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第二章 元器件制造技术可靠性与系统工程学院可靠性与系统工程学院付桂翠付桂翠fuguicui@buaa.edu2021年年09月月27日日本章内容提要本章内容提要半导体集成电路芯片制造技术半导体集成电路芯片制造技术1 1混合集成电路工艺混合集成电路工艺2 2半导体集成电路芯片制造技术半导体集成电路芯片制造技术开展里程碑开展里程碑1 1根本工艺根本工艺2 2器件工艺器件工艺3 3芯片加工中的缺陷和废品率预测芯片加工中的缺陷和废品率预测 4 4开展里程碑v1954年，年，Bell实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和分散工实验室开发出氧化、光掩膜、刻蚀和分散工艺；艺；v1958年后期，仙童公司的物理学家年后期，仙童公司的物理学家Jean Hoerni开发出一种开发出一种在硅上制造在硅上制造PN结的构造，并在结上覆盖了一层薄的硅氧化结的构造，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衔接层作绝缘层，在硅二极管上蚀刻小孔用于衔接PN结；结；vSprague Electric的物理学家的物理学家Kurt Lehovec开发出运用开发出运用PN结结隔离元件的技术；隔离元件的技术；v1959年，仙童公司的年，仙童公司的Robert Noyce经过在电路上方蒸镀薄经过在电路上方蒸镀薄金属层衔接电路元件来制造集成电路；金属层衔接电路元件来制造集成电路；v1960年年Bell实验室开发出外延堆积实验室开发出外延堆积/注入技术，即将资料的注入技术，即将资料的单晶层堆积单晶层堆积/注入到晶体衬底上；注入到晶体衬底上；开展里程碑v1963，，RCA制造出第一片由制造出第一片由MOS〔〔Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体〕工艺制造的集成电路；，金属氧化物半导体〕工艺制造的集成电路；v1963，仙童公司的，仙童公司的Frank Wanlass提出并发表了互补型提出并发表了互补型MOS集成电路的概念。

集成电路的概念vCMOS是运用最广泛的、高密度集成电路的根底是运用最广泛的、高密度集成电路的根底历史回想v v 摩尔定律摩尔定律§1965年，仙童半年，仙童半导导体的研体的研发发主管摩主管摩尔尔(Gordon Moore) 指指出：微出：微处处置器芯片的置器芯片的电电路密度，以及它潜在的路密度，以及它潜在的计计算才干，算才干，每隔一年翻番每隔一年翻番§后来，后来，这一表述又修正一表述又修正为每每18个月翻番个月翻番这也就是后来也就是后来出名于出名于IT界的界的“摩摩尔定律〞戈登戈登.摩尔摩尔集成电路现状vv芯片特征尺寸芯片特征尺寸vv晶片尺寸晶片尺寸450mm(18英寸英寸)(估计估计2021年面世年面世)、、300mm(12英寸英寸,2002)、、200mm(8英寸英寸,1990)Intel CPU芯片特征尺寸芯片特征尺寸Intel 45nm晶片晶片集成电路的根本工艺集成电路的根本工艺v以圆形的硅片为根底，在初始硅片上经过氧化、掺杂、薄膜淀积、光以圆形的硅片为根底，在初始硅片上经过氧化、掺杂、薄膜淀积、光刻、蚀刻等步骤的单独运用或组合反复运用，制造出器件，再经过电刻、蚀刻等步骤的单独运用或组合反复运用，制造出器件，再经过电极制备、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废品；过封装测试成为废品；v前工艺前工艺:芯片制造；芯片制造；v后工艺后工艺:组装、测试。

