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1、第二章 元器件制造技术可靠性与系统工程学院可靠性与系统工程学院付桂翠付桂翠2012年年09月月27日日本章内容提要本章内容提要半导体集成电路芯片制造技术半导体集成电路芯片制造技术1 1混合集成电路工艺混合集成电路工艺2 2半导体集成电路芯片制造技术半导体集成电路芯片制造技术发展里程碑发展里程碑1 1基本工艺基本工艺2 2器件工艺器件工艺3 3芯片加工中的缺陷和成品率预测芯片加工中的缺陷和成品率预测 4 4发展里程碑v1954年，年，Bell实验室开室开发出氧化、光掩膜、刻出氧化、光掩膜、刻蚀和和扩散工散工艺；v1958年后期，仙童公司的物理学家年后期，仙童公司的物理学家Jean Hoerni开
2、开发出一种出一种在硅上制造在硅上制造PN结的的结构，并在构，并在结上覆盖了一上覆盖了一层薄的硅氧化薄的硅氧化层作作绝缘层，在硅二极管上，在硅二极管上蚀刻小孔用于刻小孔用于连接接PN结；vSprague Electric的物理学家的物理学家Kurt Lehovec开开发出使用出使用PN结隔离元件的技隔离元件的技术；v1959年，仙童公司的年，仙童公司的Robert Noyce通通过在在电路上方蒸路上方蒸镀薄薄金属金属层连接接电路元件来制造集成路元件来制造集成电路；路；v1960年年Bell实验室开室开发出外延沉出外延沉积/注入技注入技术，即将材料的，即将材料的单晶晶层沉沉积/注入到晶体注入到晶体
3、衬底上；底上；发展里程碑v1963，RCA制造出第一片由制造出第一片由MOS（Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半，金属氧化物半导体）工体）工艺制造的集成制造的集成电路；路；v1963，仙童公司的，仙童公司的Frank Wanlass提出并提出并发表了互表了互补型型MOS集成集成电路的概念。路的概念。vCMOS是是应用最广泛的、高密度集成用最广泛的、高密度集成电路的基路的基础。历史回顾v v 摩尔定律摩尔定律1965年，仙童半导体的研发主管摩尔年，仙童半导体的研发主管摩尔(Gordon Moore) 指指出：微处理器芯片的电路密度，以及它潜在的计算能力，出：微处理器
4、芯片的电路密度，以及它潜在的计算能力，每隔一年翻番。每隔一年翻番。后来，这一表述又修正为每后来，这一表述又修正为每18个月翻番。这也就是后来个月翻番。这也就是后来闻名于闻名于IT界的界的“摩尔定律摩尔定律”。戈登戈登.摩尔摩尔集成电路现状vv芯片特征尺寸芯片特征尺寸vv晶片尺寸晶片尺寸450mm(18英寸英寸)(预计预计2012年面世年面世)、300mm(12英寸英寸,2002)、200mm(8英寸英寸,1990)Intel CPU芯片特征尺寸芯片特征尺寸Intel 45nm晶片晶片集成电路的基本工艺集成电路的基本工艺v以以圆形的硅片形的硅片为基基础，在初始硅片上，在初始硅片上经过氧化、氧化、
5、掺杂、薄膜淀、薄膜淀积、光、光刻、刻、蚀刻等步刻等步骤的的单独使用或独使用或组合重复使用，制作出器件，再通合重复使用，制作出器件，再通过电极制极制备、多、多层布布线实现各器件各器件间的互的互连，实现一定的功能，最后再一定的功能，最后再经过封装封装测试成成为成品；成品；v前工前工艺:芯片制造；芯片制造；v后工后工艺:组装、装、测试。双极型晶体管制作工艺双极型晶体管制作工艺(a)(a)一次氧化一次氧化 (b)(b)光刻基区光刻基区 (c)(c)基区硼扩散、氧化基区硼扩散、氧化 (d)(d)光刻发射区光刻发射区(e)(e)发射区磷扩散、氧化发射区磷扩散、氧化 (f)(f)光刻引线孔光刻引线孔 (g)
