèi)的制程區(qū)間名稱 解釋芯片封裝的目的 描述標(biāo)準(zhǔn)的引線鍵合工藝與覆晶鍵合工藝3集成電路生產(chǎn)流程材料設(shè)計光光刻版刻版無塵室生產(chǎn)廠房測試 封裝最后測試熱處理光刻離子注入與光刻膠 金屬化化學(xué)機(jī)械研磨介質(zhì)沉積晶圓蝕刻與光刻膠4成品率的重要意義 生產(chǎn)廠房的成本非常高，12吋晶圓的生產(chǎn)廠房成本 $1B 無塵室 設(shè)

2、備, 每一項工具經(jīng)常 $1M 材料, 高純度,超高程度 設(shè)施 人員, 訓(xùn)練和薪酬5晶圓成品率使用的晶圓數(shù)目完好的晶圓數(shù)目WY6晶粒成品率晶圓上的晶粒總數(shù)完好的晶粒數(shù)目DY7封裝成品率晶片的總數(shù)完好的晶片數(shù)目CY晶圓生產(chǎn)成品率的制約因素8 工藝制程步驟的數(shù)量 ULSI：50-100個工藝操作 SLSI：600個工藝操作 工藝操作包括多個工藝步驟及分步分步驟分步驟對晶圓操作次數(shù)對晶圓操作次數(shù)1. 將晶圓從片架盒中取出并放入清洗舟內(nèi)22. 晶圓清洗、漂洗和甩干13. 將晶圓從清洗盒中取出、檢查并放到氧化舟內(nèi)24. 將氧化舟從反應(yīng)爐中取出05. 將晶圓從氧化舟中取出并放回到片架盒中16. 將測試的晶圓

3、從片架盒中取出2對晶圓操作總數(shù)89晶圓生產(chǎn)成品率的制約因素 晶圓破碎和彎曲 12英寸晶圓厚度800m 熱處理 自動化設(shè)備 工藝制程不斷變化 光刻掩模版缺陷 污染物 石英板基中的裂痕 圖案變形晶圓電測成品率的影響因素10 晶圓直徑 芯片尺寸與芯片面積 工藝制程步驟的數(shù)量 電路密度 缺陷密度 晶圓晶體缺陷密度 工藝制程周期 工藝制程步驟 特征圖形尺寸和缺陷尺寸晶圓直徑11邊緣芯片芯片尺寸芯片尺寸(mil)晶圓直徑（晶圓直徑（mm）150200300300*300293531820400*400113165550500*500108191410芯片尺寸晶圓直徑12晶體缺陷工藝制程變異缺陷密度13芯片

4、面積電路密度致命性缺陷：致命性缺陷：在一個電路中，僅僅一個非常小的缺陷就能使整個電路失效在一個電路中，僅僅一個非常小的缺陷就能使整個電路失效14缺陷與成品率nDAY)1 (115整體的成品率YT =YWYDYC 整體的成品率可以決定一間生產(chǎn)工廠是賺錢還是賠錢16生產(chǎn)廠房為何賺(賠)錢 成本: 晶圓 (8”): $150/晶圓* 處理: $1200 ($2/晶圓/步驟,600步驟) 封裝: $5/芯片 銷售: 200芯片/晶圓 $50/芯片 ( 2000年的低階處理器)*晶圓成本,每片晶圓的芯片數(shù),以及芯片價格的變動,此處的數(shù)字是隨機(jī)一般獲得的信息17生產(chǎn)工廠如何賺 (賠) 錢 100% 成品率

5、成品率: 150+1200+1000 = $2350/晶圓晶圓 50%成品率: 150+1200+500 = $1850/晶圓 0%成品率: 150+1200 = $1350/晶圓 100%成品率成品率: 200 50 = $10,000/晶圓晶圓 50%成品率: 10050 = $5,000/晶圓 0%成品率: 050 = $0.00/晶圓 100%成品率成品率: 10000- - 2350 = $7650/晶圓晶圓 50%成品率: 5000- 1850 = $3150/wafer 0%成品率: 0- 1350 = - $1350/晶圓成本:銷售:獲利空間:18Question 假如集成電路

6、制造的每一道制程步驟的晶粒成品率都是99%，而且共有600道制程步驟，試問整體的晶粒成品率是多少?19解答 相當(dāng)于99%自乘600次 0.99600 = 0.0024 = 0.24% 幾乎沒有成品率可言!20晶圓產(chǎn)品的解說 測試晶粒 晶粒21晶圓產(chǎn)品的解說切割道晶粒測試結(jié)構(gòu)22作業(yè)1 解釋晶圓直徑、芯片尺寸、芯片密度、邊緣芯片數(shù)量和制程缺陷密度對晶圓電測成品率的影響污染控制及無塵室目標(biāo) 識別污染在半導(dǎo)體器件及其工藝生產(chǎn)中的三大主要影響。 列出芯片工藝生產(chǎn)中的主要污染源。 定義潔凈室的潔凈等級。 列舉等級分別為100，10 和1的芯片生產(chǎn)區(qū)域的微塵密度。23污染物分類 顆粒 金屬離子 有機(jī)物 自