组装、测试双极型晶体控制造工艺双极型晶体控制造工艺(a)(a)一次氧化一次氧化 (b) (b)光刻基区光刻基区 (c) (c)基区硼分散、氧化基区硼分散、氧化 (d) (d)光刻发射区光刻发射区(e)(e)发射区磷分散、氧化发射区磷分散、氧化 (f) (f)光刻引线孔光刻引线孔 (g) (g)蒸镀铝膜蒸镀铝膜 (h) (h)刻蚀铝电极刻蚀铝电极硅片制备硅片制备v多晶硅消费、单晶生长、硅圆片制造多晶硅消费、单晶生长、硅圆片制造 原料：原料：石英石石英石粗硅粗硅四氯化硅四氯化硅高温高温炭复原炭复原氯化氯化多晶硅多晶硅高温氯复原高温氯复原单晶硅单晶硅直拉法直拉法区熔法区熔法硅片硅片切割切割磨片磨片硅片制备硅片制备v直拉法生长单晶直拉法生长单晶v首先将预处置好的多晶硅装入首先将预处置好的多晶硅装入炉内石英坩埚中，抽真空或通炉内石英坩埚中，抽真空或通入惰性气体；入惰性气体；v拉晶时，籽晶杆以一定速度绕拉晶时，籽晶杆以一定速度绕轴旋转，同时坩埚反方向旋转，轴旋转，同时坩埚反方向旋转，坩埚由高频感应或电阻加热，坩埚由高频感应或电阻加热，其中的多晶硅料全部熔化；其中的多晶硅料全部熔化；v将籽晶下降至与熔融的多晶硅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接触，熔融的多晶硅会沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。

生长成棒状单晶硅片制备硅片制备3、切片、切片-清洗清洗1、单晶生长、单晶生长2、单晶切割分段、单晶切割分段--滚磨外圆滚磨外圆-定位面研磨定位面研磨4、磨片、磨片-清洗清洗5、抛光、抛光-清洗清洗6最终晶片最终晶片制膜制膜 v膜的类型膜的类型v二氧化硅膜二氧化硅膜v外延层外延层v金属膜金属膜v薄膜的制备技术薄膜的制备技术v热氧化法热氧化法v物理气相堆积物理气相堆积PVDv蒸镀、溅射蒸镀、溅射v化学气相淀积化学气相淀积CVDv淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和反复性好、设备简单反复性好、设备简单氧化层生长氧化层生长v二氧化硅的特性二氧化硅的特性v化学稳定性高、绝缘、对某些杂质能起到掩蔽作用化学稳定性高、绝缘、对某些杂质能起到掩蔽作用(杂质在杂质在其中的分散系数非常小其中的分散系数非常小)；；v氧化层的作用氧化层的作用v器件的维护层、钝化层、电性能隔离、绝缘介质层和电容器件的维护层、钝化层、电性能隔离、绝缘介质层和电容器的介质膜，实现选择性的分散；器的介质膜，实现选择性的分散；v生长方法生长方法v热氧化法热氧化法v等离子氧化法等离子氧化法v热分解堆积法热分解堆积法v溅射法溅射法v真空蒸镀法真空蒸镀法氧化层生长氧化层生长v热氧化法热氧化法v干氧氧化：以枯燥纯真的氧气作为氧化气氛，在干氧氧化：以枯燥纯真的氧气作为氧化气氛，在高温下氧直接与硅反响生成二氧化硅；高温下氧直接与硅反响生成二氧化硅；v水汽氧化：以高纯水蒸汽为氧化气氛，由硅片外水汽氧化：以高纯水蒸汽为氧化气氛，由硅片外表的硅原子和水分子反响生成二氧化硅层表的硅原子和水分子反响生成二氧化硅层(厚度普厚度普通在通在10-8~10-6)。