6、(g)蒸镀铝膜蒸镀铝膜 (h)(h)刻蚀铝电极刻蚀铝电极硅片制备硅片制备v多晶硅生多晶硅生产、单晶生晶生长、硅、硅圆片制造片制造 原料：原料：石英石石英石粗硅粗硅四氯化硅四氯化硅高温高温炭还原炭还原氯化氯化多晶硅多晶硅高温氯还原高温氯还原单晶硅单晶硅直拉法直拉法区熔法区熔法硅片硅片切割切割磨片磨片硅片制备硅片制备v直拉法生直拉法生长单晶晶首先将首先将预处理好的多晶硅装入炉内石英理好的多晶硅装入炉内石英坩坩埚中，抽真空或通入惰性气体；中，抽真空或通入惰性气体；拉晶拉晶时，籽晶杆以一定速度，籽晶杆以一定速度绕轴旋旋转，同同时坩坩埚反方向旋反方向旋转，坩，坩埚由高由高频感感应或或电阻加阻加热，其中的
7、多晶硅料全部熔化；，其中的多晶硅料全部熔化；将籽晶下降至与熔融的多晶硅接触，熔将籽晶下降至与熔融的多晶硅接触，熔融的多晶硅会沿籽晶融的多晶硅会沿籽晶结晶，并随籽晶的晶，并随籽晶的逐逐渐上升而生上升而生长成棒状成棒状单晶。晶。硅片制备硅片制备3、切片、切片-清洗清洗1、单晶生长、单晶生长2、单晶切割分段、单晶切割分段-滚磨外圆滚磨外圆-定位面研磨定位面研磨4、磨片、磨片-清洗清洗5、抛光、抛光-清洗清洗6最终晶片最终晶片制膜制膜 v膜的膜的类型型二氧化硅膜二氧化硅膜外延外延层金属膜金属膜v薄膜的制薄膜的制备技技术热氧化法氧化法物理气相沉物理气相沉积PVD蒸蒸镀、溅射射化学气相淀化学气相淀积CVD
8、淀淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、设备简单氧化层生长氧化层生长v二氧化硅的特性二氧化硅的特性化学化学稳定性高、定性高、绝缘、对某些某些杂质能起到掩蔽作用能起到掩蔽作用(杂质在其中的在其中的扩散系数非常小散系数非常小)；v氧化氧化层的作用的作用器件的保器件的保护层、钝化化层、电性能隔离、性能隔离、绝缘介介质层和和电容器的介容器的介质膜，膜，实现选择性的性的扩散；散；v生生长方法方法热氧化法氧化法等离子氧化法等离子氧化法热分解沉分解沉积法法溅射法射法真空蒸真空蒸镀法法氧化层生长氧化层生长v热氧化法氧化法干氧氧化：以干燥干氧氧化
9、：以干燥纯净的氧气作的氧气作为氧化气氛，在高温下氧直接与硅氧化气氛，在高温下氧直接与硅反反应生成二氧化硅；生成二氧化硅；水汽氧化：以高水汽氧化：以高纯水蒸汽水蒸汽为氧化气氛，由硅片表面的硅原子和水分氧化气氛，由硅片表面的硅原子和水分子反子反应生成二氧化硅生成二氧化硅层(厚度一般在厚度一般在10-810-6)。水汽氧化的氧化速。水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的高；率比干氧氧化的高；湿氧氧化法：湿氧氧化法：实质上是干氧氧化和水汽氧化的混合，氧化速率介于上是干氧氧化和水汽氧化的混合，氧化速率介于二者之二者之间。氧化层生长氧化层生长v氧化氧化层缺陷缺陷裂裂纹引起金属引起金属连线与硅片短路，或多与硅片短路
10、，或多层连线间短路；短路；针孔孔产生原因：光刻版上的小孔或小生原因：光刻版上的小孔或小岛，光刻胶中，光刻胶中杂质微粒，硅片上沾附微粒，硅片上沾附的灰的灰尘，胶膜上有气泡或氧化，胶膜上有气泡或氧化层质量量较差等；差等；造成的后果：使氧化造成的后果：使氧化层不不连续，破坏了二氧化硅的，破坏了二氧化硅的绝缘作用，作用，针裂裂纹和和针孔可使孔可使扩散掩埋失效，形成短路，散掩埋失效，形成短路，连线或或铝电极下的二氧化硅有极下的二氧化硅有针孔会引起短路。孔会引起短路。厚薄不均匀厚薄不均匀产生原因：氧化生原因：氧化层划划伤；造成后果：会降低耐造成后果：会降低耐压，使，使击穿穿电压降低或降低或丧失失对杂质扩散
