集成電路工藝制造講座

集成電路工藝制造第一頁，共一百三十五頁。自然界和人類社會的一切活動都在產(chǎn)生信息。信息是客觀事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍形式，是人類社會、經(jīng)濟活動的重要資源。社會的各個部分通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接成一個整體，由高速大容量光線和通訊衛(wèi)星群以光速和寬頻帶地傳送信息，從而使社會信息化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化。實現(xiàn)社會信息化的網(wǎng)絡(luò)及其關(guān)鍵部件不管是各種計算機和/或通訊機，它們的基礎(chǔ)都是微電子。微電子：信息社會發(fā)展的基石第二頁，共一百三十五頁。集成電路的作用小型化價格急劇下降功耗降低故障率降低第三頁，共一百三十五頁。2020年世界最大的30個市場領(lǐng)域其中與微電子相關(guān)的22個市場：5萬億美元第四頁，共一百三十五頁。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史1947第一只晶體管問世1957FairchildSemiconductors公司成立（仙童－飛索）1958第一塊集成電路問世1961仙童（半導(dǎo)體工藝）和德州儀器公司（電路形式）共同推出了第一顆商用集成電路（雙極型模擬電路）1962TTL邏輯電路問世（雙極型數(shù)字電路）1963仙童公司推出第一塊CMOS集成電路19641英寸硅晶圓出現(xiàn)1965GordonMoore提出Moore’slaw（摩爾定律）1967專業(yè)半導(dǎo)體制造設(shè)備供應(yīng)商—美國應(yīng)用材料公司成立第五頁，共一百三十五頁。第一個晶體管BellLabs1948年第六頁，共一百三十五頁。雙極邏輯電路1960年代ECL3輸入門Motorola1966年第七頁，共一百三十五頁。Moore定律

1965年4月，GordenMooreIC能力隨時間按指數(shù)規(guī)律增長–特征尺寸與集成度–性能與功能代的定義為4倍能力，2年/代至3年/代。來自于：–特征尺寸：0.7x，意味集成度x2。–速度：2x芯片尺寸：1.5x，意味單芯片面積x2成本：單位功能成本0.7x/年單位面積成本大致不變：~$4/cm2第八頁，共一百三十五頁。摩爾定律第九頁，共一百三十五頁。芯片成本下降單個芯片成本下降圓片尺寸增大第十頁，共一百三十五頁。特征尺寸與晶圓第十一頁，共一百三十五頁。特征尺寸和技術(shù)節(jié)點第十二頁，共一百三十五頁。特征尺寸越來越小第十三頁，共一百三十五頁。1968Intel成立；NEC制作出日本第一顆IC1973商用的BiCMOS技術(shù)開發(fā)成功19795英寸的硅晶圓出現(xiàn)19858英寸硅晶圓開始使用；1987臺灣臺積電開創(chuàng)專業(yè)IC制造代工模式1988專業(yè)EDA工具開發(fā)商Cadence公司成立.199612英寸硅晶圓出現(xiàn)2000中芯國際IC制造公司（SMIC）在中國大陸成立2002Intel建成首個12英寸生產(chǎn)線半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史第十四頁，共一百三十五頁。