水汽氧化的氧化速率比干氧氧化水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的高；的高；v湿氧氧化法：本质上是干氧氧化和水汽氧化的混湿氧氧化法：本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合，氧化速率介于二者之间氧化层生长氧化层生长v氧化层缺陷氧化层缺陷v裂纹裂纹v引起金属连线与硅片短路，或多层连线间短路；引起金属连线与硅片短路，或多层连线间短路；v针孔针孔v产生缘由：光刻版上的小孔或小岛，光刻胶中杂产生缘由：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；化层质量较差等；v呵斥的后果：使氧化层不延续，破坏了二氧化硅呵斥的后果：使氧化层不延续，破坏了二氧化硅的绝缘作用，针裂纹和针孔可使分散掩埋失效，的绝缘作用，针裂纹和针孔可使分散掩埋失效，构成短路，连线或铝电极下的二氧化硅有针孔会构成短路，连线或铝电极下的二氧化硅有针孔会引起短路引起短路v厚薄不均匀厚薄不均匀v产生缘由：氧化层划伤；产生缘由：氧化层划伤；v呵斥后果：会降低耐压，使击穿电压降低或丧失呵斥后果：会降低耐压，使击穿电压降低或丧失对杂质分散的掩蔽才干，或者金属与硅之间短路对杂质分散的掩蔽才干，或者金属与硅之间短路而使器件失效；而使器件失效；v氧化层电荷氧化层电荷外延生长外延生长 v在单晶衬底上制备一层新的单晶层的技术在单晶衬底上制备一层新的单晶层的技术;v层中杂质浓度可以极为方便的经过控制反响气流中的杂质层中杂质浓度可以极为方便的经过控制反响气流中的杂质含量加以调理，不受衬底中杂质种类与掺杂程度的影响含量加以调理，不受衬底中杂质种类与掺杂程度的影响;v作用：作用：v双极型集成电路：为了将衬底和器件区域隔离双极型集成电路：为了将衬底和器件区域隔离(电绝缘电绝缘)，，在在P型衬底上外延生长型衬底上外延生长N型单晶硅层；型单晶硅层；vMOS集成电路：减少了粒子软误差和集成电路：减少了粒子软误差和CMOS电路中的闩锁电路中的闩锁效应等；效应等；v生长方法：气相外延技术生长方法：气相外延技术v利用硅的气态化合物，如四氯化硅或利用硅的气态化合物，如四氯化硅或(SiCl4)硅烷硅烷(SiH4)，，在加热的衬底外表与氢气发生反响或本身发生热分解反响，在加热的衬底外表与氢气发生反响或本身发生热分解反响，进而复原成硅，并以单晶方式淀积在硅衬底外表。

进而复原成硅，并以单晶方式淀积在硅衬底外表 制备金属膜制备金属膜v实现电衔接；实现电衔接；vAl及其合金：最常用的金属互连资料；及其合金：最常用的金属互连资料；vCu制程；制程；v制备方法：蒸发和溅射制备方法：蒸发和溅射v蒸发：真空系统中，金属原子获得足够的能量后蒸发：真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属外表的束缚成为蒸气原子，在其便可以脱离金属外表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运动轨迹中遇到晶片，就会在晶片上淀积一层金属薄膜；属薄膜；v溅射：在真空系统中充入一定的惰性气体，在高溅射：在真空系统中充入一定的惰性气体，在高压电场的作用下，由于气体放电构成离子，这些压电场的作用下，由于气体放电构成离子，这些离子在强电场作用下被加速，然后轰击靶资料，离子在强电场作用下被加速，然后轰击靶资料，使其原子逸出并被溅射到晶片上，构成金属膜；使其原子逸出并被溅射到晶片上，构成金属膜；v溅射法构成的薄膜比蒸发淀积的薄膜附着力更强，溅射法构成的薄膜比蒸发淀积的薄膜附着力更强，且膜更加致密、均匀且膜更加致密、均匀图形转移图形转移-光刻光刻v图形转移：将集成电路的图形转移：将集成电路的单元构件图形转移到圆片单元构件图形转移到圆片上的工艺；上的工艺；v光刻光刻+刻蚀，统称光刻；刻蚀，统称光刻；v光刻胶：光致抗蚀剂光刻胶：光致抗蚀剂v正胶正胶v负胶负胶图形转移图形转移-光刻光刻v常规的光刻工艺过程：常规的光刻工艺过程：v涂胶涂胶-前烘前烘-曝光曝光-显影显影-坚膜坚膜-腐蚀腐蚀(刻蚀刻蚀)-去胶去胶 图形转移图形转移-刻蚀刻蚀v分为干法刻蚀和湿法刻蚀；分为干法刻蚀和湿法刻蚀；v湿法刻蚀湿法刻蚀v一种化学刻蚀方法；一种化学刻蚀方法；v将资料放在腐蚀液内；将资料放在腐蚀液内；v5um以上，优良的选择性，刻蚀完当前薄膜就停顿；以上，优良的选择性，刻蚀完当前薄膜就停顿；低本钱、高效率；低本钱、高效率；v5um以下，侧向腐蚀严重，线条宽难以控制；以下，侧向腐蚀严重，线条宽难以控制；v干法腐蚀干法腐蚀v等离子体轰击被刻蚀外表等离子体轰击被刻蚀外表掺杂掺杂v掺杂：在半：在半导体参与少量特定体参与少量特定杂质，构成，构成N型与型与P型的半型的半导体区域；体区域；v掺杂锑、砷和磷可以构成、砷和磷可以构成N型型资料；料；v掺杂硼那么可以构成硼那么可以构成P型型资料料 ；；v主要技主要技术手段手段v高温高温热分散法：分散法：v利用利用杂质在高温在高温(约800℃以上以上)下由高下由高浓度区往低度区往低浓度区的分散；度区的分散；v早期运用；早期运用；v集成度添加，无法准确地控制集成度添加，无法准确地控制杂质的分布方式和的分布方式和浓度；度；v离子注入：将离子注入：将杂质转换为高能离子的方式，直接高能离子的方式，直接注入硅的体内。

