集成电路制造工艺PPT文档格式.ppt

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2.4GHz,器件结构类型集成度电路的功能应用领域,集成电路的分类,按器件结构类型分类,双极集成电路：

主要由双极型晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路金属-氧化物-半导体（MOS）集成电路：

主要由MOS晶体管（单极型晶体管）构成NMOSPMOSCMOS（互补MOS）双极-MOS（BiMOS）集成电路：

是同时包括双极和MOS晶体管的集成电路。

综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。

集成度：

每块集成电路芯片中包含的元器件数目,按集成度分类,数模混合集成电路（Digital-AnalogIC）：

例如数模（D/A）转换器和模数（A/D）转换器等。

按电路的功能分类,数字集成电路（DigitalIC）：

是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。

模拟集成电路（AnalogIC）：

是指处理模拟信号（连续变化的信号）的集成电路，通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路：

线性集成电路：

又叫放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。

非线性集成电路：

如振荡器、定时器等电路。

标准通用集成电路通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。

这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。

按应用领域分类,专用集成电路根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit），其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。

1.特征尺寸（FeatureSize）/（CriticalDimension）特征尺寸定义为器件中最小线条宽度（对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度）,描述集成电路工艺技术水平的三个技术指标,减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。

特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改进。

集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18m、0.13m工艺，Intel目前将大部分芯片生产制程转换到0.09m。

2.晶片直径（WaferDiameter）为了提高集成度，可适当增大芯片面积。

然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。

采用更大直径的晶片可解决这一问题。

晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。

下图自左到右给出的是从2吋12吋按比例画出的圆。

由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。

尺寸从2吋12吋成比例增加的晶圆,3.DRAM的容量RAM（Random-AccessMemory）随机存取存储器分为动态存储器DRAM（Dynamic）和静态存储器SRAM（Static）,中国IC产业分布图,中芯国际集成电路制造有限公司上海华虹（集团）有限公司华润微电子（控股）有限公司无锡海力士意法半导体有限公司和舰科技（苏州）有限公司首钢日电电子有限公司上海先进半导体制造有限公司台积电（上海）有限公司上海宏力半导体制造有限公司吉林华微电子股份有限公司,2006年度中国集成电路与分立器件制造前十大企业是：

飞思卡尔半导体（中国）有限公司奇梦达科技（苏州）有限公司威讯联合半导体（北京）有限公司深圳赛意法半导体有限公司江苏新潮科技集团有限公司上海松下半导体有限公司英特尔产品（上海）有限公司南通富士通微电子有限公司星科金朋（上海）有限公司乐山无线电股份有限公司,2006年度中国集成电路封装测试前十大企业是：

炬力集成电路设计有限公司中国华大集成电路设计集团有限公司（包含北京中电华大电子设计公司等）北京中星微电子有限公司大唐微电子技术有限公司深圳海思半导体有限公司无锡华润矽科微电子有限公司杭州士兰微电子股份有限公司上海华虹集成电路有限公司北京清华同方微电子有限公司展讯通信（上海）有限公司,2006年度中国集成电路设计前十大企业是：

集成电路（IntegratedCircuit）制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的基础。

基础电路制造工艺,集成电路工艺技术主要包括:

1、原始硅片工艺硅单晶拉制到最终形成作为IC衬底和有源区的硅片的一整套工艺技术。

2、掺杂工艺包括各种扩散掺杂和离子注入掺杂技术。

3、微细图形加工工艺包括图形的复印和刻蚀转移两个方面。

4、介质薄膜工艺包括各种热生长技术和各种CVD技术。

5、金属薄膜工艺包括真空蒸发技术、溅射技术和CVD技术。

集成电路制造工艺简介生产工厂简介,国外某集成电路工厂外景,净化厂房,芯片制造净化区域走廊,HereintheFabTwoPhotolithographyareaweseeoneofour200mm0.35micronI-LineSteppers.thissteppercanimageandalignboth6&

