第1章集成電路的基本制造工藝(1)

1、2022-7-222022-7-23內(nèi)容概述內(nèi)容概述集集成成電電路路雙極型集成電路雙極型集成電路MOS集成電路集成電路按器件類型分按器件類型分按集成度分按集成度分SSI（100以下以下個等效門）個等效門）MSI（10103 3個等效門）個等效門）LSI （10104 4個以上等效門）個以上等效門）TTL、ECLI2L等等PMOSNMOSCMOS按信號類型分按信號類型分模擬集成電路模擬集成電路數(shù)字集成電路數(shù)字集成電路BiCMOS集成電路集成電路數(shù)?；旌霞呻娐窋?shù)?；旌霞呻娐?022-7-242022-7-25第一章第一章集成電路制造工藝集成電路制造工藝2022-7-26 集成電路基本制造工藝集

2、成電路基本制造工藝 雙極集成電路的基本制造工藝雙極集成電路的基本制造工藝雙極集成電路中的元件結(jié)構(gòu)雙極集成電路中的元件結(jié)構(gòu)雙極集成電路的基本工藝雙極集成電路的基本工藝 MOS集成電路的基本制造工藝集成電路的基本制造工藝MOS集成電路中的元件結(jié)構(gòu)集成電路中的元件結(jié)構(gòu)MOS集成電路的基本工藝集成電路的基本工藝 BiCMOS工藝工藝2022-7-272022-7-282022-7-291、半導(dǎo)體制造技術(shù)半導(dǎo)體制造技術(shù) 【美美】Michael QuirkJulian Serda著，韓鄭生著，韓鄭生 等譯，海潮和、徐秋霞等譯，海潮和、徐秋霞 等等審校，電子工業(yè)出版社審校，電子工業(yè)出版社2、芯片制造芯片制造

3、半導(dǎo)體工藝制程實用教程半導(dǎo)體工藝制程實用教程【美美】Peter Van Zant著，韓鄭生，趙樹武譯，電子工業(yè)著，韓鄭生，趙樹武譯，電子工業(yè)出版社出版社3、半導(dǎo)體工藝半導(dǎo)體工藝 【美】K.A.杰克遜主編，屠海杰克遜主編，屠海令等譯校，科學(xué)出版社令等譯校，科學(xué)出版社4、薄膜技術(shù)與薄膜材料薄膜技術(shù)與薄膜材料 田民波編著，清華大田民波編著，清華大學(xué)出版社學(xué)出版社2022-7-210芯片剖面圖芯片剖面圖IC測試廠測試廠硅原料硅原料拉拉 晶晶切切 割割研研 磨磨清清 洗洗晶圓材料晶圓材料廠廠電路設(shè)計電路設(shè)計CADTape out電路設(shè)計電路設(shè)計公司公司Reticle 制作制作mask制制作廠作廠硅片投入

4、硅片投入刻刻 號號清清 洗洗氧氧 化化化學(xué)氣相化學(xué)氣相沉積沉積金屬濺鍍金屬濺鍍護層沉積護層沉積蝕刻蝕刻離子離子注注入入/擴散擴散光阻去除光阻去除WAT測試測試微影微影(光阻光阻) (曝光曝光) (顯影顯影)mask投入投入集成電路集成電路制造廠制造廠硅片針測硅片針測IC測試測試Burn inIC封裝廠封裝廠封封 裝裝打打 線線切切 割割客客 戶戶IC制造流程制造流程芯片設(shè)計芯片設(shè)計晶圓制造晶圓制造芯片封裝芯片封裝芯片測試芯片測試芯片制造芯片制造光罩制造光罩制造上游：上游：設(shè)計設(shè)計中游：中游：制造制造下游：下游：封測封測IC設(shè)計設(shè)計IC設(shè)計設(shè)計- EDA & IP（占（占IC產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值

5、30%）EDAIP EDA技術(shù)是在電子技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)，以計算機為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技軟件系統(tǒng)，以計算機為工作平臺，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計。進行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計。 利用利用EDA工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議工具，電子設(shè)計師可以從概念、算法、協(xié)議等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，并將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性等開始設(shè)計電子系統(tǒng)，并將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出能分析到設(shè)計出IC版圖或版圖或PCB版圖的整個過程的計算版

