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半导体制造工艺流程-大全

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半导体制造工艺流程-大全_第1页
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半导体制造工艺流程 半导体相关知识 本征材料 纯硅 9 10个9 250000 cm N型硅 掺入V族元素 磷P 砷As 锑 Sb P型硅 掺入 III族元素 镓Ga 硼B PN结 NP 半 导体元件制造过程可分为 前段 Front End 制程 晶圆处理制程 Wafer Fabrication 简称 Wafer Fab 晶圆针测制程 Wafer Probe 後段 Back End 构装 Packaging 测试制程 Initial Test and Final Test 一 晶圆处理制程 晶圆处理制程之主要工作为在矽晶圆上制作电路与 电子元件 如电晶体 电容体 逻辑闸等 为上 述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程 以微处理器 Microprocessor 为例 其所需处 理步骤可达数百道 而其所需加工机台先进且昂贵 动辄数千万一台 其所需制造环境为为一温度 湿度与 含尘 Particle 均需控制的无尘室 Clean Room 虽然详细的处理程序是随著产品种类与 所使用的技术有关 不过其基本处理步骤通常是晶 圆先经过适 当的清洗 Cleaning 之後 接著进行 氧化 Oxidation 及沈积 最後进行微影 蚀刻及 离子植入等反覆步骤 以完成晶圆上电路的加工与 制作 二 晶圆针测制程 经过Wafer Fab之制程後 晶圆上即形成 一格格的小格 我们称之为晶方或是晶粒 Die 在一般情形下 同一片晶圆上 皆制作相同的晶片 但是也有可能在同一 片晶圆 上制作不同规格的产品 这些晶圆 必须通过晶片允收测试 晶粒将会一一经 过针测 Probe 仪器以测试其电气特性 而不合格的的晶粒将会被标上记号 Ink Dot 此程序即 称之为晶圆针测制 程 Wafer Probe 然後晶圆将依晶粒 为单位分割成一粒粒独立的晶粒 三 IC构装制程 IC構裝製程 Packaging 利用塑膠 或陶瓷包裝晶粒與配線以成積體電路 目的 是為了製造出所生產的電路的保 護層 避免電路受到機械性刮傷或是高 溫破壞 半导体制造工艺分类 PMOS型 双极型MOS型 CMOS型NMOS型 BiMOS 饱和型 非饱和型 TTLI2LECL CML 半导体制造工艺分类 一 双极型IC的基本制造工艺 A 在元器件间要做电隔离区 PN结隔 离 全介质隔离及PN结介质混合隔离 ECL 不掺金 非饱和型 TTL DTL 饱和型 STTL 饱和型 B 在元器件间自然隔离 I2L 饱和型 半导体制造工艺分类 二 MOSIC的基本制造工艺 根据栅工艺分类 A 铝栅工艺 B 硅 栅工艺 其他分类 1 根据沟道 PMOS NMOS CMOS 2 根据负载元件 E R E E E D 半导体制造工艺分类 三 Bi CMOS工艺 A 以CMOS工艺为基础 P阱 N阱 B 以双极型工艺为基础 双极型集成电路和MOS集成电 路优缺点 双极型集成电路 中等速度 驱动能力强 模拟精度高 功耗比 较大 CMOS集成电路 低的静态功耗 宽的电源电压范围 宽的输出电压幅 度 无阈值损失 具有高速度 高密度潜力 可与 TTL电路兼容 电流驱动能力低 半导体制造环境要求 主要污染源 微尘颗粒 中金属离子 有 机物残留物和钠离子等轻金属例子 超净间 洁净等级主要由 微尘颗粒数 m3 0 1um 0 2um 0 3um 0 5um 5 0um I级 35 7 5 3 1 NA 10 级 350 75 30 10 NA 100级 NA 750 300 100 NA 1000级 NA NA NA 1000 7 半 导体元件制造过程 前段 Front End 制程 前工序 晶圆处理制程 Wafer Fabrication 简称 Wafer Fab 典型的PN结隔离的掺金TTL电路工艺流程 一次氧化 衬底制备隐埋层扩散外延淀积 热氧化隔离光刻 隔离扩散再氧化 基区扩散 再分布及氧化 发射区光刻背面掺金 发射区扩散 反刻铝 接触孔光刻 铝淀积 隐埋层光刻 基区光刻 再分布及氧化 铝合金 淀积钝化层中测压焊块光刻 横向晶体管刨面图 