半導(dǎo)體制程簡介-(NXPowerLite)

半導(dǎo)體制程簡介——芯片是如何制作出來的基本過程晶園制作WaferCreation芯片制作ChipCreation后封裝ChipPackaging第1部分

晶園制作1.1多晶生成PolySiliconCreation1目前半導(dǎo)體制程所使用的主要原料就是晶園(Wafer)，它的主要成分為硅(Si)。富含硅的物質(zhì)非常普遍，就是沙子(Sand)，它的主要成分為二氧化硅(SiO2)。沙子經(jīng)過初步的提煉，獲得具有一定純度的硅，再經(jīng)過一些步驟提高硅的純度，半導(dǎo)體制程所使用的硅需要非常高的純度。接著就是生成多晶硅(PolySilicon)。PolySiliconCreation2采用一種叫做Trichlorosilane的物質(zhì)(SiHCl3)作為溶劑，氫氣作為反應(yīng)環(huán)境，在鉭(tantalum)電熱探針指引下，經(jīng)過初步提煉的硅形成晶體。這種過程需要多次，中途還會(huì)用到氫氟酸(HF)這樣劇毒的化學(xué)藥品，硅的純度也隨著這個(gè)過程而進(jìn)一步被提高。最后生成多晶硅的硅錠。PolySiliconCreation31.2單晶制作CrystalPulling1多晶硅硅錠中晶體的晶向是雜亂無章的，如果使用它來制作半導(dǎo)體器件，其電學(xué)特性將非常糟糕，所以必須把多晶硅制作成單晶硅，這個(gè)過程可以形象地稱作拉單晶(CrystalPulling)。將高純度的多晶硅碾碎，放入石英坩堝，加高溫到1400°C，注意反應(yīng)的環(huán)境是高純度的惰性氣體氬(Ar)。精確的控制溫度，單晶硅就隨著晶種被拉出來了。CrystalPulling2CrystalPulling3制作完畢的單晶硅按照半徑的大小來區(qū)分，目前正在使用的有：150mm(6’)200mm(8’)300mm(12’)正在發(fā)展的有：400mm(16’)1.3晶園切片WaferSlicing單晶硅具有統(tǒng)一的晶向，在把單晶硅切割成單個(gè)晶園(Wafer)的時(shí)候，首先要在單晶硅錠上做個(gè)記號(hào)來標(biāo)識(shí)這個(gè)晶向。通常標(biāo)識(shí)該晶向的記號(hào)就是所謂Flat或者Notch(平邊、凹槽)。6’Wafer6’的晶園通常采用所謂“平邊”的方法來標(biāo)識(shí)晶向。8’Wafer8’的晶園采用Notch。12’,16’,……

Wafer采用Notch，為什么呢？——猜想。1.4晶園拋光Lapping&Polishing切片結(jié)束之后，真正成型的晶園誕生。此時(shí)需要對(duì)晶園的表面進(jìn)行一些處理——拋光。主要的步驟有以下幾步：機(jī)械研磨(使用氧化鋁顆粒)蝕刻清洗(使用硝酸、醋酸、氫氧化鈉)Wafer拋光(化學(xué)機(jī)械研磨，使用硅土粉)表面清洗(氨水、過氧化氫、去離子水)1.5晶園外延生長WaferEpitaxialProcessing經(jīng)過拋光，晶園表面變得非常平整，但是這個(gè)時(shí)候還不能交付使用。半導(dǎo)體工業(yè)使用的晶園并不是純粹的硅晶園，而是經(jīng)過摻雜了的N型或者P型硅晶園。這是一套非常復(fù)雜的工藝，用到很多不同種類的化學(xué)藥品。做完這一步，晶園才可以交付到半導(dǎo)體芯片制作工廠。第2部分

