IC基础知识及制造工艺流程

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62
IC制பைடு நூலகம்环境(3)
超纯化学药品
DRAM 64k 256K 2.0 0.2u 100 1ppm 4M 1.0
100ppb
64M 0.5
1G 0.25
线宽(um) 3.0 杂质颗粒 0.5u 颗粒含量 1000 （个／ml) 金属杂质
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试剂纯度 10ppm 5ppm
80ppb 10ppb 0.05u 0.025 u 2.5 1
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扩散（氧化）炉
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IC基础工艺(4)- 热氧化
- 硅在氧气或水汽中的热氧化反应 Si+O2---SiO2 （干氧氧化，适合薄氧化层） Si+2H2O---SiO2+2H2（湿氧氧化，厚氧化层） - 氧化生长速率 线性率x=B/A(t+) O2 抛物线率x2=B(t+ ) SiO2 Si - 氧化层质量要求 厚度均匀，致密，清洁（无钠离子沾污）
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双极型集成电路工艺流程(6)
接触孔
- 接触孔光刻－接触孔腐蚀
N+ P+ N+ N+ P+
p
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双极型集成电路工艺流程(7)
金属连线
- 溅射金属（Al或AlSiCu)－光刻－腐蚀
N+
P+ N+
p
N+
P+
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集成电路制造环境
0.1u 15
100ppb 50ppb 1ppb
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成品率
- Y=Y1*Y2*Y3 Y1: 产出硅片／投入硅片 Y2: 合格芯片／硅片上总芯片 Y2 ＝e-AD D缺陷密度A芯片面积 Y3 封装合格率 - 从材料、设备、工艺、人员、管理等方 面减少缺陷密度，提高成品率．
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谢谢!
隔离
P+
N-Epi
P+
N+
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双极型集成电路工艺流程(3)
隔离
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双极型集成电路工艺流程(4)
基区
- 基区光刻－硼离子注入－基区扩散
基区
P+ P+
N 埋层
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双极型集成电路工艺流程(5)
发射区
发射区光刻－磷离子注入－发射区扩散
N+ P+ N+
p
N+ P+
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4
目录
-最重要的半导体材料－硅 -构建集成电路的主要半导体器件 -关键的集成电路工艺制造技术 -集成电路技术发展趋势
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5
绝缘体／半导体／导体
－绝缘体 电阻率=108-1018-cm 石英、玻璃、 塑料 －半导体 电阻率=10-3-108-cm 锗、硅 、砷化镓 、磷化铟 －导体 电阻率=10-3-10-8-cm 金、银 、铜 、铝
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光刻机
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18
IC基础工艺(2)－刻蚀
• 湿法腐蚀 SiO2+6HF H2+SiF6+2H2O NH4F NH3+HF 有侧向腐蚀问题，难以得到细线条
光刻胶 光刻胶
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IC基础工艺(2)－刻蚀
• 干法刻蚀
等离子体 F*
扩散 吸附 反应 解吸附
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IC基础工艺技术 图形转移
光刻胶 氧化硅 硅衬底
掩 膜
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- 光刻机
IC基础工艺(1)－光刻
分辨率 L=k/N 光源 UV(g: 436nm i: 365nm) DUV 248nm 对准精度 曝光方式 接触／投影 1:1/5:1 - 光刻胶 正胶／负胶 抗蚀性 感光速度 分辨率
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IC技术发展趋势(3)
CPU运算能力
年代
1982 1988 1991 1995 1996 1998 2001
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CPU型号
286 386 486 Pentium Pentium-2 Pentium-3 Pentium-4
运算能力(MIPS)
1 8 20 100 250 800 2000
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IC基础工艺(3)－扩散
1.E+20
Ó Ê ¨È Ô Ö Å ¶ (atm/cm3)
1.E+19 1.E+18 1.E+17 1.E+16 1.E+15 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t1 t2
É ¶ î È
(um)
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IC基础工艺(3)－扩散
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10
构建集成电路的主要半导体器件
- PN结／二极管(Diode) -（双极）晶体管（Bipolar transistor) - MOSFET（金属－氧化物－半导体场效应晶体管）
M O S
11
p n
p n p
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双极型集成电路(NPN )
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12
双极型集成电路(PNP)
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目录
-最重要的半导体材料－硅 -构建集成电路的主要半导体器件 -关键的集成电路工艺制造技术 -集成电路技术发展趋势
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40
集成电路技术发展趋势
- 特征线宽不断变细、集成度不断提高 - 芯片和硅片面积不断增大 - 数字电路速度不断提高 - 结构复杂化、功能多元化
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IC基础工艺(5)－离子注入
- 离子注入原理 杂质分布 投影射程和标准偏差 - 离子注入掺杂的优点 掺杂量可精确控制 温度低 易得浅结 可带胶注入
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IC基础工艺(5)－离子注入
1.E+21
(atm/cm3) ¨È Å ¶
1.E+20
1.E+19
1.E+18
1.E+17 0 0.2 0.4 0.6 0.8
埋层
- 埋层扩散
N+ 埋层 P 衬底
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双极型集成电路工艺流程(2) 外延
N-Epi
N+ 埋层
P Sub
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双极型集成电路工艺流程(3)
隔离
隔离光刻－隔离注入
N- Epi
N+ P Sub
