IC基礎(chǔ)知識及制造工藝流程PPT教案

1、會計學(xué)1IC基礎(chǔ)知識及制造工藝流程基礎(chǔ)知識及制造工藝流程2022-5-222集成電路產(chǎn)業(yè)鏈制版硅片硅片工藝設(shè)計封裝測試純水凈化設(shè)備化學(xué)品第1頁/共67頁2022-5-223第2頁/共67頁2022-5-224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)展趨勢第3頁/共67頁2022-5-225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)展趨勢第4頁/共67頁2022-5-226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=10-3-10

2、8-cm鍺、硅 、砷化鎵 、磷化銦 導(dǎo)體電阻率=10-3-10-8-cm金、銀 、銅 、鋁 第5頁/共67頁2022-5-227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 鉛第6頁/共67頁2022-5-228SiSiSiSiSiSiSiSi第7頁/共67頁2022-5-229SiSiSiSiSiSiSiSi空穴第8頁/共67頁2022-5-2210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%

3、 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)）第9頁/共67頁2022-5-2211硅片主要技術(shù)指標(biāo)-晶向(111)/(100)-摻雜類型摻雜劑 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（位錯密度層錯密度）-表面顆粒第10頁/共67頁2022-5-2212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)展趨勢第11頁/共67頁2022-5-2213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

4、 transistor)- MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管） ppnnpMOS第12頁/共67頁2022-5-2214雙極型集成電路(NPN )第13頁/共67頁2022-5-2215雙極型集成電路(PNP)第14頁/共67頁2022-5-2216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)展趨勢第15頁/共67頁2022-5-2217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(

5、CVD) 濺射(Sputtering)第16頁/共67頁2022-5-2218IC基礎(chǔ)工藝技術(shù)圖形轉(zhuǎn)移氧化硅光刻膠硅襯底掩膜第17頁/共67頁2022-5-2219IC基礎(chǔ)工藝(1)光刻- 光刻機分辨率 L=k/N 光源UV(g: 436nm i: 365nm) DUV 248nm對準(zhǔn)精度曝光方式 接觸投影1:1/5:1- 光刻膠正膠負(fù)膠抗蝕性感光速度分辨率第18頁/共67頁2022-5-2220第19頁/共67頁2022-5-2221IC基礎(chǔ)工藝(2)刻蝕濕法腐蝕SiO2+6HF H2+SiF6+2H2ONH4F NH3+HF有側(cè)向腐蝕問題，難以得到細線條光刻膠光刻膠第20頁/共67頁202

6、2-5-2222IC基礎(chǔ)工藝(2)刻蝕 干法刻蝕等離子體 F*擴散吸附反應(yīng) 解吸附第21頁/共67頁2022-5-2223RFGasPumpingSystem第22頁/共67頁2022-5-2224第23頁/共67頁2022-5-2225IC基礎(chǔ)工藝(2)刻蝕被刻膜刻蝕劑SiO2CHF3,C3F8SiCH4/O2, SF6AlSiCL4/Cl2, BCl3/Cl2Si3N4CHF3/O2PhotoresistO2第24頁/共67頁2022-5-2226IC基礎(chǔ)工藝(3)擴散- 擴散方程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

7、/(Dt)1/2exp(-x2/4Dt)- 擴散系數(shù)依賴于溫度和濃度- 氧化硅對雜質(zhì)的掩蔽能力第25頁/共67頁2022-5-2227IC基礎(chǔ)工藝(3)擴散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)t1t2第26頁/共67頁2022-5-2228IC基礎(chǔ)工藝(3)擴散第27頁/共67頁2022-5-2229第28頁/共67頁2022-5-2230IC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

8、（濕氧氧化，厚氧化層）- 氧化生長速率 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（無鈉離子沾污）SiO2Si第29頁/共67頁2022-5-2231IC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)點摻雜量可精確控制溫度低易得淺結(jié)可帶膠注入第30頁/共67頁2022-5-2232IC基礎(chǔ)工藝(5)離子注入1.E+171.E+181.E+191.E+201.E+2100.20.40.60.8深度 (um)濃度 (atm/cm3)第31頁/共67頁2022-5-2233IC基礎(chǔ)工藝(5)離子注入第32頁/共

9、67頁2022-5-2234SiSiSiSiCl4H2HCl第33頁/共67頁2022-5-2235第34頁/共67頁2022-5-2236IC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，鈍化層第35頁/共67頁2022-5-2237CVD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)第36頁/共67頁2022-5-2238第37頁/共67頁2022-5-2239IC基礎(chǔ)工藝(8)濺射（金屬）基座硅片靶轟擊離子Ar+濺射原

10、子第38頁/共67頁2022-5-2240IC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- 多層布線第39頁/共67頁2022-5-2241第40頁/共67頁2022-5-2242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)展趨勢第41頁/共67頁2022-5-2243集成電路技術(shù)發(fā)展趨勢- 特征線寬不斷變細、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、功能多元化第42頁/共67頁2022-5-2244I

11、C技術(shù)發(fā)展趨勢(1)特征線寬隨年代縮小第43頁/共67頁2022-5-2245IC技術(shù)發(fā)展趨勢(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197219751977198419901997第44頁/共67頁2022-5-2246IC技術(shù)發(fā)展趨勢(3)CPU運算能力年代CPU型號運算能力(MIPS)19822861198838681991486201995Pentium1001996Pentium-22501998Pentium-38002001Pentium-42000第45頁/共67頁2022-5-2247IC技術(shù)發(fā)展

12、趨勢(4)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化功能多元化BipolarCMOSBiCMOSDMOSBCD第46頁/共67頁2022-5-2248IC制造工藝流程制造工藝流程第47頁/共67頁2022-5-2249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-cm第48頁/共67頁2022-5-2250P 襯底N+埋層第49頁/共67頁2022-5-2251第50頁/共67頁2022-5-2252P SubN-EpiN+ 埋層第51頁/共67頁2022-5-2253P SubN- EpiN+第52頁/共67頁2022-5-2254雙極型集成電路工藝流程(3) 隔離- 隔離擴

13、散N-EpiN+P+P+第53頁/共67頁2022-5-2255第54頁/共67頁2022-5-2256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)擴散N埋層P+P+基區(qū)第55頁/共67頁2022-5-2257N+P+P+ pN+N+第56頁/共67頁2022-5-2258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+第57頁/共67頁2022-5-2259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+第58頁/共67頁2022-5-2260第59頁/共67頁2022-5-2261集成電路

14、制造環(huán)境- 超凈廠房 無塵、恒溫、恒濕- 超凈水- 超凈氣體 常用氣體(N2、O2、H2)純度99.9999% 顆?？刂茋?yán)0.5/L- 超凈化學(xué)藥品 純度、顆?？刂频?0頁/共67頁2022-5-2262IC 制造環(huán)境(1)凈化級別和顆粒數(shù)凈化級別顆粒數(shù)立方英尺0.12um0.2um0.3um0.5um0.289.912.140.870.281357.53110350753010100 -7503001001000 - - -1000第61頁/共67頁2022-5-2263第62頁/共67頁2022-5-2264IC制造環(huán)境(2) 超純水- 極高的電阻率（導(dǎo)電離子很少）18M- 無機顆粒數(shù)5ppb (SiO2)- 總有機碳（TOC) 20ppb- 細菌數(shù) 0.1/ml第63頁/共67頁2022-5-2265IC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 10ppm5ppm100ppb80ppb10ppb雜質(zhì)顆粒 0.5u0.2u0.1u0.05u0.025u