芯片制作2.1氧化層生長OxidationLayering氧化層生長就是在晶園表面生長出一層二氧化硅。這個(gè)反應(yīng)需要在1000°C左右的高純氧氣環(huán)境中進(jìn)行。2.2有關(guān)Photo什么是Photo？所謂Photo就是照相，將光罩的圖形傳送到晶園上面去。Photo的機(jī)器成本在半導(dǎo)制程中，Photo是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，從整個(gè)半導(dǎo)體芯片制造工廠的機(jī)器成本來看，有近一半都來自Photo。Photo是半導(dǎo)體制程最主要的瓶頸Photo制約了半導(dǎo)體器件——線寬。光罩制作MaskCreationPhoto的工作和照相類似，它所使用的“底片”就是光罩，即Mask，通常也被稱為Reticle。光罩就是一塊玻璃板，上面由鉻(Cr)組成圖形，例如線條、孔等等。制作光罩需要用到LaserWriter或者E-beam這樣的機(jī)器，非常昂貴(這一部分不算入Photo的機(jī)臺(tái)成本)，一般需要專門的光罩廠來制作。光罩上的圖形信息由CAD直接給出，這些CAD的信息(即半導(dǎo)體芯片的設(shè)計(jì))由DesignHouse提供。2.3Photo的具體步驟光刻膠涂布PhotoResistCoating曝光Stepper/ScannerExposure顯影和烘烤Develop&Bake光阻涂布PhotoResistCoating在Photo，晶園的第一部操作就是涂光阻。光阻是臺(tái)灣的翻譯方法，大陸這邊通常翻譯成光刻膠。光阻涂布的機(jī)臺(tái)叫做Track，由TEL公司提供。光阻涂布的是否均勻直接影響到將來線寬的穩(wěn)定性。光阻分為兩種：正光阻和負(fù)光阻。一般而言通常使用正光阻。只有少數(shù)層次采用負(fù)光阻。曝光Exposure曝光動(dòng)作的目的是將光罩上的圖形傳送到晶園上。0.13um，0.18um就是這樣做出來的。曝光所采用的機(jī)臺(tái)有兩種：Stepper和Scanner。左圖是當(dāng)今市場(chǎng)占有率最高的ASML曝光機(jī)。Stepper和Scanner的區(qū)別步進(jìn)式和掃描式按照所使用光源來區(qū)分曝光機(jī)g-Line436nmh-Line405nmi-Line365nmKrF248nmArF193nmX-Ray(MaybeNotUse)顯影和烘烤Develop&Bake曝光完畢之后，晶園送回Track進(jìn)行顯影，洗掉被曝過光的光阻。然后再進(jìn)行烘烤，使沒有被洗掉的光阻變得比較堅(jiān)硬而不至于在下一步蝕刻的時(shí)候被破壞掉。2.4酸蝕刻AcidEtch將沒有被光阻覆蓋的薄膜腐蝕掉，是酸蝕刻的主要任務(wù)。蝕刻完畢之后，再將光阻洗去。酸蝕刻要使用到多種酸劑，例如：腐蝕SiO2需要用氫氟酸(劇毒無比的東東)；去除光阻需要用到硫酸。2.5清洗甩干SpinRinseDry晶園本質(zhì)上是一種類似于玻璃的東西，很脆、易碎。任何碰撞都將導(dǎo)致晶園碎裂，所以在半導(dǎo)體廠使用真空吸盤來抓取晶園。但是即便如此，在防止了晶園碎裂導(dǎo)致的細(xì)小顆粒之后。仍然必須對(duì)晶園做經(jīng)常性的清洗，以防止細(xì)小顆粒殘留在晶園的表面上。幾乎在每一步的操作后，都需要對(duì)晶園進(jìn)行清洗。清洗晶園采用的物質(zhì)通常是：DIWater(去離子水)用于清洗。高純度的氮?dú)?，用于吹干晶園。2.6等離子體浴Ashing等離子體浴通常在蝕刻之后去除殘留在晶園表面的光阻。對(duì)于不同層次的光阻移除，采用的等離子體是不一樣的。例如：硅、硅化物、金屬導(dǎo)線等等。另外，在去除光阻止后，通常還需要有一步清洗，以保證晶園表面的潔凈度。2.7金屬蝕刻MetalEtch金屬蝕刻用于制作芯片中的金屬導(dǎo)線。導(dǎo)線的形狀由Photo制作出來。這部分工作也使用等離子體完成。2.8薄膜生長金屬沉積MetalDeposition銅制程沉積CopperDeposition化學(xué)氣相沉積ChemicalVaporDepositionMetalDeposition一般來說，采用PhysicalVaporDeposition(PVD；物理氣相沉積)的方法制作金屬薄膜。這里面的金屬薄膜包括：Aluminum(鋁),Gold(金)andTungsten(鎢)。金屬層用于在半導(dǎo)體元器件中制造通路，當(dāng)然，離不開Photo的配合。CopperDeposition通常，半導(dǎo)體器件中的導(dǎo)線采用的是鋁。銅導(dǎo)線比鋁導(dǎo)線具有更多的優(yōu)越性。銅導(dǎo)線電阻比鋁導(dǎo)線小40%，這樣采用銅導(dǎo)線的器件要快15%。銅導(dǎo)線不易因?yàn)镋SD而導(dǎo)致器件破壞。它能夠承受更強(qiáng)的電流。采用銅導(dǎo)線的困難：當(dāng)銅和硅接觸的時(shí)候，會(huì)在硅中發(fā)生非常快速的擴(kuò)散。這種擴(kuò)散還將改變制作在硅上面半導(dǎo)體三極管的電學(xué)特性，導(dǎo)致三極管失效。IBM最終克服了這些困難(Damascene)：采用先做絕緣層，再做銅導(dǎo)線層的方法解決擴(kuò)散問題。在制作銅導(dǎo)線層的時(shí)候，IBM采用一種銅的多晶體，進(jìn)一步限制銅在硅中的擴(kuò)散。ChemicalVaporDeposition化學(xué)氣相沉積(CVD)，和PVD相比較，主要是在沉寂薄膜的時(shí)候還伴隨著化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。針對(duì)不同的薄膜，要采用不同的化學(xué)物質(zhì)來做化學(xué)氣相沉積。2.9離子注入IonImplant和前述的制程不一樣，離子注入不制作出新的層次，它僅僅改變晶園上某個(gè)區(qū)域的電學(xué)特性。——變?yōu)镻型或者N型半導(dǎo)體。離子注入制造PN結(jié)，半導(dǎo)體中最基本的單位。改善三極管集電極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通性。2.10總覽制作過程芯片是一層一層做出來的：元器件、導(dǎo)線、連接孔、……第3部分