注入硅的体内v掺杂浓度控制准确、位置准确度控制准确、位置准确集成电路集成电路v集集成成电电路路(Integrated Circuit，，缩缩写写为为IC)是是指指经经过过一一系系列列的的加加工工工工艺艺，，将将多多个个晶晶体体管管、、二二极极管管等等有有源源器器件件和和电电阻阻、、电电容容等等无无源源元元件件，，按按照照一一定定的的电电路路衔衔接接集集成成在在一一块块半半导导体体晶晶片片(如如硅硅或或GaAs)或或陶陶瓷瓷等等基基片片上上，，作作为为一一个个不不可可分分割割的的整整体体执执行行某某一特定功能的电路组件一特定功能的电路组件v常常见见的的分分类类方方法法主主要要有有：：按按器器件件构构造造类类型型、、集集成成电电路路规规模模、、运运用用的的基基片片资资料料、、电电路路功功能能以以及及运运用用领域等进展分类领域等进展分类 集成电路的工艺类型集成电路的工艺类型 根据集成电路中有源器件的构造类型和工艺技术可以将集成电路分为三类 双极集成电路：采用的有源器件是双极晶体管，是由电子和空穴两种类型的载流子任务，因此取名为双极集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：这种电路中所用的晶体管为MOS晶体管，由金属-氧化物-半导体构造组成的场效应晶体管，它主要靠半导体外表电场感应产生的导电沟道任务，是电压控制电流的器件，只需一种载流子(电子或空穴)，因此有时为了与双极晶体管对应，也称它为单极晶体管。

双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路 器件工艺器件工艺v双极型集成电路双极型集成电路v中等速度、驱动才干强、模拟精度高、功耗比较中等速度、驱动才干强、模拟精度高、功耗比较大大vCMOS集成电路集成电路v静态功耗低、电源电压范围宽、输出电压幅度宽静态功耗低、电源电压范围宽、输出电压幅度宽〔无阈值损失〕，具有高速度、高密度潜力；电〔无阈值损失〕，具有高速度、高密度潜力；电流驱动才干低流驱动才干低vBiMOS集成电路工艺集成电路工艺PMOS型双极型MOS型CMOS型NMOS型BiMOS双极型硅工双极型硅工艺vv工艺特点工艺特点§集成集成电路中各元件之路中各元件之间需求需求进展展电隔离；隔离；•常常规工工艺中大多采用中大多采用PN结隔离，即用反向隔离，即用反向PN结到达元件之到达元件之间相互相互绝缘的目的除的目的除PN结隔离以外，有隔离以外，有时也采用介也采用介质隔离隔离或两者混合隔离法或两者混合隔离法§双极型集成双极型集成电路中需求增添路中需求增添隐埋埋层；；•工工艺过程是：在程是：在 P型硅片上，在估型硅片上，在估计制造集制造集电极的正下方某极的正下方某一区域里先分散一一区域里先分散一层高高浓度施主度施主杂质即即N+区区;而后在其上再外而后在其上再外延生延生长一一层N型硅型硅单晶晶层。

