微細加工與MEMS技術(shù)引論

微細加工與MEMS技術(shù)引論第1頁/共58頁教材：《微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)》，StephenA.Campbell，電子工業(yè)出版社主要參考書：《微細加工技術(shù)》，蔣欣榮，電子工業(yè)出版社

VLSITechnology,S.M.Sze《半導(dǎo)體制造技術(shù)》，MichaelQuirk,JulianSerda，電子工業(yè)出版社第2頁/共58頁微細加工技術(shù)的涉及面極廣，具有

“大科學(xué)”

的性質(zhì)，其發(fā)展將依賴于基礎(chǔ)材料、器件物理、工藝原理、精密光學(xué)、電子光學(xué)、離子光學(xué)、化學(xué)、計算機技術(shù)、超凈和超純技術(shù)、真空技術(shù)、自動控制、精密機械、冶金化工等方面的成果。微細加工技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于微電子器件、集成電路以及微機電系統(tǒng)（MEMS）的制造。加工尺度：亞毫米~納米量級。加工單位：微米~原子或分子線度量級（10–10m）。

1.1主要內(nèi)容第1章引論第3頁/共58頁第一臺通用電子計算機：ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania19,000個真空管組成大?。洪L24m，寬6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：50噸；功率：140KW；平均無故障運行時間：7min1.2微細加工技術(shù)在集成電路發(fā)展中的作用

一、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程第4頁/共58頁1947年12月23日第一個晶體管，NPNGe晶體管。W.Schokley，J.Bardeen，W.Brattain晶體管的剖面圖獲得1956年Nobel物理獎晶體管的剖面圖特點：體積小，無真空，可靠，重量輕等。第5頁/共58頁肖克萊(WilliamShockley)巴丁(JohnBardeen)布拉頓(WalterBrattain)第6頁/共58頁1958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件（兩個晶體管、兩個電容和八個電阻），Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎Ti公司JackKilby（杰克.基爾比）第7頁/共58頁RobertNoyce(羅伯特.諾依斯)1959年美國仙童/飛兆公司（FairchildSemiconductor

）的R.Noicy（羅伯特.諾依斯）開發(fā)出用于IC的Si平面工藝技術(shù)，從而推動了IC制造業(yè)的大發(fā)展。1960年仙童公司制造的IC第8頁/共58頁半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上的幾個里程碑1962年Wanlass和C.T.Sah——CMOS技術(shù)

現(xiàn)在集成電路產(chǎn)業(yè)中占95%以上。1967年Kahng和S.Sze——非揮發(fā)存儲器1968年Dennard（登納德）——單晶體管DRAM1971年Intel公司微處理器——計算機的心臟第一個微處理器4004。4004規(guī)格為1/8英寸x1/16英寸，僅包含2000多個晶體管，采用英特爾10微米PMOS技術(shù)生產(chǎn)。第9頁/共58頁

集成電路發(fā)展簡史

58年，鍺IC59年，硅IC61年，SSI（10~100個元件/芯片），RTL62年，MOS

IC，TTL，ECL63年，CMOS

IC64年，線性IC第10頁/共58頁

65年，MSI（100~3000個元件/芯片）

69年，CCD70年，LSI（3000~10萬個元件/芯片），1KDRAM71年，8位MPU

IC，400472年，4KDRAM，I2LIC77年，VLSI（10萬~300萬個元件/芯片），64KDRAM，

16位MPU80年，256KDRAM，2

m84年，1MDRAM，1

m85年，32位MPU，M68020第11頁/共58頁

86年，ULSI（300萬~10億個元件/芯片），

4

MDRAM(8×106,91

mm2,0.8

m,150

mm)，于89

年開始商業(yè)化生產(chǎn)，95

年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：g線（436

nm）步進光刻機、1

:

10投影曝光、負性膠正性膠、各向異性干法腐蝕、LOCOS元件隔離技術(shù)、LDD結(jié)構(gòu)、淺結(jié)注入、薄柵絕緣層、多晶硅或難熔金屬硅化物、多層薄膜工藝等。第12頁/共58頁

