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电子元器件制造技术

作者:admin    来源:未知    发布时间:2020-12-28 20:47    浏览量:

  本章内容提要 1 半导体集成电路芯片制造技术 2 混合集成电路工艺 半导体集成电路芯片制造技术 1 2 3 4 发展里程碑 基本工艺 器件工艺 芯片加工中的缺陷和成品率预测 发展里程碑 ? 1954年,Bell实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和扩散工 艺; ? 1958年后期,仙童公司的物理学家Jean Hoerni开发出一种 在硅上制造PN结的结构,并在结上覆盖了一层薄的硅氧化 层作绝缘层,在硅二极管上蚀刻小孔用于连接PN结; ? Sprague Electric的物理学家Kurt Lehovec开发出使用PN结 隔离元件的技术; ? 1959年,仙童公司的Robert Noyce通过在电路上方蒸镀薄 金属层连接电路元件来制造集成电路; ? 1960年Bell实验室开发出外延沉积/注入技术,即将材料的 单晶层沉积/注入到晶体衬底上; 发展里程碑 ? 1963,RCA制造出第一片由MOS(Metal Oxide Semiconductor,金属氧化物半导体)工艺制造的集成电路; ? 1963,仙童公司的Frank Wanlass提出并发表了互补型 MOS集成电路的概念。 ? CMOS是应用最广泛的、高密度集成电路的基础。 历史回顾 ? 摩尔定律 ? 1965年,仙童半导体的研发主管摩尔(Gordon Moore) 指 出:微处理器芯片的电路密度,以及它潜在的计算能力, 每隔一年翻番。 ? 后来,这一表述又修正为每18个月翻番。这也就是后来 闻名于IT界的“摩尔定律”。 戈登.摩尔 集成电路现状 ?芯片特征尺寸 ?晶片尺寸 Intel 45nm晶片 Intel CPU芯片特征尺寸 450mm(18英寸)(预计2012年面世)、 300mm(12英寸,2002)、200mm(8英寸,1990) 集成电路的基本工艺 ? 以圆形的硅片为基础,在初始硅片上经过氧化、掺杂、薄膜淀积、光 刻、蚀刻等步骤的单独使用或组合重复使用,制作出器件,再通过电 极制备、多层布线实现各器件间的互连,实现一定的功能,最后再经 过封装测试成为成品; ? 前工艺:芯片制造; ? 后工艺:组装、测试。 双极型晶体管制作工艺 (a)一次氧化 (b)光刻基区 (c)基区硼扩散、氧化 (d)光刻发射区 (e)发射区磷扩散、氧化 (f)光刻引线孔 (g)蒸镀铝膜 (h)刻蚀铝电极 硅片制备 ? 多晶硅生产、单晶生长、硅圆片制造 原料: 石英石 高温 炭还原 切割 磨片 粗硅 氯化 四氯化硅 高温氯还原 硅片 单晶硅 直拉法 区熔法 多晶硅 硅片制备 ? 直拉法生长单晶 ? 首先将预处理好的多晶硅装入炉内石英 坩埚中,抽真空或通入惰性气体; ? 拉晶时,籽晶杆以一定速度绕轴旋转, 同时坩埚反方向旋转,坩埚由高频感应 或电阻加热,其中的多晶硅料全部熔化; ? 将籽晶下降至与熔融的多晶硅接触,熔 融的多晶硅会沿籽晶结晶,并随籽晶的 逐渐上升而生长成棒状单晶。 硅片制备 1、单晶生长 2、单晶切割分段--滚磨外圆-定位面研磨 3、切片-清洗 6最终晶片 4、磨片-清洗 5、抛光-清洗 制膜 ? 膜的类型 ? 二氧化硅膜 ? 外延层 ? 金属膜 ? 薄膜的制备技术 ? 热氧化法 ? 物理气相沉积PVD ? 蒸镀、溅射 ? 化学气相淀积CVD ? 淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、设备简单 氧化层生长 ? 二氧化硅的特性 ? 化学稳定性高、绝缘、对某些杂质能起到掩蔽作用(杂质在其中的 扩散系数非常小); ? 氧化层的作用 ? 器件的保护层、钝化层、电性能隔离、绝缘介质层和电容器的介质 膜,实现选择性的扩散; ? 生长方法 ? 热氧化法 ? 等离子氧化法 ? 热分解沉积法 ? 溅射法 ? 真空蒸镀法 氧化层生长 ? 热氧化法 ? 干氧氧化:以干燥纯净的氧气作为氧化气氛,在高温下氧直接与硅 反应生成二氧化硅; ? 水汽氧化:以高纯水蒸汽为氧化气氛,由硅片表面的硅原子和水分 子反应生成二氧化硅层(厚度一般在10-8~10-6)。水汽氧化的氧化速 率比干氧氧化的高; ? 湿氧氧化法:实质上是干氧氧化和水汽氧化的混合,氧化速率介于 二者之间。 氧化层生长 ? 氧化层缺陷 ? 裂纹 ? 引起金属连线与硅片短路,或多层连线间短路; ? 针孔 ? 产生原因:光刻版上的小孔或小岛,光刻胶中杂质微粒,硅片上沾附 的灰尘,胶膜上有气泡或氧化层质量较差等; ? 造成的后果:使氧化层不连续,破坏了二氧化硅的绝缘作用,针裂纹 和针孔可使扩散掩埋失效,形成短路,连线或铝电极下的二氧化硅有 针孔会引起短路。 ? 厚薄不均匀 ? 产生原因:氧化层划伤; ? 造成后果:会降低耐压,使击穿电压降低或丧失对杂质扩散的掩蔽能 力,或者金属与硅之间短路而使器件失效; ? 氧化层电荷 外延生长 ? 在单晶衬底上制备一层新的单晶层的技术; ? 层中杂质浓度可以极为方便的通过控制反应气流中的杂质 含量加以调节,不受衬底中杂质种类与掺杂水平的影响; ? 作用: ? 双极型集成电路:为了将衬底和器件区域隔离(电绝缘),在P型衬底上外延 生长N型单晶硅层; ? MOS集成电路:减少了粒子软误差和CMOS电路中的闩锁效应等; ? 生长方法:气相外延技术 ? 利用硅的气态化合物,如四氯化硅或(SiCl4)硅烷(SiH4),在加热的衬底表 面与氢气发生反应或自身发生热分解反应,进而还原成硅,并以单晶形式 淀积在硅衬底表面。 制备金属膜 ? 实现电连接; ? Al及其合金:最常用的金属互连材料; ? Cu制程; ? 制备方法:蒸发和溅射。 ? 蒸发:真空系统中,金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表 面的束缚成为蒸气原子,在其运动轨迹中遇到晶片,就会在晶片上 淀积一层金属薄膜; ? 溅射:在真空系统中充入一定的惰性气体,在高压电场的作用下, 由于气体放电形成离

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