電子元器件制造技術

第二章元器件制造技術可靠性與系統(tǒng)工程學院付桂翠2012年09月27日本章內容提要半導體集成電路芯片制造技術1混合集成電路工藝2半導體集成電路芯片制造技術發(fā)展里程碑1基本工藝2器件工藝3芯片加工中的缺陷和成品率預測

4發(fā)展里程碑1954年，Bell實驗室開發(fā)出氧化、光掩膜、刻蝕和擴散工藝；1958年后期，仙童公司的物理學家JeanHoerni開發(fā)出一種在硅上制造PN結的結構，并在結上覆蓋了一層薄的硅氧化層作絕緣層，在硅二極管上蝕刻小孔用于連接PN結；SpragueElectric的物理學家KurtLehovec開發(fā)出使用PN結隔離元件的技術；1959年，仙童公司的RobertNoyce通過在電路上方蒸鍍薄金屬層連接電路元件來制造集成電路；1960年Bell實驗室開發(fā)出外延沉積/注入技術，即將材料的單晶層沉積/注入到晶體襯底上；發(fā)展里程碑1963，RCA制造出第一片由MOS（MetalOxideSemiconductor，金屬氧化物半導體）工藝制造的集成電路；1963，仙童公司的FrankWanlass提出并發(fā)表了互補型MOS集成電路的概念。CMOS是應用最廣泛的、高密度集成電路的基礎。歷史回顧v摩爾定律1965年，仙童半導體的研發(fā)主管摩爾(GordonMoore)指出：微處理器芯片的電路密度，以及它潛在的計算能力，每隔一年翻番。后來，這一表述又修正為每18個月翻番。這也就是后來聞名于IT界的“摩爾定律”。戈登.摩爾集成電路現(xiàn)狀v芯片特征尺寸v晶片尺寸450mm(18英寸)(預計2012年面世)、300mm(12英寸,2002)、200mm(8英寸,1990)IntelCPU芯片特征尺寸Intel45nm晶片集成電路的基本工藝以圓形的硅片為基礎，在初始硅片上經(jīng)過氧化、摻雜、薄膜淀積、光刻、蝕刻等步驟的單獨使用或組合重復使用，制作出器件，再通過電極制備、多層布線實現(xiàn)各器件間的互連，實現(xiàn)一定的功能，最后再經(jīng)過封裝測試成為成品；前工藝:芯片制造；后工藝:組裝、測試。雙極型晶體管制作工藝(a)一次氧化(b)光刻基區(qū)(c)基區(qū)硼擴散、氧化(d)光刻發(fā)射區(qū)(e)發(fā)射區(qū)磷擴散、氧化(f)光刻引線孔(g)蒸鍍鋁膜(h)刻蝕鋁電極硅片軋制備多晶獄硅生盒產(chǎn)、也單晶烈生長庫、硅忍圓片叢制造原料：石英石粗硅四氯化硅高溫炭還原氯化多晶硅高溫氯還原單晶硅直拉法區(qū)熔法硅片切割磨片硅片脫制備直拉邁法生捎長單撿晶首先獎將預蠶處理州好的縮慧多晶驢硅裝篇入爐刷內石逼英坩沉堝中斯，抽賽真空謙或通劣入惰喊性氣可體；拉晶叨時，籠籽晶森桿以沒一定趙速度忌繞軸彩旋轉西，同田時坩盆堝反禮方向咱旋轉饞，坩本堝由吹高頻紀感應膠或電琴阻加芽熱，瘦其中亞的多遷晶硅碧料全缺部熔你化；將籽損晶下鏈降至能與熔滑融的顏多晶蒜硅接歷觸，戰(zhàn)熔融焦的多枝晶硅晝會沿付籽晶少結晶淺，并匪隨籽濤晶的左逐漸姐上升譽而生津長成移棒狀惑單晶刑。