8inchwafers.,投影式光刻机,Hereweseeatechnicianloading300mmwafersintotheSemiTool.Thewafersareina13waferTefloncassetteco-designedbyProcessSpecialtiesandSemiToolin1995.Againthesearetheworldsfirst300mmwetprocesscassettes（thatcanbespinrinsedried）.,硅片清洗装置,AswelookinthiswindowweseetheWorldsFirsttrue300mmproductionfurnace.Ourdevelopmentanddesignofthistoolbeganin1992,itwasinstalledinDecemberof1995andbecamefullyoperationalinJanuaryof1996.,12英寸氧化扩散炉,Herewecanseetheloadingof300mmwafersontothePaddle.,12英寸氧化扩散炉装片工序,ProcessSpecialtieshasdevelopedtheworldsfirstproduction300mmNitridesystem!

Webeganprocessing300mmLPCVDSiliconNitrideinMayof1997.,12英寸氧化扩散炉取片工序（已生长Si3N4）,2,500additionalsquarefeetofStateoftheArtClassOneCleanroomiscurrentlyprocessingwafers!

Withincreased300mm&

200mmprocessingcapabilitiesincludingmorePVDMetalization,300mmWetprocessing/Cleaningcapabilitiesandfullwafer300mm0.35umPhotolithography,allinaClassOneenviroment.,PVD,化学汽相沉积CVD,化学汽相沉积CVD,AccuracyinmetrologyisneveranissueatProcessSpecialties.Weusethemostadvancedroboticlaserellipsometersandothercalibratedtoolsforprecisionthinfilm,resistivity,CDandstepheightmeasurement.IncludingournewNanometrics8300fullwafer300mmthinfilmmeasurementandmappingtool.WealsouseoutsidelaboratoriesandourexcellentworkingrelationshipswithourMetrologytoolcustomers,foradditionalcorrelationandcalibration.,检测工序,AboveyouarelookingatacoupleofviewsofthefacilitiesonthewestsideofFabOne.Hereyoucanseeoneofour18.5Meg/OhmDIwatersystemsandoneoffour10,000CFMairsystemsfeedingthisfab（leftpicture）,aswellasoneofourwasteairscrubberunits（rightpicture）.Bothareinsidethebuildingforeasiermaintenance,longerlifeandbettercontrol.,去离子水生产装置,离子注入,检查晶圆,HerewearelookingattheIncomingmaterialdispositionracks,库房,集成电路制造工艺分类,1.双极型工艺（bipolar）2.CMOS工艺,集成电路设计与制造的主要流程框架,设计创意+仿真验证,集成电路的设计过程：

芯片制造过程,集成电路芯片的显微照片,集成电路的内部单元（俯视图）,栅长为90纳米的栅图形照片,沟道长度为0.15微米的晶体管,50m,100m头发丝粗细,1m1m（晶体管的大小）,90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较,N沟道MOS晶体管,CMOS集成电路（互补型MOS集成电路）：

目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的95%以上。

集成电路制造工艺,图形转换：

将设计在掩膜版（类似于照相底片）上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：

根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：

制作各种材料的薄膜,1双极型（NPN）集成电路工艺（典型的PN结隔离工艺）,衬底准备（P型）,光刻n+埋层区,氧化,n+埋层区注入,清洁表面,1.衬底准备2.第一次光刻N+隐埋层扩散孔光刻,生长n-外延,隔离氧化,光刻p+隔离区,p+隔离注入,p+隔离推进,3.外延层淀积4.第二次光刻P+隔离扩散孔光刻,光刻硼扩散区,硼扩散,5.第三次光刻P型基区扩散孔光刻,光刻磷扩散区,磷扩散,6.第四次光刻N+发射区扩散孔光刻,氧化,光刻引线孔,清洁表面,7.第五次光刻引线接触孔光刻,氧化,蒸镀金属,反刻金属,8.第六次光刻金属化内连线光刻,NPN晶体管剖面图,Epitaxiallayer外延层,BuriedLayer,埋层的作用,1.减小串联电阻（集成电路中的各个电极均从上表面引出，外延层电阻率较大且路径较长）,2.减小寄生pnp晶体管的影响,隔离的实现,1.P+隔离扩散要扩穿外延层，与p型衬底连通。