88年，16

MDRAM（3×107,135

mm2,0.5

m,200

mm），于92

年開始商業(yè)化生產(chǎn)，97

年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：i線（365

nm）步進光刻機、選擇

CVD

工藝、多晶硅化物、難熔金屬硅化物多層布線、接觸埋入、化學(xué)機械拋光（CMP）工藝等。第13頁/共58頁

91年，64

MDRAM（1.4×108,198

mm2,0.35

m,200

mm），于94

年開始商業(yè)化生產(chǎn)，99

年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：i線步進光刻機、相移掩模技術(shù)、低溫平面化工藝、全干法低損傷刻蝕、加大存儲電容工藝、增強型隔離、RTP/RTA工藝、高性能淺結(jié)、CMP

工藝、生產(chǎn)現(xiàn)場粒子監(jiān)控工藝等。第14頁/共58頁

92年，256

MDRAM（5.6×108,400

mm2,0.25

m,200

mm），于98

年開始商業(yè)化生產(chǎn)，2002

年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：準分子激光（248

nm）步進光刻機、相移掩模技術(shù)、無機真空兼容全干法光刻膠、

<0.1

m淺結(jié)、低溫工藝和全平坦化工藝、CVDAl、

Cu金屬工藝、生產(chǎn)全面自動化等。第15頁/共58頁

95年，GSI（>10億個元件/芯片），

1

GDRAM（2.2×109,700

mm2,0.18

m,200

mm），

2000

年開始商業(yè)化生產(chǎn)，2004

年達到生產(chǎn)頂峰。主要工藝技術(shù)：X射線光刻機、超淺結(jié)（0.05

m

）、高介電常數(shù)鐵電介質(zhì)工藝、SiC異質(zhì)結(jié)工藝、現(xiàn)場真空連接工藝、實時控制工藝的全面自動化等。

97年，4

GDRAM（8.8×109,986

mm2,0.13

m,300

mm），

2003

年進入商業(yè)化生產(chǎn)。

02年，2

G、0.13

m，（商業(yè)化生產(chǎn)）

04年，4

G、0.09

m，（商業(yè)化生產(chǎn)）

06年，8

G、0.056

m，（商業(yè)化生產(chǎn)）第16頁/共58頁Intel,PentiumIII45nmCPU,AMD第17頁/共58頁

二、集成電路的發(fā)展規(guī)律集成電路工業(yè)發(fā)展的一個重要規(guī)律即所謂

摩爾定律。

Intel

公司的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾先生在

1965

年

4月19日發(fā)表于《電子學(xué)雜志》上的文章中提出，集成電路的能力將每年翻一番。1975

年，他對此提法做了修正，稱集成電路的能力將每兩年翻一番。摩爾定律最近的表述：在價格不變的情況下，集成電路芯片上的晶體管數(shù)量每

18

個月翻一番，即每

3

年乘以

4。

第18頁/共58頁關(guān)鍵尺寸(CD)的發(fā)展第19頁/共58頁1971年，Intel的第一個微處理器4004：10微米工藝，僅包含2300多只晶體管；2010年，Intel的最新微處理器Corei7：32納米工藝，包含近20億只晶體管。晶體管集成數(shù)量的發(fā)展第20頁/共58頁據(jù)報道，英特爾將于2011年底推出采用22nm工藝的MPU，包含近290億只晶體管；英特爾預(yù)計建設(shè)、裝備22nm工藝工廠的資本支出將增加到90億美元；英特爾將聯(lián)合三星、東芝等廠商進行10nm制造工藝研發(fā)，在2016年之前三大巨頭將會升級到10nm級別制造工藝。晶體管集成數(shù)量的發(fā)展22nm測試芯片-intel第21頁/共58頁