后封裝3.1電性測(cè)試ProbeTest電性測(cè)試半導(dǎo)體芯片制作工廠交付使用的產(chǎn)品是晶園本身。在出貨之前，需要對(duì)晶園上的每一個(gè)芯片做電性測(cè)試。良率通常晶園上的芯片不會(huì)每一個(gè)都是可以工作的，測(cè)量所得的“可用芯片數(shù)/總芯片數(shù)”之值就是所謂“良率”(Yield)。通常只有良率達(dá)到一定值時(shí)才可以出貨。由于這種測(cè)試使用探針，所以又被稱為ProbeTest(探針測(cè)試)Waferback-sidegrindingDiesawingEpoxypasteDieattachWirebondingMoldingIntroductionoftheSemiconductorPackagesandAssemblyAssemblyProcesses(2)3.2晶園切割WaferDieCut在晶園電性測(cè)試之后，出貨到封裝廠，后封裝的工作真正開始。封裝廠會(huì)將晶園切割成一個(gè)個(gè)小的芯片，由于在晶園上留給封裝廠切割的空間只有80um，所以這也是一項(xiàng)非常精細(xì)的工作。然后需要把電性不良的芯片排除在外。3.3引線WireBonding接著，封裝廠會(huì)在切割下來的芯片上焊接上引線。這種引線的直徑大約在人頭發(fā)的1/3，約30um左右。引線接在芯片設(shè)計(jì)時(shí)留出的接線管腳上。任何引線之間的連接(Bridge)都將是致命的。引線制作3.4封裝Packaging晶園切割、引線之后就是封裝。封裝之后，我們就見到了真正產(chǎn)品——芯片。TheEnd

Thanks!Logic-GenericHighVoltage0.18um

1P6M0.18um1P6M0.35um

2P3M0.18um

2P4MMixedSignalBiCMOS0.35um

2P3M0.25um

1P5MSMICTJFAB7MajorTechnologyOfferings0.16/0.15um

1P6MAvailableTechnologiesDRAM/FLASH0.16um

4P3M0.16um1P6M0.18um

2P3M0.15umProcesspresentation

ZEROMARKWAFERSTART&RSCHECK(Ptype8~12ohm-cm)STARTOX(350A/1100oC)WAFERMARK(Photoalign)1625?Nitride110?PADOxide1.Padoxide（降低Si&Nitride之間的應(yīng)力）110+-10A/920oC45mindryO22.NitrideDEP（STICMP的阻擋層，厚度由photo決定）1625A/760oCINITIALOXIDE&NITRIDEDEPSiONDEP