11、的掩蔽能散的掩蔽能力，或者金属与硅之力，或者金属与硅之间短路而使器件失效；短路而使器件失效；氧化氧化层电荷荷外延生长外延生长 v在在单晶晶衬底上制底上制备一一层新的新的单晶晶层的技的技术;v层中中杂质浓度可以极度可以极为方便的通方便的通过控制反控制反应气流中的气流中的杂质含量加以含量加以调节，不受，不受衬底中底中杂质种种类与与掺杂水平的影响水平的影响;v作用：作用：双极型集成双极型集成电路：路：为了将了将衬底和器件区域隔离底和器件区域隔离(电绝缘)，在，在P型型衬底上外延底上外延生生长N型型单晶硅晶硅层；MOS集成集成电路：减少了粒子路：减少了粒子软误差和差和CMOS电路中的路中的闩锁效效应等
12、；等；v生生长方法：气相外延技方法：气相外延技术利用硅的气利用硅的气态化合物，如四化合物，如四氯化硅或化硅或(SiCl4)硅硅烷(SiH4)，在加，在加热的的衬底表底表面与面与氢气气发生反生反应或自身或自身发生生热分解反分解反应，进而而还原成硅，并以原成硅，并以单晶形式晶形式淀淀积在硅在硅衬底表面。底表面。 制备金属膜制备金属膜v实现电连接；接；Al及其合金：最常用的金属互及其合金：最常用的金属互连材料；材料；Cu制程；制程；v制制备方法：蒸方法：蒸发和和溅射。射。蒸蒸发：真空系：真空系统中，金属原子中，金属原子获得足得足够的能量后便可以脱离金属表的能量后便可以脱离金属表面的束面的束缚成成为蒸
13、气原子，在其运蒸气原子，在其运动轨迹中遇到晶片，就会在晶片上迹中遇到晶片，就会在晶片上淀淀积一一层金属薄膜；金属薄膜；溅射：在真空系射：在真空系统中充入一定的惰性气体，在高中充入一定的惰性气体，在高压电场的作用下，的作用下，由于气体放由于气体放电形成离子，形成离子，这些离子在些离子在强电场作用下被加速，然后作用下被加速，然后轰击靶材料，使其原子逸出并被靶材料，使其原子逸出并被溅射到晶片上，形成金属膜；射到晶片上，形成金属膜；溅射法形成的薄膜比蒸射法形成的薄膜比蒸发淀淀积的薄膜附着力更的薄膜附着力更强，且膜更加致密、，且膜更加致密、均匀。均匀。图形转移图形转移-光刻光刻v图形转移：将集成电路的图
14、形转移：将集成电路的单元构件图形转移到圆片单元构件图形转移到圆片上的工艺；上的工艺；v光刻光刻+刻蚀，统称光刻；刻蚀，统称光刻；v光刻胶：光刻胶：光致抗蚀剂光致抗蚀剂正胶正胶负胶负胶图形转移图形转移-光刻光刻v常常规的光刻工的光刻工艺过程：程：涂胶涂胶-前烘前烘-曝光曝光-显影影-坚膜膜-腐腐蚀(刻刻蚀)-去胶去胶 图形转移图形转移-刻蚀刻蚀v分分为干法刻干法刻蚀和湿法刻和湿法刻蚀；v湿法刻湿法刻蚀一种化学刻一种化学刻蚀方法；方法；将材料放在腐将材料放在腐蚀液内；液内；5um以上，以上，优良的良的选择性，刻性，刻蚀完当前薄膜就停止；低成本、高效完当前薄膜就停止；低成本、高效率；率；5um以下，
15、以下，侧向腐向腐蚀严重，重，线条条宽难以控制；以控制；v干法腐干法腐蚀等离子体等离子体轰击被刻被刻蚀表面表面掺杂掺杂v掺杂：在半：在半导体加入少量特定体加入少量特定杂质，形成，形成N型与型与P型的半型的半导体区域；体区域；掺杂锑、砷和磷可以形成、砷和磷可以形成N型材料；型材料；掺杂硼硼则可以形成可以形成P型材料型材料 ；v主要技主要技术手段手段高温高温热扩散法：散法：利用利用杂质在高温在高温(约800以上以上)下由高下由高浓度区往低度区往低浓度区的度区的扩散；散；早期使用；早期使用；集成度增加，无法精确地控制集成度增加，无法精确地控制杂质的分布形式和的分布形式和浓度；度；离子注入：将离子注入：
16、将杂质转换为高能离子的形式，直接注入硅的体内。高能离子的形式，直接注入硅的体内。掺杂浓度控制精确、位置准确。度控制精确、位置准确。集成电路集成电路v集集成成电路路(Integrated Circuit，缩写写为IC)是是指指通通过一一系系列列的的加加工工工工艺，将将多多个个晶晶体体管管、二二极极管管等等有有源源器器件件和和电阻阻、电容容等等无无源源元元件件，按按照照一一定定的的电路路连接接集集成成在在一一块半半导体体晶晶片片(如如硅硅或或GaAs)或或陶陶瓷瓷等等基基片片上上，作作为一一个个不不可可分分割割的的整整体体执行行某某一一特定功能的特定功能的电路路组件。件。v常常见的分的分类方法主要