2007年全球半導(dǎo)體廠商Top20排名廠商銷售額百萬美元排名廠商銷售額百萬美元1Intel（美）3397311AMD（美）57922Samsung（韓）2013712Qualcomm（美）56033Toshiba（日）1259013NEC（日）55554TI（美）1217214Freescale（美）53495ST（歐）999115Micron（美）49436Hynix（韓）961416Qimonda（歐）41867Renesas日）813717Matsushita（日）39468Sony（日）804018Elpida（日）38369NXP（歐）603819Broadcom（美）373110Infineon（歐）586420Sharp（日）3584數(shù)據(jù)來源：iSuppli美國7家，日本7家，歐洲4家，亞太2家第十五頁，共一百三十五頁。IC器件特征尺寸的極限原子的大小：幾A（10-10米）需要幾個原子組成一個器件最終極限可能接近100A或0.01微米越30個硅原子第十六頁，共一百三十五頁。集成度的發(fā)展第十七頁，共一百三十五頁。第十八頁，共一百三十五頁。單管成本0.00000010.0000010.000010.00010.0010.010.1119821985198819911994199720002003200620092012cost：￠-per-transistorFabricationcapitalcostpertransistor(Moore’slaw)第十九頁，共一百三十五頁。MOS晶體管PolysiliconAluminum第二十頁，共一百三十五頁。CMOS工藝第二十一頁，共一百三十五頁?，F(xiàn)代CMOS工藝雙阱溝槽隔離CMOS工藝第二十二頁，共一百三十五頁。IntelPentiumIV第二十三頁，共一百三十五頁。電路/版圖設(shè)計第二十四頁，共一百三十五頁。集成電路設(shè)計版圖第二十五頁，共一百三十五頁。光刻掩膜版制造第二十六頁，共一百三十五頁。掩模版（光刻版）包含了要在晶圓硅片上重復(fù)生成的圖形的石英版一套掩模版包含幾十個工藝層的一個或多個管芯的圖形布局、尺標記與容差等應(yīng)服從設(shè)計規(guī)則及光刻工藝設(shè)備的要求第二十七頁，共一百三十五頁。掩模版：Mask/Reticle第二十八頁，共一百三十五頁。IC制造過程第二十九頁，共一百三十五頁。圓片制造工藝流程第三十頁，共一百三十五頁。為什么采用硅材料？歷史的選擇儲量豐富，便宜，取之不盡，用之不竭二氧化硅性質(zhì)非常穩(wěn)定，絕緣性能極好，且很容易通過熱過程生長禁帶寬度大，工作溫度范圍寬電學(xué)和機械性能優(yōu)異第三十一頁，共一百三十五頁。單晶硅生長第三十二頁，共一百三十五頁。從砂子到硅片第三十三頁，共一百三十五頁。第三十四頁，共一百三十五頁。硅錠切片第三十五頁，共一百三十五頁。硅錠硅片第三十六頁，共一百三十五頁。硅片拋光第三十七頁，共一百三十五頁。300mmvs450mm第三十八頁，共一百三十五頁。氧化第三十九頁，共一百三十五頁。二氧化硅的主要特性密度：~2.20g/cm3折射率：~1.46（@550nm波長）電阻率：與制備方法、雜質(zhì)含量有關(guān)。高溫干氧>1016Ωcm介電強度：106～107V/cm102~103V/um介電常數(shù)：3.9第四十頁，共一百三十五頁。氧化機理氧化反應(yīng)始終發(fā)生在Si/SiO2的界面處氧化層越厚，氧化速率越低氧擴散穿透已有的氧化層與襯底硅反應(yīng)需要更多的時間第四十一頁，共一百三十五頁。氧化工藝設(shè)備氧化工藝通常使用氧化爐氧化爐的組成：控制系統(tǒng)，氣體傳輸系統(tǒng)，工藝爐管/工藝腔，裝片系統(tǒng)，排風(fēng)系統(tǒng)立式氧化爐由于占地面積小、沾污控制好、維護費用低等優(yōu)點廣泛使用精確的溫度控制及溫度均勻性對氧化工藝的成敗至關(guān)重要第四十二頁，共一百三十五頁。臥式氧化爐第四十三頁，共一百三十五頁。