集成電路工業(yè)發(fā)展的另一些規(guī)律：

建立一個芯片廠的造價也是每

3

年乘以

4；線條寬度每

6

年下降一半；芯片上每個器件的價格每年下降30%~40%；晶片直徑的變化：

60年：0.5

英寸，65年：1

英寸，

70年：2

英寸，75年：3

英寸，80年：4

英寸，

90年：6

英寸，95年：8

英寸（200

mm），

2000年：12

英寸（300

mm）。第22頁/共58頁2000年1992年1987年1981年1975年1965年50mm100mm125mm150mm200mm300mm450mm2吋4吋5吋6吋 8吋 12吋18吋2008年硅片尺寸（WaferSize）的發(fā)展第23頁/共58頁美國1997~2012

年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃

1997

1999

2001

2003

2006

2009

2012比特/芯片256M1

G4

G

16

G

64

G256

G特征尺寸（μm）0.250.180.150.130.10.070.05晶片直徑（mm）200300300300300450450

三、集成電路的發(fā)展展望目標：集成度、可靠性、速度、功耗、成本努力方向：線寬、晶片直徑、設(shè)計技術(shù)第24頁/共58頁可以看出，專家們認為，在未來一段時期內(nèi)，IC

的發(fā)展仍將遵循摩爾定律，即集成度每

3

年乘以

4，而線寬則是每

6年下降一半。

硅技術(shù)過去一直是，而且在未來的一段時期內(nèi)也還將是微電子技術(shù)的主體。目前硅器件與集成電路占了

2000多億美元的半導(dǎo)體市場的95%

以上。第25頁/共58頁摩爾定律的問題：

特征尺寸的縮小已經(jīng)接近原子量級，量子效應(yīng)越來越明顯。芯片功耗。由于越來越多的器件集成在更小的面積內(nèi)，單位面積的熱量也成倍增加。電流泄漏、熱噪。TheMoore’sLaw－摩爾定律第26頁/共58頁ITRS國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖融合SiP＋3D集成第27頁/共58頁“MoreMoore”－芯片特征尺寸的不斷縮小。從幾何學(xué)角度指的是為了提高密度、性能和可靠性在晶圓水平和垂直方向上的特征尺寸的繼續(xù)縮小與此關(guān)聯(lián)的3D結(jié)構(gòu)改善等非幾何學(xué)工藝技術(shù)和新材料的運用來影響晶圓的電性能。MoreMoore第28頁/共58頁MoreMooreHigh-K材料：高介電常數(shù)，取代SiO2作柵介質(zhì)，降低漏電。High-K材料相對介電常數(shù)為25左右，甚至可以到37。Low-K材料：低介電常數(shù)，減少銅互連導(dǎo)線間的電容，提高信號速度。Low-K材料相對介電常數(shù)在3左右。第29頁/共58頁25nmFINFETMOStransistor第30頁/共58頁第31頁/共58頁ITRS國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖第32頁/共58頁功能多樣化的“MoreThanMoore”指的是用各種方法給最終用戶提供附加價值，不一定要縮小特征尺寸，如從系統(tǒng)組件級向3D集成或精確的封裝級(SiP)或芯片級(SoC)轉(zhuǎn)移。MoreThanMoore第33頁/共58頁功率器件功率系統(tǒng)集成芯片(PowerSoCorSiP)第34頁/共58頁

四、集成電路發(fā)展面臨的問題

1、基本限制如熱力學(xué)限制。由于熱擾動的影響，數(shù)字邏輯系統(tǒng)的開關(guān)能量至少應(yīng)滿足

ES>4kT=1.65×10

-20J。當溝道長度為

0.1

m

時，開關(guān)能量約為

5×10

-18

J。在亞微米范圍，從熱力學(xué)的角度暫時不會遇到麻煩。又如加工尺度限制，顯然原子尺寸是最小可加工單位，現(xiàn)在的最小加工單位通常大于這個數(shù)值。