6、圖的整個過程的計算機上自動處理完成。機上自動處理完成。IP是一種知識產(chǎn)權(quán)（是一種知識產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property），各個行業(yè)），各個行業(yè)都有自己的知識產(chǎn)權(quán)，都有自己的知識產(chǎn)權(quán)， 半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)域半導(dǎo)體行業(yè)領(lǐng)域IP我們理解為：硅知識產(chǎn)權(quán)（我們理解為：硅知識產(chǎn)權(quán)（Silicon Intellectual Property）也叫）也叫 “SIP” 或者或者 “硅智財硅智財”。IP是一種事先定義、設(shè)計、經(jīng)驗證、可重復(fù)使用的功是一種事先定義、設(shè)計、經(jīng)驗證、可重復(fù)使用的功能模塊。能模塊。 全球全球3萬人從業(yè)人萬人從業(yè)人員，締造員，締造50億美元億美元年產(chǎn)值年產(chǎn)值-知識密集知識密集型行業(yè)，

7、處于技術(shù)型行業(yè)，處于技術(shù)前沿前沿年產(chǎn)值年產(chǎn)值8億美元，億美元，成長率超成長率超40% -知識密集型行業(yè)知識密集型行業(yè)IC制造制造制造制造- 光罩光罩 & 晶圓晶圓 （占（占IC產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值50%）MASKFoundry 光罩（英文：光罩（英文：Reticle, Mask）：在制作）：在制作IC的過程中，的過程中，利用光蝕刻技術(shù)，在半導(dǎo)體上形成圖型，為將圖型復(fù)利用光蝕刻技術(shù)，在半導(dǎo)體上形成圖型，為將圖型復(fù)制于晶圓上，必須透過光罩做用的原理制于晶圓上，必須透過光罩做用的原理1。比如沖洗。比如沖洗照片時，利用底片將影像復(fù)制至相片上。照片時，利用底片將影像復(fù)制至相片上。 製作一套光罩的費用在數(shù)

8、萬美元至數(shù)百萬美元均有。製作一套光罩的費用在數(shù)萬美元至數(shù)百萬美元均有。目前一款晶片至少需用到八層光罩，目前一款晶片至少需用到八層光罩，較為復(fù)雜的產(chǎn)品較為復(fù)雜的產(chǎn)品需用到二、三十層光罩。光罩?jǐn)?shù)愈多，生產(chǎn)過程也愈需用到二、三十層光罩。光罩?jǐn)?shù)愈多，生產(chǎn)過程也愈久。久。 晶圓代工是指向?qū)I(yè)的集成電路設(shè)計公司提供專門晶圓代工是指向?qū)I(yè)的集成電路設(shè)計公司提供專門的制造服務(wù)。這種經(jīng)營模式使得設(shè)計公司不需要自的制造服務(wù)。這種經(jīng)營模式使得設(shè)計公司不需要自己承擔(dān)造價昂貴的廠房，就能生產(chǎn)。這就意味著，己承擔(dān)造價昂貴的廠房，就能生產(chǎn)。這就意味著，晶圓代工商將龐大的建廠風(fēng)險分?jǐn)偟綇V大的客戶群晶圓代工商將龐大的建廠風(fēng)險分

9、攤到廣大的客戶群以及多樣化的產(chǎn)品上，從而集中開發(fā)更先進的制造以及多樣化的產(chǎn)品上，從而集中開發(fā)更先進的制造流程。流程。 資金密集型資金密集型資金密集型資金密集型知識密集型知識密集型IC封測封測成品成品- 封裝封裝 & 測試測試 （占（占IC產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值20%）TESTAssembly 晶圓測試晶圓測試 晶圓測試為晶圓測試為IC后端的關(guān)鍵步驟，標(biāo)有記號的不合格晶后端的關(guān)鍵步驟，標(biāo)有記號的不合格晶粒會被洮汰，以免徒增制造成本。具承先起后的作用。粒會被洮汰，以免徒增制造成本。具承先起后的作用。 IC成品測試成品測試 封裝成型后的測試，目的是封裝成型后的測試，目的是確認(rèn)確認(rèn)I C成品的功能、速度