立式氧化爐第四十四頁，共一百三十五頁。第四十五頁，共一百三十五頁。干氧氧化反應(yīng)方程式：Si+O2→SiO2氧化膜質(zhì)量最好應(yīng)用：柵介質(zhì)、氧化的起始階段缺點：氧化速率慢，難以形成厚膜。第四十六頁，共一百三十五頁。濕氧（水蒸汽）氧化反應(yīng)方程式：Si+2H2OSiO2+2H2在高溫時，H2O解離為H+和H-O-與O2相比，H-O-在SiO2中擴散更快濕氧氧化的速率比干氧氧化快得多第四十七頁，共一百三十五頁。摻雜（HCl）氧化HCl用于降低可動離子沾污廣泛應(yīng)用于柵氧工藝改善硅/二氧化硅界面特性生長速率可提高1~5%第四十八頁，共一百三十五頁。氧化層的應(yīng)用氧化層名稱厚度應(yīng)用自然氧化層15-20A屏蔽氧化層~200A注入掩蔽氧化層~5000A擴散場氧與LOCOS3000-5000A隔離墊氧層100-200A緩沖氮化硅應(yīng)力犧牲氧化層<1000A去除缺陷柵氧化層30-120A柵介質(zhì)阻擋氧化層100-200ASTI第四十九頁，共一百三十五頁。氧化層電荷與缺陷SiOxSiO2Si可動電荷：Qm，NmNa+Na+Na+K+K+氧化層陷阱電荷：Qot，Not（oxidetrap）--------氧化層陷阱電荷：Qot，Not（holetrap）++++++固定電荷：Qf，Nf++++++界面陷阱電荷：Qit，Nit界面陷阱密度：Ditxxxxxxxx第五十頁，共一百三十五頁。氧化前硅片清洗顆粒有機殘留無機殘留自然氧化層第五十一頁，共一百三十五頁。未清洗干凈的硅表面

生長的二氧化硅第五十二頁，共一百三十五頁。光刻工藝將掩模版上的幾何圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體硅片表面的對光輻照敏感的光致抗蝕劑（光刻膠）上去的工藝過程。這些圖形確定離子注入?yún)^(qū)域、刻蝕窗口第五十三頁，共一百三十五頁。光源（光刻機）掩模版光學(xué)系統(tǒng)（光刻機）涂膠硅片第五十四頁，共一百三十五頁。光刻膠光刻膠是一種感光有機聚合物基于材料的分類：正性光刻膠、負性光刻膠依據(jù)圖形最小關(guān)鍵尺寸分類：傳統(tǒng)光刻膠、化學(xué)放大（CA）光刻膠、非光學(xué)光刻用特殊光刻膠第五十五頁，共一百三十五頁。正性與負性光刻膠第五十六頁，共一百三十五頁。光刻膠涂布第五十七頁，共一百三十五頁。光刻的基本步驟勻膠硅片清洗前烘和前處理光刻膠涂布勻膠后烘對準和曝光對準和曝光曝光后烘顯影顯影顯影后烘圖形檢查第五十八頁，共一百三十五頁。涂膠顯影軌道第五十九頁，共一百三十五頁。光刻曝光第六十頁，共一百三十五頁。光刻設(shè)備接觸式光刻機（線寬5um，1x掩模版）接近式光刻機（線寬2-4um，1x掩模版）掃描投影光刻機（線寬1um，1x掩模版）步進式光刻機（線寬0.25um，4x或5x掩模版）步進掃描光刻機（線寬0.25um，4x掩模版）第六十一頁，共一百三十五頁。接觸式光刻機第六十二頁，共一百三十五頁。接近式光刻機第六十三頁，共一百三十五頁。掃描投影光刻機第六十四頁，共一百三十五頁。步進式光刻機第六十五頁，共一百三十五頁。步進掃描光刻機第六十六頁，共一百三十五頁。分辨率可接受的可重復(fù)的最小特征尺寸由光源波長和光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑?jīng)Q定分辨率可表示為：k1是光學(xué)系統(tǒng)工藝因子，0.6-0.8是光源波長NA是數(shù)值孔徑第六十七頁，共一百三十五頁。掩模版上的分辨率圖形第六十八頁，共一百三十五頁。