2、器件與工藝限制

3、材料限制硅材料較低的遷移率將是影響IC

發(fā)展的一個重要障礙。

4、其他限制包括電路限制、測試限制、互連限制、管腳數(shù)量限制、散熱限制、內(nèi)部寄生耦合限制等。第35頁/共58頁

1.3集成電路制造的基本工藝流程

器件設(shè)計芯片制造封裝測試電路設(shè)計材料制備第36頁/共58頁CrystalGrowth

單晶生長2. SingleCrystalIngot單晶硅錠CrystalTrimmingandDiameterGrind單晶去頭和徑向研磨FlatGrinding

定位邊研磨WaferSlicing

硅片切割

6. EdgeRounding

倒角7. Lapping

粘片8. WaferEtching

硅片刻蝕9.Polishing

拋光WaferInspection

硅片檢查SlurryPolishingtablePolishingheadPolysiliconSeedcrystalHeaterCrucible硅片制備第37頁/共58頁88die200-mmwafer232die300-mmwafer第38頁/共58頁SiliconsubstratedrainSiliconsubstrateTopprotectivelayerMetallayerInsulationlayersRecessedconductivelayerConductivelayer第39頁/共58頁

橫向加工：圖形的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移（又稱為光刻，包括曝光、顯影、刻蝕等）

縱向加工：摻雜（擴散、離子注入）、薄膜制備（熱氧化、蒸發(fā)、濺射、CVD等）芯片制造第40頁/共58頁第41頁/共58頁涂光刻膠（正）選擇曝光熱氧化SiO2一、PN

二極管的制造工藝流程N第42頁/共58頁去膠摻雜顯影（第

1

次圖形轉(zhuǎn)移）刻蝕（第

2

次圖形轉(zhuǎn)移）NP第43頁/共58頁鍍鋁膜光刻鋁電極CVD

淀積

SiO2膜光刻接觸孔第44頁/共58頁二、典型的雙極型集成電路工藝流程襯底制備熱氧化隱埋層光刻隱埋層擴散外延淀積熱氧化隔離光刻隔離擴散熱氧化基區(qū)光刻基區(qū)擴散再分布及氧化發(fā)射區(qū)光刻（背面摻金）發(fā)射區(qū)擴散氧化接觸孔光刻鋁淀積反刻鋁鋁合金淀積鈍化層壓焊區(qū)光刻中測第45頁/共58頁

襯底制備、熱氧化、第

1

次光刻、隱埋層擴散

雜質(zhì)選擇原則：雜質(zhì)固溶度大，以使集電極串聯(lián)電阻降低；高溫時在硅中的擴散系數(shù)要小，以減小外延時埋層雜質(zhì)上推到外延層的距離；與硅襯底的晶格匹配好，以減小應(yīng)力。最理想的隱埋層雜質(zhì)為

As。第46頁/共58頁對于模擬電路，典型的外延層電阻率epi

=

0.5~5cm，厚度Tepi=

7~17

m。

外延層淀積、熱氧化對于數(shù)字電路，典型的外延層電阻率epi

=

0.2

.cm，厚度Tepi

=

3~7

m；第47頁/共58頁

第

2

次光刻、

隔離擴散在硅襯底上形成孤立的外延層島，實現(xiàn)各元件間的電絕緣。第48頁/共58頁

熱氧化、第

3

次光刻、基區(qū)擴散形成

NPN

管的基區(qū)及擴散電阻。

第49頁/共58頁

熱氧化、第

4

次光刻、

發(fā)射區(qū)擴散包括集電極接觸孔光刻與

N+

擴散，以減小接觸電阻。

第50頁/共58頁氧化、第

5

次光刻（接觸孔光刻）第51頁/共58頁

鋁淀積、第

6

次光刻、鋁合金第52頁/共58頁第53頁/共58頁

鈍化：可采用等離子增強化學(xué)汽相淀積（PECVD）Si3N4鈍化膜，一般淀積溫度

300℃。

第

7

次光刻（開壓焊孔）

中測

從上述芯片制造工藝過程可以看到，共進行了

7

次光刻，需要

7

塊掩膜版。典型的集成電路制造工