17、有：按器件方法主要有：按器件结构构类型型、集成、集成电路路规模模、使用的基片、使用的基片材料材料、电路路功能功能以及以及应用用领域域等等进行分行分类。 集成电路的工艺类型集成电路的工艺类型 根根据据集集成成电路路中中有有源源器器件件的的结构构类型型和和工工艺技技术可可以以将将集集成成电路分路分为三三类。v 双双极极集集成成电路路：采采用用的的有有源源器器件件是是双双极极晶晶体体管管，是是由由电子子和空穴两种和空穴两种类型的型的载流子工作流子工作，因而取名，因而取名为双极集成双极集成电路路v金金属属-氧氧化化物物-半半导体体(MOS)集集成成电路路：这种种电路路中中所所用用的的晶晶体体管管为MO
18、S晶晶体体管管，由由金金属属-氧氧化化物物-半半导体体结构构组成成的的场效效应晶晶体体管管，它它主主要要靠靠半半导体体表表面面电场感感应产生生的的导电沟沟道道工工作作，是是电压控控制制电流流的的器器件件，只只有有一一种种载流流子子(电子子或或空空穴穴)，因因此此有有时为了了与与双双极极晶晶体体管管对应，也也称称它它为单极极晶体管。晶体管。v双极双极-MOS(BiMOS)集成集成电路路：同：同时包括双极和包括双极和MOS晶体晶体管的集成管的集成电路路为BiMOS集成集成电路。路。 器件工艺器件工艺v双极型集成双极型集成电路路中等速度、中等速度、驱动能力能力强、模、模拟精度高、功耗比精度高、功耗比
19、较大大vCMOS集成集成电路路静静态功耗低、功耗低、电源源电压范范围宽、输出出电压幅度幅度宽（无（无阈值损失），失），具有高速度、高密度潜力；具有高速度、高密度潜力；电流流驱动能力低能力低vBiMOS集成集成电路工路工艺PMOS型双极型MOS型CMOS型NMOS型BiMOS双极型硅工艺双极型硅工艺vv工艺特点工艺特点集成电路中各元件之间需要进行电隔离；集成电路中各元件之间需要进行电隔离；常规工艺中大多采用常规工艺中大多采用PN结隔离，即用反向结隔离，即用反向PN结达到元件之结达到元件之间相互绝缘的目的。除间相互绝缘的目的。除PN结隔离以外，有时也采用介质隔离结隔离以外，有时也采用介质隔离或两者
20、混合隔离法。或两者混合隔离法。双极型集成电路中需要增添隐埋层；双极型集成电路中需要增添隐埋层；工艺过程是：在工艺过程是：在 P型硅片上，在预计制作集电极的正下方某型硅片上，在预计制作集电极的正下方某一区域里先扩散一层高浓度施主杂质即一区域里先扩散一层高浓度施主杂质即N+区区;而后在其上再外而后在其上再外延生长一层延生长一层N型硅单晶层。于是，型硅单晶层。于是，N型外延层将型外延层将N+区隐埋在区隐埋在下面，再在这一外延层上制作晶体管。下面，再在这一外延层上制作晶体管。双极型集成电路元件间需要互连线；双极型集成电路元件间需要互连线； 通常为金属铝薄层互连线。通常为金属铝薄层互连线。双极型硅工艺双
21、极型硅工艺vv经过经过 5次氧化次氧化vv对二氧化硅薄层进对二氧化硅薄层进行行5次光刻，刻蚀出次光刻，刻蚀出供扩散掺杂用的图形供扩散掺杂用的图形窗口。窗口。vv最后还经过两次光最后还经过两次光刻，刻蚀出金属铝互刻，刻蚀出金属铝互连布线和钝化后用于连布线和钝化后用于压焊点的窗口。压焊点的窗口。v v 芯片的制造缺陷：引起成品率下降的主要因素芯片的制造缺陷：引起成品率下降的主要因素全局缺陷全局缺陷几乎可以消除几乎可以消除;光刻对准误差、工艺参数随机起伏和线宽变化等光刻对准误差、工艺参数随机起伏和线宽变化等;局域缺陷局域缺陷光刻工艺中引入的氧化物针孔缺陷等点缺陷光刻工艺中引入的氧化物针孔缺陷等点缺陷