因此，将n型外延层分割成若干个“岛”。

2.P+隔离接电路最低电位，使“岛”与“岛”之间形成两个背靠背的反偏二极管。

光刻掩膜版汇总,埋层区,隔离墙,硼扩区,磷扩区,引线孔,金属连线,外延层电极的引出,欧姆接触电极：

金属与掺杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）。

因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。

金属与半导体接触？

形成欧姆接触的方法？

低势垒，高复合，高掺杂,光刻,Lithography,光刻是IC制造业中最为重要的一道工艺,硅片制造工艺中，光刻占所有成本的35%,通常可用光刻次数及所需掩模的个数来表示某生产工艺的难易程度。

一个典型的硅集成电路工艺包括1520块掩膜版,集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小，也与光刻技术的近一步发展有密切的关系。

通常人们用特征尺寸来评价一个集成电路生产线的技术水平。

所谓特征尺寸（CD：

characteristicdimension）是指设计的多晶硅栅长，它标志了器件工艺的总体水平，是设计规则的主要部分,通常我们所说的0.13m,0.09m工艺就是指的光刻技术所能达到最小线条的工艺。

光刻的定义：

光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。

光刻的目的：

光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。

光刻的要求,对光刻的基本要求：

（1）高分辨率

（2）高灵敏度（3）精密的套刻对准（4）大尺寸硅片上的加工（5）低缺陷,1.高分辨率分辨率是将硅片上两个邻近的特征图形区分开来的能力，即对光刻工艺中可以达到的最小光刻图形尺寸的一种描述，是光刻精度和清晰度的标志之一。

随着集成电路的集成度提高，加工的线条越来越细，对分辨率的要求也越来越高。

分辨率表示每mm内能够刻蚀出可分辨的最多线条数。

R=1/2L,2.高灵敏度灵敏度是指光刻胶感光的速度。

为了提高产量要求曝光时间越短越好，也就要求高灵敏度。

3.精密的套刻对准集成电路制作需要十多次甚至几十次光刻，每次光刻都要相互套准。

由于图形的特征尺寸在亚微米数量级上，因此，对套刻要求很高。

要求套刻误差在特征尺寸的10左右。

4.大尺寸硅片的加工随着晶圆尺寸增大，周围环境会引起晶圆片的膨胀和收缩。

因此对周围环境的温度控制要求十分严格，否则会影响光刻质量,5.低缺陷缺陷会使电路失效，因此应该尽量减少缺陷,5.2光刻胶的组成材料及感光原理,光刻胶是光刻工艺的核心，光刻过程中的所有操作都会根据特定的光刻胶性质和想达到的预期结果而进行微调。

光刻胶的选择和光刻工艺的研发是一个非常漫长的过程。

光刻胶种类,正光刻胶（Positiveopticalresist）负光刻胶（Negativeopticalresist）,Resistsareorganicpolymersthatarespunontowafersandprebakedtoproduceafilm0.5-1mmthick.,光刻胶又称光致抗蚀剂（Photo-Resist），根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，有,正性光刻胶PositiveOpticalResist,正胶的光化学性质是从抗溶解到可溶性。

正胶曝光后显影时感光的胶层溶解了。

现有VLSI工艺都采用正胶,正胶机制,曝光使感光材料（PAC）中分子裂解，被裂解的分子在显影液中很易溶解，从而与未曝光部分形成强烈反差。

负性光刻胶NegativeOpticalresist,负胶的光学性能是从可溶解性到不溶解性。

负胶在曝光后发生交链作用形成网络结构，在显影液中很少被溶解，而未被曝光的部分充分溶解。

小结：

正性和负性光刻胶,正性光刻胶受光或紫外线照射后感光的部分发生光分解反应，可溶于显影液，未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面负性光刻胶的未感光部分溶于显影液中，而感光部分显影后仍然留在基片表面。