硅片棕制備3、切騙片-清洗1、單俊晶生餅長2、單臣晶切頃割分賄段--滾磨專外圓-定位索面研望磨4、磨廳片-清洗5、拋飯光-清洗6最終盆晶片制膜膜的往類型二氧杏化硅采膜外延飲層金屬顫膜薄膜輸?shù)闹票膫浼級炐g熱氧誦化法物理桿氣相票沉積PV孫D蒸鍍蠢、濺休射化學抱氣相碑淀積CV昆D淀積柔溫度絡低、平薄膜盞成分旗和厚仆度易湖于控護制、鍬均勻按性和劇重復周性好憂、設碧備簡堡單氧化誰層生佩長二氧來化硅碧的特頓性化學候穩(wěn)定每性高心、絕春緣、艇對某茄些雜辭質能延起到講掩蔽某作用(雜質退在其產(chǎn)中的手擴散炒系數(shù)丈非常膚小)；氧化怎層的本作用器件幫的保輔護層調、鈍賭化層粥、電供性能嘉隔離其、絕串緣介剪質層麥和電手容器武的介決質膜闊，實柱現(xiàn)選頁擇性傻的擴腥散；生長溜方法熱氧俊化法等離蝴子氧獲化法熱分拋解沉種積法濺射眠法真空陜蒸鍍犁法氧化紛層生但長熱氧銷化法干氧顧氧化煤：以守干燥罪純凈罩的氧螞氣作討為氧朝化氣誘氛，昌在高來溫下易氧直有接與應硅反醫(yī)應生套成二僅氧化次硅；水汽眠氧化莫：以處高純逼水蒸算汽為愿氧化梯氣氛懲，由掃硅片屯表面垮的硅合原子苗和水息分子炸反應輕生成攀二氧響化硅畝層(厚度林一般估在10在-8駱~1告0-罰6)。水眉汽氧誼化的司氧化籮速率銀比干類氧氧視化的逆高；濕氧瓜氧化地法：鑼實質療上是羞干氧憲氧化祝和水刃汽氧挨化的懸混合礦，氧座化速斷率介德于二厲者之明間。氧化玻層生泄長氧化渣層缺械陷裂紋引起蹦金屬語連線梯與硅較片短遙路，躲或多豬層連險線間螞短路專；針孔產(chǎn)生正原因舉：光殃刻版肢上的編小孔暮或小民島，錢光刻茶膠中宜雜質紙微粒芳，硅棍片上主沾附蜻的灰汪塵，外膠膜模上有撒氣泡毀或氧匯化層搜質量勺較差董等；造成控的后宣果：消使氧倉化層中不連微續(xù)，歪破壞論了二茫氧化蜂硅的比絕緣陶作用烏，針油裂紋避和針菜孔可役使擴興散掩扮埋失寧效，祖形成劃短路購，連雀線或答鋁電慣極下繼的二隙氧化撓硅有努針孔糟會引殿起短而路。厚薄刪不均增勻產(chǎn)生忠原因剖：氧郊化層臭劃傷炕；造成泳后果良：會銅降低眠耐壓怕，使崇擊穿量電壓喘降低偽或喪顆失對沫雜質臣擴散厲的掩隔蔽能慮力，非或者都金屬尸與硅促之間嚴短路列而使毒器件際失效惜；氧化僵層電菊荷外延匙生長在單沫晶襯果底上營制備輝一層運新的煤單晶貌層的海技術;層中呢雜質茄濃度盛可以播極為潑方便屬的通收過控鹿制反揪應氣有流中愧的雜吧質含丘量加沃以調無節(jié)，妄不受泊襯底種中雜壩質種蒸類與偏摻雜漆水平竊的影疏響;作用針：雙極浩型集牧成電圖路：叉為了樣將襯憲底和軍器件背區(qū)域欠隔離(電絕右緣)，在P型襯記底上加外延癢生長N型單羞晶硅比層；MO致S集成榆電路兩：減譜少了幻玉粒子褲軟誤剩差和CM禮OS電路屬中的粘閂鎖訂效應提等；生長粱方法臣：氣泉相外柏延技者術利用敢硅的肚氣態(tài)?；鲜钗?，施如四床氯化恩硅或(S送iC計l4)硅烷(S問iH4)，在叨加熱裁的襯冬底表醒面與集氫氣崖發(fā)生椅反應次或自彈身發(fā)互生熱擦分解棕反應煉，進腿而還鍋原成陵硅，爭并以爐單晶叮形式另淀積預在硅建襯底液表面它。制備翻金屬尋膜實現(xiàn)昏電連茄接；Al及其促合金線：最榜常用牢的金燭屬互億連材朋料；Cu制程封；制備瓦方法貌：蒸經(jīng)發(fā)和焦濺射但。蒸發(fā)沃：真首空系穩(wěn)統(tǒng)中腿，金阻屬原墊子獲蓮得足乒夠的福能量乒后便終可以忘脫離滅金屬像表面恥的束違縛成偉為蒸垃氣原秋子，工在其畢運動洋軌跡災中遇使到晶作片，鴿就會招在晶灑片上肺淀積唯一層查金屬凳薄膜婦；濺射汁：在薪真空倚系統(tǒng)令中充勁入一失定的鏟惰性厲氣體腦，在僻高壓丟電場財?shù)淖鞅扔孟聣?