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芯片制造工艺


IC产业链的分工
设计

制造

封装

目前微电子产业已逐渐演变为设计,制造 和封装三个相对独立的产业。

IC 制作

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0 IC制造技术
? 1、晶片制备 ? 2、掩模板制备 ? 3

、晶片加工

IC 制造过程
初始晶片 (primary wafer)
PR Initial ox Si substrate Initial ox Si substrate PR

Ini ox
Si sub

Ini ox
Si sub

Diff module

PHOTO module

ETCH module

Thin film module
Diff, PHOTO, ETCH, T/F

Chip Cutting

IC cross section

Wafer Sorting

WAT

Bonding

Packaging

Final Test

IC內部结构

內连导线架构

导电电路

绝缘层

元件结构

硅底材

Gate Oxide

Field Oxide
Source/Drain Regions

Field Oxide

NPN双极型晶体管(三极管)

第一块IC

MOS结构

0.1 晶片制备
? ? ? ? ? 1、材料提纯(硅棒提纯) 2、晶体生长(晶棒制备) 3、切割(切成晶片) 4、研磨(机械磨片、化学机械抛光CMP) 5、晶片评估(检查)

0.1.1 材料提纯(硅棒提纯)
? 提纯原理:盐水结冰后,冰中盐的含量较 低==〉在液态硅(熔区)中,杂质浓度大些 ? 提纯方法:区域精炼法

0.1.2 晶棒生长——直拉法

? 液态物质降温到凝固点以下,有些原子/分子会趋于固体结构的排 列,形成较小的核心(晶粒),控制晶粒取向,可得到单晶结构 的半导体。 ? 例如:8’晶片的晶棒重达200kg,需要3天时间来生长

0.1.3 切割(切成晶片)
? 锯切头尾→检查定向性和电阻率等→切 割晶片 ? 晶片厚约50μm

0.2 掩模板制备
? ? 特殊的石英玻璃上,涂敷一层能吸收紫外线的鉻层 (氧化鉻或氧化铁 ),再用光刻法制造 光刻主要步骤
1. 2. 3. 4. 涂胶 曝光 显影 显影蚀刻

光刻工艺

掩模板应用举例:光刻开窗

0.3 晶片加工
? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 主要步骤: 氧化 开窗 掺杂 金属膜形成 掺杂沉积 钝化

0.3.1 氧化
? 1. 2. 3. 4. 5. 氧化膜(SiO2 、SiNH)的作用: 保护:如,钝化层(密度高、非常硬) 掺杂阻挡:阻挡扩散,实现选择性掺杂 绝缘:如,隔离氧化层 介质:电容介质、MOS的绝缘栅 晶片不变形:与Si晶片的热膨胀系数很 接近,在高温氧化、掺杂、扩散等公益 中,晶片不会因热胀冷缩而产生弯曲

氧化
? 氧化方法:溅射法、真空蒸发法、CVD、 热氧化
法等 ? 例:

? 干氧化法:Si+O2= SiO2 (均匀性好) ? 湿氧化法:Si+O2= SiO2 (生长速度快) Si+2H2O= SiO2+H2

0.3.2 开窗

0.3.3 掺杂(扩散)
?
1.
2.

扩散原理
杂质原子在高温(1000-1200度)下从硅晶片表面的高 浓度区向衬底内部的低浓度区逐渐扩散。 扩散浓度与温度有关: (1000-1200度扩散快)

0.3.4 扩散
? 扩散步骤: 1、预扩散(淀积) 恒定表面源扩散(扩散过程中,硅片的表面杂质 浓度不变),温度低,时间短,扩散浅:控 制扩散杂质的数量。 2、主扩散 有限表面源扩散(扩散过程中,硅片的表面杂质 源不补充),温度高,时间长,扩散深:控 制扩散杂质的表面浓度和扩散深度、或暴露 表面的氧化。

扩散
? 扩散分类及设备:
按照杂质在室温下的形态分为:液态源扩散、气态源扩散、固态源扩散

0.3.5 薄膜淀积、金属化
? 薄膜:一般指,厚度小于1um ? 薄膜淀积技术:形成绝缘薄膜、半导体 薄膜、金属薄膜等 ? 金属化、多层互连:将大量相互隔离、 互不连接的半导体器件(如晶体管)连 接起来,构成一个完整的集成块电路

0.3.5.1 薄膜淀积
? 薄膜:小于1um,要求:厚度均匀、高 纯度、可控组分、台阶覆盖好、附着性 好、电学性能好 ? 薄膜淀积方法: ? 1、物理气相淀积(PVD) ? 2、化学气相淀积(CVD:APCVD、 LPCVD、PECVD)

薄膜淀积——物理气相淀积(PVD)
PVD:利用某种物理过程,例如蒸发或 溅 射现象,实现物质转移,即原子或分子 从原料表面逸出,形成粒子射入到硅片 表面,凝结形成固态薄膜。 1、真空蒸发PVD 2、 溅射PVD

真空蒸发PVD

溅射PVD

溅射镀铝膜

薄膜淀积——化学气相淀积(CVD)
CVD:利用含有薄膜元素的反应剂在衬底 表面发生化学反应,从而在衬底表面淀 积薄膜。 常用方法: 1、外延生长 2、 热CVD(包括:常压CVD= APCVD、 低压CVD=HPCVD) 3、等离子CVD(=PECVD)

CVD原理示意图

0.3.5.2 金属化、多层互连
? 金属化、多层互连:将大量相互隔离、 互不连接的半导体器件(如晶体管)连 接起来,构成一个完整的集成块电路

多层互连工艺流程
? 互连:介质淀积、平坦化、刻孔、再金属化 ? 最后:钝化层


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