IC基礎(chǔ)知識(shí)及制造工藝流程

1、2022-6-24新員工入職培訓(xùn)新員工入職培訓(xùn)IC基礎(chǔ)知識(shí)制造工藝流程&2022-6-241IC基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)2022-6-242集成電路產(chǎn)業(yè)鏈制版硅片硅片工藝設(shè)計(jì)封裝測(cè)試純水凈化設(shè)備化學(xué)品2022-6-243硅片和芯片2022-6-244目錄目錄-最重要的半導(dǎo)體材料硅-構(gòu)建集成電路的主要半導(dǎo)體器件-關(guān)鍵的集成電路工藝制造技術(shù)-集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)2022-6-245目錄目錄-最重要的半導(dǎo)體材料硅-構(gòu)建集成電路的主要半導(dǎo)體器件-關(guān)鍵的集成電路工藝制造技術(shù)-集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)2022-6-246絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體電阻率=108-1018-cm 石英、玻璃、 塑料半導(dǎo)體電阻率=10

2、-3-108-cm鍺、硅 、砷化鎵 、磷化銦 導(dǎo)體電阻率=10-3-10-8-cm金、銀 、銅 、鋁 2022-6-247周期表中硅及相關(guān)元素周期IIIIIIVVVI2B 硼C 碳N 氮3Al鋁 Si硅 P 磷4Ga 鎵 Ge 鍺 As砷5In 銦Sn 錫 Sb銻6Pb 鉛2022-6-248硅的摻雜和電阻率-型和型硅型摻雜元素硼、鋁型摻雜元素磷、砷、銻-摻雜濃度和電阻率1x1015硼 0.00001% 10-cm （襯底）1x1016磷 0.0001% 0.5-cm（外延）1x1018硼 0.01% 0.05-cm （基區(qū)）1x1020磷 1% 0.0008-cm（發(fā)射區(qū)）2022-6-24

3、9硅片主要技術(shù)指標(biāo)-晶向(111)/(100)-摻雜類(lèi)型摻雜劑 P/N-電阻率-直徑厚度-平整度/彎曲度翹曲度-含氧量含碳量-缺陷（位錯(cuò)密度層錯(cuò)密度）-表面顆粒2022-6-2410目錄目錄-最重要的半導(dǎo)體材料硅-構(gòu)建集成電路的主要半導(dǎo)體器件-關(guān)鍵的集成電路工藝制造技術(shù)-集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)2022-6-2411構(gòu)建集成電路的主要半導(dǎo)體器件- PN結(jié)二極管(Diode)-（雙極）晶體管（Bipolar transistor)- MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管） ppnnpMOS2022-6-2412雙極型集成電路(NPN )2022-6-2413雙極型集成電路(PNP)2022-6

4、-2414目錄目錄-最重要的半導(dǎo)體材料硅-構(gòu)建集成電路的主要半導(dǎo)體器件-關(guān)鍵的集成電路工藝制造技術(shù)-集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)2022-6-2415集成電路基礎(chǔ)工藝技術(shù)- 圖形轉(zhuǎn)移工藝 光刻 刻蝕(Etching)- 摻雜工藝熱擴(kuò)散和熱氧化離子注入(Ion implantation)- 外延(Epitaxy)- 薄膜工藝 化學(xué)氣相淀積(CVD) 濺射(Sputtering)2022-6-2416IC基礎(chǔ)工藝技術(shù)圖形轉(zhuǎn)移氧化硅光刻膠硅襯底掩膜2022-6-2417IC基礎(chǔ)工藝(1)光刻- 光刻機(jī)分辨率 L=k/N 光源UV(g: 436nm i: 365nm) DUV 248nm對(duì)準(zhǔn)精度曝光方式 接觸

5、投影1:1/5:1- 光刻膠正膠負(fù)膠抗蝕性感光速度分辨率2022-6-2418光刻機(jī)2022-6-2419IC基礎(chǔ)工藝(2)刻蝕 濕法腐蝕SiO2+6HF H2+SiF6+2H2ONH4F NH3+HF有側(cè)向腐蝕問(wèn)題，難以得到細(xì)線條光刻膠光刻膠2022-6-2420IC基礎(chǔ)工藝(2)刻蝕 干法刻蝕等離子體 F*擴(kuò)散吸附反應(yīng) 解吸附2022-6-2421RIE刻蝕裝置(Parallel Plate)RFGasPumpingSystem2022-6-2422RIE刻蝕機(jī) (AME8330)2022-6-2423IC基礎(chǔ)工藝(2)刻蝕被刻膜刻蝕劑SiO2CHF3,C3F8SiCH4/O2, SF6A

6、lSiCL4/Cl2, BCl3/Cl2Si3N4CHF3/O2PhotoresistO22022-6-2424IC基礎(chǔ)工藝(3)擴(kuò)散- 擴(kuò)散方程dC/dt=Dd2C/dx2恒定表面源C(x,t)=Cserfx/2(Dt)1/2恒定雜質(zhì)總量C(x,t)=S/(Dt)1/2exp(-x2/4Dt)- 擴(kuò)散系數(shù)依賴(lài)于溫度和濃度- 氧化硅對(duì)雜質(zhì)的掩蔽能力2022-6-2425IC基礎(chǔ)工藝(3)擴(kuò)散1.E+151.E+161.E+171.E+181.E+191.E+2000.20.40.60.81深度 ( um)雜質(zhì)濃度 ( a t m/cm3)t1t22022-6-2426IC基礎(chǔ)工藝(3)擴(kuò)散20