，由雙于氣磁體放晝電形炕成離孩子，秀這些膠離子余在強稈電場默作用暫下被雹加速蜻，然濟后轟毛擊靶澇材料頌，使民其原都子逸屬出并妻被濺董射到值晶片厚上，擇形成秒金屬河膜；濺射贈法形價成的腥薄膜苦比蒸嚴發(fā)淀譜積的價薄膜痰附著律力更勇強，礙且膜來更加麻致密奸、均殘勻。圖形崖轉移-光刻圖形墊轉移冷：將省集成鼻電路栗的單灣元構問件圖愛形轉零移到恰圓片查上的肆工藝飾；光刻+刻蝕止，統(tǒng)妖稱光雁刻；光刻弊膠：光致或抗蝕勸劑正膠負膠圖形術轉移-光刻常規(guī)充的光吹刻工失藝過糕程：涂膠-前烘-曝光-顯影-堅膜-腐蝕(刻蝕)-去膠圖形勺轉移-刻蝕分為止干法腐刻蝕薪和濕丹法刻肢蝕；濕法述刻蝕一種蓮化學咬刻蝕椒方法飲；將材郵料放彎在腐你蝕液走內；5u乖m以上賺，優(yōu)福良的詠選擇歪性，經(jīng)刻蝕闖完當盼前薄撿膜就裝停止慢；低甜成本他、高隊效率爸；5u舟m以下黎，側兄向腐療蝕嚴青重，旗線條遭寬難寒以控訪制；干法字腐蝕等離笑子體蘋轟擊銹被刻頁蝕表蒜面摻雜摻雜搜：在廉半導左體加輔入少條量特貞定雜蠅質，戒形成N型與P型的栽半導冷體區(qū)葉域；摻雜散銻、皂砷和酬磷可我以形唉成N型材魄料；摻雜攔硼則碼可以帝形成P型材北料午；主要粘技術斬手段高溫竟熱擴爬散法尿：利用墻雜質得在高喝溫(約80紡0℃以上)下由如高濃說度區(qū)墾往低均濃度和區(qū)的謠擴散示；早期婦使用怎；集成秧度增汪加，蜜無法暗精確用地控鋒制雜捷質的暈分布左形式將和濃嫩度；離子愧注入?yún)ⅲ簩⒗咫s質涉轉換娘為高燙能離芝子的孩形式緒，直巧接注圖入硅過的體贈內。摻雜購濃度樸控制物精確悔、位眾置準京確。集成旗電路集成銷電路(I底nt芽eg咸ra它te絲式d爪Ci黑rc召ui根t，縮小寫為IC)是指玩通過味一系惹列的寫加工鄰工藝福，將節(jié)多個友晶體園管、勒二極吊管等反有源扛器件灘和電酸阻、牧電容嘗等無藥源元級件，耗按照怎一定墓的電喚路連擦接集艷成在困一塊廳半導訓體晶壩片(如硅娘或Ga膛As優(yōu))或陶島瓷等賠基片糊上，覺作為葬一個斯不可柴分割柿的整訊體執(zhí)笛行某臺一特差定功唱能的涼電路圍組件謹。常見燙的分銀類方虧法主叢要有怒：按私器件結構危類型、集犧成電半路規(guī)模、使筑用的餓基片材料、電集路功能以及應用剩領域等進怒行分框類。集成釋電路淋的工叉藝類裙型根據(jù)辟集成勿電路商中有籃源器蒼件的監(jiān)結構瀉類型回和工亡藝技蔑術可睡以將諒集成攤電路寧分為甘三類曉。雙極民集成看電路：采努用的黃有源遭器件邊是雙吼極晶斬體管狹，是縮慧由電子航和空遙穴兩烈種類沙型的筍載流狐子工陪作，因勢而取繩名為片雙極確集成綢電路金屬-氧化箱物-半導李體(M祝OS覺)集成信電路：這謊種電督路中內所用文的晶軋體管早為MO腸S晶體男管，關由金勇屬-氧化拼物-半導去體結畏構組腳成的特場效允應晶共體管鑄，它腰主要樣靠半億導體簡表面稅電場寄感應鈴產(chǎn)生恢的導紅電溝妄道工興作，縱是電倘壓控愁制電磨流的芒器件鋒，只有敲一種姜載流付子(電子然或空漁穴)，因州此有我時為過了與環(huán)雙極她晶體身管對留應，羅也稱恰它為鉗單極父晶體肉管。雙極-M罵OS堂(B亂iM耍OS戒)集成兵電路：同壓時包晚括雙雪極和MO異S晶體襯管的匹集成津電路孤為Bi母MO翅S集成獨電路洗。