焦深（DOF）焦點（Focus）：沿透鏡中心出現(xiàn)最佳圖像的點焦深（DepthofFocus）：成像時可得到持續(xù)清晰圖像（好的分辨率）的焦距范圍，焦深應(yīng)穿越光刻膠層上下表面第六十九頁，共一百三十五頁。焦點與焦深焦深可表示為：第七十頁，共一百三十五頁。焦深問題舉例第七十一頁，共一百三十五頁。光刻光源光學(xué)光源可見光(Visible)近紫外光(NearUltra-Violet，NUV)中紫外光(MidUV，MUV)深紫外光(DeepUV，DUV)真空紫外光(VacuumUV，VUV)極短紫外光(ExtremeUV，EUV)X-光(X-Ray)非光學(xué)光源高能電子束(25~100keV)低能電子束(~100eV)鎵離子(Ga+)聚焦離子束(10~100keV)第七十二頁，共一百三十五頁。光源波長范圍第七十三頁，共一百三十五頁。光刻技術(shù)的發(fā)展趨勢第七十四頁，共一百三十五頁。干法刻蝕第七十五頁，共一百三十五頁。腐蝕的定義通俗的講就是去除某種薄膜，采用化學(xué)的，物理的或者兩者結(jié)合的方法選擇性腐蝕將IC設(shè)計的圖象通過光刻膠轉(zhuǎn)移到硅片表面層的薄膜上去，把不需要的薄膜去除。濕法腐蝕、干法刻蝕各向同性、各向異性選擇性腐蝕、整片腐蝕第七十六頁，共一百三十五頁。腐蝕步驟光刻刻蝕去膠第七十七頁，共一百三十五頁。各向同性各向異性特征尺寸>3um濕法腐蝕干法刻蝕特征尺寸<1um干法刻蝕第七十八頁，共一百三十五頁。濕法腐蝕化學(xué)溶液溶解硅片表面的薄膜材料刻蝕后產(chǎn)品是氣體，液體或是可溶解在腐蝕溶液中的物質(zhì)三個基本步驟：腐蝕，清洗，干燥。第七十九頁，共一百三十五頁。濕法腐蝕1反應(yīng)物輸送到硅片表面2蝕刻劑與硅片表面薄膜發(fā)生選擇性可控制的反應(yīng)3反應(yīng)副產(chǎn)物離開硅片表面第八十頁，共一百三十五頁。濕法腐蝕的剖面純化學(xué)性工藝，各向同性的側(cè)壁形貌，高選擇比不能使用在特征尺寸小于3um的工藝上被干法刻蝕所代替第八十一頁，共一百三十五頁。干法刻蝕主要為等離子體刻蝕等離子體中含有高活性自由基和離子自由基具有強烈的氧化性離子具有一定的動能僅利用活性自由基的純化學(xué)刻蝕：PE同時進行化學(xué)和物理反應(yīng)：RIE目前大部分圖形刻蝕都采用RIE第八十二頁，共一百三十五頁。干濕法刻蝕的比較濕法腐蝕干法刻蝕適用范圍特征尺寸大于3um特征尺寸小于3um側(cè)壁形貌各向同性各向同性各向異性，可控腐蝕速率高可控選擇比高可控設(shè)備成本低高產(chǎn)量高（批量處理）可控化學(xué)品使用量高低第八十三頁，共一百三十五頁。干法刻蝕的三種方式化學(xué)(PE，利用活性自由基)物理(IBE，利用賦能離子)化學(xué)＋物理(RIE，同時利用活性自由基和離子)第八十四頁，共一百三十五頁。三種刻蝕方式第八十五頁，共一百三十五頁。三種方式的比較化學(xué)腐蝕RIE物理刻蝕舉例去膠、RP刻蝕等離子體圖形刻蝕氬離子轟擊刻蝕速率高低高，可控低選擇比很好適當，可控很差刻蝕形貌各向同性各向異性，可控各向異性終點控制定時或目檢光學(xué)定時第八十六頁，共一百三十五頁。常用IC材料的應(yīng)用與腐蝕氣體第八十七頁，共一百三十五頁。擴散摻雜最先被采用的半導(dǎo)體摻雜技術(shù)是早期集成電路制造中最重要的技術(shù)之一，高溫爐通稱為“擴散爐”。需在高溫爐中進行需使用二氧化硅作掩膜無法獨立控制結(jié)深和濃度各向同性雜質(zhì)劑量控制精度較差第八十八頁，共一百三十五頁。多腔體設(shè)備1300LiterTurboSAAUpperChamberRoughCeramicPartsFastCooldownChamberE-DTCU&UniversalDomeVHP+DualArmRobot&HighThroughputSoftware第八十九頁，共一百三十五頁。