7、22-6-2427擴(kuò)散（氧化）爐2022-6-2428IC基礎(chǔ)工藝(4)- 熱氧化- 硅在氧氣或水汽中的熱氧化反應(yīng) Si+O2-SiO2 （干氧氧化，適合薄氧化層） Si+2H2O-SiO2+2H2（濕氧氧化，厚氧化層）- 氧化生長(zhǎng)速率 線性率x=B/A(t+)O2 拋物線率x2=B(t+ )- 氧化層質(zhì)量要求厚度均勻，致密，清潔（無(wú)鈉離子沾污）SiO2Si2022-6-2429IC基礎(chǔ)工藝(5)離子注入- 離子注入原理雜質(zhì)分布投影射程和標(biāo)準(zhǔn)偏差- 離子注入摻雜的優(yōu)點(diǎn)摻雜量可精確控制溫度低易得淺結(jié)可帶膠注入2022-6-2430IC基礎(chǔ)工藝(5)離子注入1.E+171.E+181.E+191.

8、E+201.E+2100.20.40.60.8深度 (um)濃度 (atm/cm3)2022-6-2431IC基礎(chǔ)工藝(5)離子注入2022-6-2432IC基礎(chǔ)工藝(6)外延SiSiSiSiCl4H2HCl2022-6-2433外延爐2022-6-2434IC基礎(chǔ)工藝(7)化學(xué)氣相淀積（CVD）- 原理 SiH4+O2 SiO2+2H2 Si(OC2H5)4 SiO2+副產(chǎn)物 SiH4 Si+2H2- LPCVD和PECVD- PSG和 BPSG- 用途導(dǎo)電層間絕緣層，鈍化層2022-6-2435CVD系統(tǒng)CVD系統(tǒng)組成：氣體源和輸氣系統(tǒng)質(zhì)量流控制反應(yīng)器加熱系統(tǒng)2022-6-24362022

9、-6-2437IC基礎(chǔ)工藝(8)濺射（金屬）基座硅片靶轟擊離子Ar+濺射原子2022-6-2438IC基礎(chǔ)工藝(8)濺射（金屬）- 常用金屬化材料- 鋁硅系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)低電阻率低接觸電阻純AlAlSi（防鋁尖刺）AlSiCu（抗電遷移）- 合金化- 多層布線2022-6-24392022-6-2440目錄目錄-最重要的半導(dǎo)體材料硅-構(gòu)建集成電路的主要半導(dǎo)體器件-關(guān)鍵的集成電路工藝制造技術(shù)-集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)2022-6-2441集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)- 特征線寬不斷變細(xì)、集成度不斷提高- 芯片和硅片面積不斷增大- 數(shù)字電路速度不斷提高- 結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能多元化2022-6-2442IC技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)(

10、1)特征線寬隨年代縮小2022-6-2443IC技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)(2)硅片大直徑化直徑 mm(inch)75(3)100(4)125(5)150(6)200(8)300(12)引入年代1972197519771984199019972022-6-2444IC技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)(3)CPU運(yùn)算能力年代CPU型號(hào)運(yùn)算能力(MIPS)19822861198838681991486201995Pentium1001996Pentium-22501998Pentium-38002001Pentium-420002022-6-2445IC技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)(4)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMO

11、SBCD2022-6-2446IC制造工藝流程制造工藝流程2022-6-2447雙極型集成電路工藝流程(1)埋層- 埋層光刻埋層注入 Sb+P (111) Sub10-20-cm2022-6-2448雙極型集成電路工藝流程(1)埋層- 埋層擴(kuò)散 P 襯底N+埋層2022-6-24492022-6-2450雙極型集成電路工藝流程(2) 外延 P SubN-EpiN+ 埋層2022-6-2451雙極型集成電路工藝流程(3) 隔離隔離光刻隔離注入P SubN- EpiN+2022-6-2452雙極型集成電路工藝流程(3) 隔離- 隔離擴(kuò)散N-EpiN+P+P+2022-6-2453雙極型集成電路工藝

12、流程(3) 隔離2022-6-2454雙極型集成電路工藝流程(4)基區(qū)- 基區(qū)光刻硼離子注入基區(qū)擴(kuò)散N埋層P+P+基區(qū)2022-6-2455雙極型集成電路工藝流程(5)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)光刻磷離子注入發(fā)射區(qū)擴(kuò)散N+P+P+ pN+N+2022-6-2456雙極型集成電路工藝流程(6)接觸孔- 接觸孔光刻接觸孔腐蝕N+P+P+ pN+N+2022-6-2457雙極型集成電路工藝流程(7)金屬連線- 濺射金屬（Al或AlSiCu)光刻腐蝕N+P+P+ pN+N+2022-6-24582022-6-2459集成電路制造環(huán)境- 超凈廠房 無(wú)塵、恒溫、恒濕- 超凈水- 超凈氣體 常用氣體(N2、O2、H2)純

13、度99.9999% 顆?？刂茋?yán)0.5/L- 超凈化學(xué)藥品 純度、顆?？刂?022-6-2460IC 制造環(huán)境(1)凈化級(jí)別和顆粒數(shù)凈化級(jí)別顆粒數(shù)立方英尺0.12um0.2um0.3um0.5um0.289.912.140.870.281357.53110350753010100 -7503001001000 - - -10002022-6-2461凈 化 室2022-6-2462IC制造環(huán)境(2) 超純水- 極高的電阻率（導(dǎo)電離子很少）18M- 無(wú)機(jī)顆粒數(shù)5ppb (SiO2)- 總有機(jī)碳（TOC) 20ppb- 細(xì)菌數(shù) 0.1/ml2022-6-2463IC制造環(huán)境(3)超純化學(xué)藥品DRAM64k256K4M64M1G線寬(um) 3.02.01.00.50.25試劑純度 10ppm5ppm100pp