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双极型集成电路工艺流程(3)
- 隔离扩散
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6
周 期 表 中 硅 及 相 关 元 素
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周期 2 3
II
III
IV
V
VI
4
5 6
B C N 硼 碳 氮 Al 铝 Si 硅 P 磷 Ga 镓 Ge 锗 As 砷 In 铟 Sn 锡 Sb 锑 Pb 铅
7
硅的掺杂和电阻率
-Ｐ型和Ｎ型硅 Ｐ型 掺杂元素 硼、铝 Ｎ型 掺杂元素 磷、砷、锑 -掺杂浓度和电阻率 1x1015硼 0.00001% 10-cm （衬底） 1x1016磷 0.0001% 0.5-cm （外延） 1x1018硼 0.01% 0.05-cm （基区） 1x1020磷 1% 0.0008-cm（发射区）
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Photoresist
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O2
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IC基础工艺(3)－扩散
- 扩散方程 dC/dt=Dd2C/dx2
恒定表面源 C(x,t)=Cserf[x/2(Dt)1/2] 恒定杂质总量C(x,t)=S/(Dt)1/2exp(-x2/4Dt) - 扩散系数依赖于温度和浓度 - 氧化硅对杂质的掩蔽能力
É ¶ î È
(um)
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IC基础工艺(5)－离子注入
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IC基础工艺(6)－外延
SiCl4 Si HCl Si Si H2
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外 延 炉
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IC基础工艺(7)－化学气相淀积（CVD）
- 原理 SiH4+O2 SiO2+2H2 Si(OC2H5)4 SiO2+副产物 SiH4 Si+2H2 - LPCVD和PECVD - PSG和 BPSG - 用途 导电层间绝缘层，钝化层
- 超净厂房 无尘、恒温、恒湿 - 超净水 - 超净气体 常用气体(N2、O2、H2)纯度>99.9999% 颗粒控制严 0.5/L - 超净化学药品 纯度、颗粒控制
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IC 制造环境(1)
净化级别和颗粒数
净化 级别 颗粒数／立方英尺 0.12um 0.2um 0.3um 0.5um
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CVD系统
CVD系统组成： 气体源和输气系统 质量流控制 反应器加热系统
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2013-8-5
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IC基础工艺(8)－溅射（金属）
靶 轰击 离子 Ar+ 硅片
溅射原 子
基座
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IC基础工艺(8)－溅射（金属）
- 常用金属化材料 - 铝硅系统优点 低电阻率 低接触电阻 －纯Al －AlSi（防铝尖刺） －AlSiCu （抗电迁移） - 合金化 - 多层布线
20
RIE刻蚀装置(Parallel Plate)
Gas RF
Pumping System
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RIE刻蚀机 (AME8330)
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IC基础工艺(2)－刻蚀
被刻膜 SiO2 Si Al Si3N4 刻蚀剂 CHF3,C3F8 CH4/O2, SF6 SiCL4/Cl2, BCl3/Cl2 CHF3/O2
新员工入职培训
IC基础知识 & 制造工艺流程
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IC基础知识
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1
集成电路产业链
设计 纯水 净化 设备 化学品
制版
硅片工艺 封装 测试
硅片
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2
硅片和芯片
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3
目录
-最重要的半导体材料－硅 -构建集成电路的主要半导体器件 -关键的集成电路工艺制造技术 -集成电路技术发展趋势
0.28
1
9.91
35
2.14
7.5
0.87
3
0.28
1
10
100 1000
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350
-------
75
750 ----
30
300
10
100 ---- 1000
60
净 化 室
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IC制造环境(2)
超纯水
极高的电阻率（导电离子很少） 18M 无机颗粒数 <5ppb (SiO2) 总有机碳（TOC) <20ppb 细菌数 0.1/ml
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13
目录
-最重要的半导体材料－硅 -构建集成电路的主要半导体器件 -关键的集成电路工艺制造技术 -集成电路技术发展趋势
2013-8-5
14
集成电路基础工艺技术
图形转移工艺 光刻 刻蚀(Etching) - 掺杂工艺 热扩散和热氧化 离子注入(Ion implantation) - 外延(Epitaxy) - 薄膜工艺 化学气相淀积(CVD) 溅射(Sputtering)
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硅片主要技术指标
-晶向 (111)/(100) -掺杂类型／掺杂剂 P/N -电阻率 -直径／厚度 -平整度/弯曲度／翘曲度 -含氧量／含碳量 -缺陷（位错密度／层错密度） -表面颗粒
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目录
-最重要的半导体材料－硅 -构建集成电路的主要半导体器件 -关键的集成电路工艺制造技术 -集成电路技术发展趋势
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IC技术发展趋势(1)
特征线宽随年代缩小
10
um
1
0.1 1970 1973 1975 1979 1982 1985 1987 1991 1993 1997 2001
YEAR
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IC技术发展趋势(2)
硅片大直径化
直径 75 mm (3) (inch) 引入 1972 年代 100 (4) 1975 125 (5) 1977 150 (6) 1984 200 (8) 1990 300 (12) 1997
44
IC技术发展趋势(4)
结构复杂化 功能多元化
Bipolar BiCMOS CMOS
BCD
DMOS
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IC制造工艺流程
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双极型集成电路工艺流程(1)
埋层
- 埋层光刻－埋层注入 Sb+
P (111) Sub 10-20-cm
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双极型集成电路工艺流程(1)