氧化/擴散/CVD/離子注入第九十頁，共一百三十五頁。離子注入摻雜使待摻雜原子（分子）電離；離子在電場中被加速；高速離子射入到半導(dǎo)體中；退火激活雜質(zhì)。第九十一頁，共一百三十五頁。注入和擴散比較第九十二頁，共一百三十五頁。注入和擴散比較擴散離子注入高溫，硬掩膜低溫，光刻掩膜各向同性雜質(zhì)分布各向異性雜質(zhì)分布不能同時控制雜質(zhì)濃度和結(jié)深能同時控制雜質(zhì)濃度和結(jié)深批處理工藝既有批處理也有單片工藝第九十三頁，共一百三十五頁。離子注入系統(tǒng)第九十四頁，共一百三十五頁。離子注入CMOS器件第九十五頁，共一百三十五頁。薄膜工藝化學(xué)氣相淀積(CVD)外延物理氣相淀積(PVD)濺射蒸發(fā)分子束外延(MBE)其他淀積技術(shù)電鍍旋涂CVD的優(yōu)點：獲得良好的臺階覆蓋可生長多種材料及化合物良好的工藝控制第九十六頁，共一百三十五頁。CVD氧化層與熱氧化層熱生長氧來自氣相硅來自襯底氧進入硅中生長氧化層質(zhì)量高CVD氧和硅均來自氣相生成物沉積在襯底表面溫度低于熱生長生長速率高第九十七頁，共一百三十五頁。CVD氧化層與熱氧化層熱生長氧來自氣相硅來自襯底氧進入硅中生長氧化層質(zhì)量高CVD氧和硅均來自氣相生成物沉積在襯底表面溫度低于熱生長生長速率高第九十八頁，共一百三十五頁。LPCVD臥式爐第九十九頁，共一百三十五頁。LPCVDTEOS臺階覆蓋好：對臺階的保形覆蓋淀積后USG密度較低，濕法腐蝕速率WERR~4（對應(yīng)于熱氧WERR=1）750-850C致密后USG密度提高，WERR~2片內(nèi)均勻性好~

0.6%Width/Space=0.4/0.4;StepHeigth=0.6m第一百頁，共一百三十五頁。PECVD更低溫度下的更高淀積速率淀積氣體的射頻感生等離子體薄膜應(yīng)力由射頻控制腔體等離子體清洗第一百零一頁，共一百三十五頁。PECVD反應(yīng)器第一百零二頁，共一百三十五頁。1980年代的CMOSIC第一百零三頁，共一百三十五頁。1990年代的CMOSIC第一百零四頁，共一百三十五頁。表面形貌類型第一百零五頁，共一百三十五頁。化學(xué)機械拋光（CMP）第一百零六頁，共一百三十五頁。平坦化技術(shù)：CMP第一百零七頁，共一百三十五頁。金屬淀積第一百零八頁，共一百三十五頁。AMATEnduraPVDSystem第一百零九頁，共一百三十五頁。鋁金屬化第一百一十頁，共一百三十五頁。鋁金屬化第一百一十一頁，共一百三十五頁。銅金屬化第一百一十二頁，共一百三十五頁。銅金屬化第一百一十三頁，共一百三十五頁。銅與低k介質(zhì)降低金屬電阻率和金屬層間絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，使得底層金屬可以放置更多連線，可減少金屬層數(shù)第一百一十四頁，共一百三十五頁。凈化的需要空氣中的灰塵顆粒會落在圓片和光刻版上，引起器件缺陷光刻區(qū)的情況尤為關(guān)鍵，光刻版上灰塵顆粒的陰影可在工藝過程中轉(zhuǎn)移到每個圓片的圖形中凈化間溫濕度也應(yīng)得到控制第一百一十五頁，共一百三十五頁。圓片制造凈化廠房第一百一十六頁，共一百三十五頁。圓片測試（中測）第一百一十七頁，共一百三十五頁。圓片測試第一百一十八頁，共一百三十五頁。芯片切割第一百一十九頁，共一百三十五頁。芯片粘結(jié)第一百二十頁，共一百三十五頁。引線鍵合第一百二十一頁，共一百三十五頁。封裝第一百二十二頁，共一百三十五頁。封裝要求電學(xué)：寄生效應(yīng)低機械：可靠性與耐用性熱學(xué)：有效導(dǎo)熱經(jīng)濟：廉價第一百二十三頁，共一百三十五