于是，于是，N型外延型外延层将将N+区区隐埋在埋在下面，再在下面，再在这一外延一外延层上制造晶体管上制造晶体管§双极型集成双极型集成电路元件路元件间需求互需求互连线；；• 通常通常为为金属金属铝铝薄薄层层互互连线连线双极型硅工双极型硅工艺vv经过经过 5 5次氧化次氧化vv对二氧化硅薄层进对二氧化硅薄层进展展5 5次光刻，刻蚀出次光刻，刻蚀出供分散掺杂用的图形供分散掺杂用的图形窗口vv最后还经过两次光最后还经过两次光刻，刻蚀出金属铝互刻，刻蚀出金属铝互连布线和钝化后用于连布线和钝化后用于压焊点的窗口压焊点的窗口v 芯片的制造缺陷：引起废品率下降的主要要素芯片的制造缺陷：引起废品率下降的主要要素全局缺陷全局缺陷几乎可以消除几乎可以消除;光刻对准误差、工艺参数随机起伏和线宽变化等光刻对准误差、工艺参数随机起伏和线宽变化等;局域缺陷局域缺陷光刻工艺中引入的氧化物针孔缺陷等点缺陷光刻工艺中引入的氧化物针孔缺陷等点缺陷;控制随机点缺陷是相当困难控制随机点缺陷是相当困难;§冗余物缺陷冗余物缺陷:短路缺点；短路缺点；§丧失物缺陷失物缺陷:开路缺点；开路缺点；§氧化物氧化物针孔缺陷孔缺陷:电路短路缺点；路短路缺点；§结走漏缺陷走漏缺陷:电路短路缺点；路短路缺点；§干干净室内空气中的灰室内空气中的灰尘微粒；微粒；§硅片和硅片和设备的物理接触；的物理接触；§各各类化学化学试剂中的中的杂质颗粒。

粒芯片加工中的缺陷和芯片加工中的缺陷和废品率品率预测v v 点缺陷点缺陷v v 来源来源集成电路的构造类型集成电路的构造类型 按照集成电路的构造方式可以将它分为半导体单片集成电路及混合集成电路 单片集成电路(IC)：它是指电路中一切的元器件都制造在同一块半导体基片上的集成电路混合集成电路(HIC)：是指将多个半导体集成电路芯片或半导体集成电路芯片与各种分立元器件经过一定的工艺进展二次集成，构成一个完好的、更复杂的功能器件，该功能器件最后被封装在一个管壳中，作为一个整体运用因此，有时也称混合集成电路为二次集成IC混合集成混合集成电路路PKPK印刷印刷电路板路板 • • 混合集成混合集成电路可比等效的印刷路可比等效的印刷电路板体路板体积小小4~6 4~6 倍、分量倍、分量轻1010倍，但本倍，但本钱较高 • • 散散热 混合混合电路中，大功率器件可以直接装在路中，大功率器件可以直接装在导热好的陶瓷基片好的陶瓷基片上 印刷印刷电路板上要将元器件路板上要将元器件贴到到电路板上，且用粘路板上，且用粘结剂粘上粘上很重的散很重的散热板或运用金属芯的板或运用金属芯的电路板。

路板混合集成混合集成电路路PKPK半半导体集成体集成电路路 • • 混合混合电路路设计容易，容易， 本本钱更低，投更低，投产快，适宜中小批量快，适宜中小批量产品的消品的消费混合集成电路工艺混合集成电路工艺混合集成电路工艺混合集成电路工艺v v 厚膜混合集成电路厚膜混合集成电路§ 40年代中期出年代中期出现现；；§膜厚普通在几微米至几十微米；膜厚普通在几微米至几十微米；§普通采用普通采用丝丝网印刷工网印刷工艺艺，是一种非真空成膜技，是一种非真空成膜技术术；；§特点是特点是设计设计更更为为灵敏、工灵敏、工艺简艺简便、本便、本钱钱低廉，特低廉，特别别适适宜于多种宜于多种类类小批量消小批量消费费；；§常用在高常用在高压压、大、大电电流、大功率耐高温混合集成流、大功率耐高温混合集成电电路以路以及及较较低低频频段的微波集成段的微波集成电电路方面v v 薄膜混合集成电路薄膜混合集成电路§50年代末期开展起来；年代末期开展起来；§薄膜的膜厚大多小于薄膜的膜厚大多小于1微米；微米；§薄膜薄膜电电路采用的是真空蒸路采用的是真空蒸发发、磁控、磁控溅溅射等工射等工艺艺方法，方法，是一种真空成膜技是一种真空成膜技术术；；§常用在高精度、高常用在高精度、高稳稳定性低噪声定性低噪声电电路以及微波集成路以及微波集成电电路，抗路，抗辐辐射射电电路方面。

路方面课堂作业课堂作业课堂习题课堂习题v集成电路芯片的根本工艺有哪些？主要作用是什集成电路芯片的根本工艺有哪些？主要作用是什么？么？v氧化层的主要作用是什么？氧化工艺所能够出现氧化层的主要作用是什么？氧化工艺所能够出现的缺陷是什么？的缺陷是什么？。