7、然氧化層 靜電釋放24Embedded particleSurface contaminant微顆粒25Millimeters110-110-210-310-4 10-610-710-510AtomsSize of single molecules of matterHazeThin smokeCloud particlesAtmospheric dustFog particlesSandDustPebbles 定義：指能粘附在硅片表面的小物體 問題：顆粒能夠引起電路開路或短路，或相鄰導(dǎo)體間短路，或成為其它污染物來源微顆粒26經(jīng)驗法則：微粒的大小要小于器件上最小特征圖形尺寸的1/10倍檢測方法

8、：激光束掃描ULSI：空氣中的分子污染（Airborne molecular containment）金屬離子27Heavy MetalsAlkali MetalsIron (Fe)Sodium (Na)Copper (Cu)Potassium (K)Aluminum (Al)Lithium (Li)Chromium (Cr)Tungsten (W)Titanium (Ti)金屬離子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結(jié)上泄漏電流的增加以及少數(shù)載流子壽命的減少M(fèi)IC能遷移到柵結(jié)構(gòu)中的氧化硅表面，改變開戶晶體管所需的閾值電壓MIC性質(zhì)活潑活潑，在電學(xué)測試和運(yùn)輸很久以后沿著器件移動，引起器件在使用期間失效有機(jī)物 定義：指那些包含碳的物質(zhì)，幾乎總是同碳自身及氫結(jié)合在一起，有時也和其它元素結(jié)合在一起 來源：細(xì)菌、潤滑劑、蒸氣、清潔劑、溶劑等 問題：在特定工藝條件下

10、，微量有機(jī)物沾污能降低柵氧化層材料的致密性、表面清洗不徹底，使得諸如金屬雜質(zhì)之類的沾污在清洗之后仍完整保留在硅片表面29自然氧化層30接觸孔底部的自然氧化層在鎢塞和摻雜硅區(qū)域引起差的電接觸在鎢沉積之前，自然氧化層生長在接觸孔鎢塞有源區(qū)層間介質(zhì)層間介質(zhì)氧化層隔離接觸定義：如果暴露于室溫下的空氣或含溶解氧的去離子水中，硅片的表面將被氧化問題：妨礙其他工藝步驟；包含某些金屬雜質(zhì)，從而在硅中轉(zhuǎn)移并形成電學(xué)缺陷；金屬導(dǎo)體的接觸區(qū)，增加互連線與半導(dǎo)體的源區(qū)及漏區(qū)間的接觸電阻解決方案：使用含HF酸的混合液的濕法清洗靜電釋放31- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

11、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -定義：兩種不同靜電勢的材料接觸或摩擦（摩擦電）產(chǎn)生原因：濕度低（40%+-10%)問題：盡管ESD發(fā)生時轉(zhuǎn)移的靜電總量很小，但放電的能量積累在硅片上很小的一個區(qū)域內(nèi)。發(fā)生在幾個納秒內(nèi)的靜電釋放能產(chǎn)生超過1A的峰值電流；產(chǎn)生的電場能夠吸引帶電顆?；驑O化并吸引中性顆粒到硅片表面。污染物的影響器件工藝良品率器件工藝良品率 污染會改變器件的尺寸，改變表面的潔凈度，造成有凹痕的表面。在晶片生產(chǎn)的過程中，有一系列的質(zhì)量檢驗和檢測，他們是為檢

12、測出被污染的晶片而特殊設(shè)計的。高度的污染使得僅有少量的晶片能夠完成全工藝過程，從而導(dǎo)致成本升高。器件效能器件效能 一個更為嚴(yán)重的問題是在工藝過程中漏檢的小的污染。晶片看起來是干凈的，但其中未能檢測出來的顆粒，不需要的化學(xué)物質(zhì)，和高濃度的可移動離子污染物，可能會改變器件的電性能。這個問題通常是在芯片切割時的電測試中顯現(xiàn)出來。器件可靠性器件可靠性 最令人擔(dān)心的莫過于污染對器件可靠性的失效影響。小劑量的污染物可能會在工藝過程中進(jìn)入晶片，而未被通常的器件測試檢驗出來。然而，這些污染物會在器件內(nèi)部移動，最終停留在電性敏感區(qū)域，從而引起器件失效。這一失效模式成為航空業(yè)和國防業(yè)的首要關(guān)注。3233無塵室 低