C B E N P PNP P P PP 纵向晶体管刨面图 CBE N P CBE N P N p NPNPNP NPN晶体管刨面图 AL SiO2 B P P P SUB N E C N BL N epi P 1 衬底选择 P型Si 10 cm 111晶向 偏离2O 5O 晶圆 晶片 晶圆 晶片 的生产由砂即 二氧化硅 开始 经由电弧炉的提炼还原成 冶炼级的硅 再经 由盐酸氯化 产生三氯化硅 经蒸馏纯化后 透过慢速分 解过程 制成棒状或粒状的 多晶 硅 一般晶圆制造厂 将多晶硅融解 后 再 利用硅晶种慢慢拉出单晶硅晶棒 一支85公分 长 重76 6公斤的 8寸 硅晶棒 约需 2天半 时间长成 经研磨 抛光 切片后 即成半导 体之原料 晶圆片 第一次光刻 N 埋层扩散孔 1 减小集电极串联电阻 2 减小寄生PNP管的影响 SiO2 P SUB N BL 要求 1 杂质固浓度大 2 高温时在Si中的扩散系数小 以减小上推 3 与衬底晶格匹配好 以减小应力 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 N 扩散 P 外延层淀积 1 VPE Vaporous phase epitaxy 气相外延生长硅 SiCl4 H2 Si HCl 2 氧化 Tepi Xjc Xmc TBL up tepi ox SiO2 N BL P SUB N epi N BL 第二次光刻 P 隔离扩散孔 在衬底上形成孤立的外延层岛 实现元件的隔离 SiO2 N BL P SUB N epi N BL N epi P P P 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 P 扩散 B 第三次光刻 P型基区扩散孔 决定NPN管的基区扩散位置范围 SiO2 N BL P SUB N epi N BL P P P PP 去SiO2 氧化 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 基区扩散 B 第四次光刻 N 发射区扩散孔 集电极和N型电阻的接触孔 以及外延层的反偏孔 Al N Si 欧姆接触 ND 1019cm 3 SiO2 N BL P SUB N epi N BL P P P P P N 去SiO2 氧化 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 扩散 第五次光刻 引线接触孔 SiO2 N N BL P SUB N epi N BL P P P PP N epi 去SiO2 氧化 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 第六次光刻 金属化内连线 反刻铝 SiO2 AL N N BL P SUB N epi N BL P P P PP N epi 去SiO2 氧化 涂胶 烘烤 掩膜 曝光 显影 坚膜 蚀刻 清洗 去膜 清洗 蒸铝 CMOS工艺集成电路 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 1 光刻I 阱区光刻 刻出阱区注入孔 N Si N Si SiO2 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 2 阱区注入及推进 形成阱区 N Si P CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 3 去除SiO2 长薄氧 长Si3N4 N Si P Si3N4 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 4 光II 有源区光刻 N Si P Si3N4 CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 5 光III N管场区光刻 N管场区注入 以提高场开启 减少闩锁效应及改善 阱的接触 光刻胶 N Si P B CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 6 光III N管场区光刻 刻出N管场区 注入孔 N管场区注入 N Si P CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 7 光 p管场区光刻 p管场区注入 调节PMOS管的开启电压 生长多晶硅 N Si P B CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 8 光 多晶硅光刻 形成多晶硅栅及 多晶硅电阻 多晶硅 N Si P CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 9 光 I P 区光刻 P 区注入 形成 PMOS管的源 漏区及P 保护环 N Si P B CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 10 光 N管场区光刻 N管场区注入 形成NMOS的源 漏区及N 保护环 光刻胶 N Si P As CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 11 长PSG 磷硅玻璃 PSG N Si P P P N N CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 12 光刻 引线孔光刻 PSG N Si P P P N N CMOS集成电路工艺 以P阱硅栅CMOS为例 13 光刻 引线孔光刻 反刻AL PSG N Si P P P N N VDD IN OUT P N S D D S 集成电路中电阻1 AL SiO2 R P P P SUB N R VCC N BL N epi P 基区扩散电阻 集成电路中电阻2 SiO2 R N P P SUB R N BL N epi P 发射区扩散电阻 集成电路中电阻3 基区沟道电阻 SiO2 R N P P SUB R N BL N epi P P 集成电路中电阻4 外延层电阻 SiO2 R P P SUB R N epi P P N 集成电路中电阻5 MOS中多晶硅电阻 SiO2 Si 多晶硅 氧化层 其它 MOS管电阻 集成电路中电容1 SiO2A P P SUB B N BL N E P N P I A B Cjs 发射区扩散层 隔离层 隐埋层扩散层PN电容 集成电路中电容2 MOS电容 Al SiO2 AL P P SUB N epi P N N 主要制程介绍 矽晶圓材料 Wafer 圓晶是制作矽半導體IC所用之矽晶片 狀似圓 形 故稱晶圓 材料是 矽 IC Integrated Circuit 厂用的矽晶片即為 矽晶體 因為整片的矽晶片是單一完整的晶體 故又稱為單晶體 但在整體固態晶體內 眾 多小晶體的方向不相 則為复晶體 或多晶體 生成單晶體或多晶體与晶體生長時的溫度 速率与雜質都有關系 一般清洗技术 工艺清洁源容器清洁效果 剥离光刻胶氧等离子体平板反应器刻蚀胶 去聚合物H2SO4 H2O 6 1溶液槽除去有机物 去自然氧化层 HF H2O 1 50 溶液槽产生无氧表面 旋转甩干氮气甩干机无任何残留物 RCA1 碱性 NH4OH H2O2 H2O 1 1 1 5 溶液槽除去表面颗粒 RCA2 酸性 HCl H2O2 H2O 1 1 5 溶液槽除去重金属粒 子 DI清洗去离子水溶液槽除去清洗溶剂 光 学 显 影 光学显影是在感光胶上经过曝光和显影的程序 把光罩上的图形转换到感光胶下面的薄膜 层或硅晶上 光学显影主要包含了感光胶涂 布 烘烤 光罩对准 曝光和显影等程 序 关键技术参数 最小可分辨图形尺寸Lmin nm 聚焦深度DOF 曝光方式 紫外线 X射线 电子束 极紫外 蝕刻技術 Etching Technology 蝕刻技術 Etching Technology 是將材料使用化學 反應物理撞擊作用而移除的技術 可以分為 濕蝕刻 wet etching 濕蝕刻所使用的是化學溶液 在經過化學反應之後達到蝕刻的目的 乾蝕刻 dry etching 乾蝕刻則是利用一种電漿蝕 刻 plasma etching 電漿蝕刻中蝕刻的作用 可 能是電漿中离子撞擊晶片表面所產生的物理作用 或者是電漿中活性自由基 Radical 与晶片表面原 子間的化學反應 甚至也可能是以上兩者的复合作 用 现在主要应用技术 等离子体刻蚀 常见湿法蚀 刻 技 术 腐蚀液被腐蚀物 H3PO4 85 HNO3 65 CH3COOH 100 H2O NH4F 40 76 3 15 5 0 01 Al NH4 40 HF 40 7 1SiO2 PSG H3PO4 85 Si3N4 HF 49 HNO3 65 CH3COOH 100 2 15 5 Si KOH 3。

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