10、、成品的功能、速度、容忍度、電力消耗、熱力發(fā)散等屬性是否正常，以確容忍度、電力消耗、熱力發(fā)散等屬性是否正常，以確保保IC 出貨前的品質(zhì)。出貨前的品質(zhì)。 IC 封裝是將前段制程加工完成之晶圓經(jīng)切割、黏晶、封裝是將前段制程加工完成之晶圓經(jīng)切割、黏晶、焊線等過后被覆包裝材料，以保護焊線等過后被覆包裝材料，以保護IC 組件及易于裝組件及易于裝配應(yīng)用，配應(yīng)用，IC 封裝主要有四大功能：封裝主要有四大功能：1、電力傳送、電力傳送2、訊號傳送：、訊號傳送：3、熱、熱量量去除去除4、靜電靜電保護保護測試并不須投入原測試并不須投入原料，無原料成本，料，無原料成本，但因設(shè)備投資金額但因設(shè)備投資金額大大，固定成本高

11、。固定成本高。封裝業(yè)因設(shè)備投資封裝業(yè)因設(shè)備投資金額不大，原料金額不大，原料成本是制造成本的成本是制造成本的大宗，約占大宗，約占4 - 6成成左右左右。2022-7-216芯片制造流程凈化廠房凈化廠房芯片制造凈化區(qū)域走廊芯片制造凈化區(qū)域走廊2022-7-219芯片制造凈化區(qū)域走廊芯片制造凈化區(qū)域走廊Here in the Fab Two Photolithography area we see one of our 200mm 0.35 micron I-Line Steppers. this stepper can image and align both 6 & 8 inch wafers.

12、 投投影影式式光光刻刻機機Here we see a technician loading 300mm wafers into the SemiTool. The wafers are in a 13 wafer Teflon cassette co-designed by Process Specialties and SemiTool in 1995. Again these are the worlds first 300mm wet process cassettes (that can be spin rinse dried). 硅硅片片清清洗洗裝裝置置As we look in t

13、his window we see the Worlds First true 300mm production furnace. Our development and design of this tool began in 1992, it was installed in December of 1995 and became fully operational in January of 1996. 12英英寸寸氧氧化化擴擴散散爐爐Here we can see the loading of 300mm wafers onto the Paddle. 12英英寸寸氧氧化化擴擴散散爐爐

14、裝裝片片工工序序Process Specialties has developed the worlds first production 300mm Nitride system! We began processing 300mm LPCVD Silicon Nitride in May of 1997. 12英寸氧英寸氧化擴散爐化擴散爐取片工序取片工序（已生長（已生長Si3N4）2,500 additional square feet of State of the Art Class One Cleanroom is currently processing wafers! With

15、increased 300mm & 200mm processing capabilities including more PVD Metalization, 300mm Wet processing / Cleaning capabilities and full wafer 300mm 0.35um Photolithography, all in a Class One enviroment.PVD化學(xué)汽化學(xué)汽相沉積相沉積CVD Accuracy in metrology is never an issue at Process Specialties. We use the most

16、 advanced robotic laser ellipsometers and other calibrated tools for precision thin film, resistivity, CD and step height measurement. Including our new Nanometrics 8300 full wafer 300mm thin film measurement and mapping tool. We also use outside laboratories and our excellent working relationships

17、with our Metrology tool customers, for additional correlation and calibration. 檢檢測測工工序序Above you are looking at a couple of views of the facilities on the west side of Fab One. Here you can see one of our 18.5 Meg/Ohm DI water systems and one of four 10,000 CFM air systems feeding this fab (left pic

18、ture), as well as one of our waste air scrubber units (right picture). Both are inside the building for easier maintenance, longer life and better control. 去去離離子子水水生生產(chǎn)產(chǎn)裝裝置置 通常采用反滲透和離子交換系統(tǒng)去除水中的離通常采用反滲透和離子交換系統(tǒng)去除水中的離子。去除離子后的水通常稱為去離子水。去離子。去除離子后的水通常稱為去離子水。去離子水在子水在25時的電阻是時的電阻是18 000 00018 000 000cmcm，也，也就