13、粒子數(shù)的人造環(huán)境 最初的無塵室是為了醫(yī)院手術(shù)房而建的 粒子是成品率的殺手 集成電路制造必須在無塵室中進(jìn)行34無塵室 最初的無塵室是為了醫(yī)院手術(shù)房而建的 1950年之后半導(dǎo)體工業(yè)采用本項技術(shù) 越小的圖形尺寸就需要純凈度更高的無塵室 粒子數(shù)越少，造價越高35無塵室等級 等級 10：每立方英尺內(nèi)其直徑大于0.5微米的微粒數(shù)目必須小于10顆 等級 1 ：每立方英尺內(nèi)其直徑大于0.5微米的微粒數(shù)目必須小于1顆 0.18mm組件需要高于等級1以上的無塵室36無塵室等級0.1110100100010000100000Class 100,000Class 10,000Class 1,000Class 100C

14、lass 10Class 1粒子總數(shù) / 立方英尺0.11.010以微米為單位的粒子尺寸Class M-137依聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E定義所制定之空氣含微粒子的潔凈等級表 等級粒子 / 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應(yīng)39粒子污染的效應(yīng)局部布植的接面微粒離子束光阻屏蔽氧化層光阻中的摻雜物40無塵室結(jié)構(gòu)制程區(qū)設(shè)備區(qū) 1000級設(shè)備區(qū) 1000級孔狀框型高架地板回風(fēng)HEPA過濾網(wǎng)風(fēng)扇幫浦、電力供應(yīng)系統(tǒng)制程工具制程工

15、具補(bǔ)充空氣補(bǔ)充空氣1級41最少化微粒環(huán)境 等級1000的無塵室,較低的成本 董事長會議室的安排方式,制程和設(shè)備之間無墻面阻隔 在晶圓和制程工具的周圍環(huán)境較等級1佳 制程工具間晶圓轉(zhuǎn)移自動化42最少化微粒環(huán)境的無塵室設(shè)備區(qū) 1000級設(shè)備區(qū) 1000級孔狀框型高架地板回風(fēng)HEPA過濾網(wǎng)風(fēng)扇幫浦、電力供應(yīng)系統(tǒng)制程工具補(bǔ)充空氣補(bǔ)充空氣制程工具HEPA過濾網(wǎng)1級43更衣區(qū)無塵衣掛架長椅手套、發(fā)套和鞋套架棄物箱刷洗 / 清潔位置儲物區(qū)手套架手套架入口往無塵室44集成電路制程流程圖微影技術(shù)薄膜成長、沉積，且(或)化學(xué)機(jī)械研磨蝕刻光阻剝除光阻剝除離子布植快速高溫回火或擴(kuò)散45半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠的平面圖制程區(qū)間更

16、衣區(qū)走道設(shè)備區(qū)拉門服務(wù)區(qū)46半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠基本平面圖更衣區(qū)緊急出口服務(wù)區(qū)制程和度量工具47濕式制程干燥蝕刻、光阻涂布或清洗沖洗48中心帶區(qū)平帶區(qū)距離溫度加熱線圈石英管氣流晶圓水平爐管49垂直爐管制程反應(yīng)室晶圓塔狀承座加熱器50軌道步進(jìn)機(jī)整合示意圖加熱平臺底層涂布反應(yīng)室冷卻平臺冷卻平臺自旋涂布站顯影站步進(jìn)機(jī)晶圓移動方向晶圓51具備蝕刻和光阻剝除反應(yīng)室的群集工具轉(zhuǎn)換室光阻剝除反應(yīng)室裝載站蝕刻反應(yīng)室光阻剝除反應(yīng)室蝕刻反應(yīng)室卸除站機(jī)械手臂52具備介電質(zhì)化學(xué)氣相沉積(CVD)及回蝕刻反應(yīng)室的群集工具轉(zhuǎn)換室裝載站PECVD反應(yīng)室O3-TOES反應(yīng)室卸除站機(jī)械手臂Ar離子濺射室53具有氣相沉積(PVD)反應(yīng)

17、室的群集工具轉(zhuǎn)換室裝載站Ti/TiN反應(yīng)室AlCu反應(yīng)室卸除站機(jī)械手臂AlCu反應(yīng)室Ti/TiN反應(yīng)室54干進(jìn)、干出多研磨頭的化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)系統(tǒng)晶圓裝載及等待位置CMP后段清潔位置清洗位置干燥及晶圓卸除位置多研磨頭研磨機(jī)研磨襯墊清潔機(jī)臺研磨頭55制程區(qū)和設(shè)備區(qū)制程區(qū)設(shè)備區(qū)設(shè)備區(qū)制程工具計算機(jī)桌與度量工具桌服務(wù)區(qū)拉門晶圓裝載門56測試結(jié)果失效晶粒57芯片接合結(jié)構(gòu)硅芯片芯片背面金屬化焊接材料基片金屬化基片(金屬或陶瓷)微電子組件和電路融熔及凝固58打線接合制程金屬線形成融熔金屬球接合墊片接合墊片接合墊片緊壓使之連結(jié)接合墊片打線頭退返線夾59打線接合制程引線接合墊片接合墊片引線施壓及加熱使金屬線連結(jié)引線線夾閉合加熱以截斷金屬線60帶有接合墊片的集成電路芯片接合墊片61IC芯片封裝引線