22、;控制随机点缺陷是相当困难控制随机点缺陷是相当困难;冗余物缺陷冗余物缺陷:短路故障；短路故障；丢失物缺陷丢失物缺陷:开路故障；开路故障；氧化物针孔缺陷氧化物针孔缺陷:电路短路故障；电路短路故障；结泄漏缺陷结泄漏缺陷:电路短路故障；电路短路故障；洁净室内空气中的灰尘微粒；洁净室内空气中的灰尘微粒；硅片和设备的物理接触；硅片和设备的物理接触；各类化学试剂中的杂质颗粒。各类化学试剂中的杂质颗粒。芯片加工中的缺陷和成品率预测芯片加工中的缺陷和成品率预测v v 点缺陷点缺陷v v 来源来源集成电路的结构类型集成电路的结构类型 按按照照集集成成电路路的的结构构形形式式可可以以将将它它分分为半半导体体单片片
23、集集成成电路及混合集成路及混合集成电路。路。v 单片片集集成成电路路(IC)：它它是是指指电路路中中所所有有的的元元器器件件都都制制作作在在同一同一块半半导体基片上的集成体基片上的集成电路。路。v混混合合集集成成电路路(HIC)：是是指指将将多多个个半半导体体集集成成电路路芯芯片片或或半半导体体集集成成电路路芯芯片片与与各各种种分分立立元元器器件件通通过一一定定的的工工艺进行行二二次次集集成成，构构成成一一个个完完整整的的、更更复复杂的的功功能能器器件件，该功功能能器器件件最最后后被被封封装装在在一一个个管管壳壳中中，作作为一一个个整整体体使使用用。因因此此，有有时也称混合集成也称混合集成电路
24、路为二次集成二次集成IC。混合集成电路混合集成电路PKPK印刷电路板印刷电路板 混合集成电路可比等效的印刷电路板体积小混合集成电路可比等效的印刷电路板体积小46 46 倍、重量轻倍、重量轻1010倍，但倍，但成本较高。成本较高。 散热散热 混合电路中，大功率器件可以直接装在导热好的陶瓷基片上。混合电路中，大功率器件可以直接装在导热好的陶瓷基片上。 印刷电路板上要将元器件贴到电路板上，且用粘结剂粘上很重的散热板印刷电路板上要将元器件贴到电路板上，且用粘结剂粘上很重的散热板或使用金属芯的电路板。或使用金属芯的电路板。混合集成电路混合集成电路PKPK半导体集成电路半导体集成电路 混合电路设计容易，混
25、合电路设计容易， 成本更低，投产快，适合中小批量产品的生产。成本更低，投产快，适合中小批量产品的生产。混合集成电路工艺混合集成电路工艺混合集成电路工艺混合集成电路工艺v v 厚膜混合集成电路厚膜混合集成电路 40年代中期出现；年代中期出现；膜厚一般在几微米至几十微米；膜厚一般在几微米至几十微米；一般采用丝网印刷工艺，是一种非真空成膜技术；一般采用丝网印刷工艺，是一种非真空成膜技术；特点是设计更为灵活、工艺简便、成本低廉，特别适特点是设计更为灵活、工艺简便、成本低廉，特别适宜于多品种小批量生产；宜于多品种小批量生产；常用在高压、大电流、大功率耐高温混合集成电路以常用在高压、大电流、大功率耐高温混
26、合集成电路以及较低频段的微波集成电路方面。及较低频段的微波集成电路方面。v v 薄膜混合集成电路薄膜混合集成电路50年代末期发展起来；年代末期发展起来；薄膜的膜厚大多小于薄膜的膜厚大多小于1微米；微米；薄膜电路采用的是真空蒸发、磁控溅射等工艺方法，是薄膜电路采用的是真空蒸发、磁控溅射等工艺方法，是一种真空成膜技术；一种真空成膜技术；常用在高精度、高稳定性低噪声电路以及微波集成电路，常用在高精度、高稳定性低噪声电路以及微波集成电路，抗辐射电路方面。抗辐射电路方面。课堂作业课堂作业课堂习题课堂习题v集成集成电路芯片的基本工路芯片的基本工艺有哪些？主要作用是什有哪些？主要作用是什么？么？v氧化氧化层的主要作用是什么？氧化工的主要作用是什么？氧化工艺所可能出所可能出现的缺陷是什么？的缺陷是什么？