器件勿工藝雙極鵲型集樹成電賊路中等瘦速度自、驅恭動能聯(lián)力強匙、模逃擬精絹度高燦、功室耗比檔較大CM潔OS集成簽電路靜態(tài)挪功耗略低、叔電源勝電壓艦范圍轎寬、怎輸出岡電壓胳幅度趨寬（懲無閾閱值損宵失）淹，具醫(yī)有高蚊速度夕、高淚密度旗潛力薪；電歉流驅左動能津力低Bi質MO旬S集成川電路夏工藝PMOS型雙極型MOS型CMOS型NMOS型BiMOS雙極工型硅登工藝v工藝困特點集成侄電路糠中各錦元件被之間哪需要肌進行格電隔個離；常規(guī)寫工藝星中大貨多采弟用PN結隔礎離，纏即用薯反向PN結達往到元檢件之壇間相斜互絕乏緣的竹目的慶。除PN結隔掀離以圣外，顆有時涌也采盤用介旱質隔棕離或即兩者桌混合籍隔離舊法。雙極搞型集迎成電固路中片需要疑增添材隱埋瘋層；工藝臟過程戰(zhàn)是：盤在P型硅形片上抄，在辣預計悔制作運集電拋極的組正下魚方某啟一區(qū)立域里裳先擴危散一曠層高萍濃度艇施主紹雜質滋即N+區(qū);而后絲式在其部上再刻外延般生長班一層N型硅染單晶暖層。講于是批，N型外最延層萌將N+區(qū)隱停埋在雀下面蠅，再里在這故一外忙延層盯上制丹作晶芽體管待。雙極尊型集營成電裹路元伯件間南需要照互連鉤線；通常逗為金粱屬鋁尼薄層生互連嫁線。雙極瘦型硅瞎工藝v經(jīng)過5次氧煙化v對二鴨氧化碌硅薄圓層進勉行5次光憤刻，掀刻蝕從出供凳擴散都摻雜遇用的漆圖形李窗口領。v最后狹還經(jīng)旋過兩著次光牧刻，讓刻蝕流出金社屬鋁鍋互連起布線肥和鈍波化后酬用于伸壓焊朽點的暗窗口助。v芯片貢的制方造缺切陷：學引起切成品獨率下籃降的揮主要隱因素全局床缺陷幾乎菌可以紋消除;光刻穴對準垮誤差薦、工孝藝參暢數(shù)隨槍機起流伏和往線寬柴變化柄等;局域瞞缺陷光刻括工藝壓中引目入的膨氧化粒物針桂孔缺古陷等飲點缺貧陷;控制姑隨機衛(wèi)點缺染陷是坐相當街困難;冗余嫁物缺虛陷:短路庸故障申；丟失錘物缺芽陷:開路飽故障找；氧化規(guī)物針從孔缺千陷:電路暑短路選故障豈；結泄皺漏缺折陷:電路疊短路據(jù)故障勞；潔凈卸室內房誠空氣防中的攔灰塵攻微粒你；硅片白和設蹲備的鳳物理丘接觸陽；各類很化學脾試劑貿中的環(huán)雜質宅顆粒鳴。芯片暮加工稱中的南缺陷看和成惰品率杜預測v點缺蘇陷v來源集成弟電路脈的結鑄構類噴型按照饒集成曬電路科的結比構形董式可死以將撐它分雙為半壓導體攔單片遺集成饅電路惡及混序合集傾成電字路。單片羊集成繼電路(I龜C)：它尚是指役電路嗽中所捉有的點元器留件都票制作脈在同距一塊跳半導灘體基擁片上棕的集萍成電性路。混合晝集成糖電路(H塘IC予)：是窯指將嫌多個盈半導荒體集四成電萍路芯岔片或寺半導插體集土成電左路芯述片與盾各種伍分立斬元器挪件通襪過一梢定的喊工藝尤進行何二次中集成煤，構療成一謎個完禍整的謊、更錄復雜血的功籠能器鹽件，棕該功稻能器更件最擦后被陽封裝題在一務個管廉殼中乞，作宵為一找個整購體使綢用。統(tǒng)因此丘，有昆時也粱稱混展合集吸成電惕路為斗二次在集成IC?；旌虾Y集成似電路PK印刷朝電路佛板?混合刃集成俱電路拼可比桐等效蘿的印平刷電芝路板節(jié)體積秩小4~慨6倍、譯重量屑輕10倍，裕但成旋本較縫高。?散熱混合假電路躁中，痕大功極率器筆件可藥以直啟接裝巧在導傘熱好超的陶命瓷基爛片上就。印刷鉛電路的板上坦要將卡