19、是一般稱為就是一般稱為1818M M。下面的表格顯示了當(dāng)水中。下面的表格顯示了當(dāng)水中含有大量不同的溶解物質(zhì)時的電阻值。含有大量不同的溶解物質(zhì)時的電阻值。 在在VLSI制造中，制造中， 工藝水的目標(biāo)是工藝水的目標(biāo)是 1818M M。 水中的細(xì)菌是通水中的細(xì)菌是通 過紫外線去除。過紫外線去除。電阻(Ohmscm溶解固體的容量ppm)(18 000 000 15 000 000 10 000 000 1 000 000 100 000 10 0000.0277 0.0333 0.0500 0.500 5.00 50.0025C)離子注入離子注入檢查晶圓檢查晶圓 2022-7-233Laser Mar

20、ker 空氣空氣 普通空氣中含有許多污染物，主要是可在普通空氣中含有許多污染物，主要是可在空氣中傳播的顆粒（一般是微粒或浮塵），顆?？諝庵袀鞑サ念w粒（一般是微粒或浮塵），顆粒的相對尺寸如下圖所示（單位是：微米）的相對尺寸如下圖所示（單位是：微米）。浮質(zhì)金屬塵埃水泥塵埃煙塵殺蟲劑微粒人類毛發(fā)的直徑10 000500010005001005010510.50.10.050.010.0050.001潔凈等級潔凈等級了解了解 這些微小顆粒的主要問題是在空氣中長時間這些微小顆粒的主要問題是在空氣中長時間漂浮。而潔凈工作室的潔凈度就是由空氣中的微漂浮。而潔凈工作室的潔凈度就是由空氣中的微粒大小和微粒含量決

21、定的。粒大小和微粒含量決定的。 美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)209E規(guī)定空氣質(zhì)量由區(qū)域空規(guī)定空氣質(zhì)量由區(qū)域空氣級別數(shù)來決定的。標(biāo)準(zhǔn)按兩種方法設(shè)定，一是氣級別數(shù)來決定的。標(biāo)準(zhǔn)按兩種方法設(shè)定，一是顆粒的大小，二是顆粒的密度。顆粒的大小，二是顆粒的密度。 而級別數(shù)是指在一立方英尺中含有直徑為而級別數(shù)是指在一立方英尺中含有直徑為0.5微米或更大的顆粒總數(shù)。微米或更大的顆?？倲?shù)。 一般城市空氣中通常包含煙、霧、氣，每立一般城市空氣中通常包含煙、霧、氣，每立方英尺多達(dá)方英尺多達(dá)500萬個顆粒，所以是萬個顆粒，所以是500萬級。萬級。 左圖顯示了美國左圖顯示了美國標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)209E規(guī)定的規(guī)定的顆粒直徑與顆粒顆粒直

22、徑與顆粒密度的關(guān)系。密度的關(guān)系。2022-7-237 不同環(huán)境下潔凈級別數(shù)與對應(yīng)的顆粒大小不同環(huán)境下潔凈級別數(shù)與對應(yīng)的顆粒大小環(huán)境級別數(shù)最大顆粒尺寸限度（微米）256 MB存加工車間內(nèi) 微環(huán)境 超大規(guī)模集成電路加工車間 特大規(guī)模集成電路加工車間 空氣層流立式 工作臺裝配區(qū) 庫房 室外 0.01 0.1 1 10 100 100010 000 100 000 500 0000.1 xjc+xmc +TBL-up+tepi-ox后道工序生成氧化后道工序生成氧化層消耗的外延厚度層消耗的外延厚度基區(qū)擴散結(jié)深基區(qū)擴散結(jié)深TBL-uptepi-oxxmcxjc集電結(jié)耗盡區(qū)寬度集電結(jié)耗盡區(qū)寬度隱埋層上推距離

23、隱埋層上推距離TTL電路：電路：37m模擬電路：模擬電路：717m2022-7-297典型典型PN結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程P-SiTepiCBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BLTepi2022-7-298典型典型PN結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程CBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BL2022-7-299典型典型PN結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程CBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BL2022-7-2100典型典型PN結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程CBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BL2022-7-2101典型典型PN結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程2022-7-2102典型典型PN結(jié)隔離雙極集成電路中元件的形成過程結(jié)隔離雙極集成電路