硅微机械加工技术 IC 代工、平整化技术和SUMMIT 工艺32页

2 metal, 2 poly
$980 for 5 2.2×2.2 mm2
4 metal, 1 poly $1000/mm2 for 25 min = 5 mm2
3 metal, 2 poly (SOS)$2000 mm2 for 25 min = 5 mm2
6 metal, 1 poly $3200/mm2 for 25 min = 7 mm2
• 缺点: – 材料 / 工艺固定 – 减少灵活性 – 限制应用
– 材料的机械特性可能难以控制 好
优点：
+ 要设计工艺 + 低投资 + 便宜 / 见效快 + 容易转化成工业生产
微机械加工技术
秦明
MEMS Foundry 工艺
厚度 0.60 µm 0.50 µm 2.00 µm 2.00 µm 0.75 µm 1.50 µm 0.50 µm
抛光工艺
• 研磨速率与材料硬度有关 • 平整化工艺避免了表面起伏纹
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局部和全局均匀性
CMP之前
CMP之后
• 影响均匀性的因素
– 腐蚀的几何结构 – 材料硬度
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采用CMP平整化 MEMS
CMP前 (未平整的Poly)
CMP后 (完全平整化的Poly)
• 平整化牺牲层可以保证得到平坦的多晶层
本讲内容
• MEMS Foundary 和IC Foundary简介 • 平整化技术
– 化学-机械抛光 (CMP) – 玻璃旋涂 (SOG) • 平整化 MEMS Foundry 工艺 – SUMMIT IV and V
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非标准 工艺设计过程
• 1. 新思想 / 应用 • 2. 设计复杂的新结构 • 3. 采用非标准工艺制造器件 • 4. 成功率低 (i.e., 失效分析)
5 metal, 1 poly $1400/mm2 for 25 min = 10 mm2
4 metal, 1-2 poly $1240/mm2 for 25 min = 7 mm2
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芯片表面拓朴
• 形貌
– 表面起伏
• 经常是不希望的
– 减少了光刻的分辨率 – 限制了膜的数目
微机械加工技术
• 好处: + 发展新工艺 + 增加经验 + 提高技能
微机械加工技术
• 缺点:
– 难以向工业转化 – 实验初期低成功率 (iterative) – 投资巨大 – 成本高 – 费时
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采用标准 工具和工艺的设计过程
• 1. 标准 CAD 工具 • 2. 采用 标准 单元设计布局 • 3. 采用 标准 工艺制造(Foundry) • 4. 高 成功率
膜
Nitride Polysilicon SiO2 Polysilicon SiO2 Polysilicon Metal (Cr/Au)
• MUMPS - Multi User MEMS Process
• Polysilicon and PSG • 每 2 个月可以进行一次工艺流水 (~7 周 fab) • 15 片未释放的芯片约3200美圆 (1cm×1cm) {
MEMS和IC的结合
• 先做IC • 先做MEMS • 混合在一起
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SOG 平整化和注模
固体衬底 / 模
SOG 涂覆 / 平整化
去模
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平整化MEMS: SUMMIT IV
• Sandia 超平整多层MEMS 技术 (SUMMIT)
• 4-层多晶硅和SiO2(平整) • $10,000 提供 100 芯片
6.3 mm × 2.8 mm (未释放)
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IC 制造工艺: NMOS
简单工艺
Active Area
• 定义有源区面积
– 及晶体管放置的地方
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IC 制造工艺: NMOS
多晶栅
源漏区
• 定义栅氧化层和多晶硅栅
– 决定MOS晶体管 W/L 比
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IC 制造工艺: NMOS
接触孔
金属
• 开接触孔和金属化
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平整化
• 改进的平整化技术使得
– 结构的分辨率更高 – 多层结构容易实现
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3-D 芯片增加了集成度
存储芯片垂直堆垛结构
• 可以堆剁更多的层的能力
– 允许更高的集成度 – 受热效应限制
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Polysilicon (暗) W (亮)
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平整化技术
• 化学机械抛光 (CMP)
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更平整的MEMS
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玻璃悬涂(SOG)
• 溶-凝胶
– 固体和溶剂的混合物
• 加入更多的溶剂可以减少粘度
– SOG 具有介于SiO2 和有机物或“线性” 硅炀烷聚 合物之间的分子结构
• 取决于致密程度
• 优点
– 纯度好, 低温工艺 – 平整, 高绝缘强度 – 可以用于集成电路工艺 – 可以掺杂或不掺杂
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平整化MEMS: SUMMIT IV
• 5-层多晶和平整的SiO2 • 可用于产生更复杂的
MEMS
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Summit 和MUMPS比较
• MUMPS的优点
– 比较成熟 – 周转时间快 – 相对便宜
• Summit的优点
– 可以有额外多晶层 – 平整
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– 简单的机械研磨可以获得非常平整的表面
• 在玻璃上旋转涂覆 (SOG)
– 采用低粘度溶剂样玻璃混合物旋涂在光滑表面 上，可以退火烧成坚硬的薄膜
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化学-机械抛光
载体
支撑
研浆
水 研磨垫
平板
载体 研浆
平板上的研磨垫
• 控制:
– 转速, 压力
• 观察
– 研磨速率, 均匀性
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– 实现互连
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IC Foundries一览
特征
公司
尺寸
AMIS
0.50µm
AMIS(“Tiny”) 1.50µm
Agilent
0.35µm
Peregrine 0.50µm
TSMC
0.18µm
TSMC
0.25µm
TSMC
0.35µm
层
价格
芯片(mm2)
3 metal, 2 poly $1000/mm2 for 25 min = 5 mm2
商业价格约4600美圆} • HF 释放 ($375), CO2 ($950), 和划片
($250/$100)
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集成电路Foundries
CMOS
• 需要多次注入和扩散以控制掺杂分布 (p 和 n 区) • 热氧化, LPCVD polysilicon, SiN, 和SiO2,
和蒸发或溅射的金属膜