320AAAMASK

AAetch

SiN/Ox+Sietch

(3800A,80degree)PRSTRIP H2SO4+H2O2

(SPM:organiccompoundremoval)1625?Nitride110?PADOxideAEI=0.24+-0.025ADI=0.23+-0.02STIETCHSTIETCHIMAGELinerOX STEP-1: SPM+HF STEP-2: APM+HPM(Si

paticle&metalion) 1000C,DRYOX(150+-15A)HDPGapFill

HDPCVDOX6100A(trenchdepth*1.1)HDPCVDOXRTA 減少缺陷

1000C,20sec,N26100?HDP1625?Nitride110?PADOxide150?LinerOxideHDPDEPOSITIONAs-DepositedHDPGapfillSTITheARreticlealgorithmisdefinedsuchthatARactive>0.80umwillbeopenduringARmaskbutwith0.20umdownsizeoneachsideoftheactive.AsARresistopensattheHDPoxideslope,ahighARetchSiN/SiO2selectivity(10:1)isneededtopreventanySiNgouge.ReversePhoto(AR)Etch

OxCMPforSTICMPEquipment1.Mirra 3padtwohardpadandonesoftpad(STICMP)2.Lam belt(ILDCMP)3.EbaratwoPAD,onepadforWCMP,otherpadforoxbuffer(WCMP)950?+-100ANitride110?PADOxideSTICMPTheSTIoxideCMPprocessstopsatSiNwithsomeSiNloss.WithARmaskandSTIoxideCMP,theHDPoxidecanbeplanarizedbeforeSiNisremoved.PostSTICMPimageNitrideremoval

PadOxideRemove SACOXFunction:1.避免光阻和Si表面直接接觸,造成污染

2.避免在離子注入時(shí),產(chǎn)生穿隧效應(yīng),使dopantprofile得到較好的控制

110?SACOxideNITRIDEREMOVALP_WellPhoto(CoreandI/O)

Implant:PWELLIMP（transistor)

NCHANNELIMP(防止穿通，也可以調(diào)整Vt） N_VTIMP（調(diào)整Vt)

PWELLNpthruN_VTP-WELLN_WellPhoto(CoreandI/O)

Implant: NWELLIMP(transistor)

PCHANNELIMP(防止穿通，也可以調(diào)整Vt）

VTPIMP （調(diào)整Vt) ResistStripIMPLANTDAMAGEANNEAL STDCLEAN 1000C;10sec

N-WellP-WellP-VTP-pthruN-WELLGATEOXSACOXIDEREMOVE 50:1HFGATE1_OX STEP-1:SPM+HF STEP-2:APM+HPM 800C,58A,WETDUALGATEOXIDEPHOTOGATEOXIDEETCH/CRS 130:1:7BOE,H2SO4+H2O2GATE2OX Step-1:SPM

Step-1:APM+HPM 750C,WET23A

58?thickgateoxide23?thingateoxide2000ApolyFinal70AP1DEPSiONDEP 320AHMCOATINGPEOX150APolyPHOTO ADI0.17+/-0.017HMDRYETCHASHERANDWETSTRIPHF100:1/H2SO4+H2O2PolyETCH AEI0.15+/-0.015POLYWETSTRIP HF100:1/H2SO4+H2O2SIONREMOVE 50:1HF+H3PO4PolyRe_Oxidation 1015C,21ARTON-WellP-WellP1DEPLDD1NLLPhotoImplant:Pocketimplant In3.0E13/130K/T30R445NLDDimplant As1.1E15/003K/T0Resistorstrip PLLPhotoPocketimplant As2.9E13/130K/T30R445 PLDDimplant BF21.6E14/4K/T0Resistorstrip N-WellP-WellNNPPLDD2(for3.3VMOS)PLHPhotoLDDimplant:(3.3V&1.8V) F2.50E14_005K_T0ResiststripLDDRTA950C,10sNLHPhotoLDD1Implant As3.00E13_050K_T00LDD2Implant P5.00E13_030K_T00Resiststrip N-WellP-WellNNPPNITRIDESPACERNitrideSpacerN-WellP-WellNNPP

CleanLINING150TEOS700C,150A(+-15A)

SiNSPACERSiN300A(+-30A)

COMPOSITE

SPACERTEOS1000A(+-100A)

SPACERETCH300ASN/1000ATEOS

Clean/OxideStrip

H2SO4+H2O2/HF100:1,1minN+&P+N+SNPhoto

N+implant1 A5.50E15_060K_T00

N+implant2 P1.50W14_035K_T00ResistStripP+SPPhoto

P+Implant1 B3.50E15_005K_T00P+Implant2 B3.00E13_015K_T00ResistStrip

N-WellP-WellP+N+N+P+SALICIDEBLOCKSTDCleanSABDeposistion CAPOX,350+-30AS/DRTAAnnealing 1020C,20sec,N2SABPhoto

SalicideBlockEtch dry/WETETCHResistStrip N-WellP-WellSalBlkPETEOSP+P+N+N+CoSALICIDEPre-COSalisideDip(100:1HF1min.)SalicideDeposition(Co75A/TiN200A)Salicide1stRTA (530oC30secN2)

N-WellP-WellCOSailcideP+P+N+N+

SalicideSelectiveEtch

(sc1+m2.)

Salicide2ndRTA(850oC30secN2)SalicideTransistorINTERLAYERDIELECTRICPE-SION400ADEPBPTEOSDeposition1500ABPSGFLOW

620C30min CRCLEAN PETEOSdeposition8500AOxCMPforILD(6500A)CRCLEAN N-WellP-WellP+P+N+N+1.5k?SABPSG8.5k?PETEOS400?SIONCONTACTETCHPE-SION600ADEPARCCTPhoto

ContactetchAsher ResistStrip N-WellP-WellP+P+N+N+W-PLUGCONTGLUELAYER

ETCH100/IMP-TI100/CVD-TIN50

Silicideannealing(690oC,60s) 3000+/-300?WCVDDEP WCMPforIMD WTi/TiNN-WellP-WellP+P+N+N+CTContactFormation0.22umN+ContactChain0.22umP2ContactChainMETAL1DEPOSITIONMET1GLUE(200Ti/250TiN)MET1AL(3000AlCu/50Ti/300TiN) WTi/TiNN-WellP-WellP+P+N+N+Met150?Ti/300?TiN3k?AlCu200?Ti/250?TiNMETAL1ETCHInorganicBARCSIONDEPM1PhotoMetaletchResistStrip N-WellP-WellP+P+N+N+Met1DR(L/S)=0.23/0.23HDPOXIDEFORIMD15k?HDPUSG&11.5k?PETEOSdep Met1N-WellP-WellP+P+N+N+5k?HDP11.5k?PETEOSHDPOxideGapfillCapability0.18μmMetal5atDR(0.28/0.28)VIA1PHOTO&ETCH

Via1Photo ViaetchAsher ResistStrip Met1N-WellP-WellP+P+N+N+W-PLUGVIAGLUELAYER ETCH180/100Ti/50TiN(IMP/CVD) 3000+/-300?WCVD WCMPforIMDMet1N-WellP-WellP+P+N+N+100?Ti/50?TiNViaFormation

METAL2:DEP&ETCHMET2GLUE(200Ti/250TiN)MET2AL(4000AlCu/50Ti/300TiN) InorganicBARC SIONDEP320A+-32

M2Photo MetaletchResistStrip DR(L/S)=0.28/0.28Met1N-WellP-WellP+P+N+N+160?Ti/70?TiNMet250?Ti/300?TiN4k?AlCu200?Ti/250?TiN

VIA2:DEP&ETCH6k?HDPUSG&11.5k?PETEOSdepOxCMPforIMDPE-SiON600A Via2Photo Viaetch ResistStrip Met1N-WellP-WellP+P+N+N+Met2METAL3DEP&ETCHW-PLUGVIAGLUELAYER ETCH130/160Ti/70TiN(IMP/CVD) 3.3k?WCVD WCMPforIMDMET3GLUE(200Ti/250TiN)MET3AL(8000AlCu/50Ti/600TiN) InorganicBARC SIONDEP320A+-32

M3Photo MetaletchResistStrip

Met1N-WellP-WellP+P+N+N+Met2Met3DR:0.28/0.28VIA3:

DEP&ETCH

Met1N-WellP-WellP+P+N+N+Met2Met36k?HDPUSG&11.5k?PETEOSdepOxCMPforIMDPE-SiON600A Via3Photo Viaetch ResistStrip DR:0.26/0.26METAL4DEP&ETCHW-PLUGMET4GLUE(200Ti/250TiN)MET4AL(4000AlCu/50Ti/600TiN) InorganicBARC SIONDEP320A+-32

M4Photo MetaletchResistStrip

VIAGLUELAYER ETCH130/160Ti/70TiN(IMP/CVD) 3.3k?WCVD WCMPforIMDMet1N-WellP-WellP+P+N+N+Met2Met3Met4DR:0.28/0.28VIA4:

DEP&ETCH

6k?HDPUSG&11.5k?PETEOSdepOxCMPforIMDPE-SiON600A Via4Photo Vi