正胶：

曝光前不可溶，曝光后可溶负胶：

曝光前可溶，曝光后不可溶,光刻胶对大部分可见光敏感，对黄光不敏感。

因此光刻通常在黄光室（YellowRoom）内进行。

正胶和负胶的比较,正胶a）分辨率高小于1微米b）抗干法刻蚀能力强c）较好的热稳定性负胶a）对某些衬底表面粘附性好b）曝光时间短，产量高c）工艺宽容度较高（显影液稀释度、温度等）d）价格较低（约正胶的三分之一）,负胶曝光后变为可溶显影时未曝光的部分溶解于显影液图形与掩模版相反分辨率较低含二甲苯，对环境、身体有害。

正胶曝光后变为可溶显影时曝光的部分溶解于显影液图形与掩模版相同小的聚合物尺寸，有高的分辨大应用于ICfabs,光刻胶种类,分辨率（resolution）敏感度（Sensitivity）对比度（Contrast）粘滞性粘附性抗蚀性,光刻胶材料参数,1.光刻胶的分辨率（resolution）,在光刻胶层能够产生的最小图形通常被作为对光刻胶的分辨率。

产生的线条越小，分辨率越高。

分辨率不仅与光刻胶本身的结构、性质有关，还与特定的工艺有关，比如：

曝光光源、显影工艺等。

正胶的分辨率较负胶好，一般2m以下工艺用正胶,2.灵敏度S（Sensitivity）,h为比例常数；

I为照射光强度，t为曝光时间灵敏度反应了需要多少光来使光刻胶曝光，即光刻胶感光所必须的照射量。

曝光时间越短，S越高。

波长越短的光源（射线）能量越高。

在短波长光曝光，光刻胶有较高的灵敏度。

3.对比度（Contrast）,衡量光刻胶辨别亮（light）/暗（dark）区域的能力测量方法：

对一定厚度的光刻胶，改变曝光剂量，在固定时间内显影，看显影后留下的光刻胶厚度。

对比度高的光刻胶造成更好的分辨率,Df:

完全溶解光刻胶所需的曝光剂量；

D0:

溶解光刻胶所需的阈值曝光剂量,4.粘滞性,指的是对于液体光刻胶来说其流动特性的定量指标。

与时间有关，因为它会在使用中随着光刻胶中溶剂的挥发增加。

5.粘附性,描述光刻胶粘附于衬底的强度。

光刻胶与衬底膜层（SiO2、Al等）的粘结能力直接影响光刻的质量。

不同的衬底表面，光刻胶的粘结能力是不同的。

负性胶通常比正性胶有更强的粘结能力。

要求光刻胶能够粘附在不同类型的表面，例如硅，多晶硅，氮化硅，二氧化硅和金属等必须能够经受住曝光、显影和后续的刻蚀，离子注入的等工艺,6.抗蚀性,光刻胶胶膜必须保持它的粘附性，并在后续的湿刻和干刻中保护衬底表面。

这种性质被称为抗蚀性。

光刻胶由4种成分组成：

树脂（聚合物材料）感光剂溶剂添加剂（备选）,5.2.1光刻胶的组成材料,树脂树脂是一种惰性的聚合物，包括碳、氢、氧的有机高分子。

用于把光刻胶中的不同材料聚在一起的粘合剂。

对负性胶，聚合物曝光后会由非聚合状态变为聚合状态。

在大多数负性胶里面，聚合物是聚异戊二烯类型。

是一种相互粘结的物质抗刻蚀的物质，如图所示。

正性胶的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也称为苯酚甲醛树脂。

如图所示。

在光刻胶中聚合物是相对不可溶的，用适当能量的光照后变成可溶状态。

这种反应称为光溶解反应,固体有机材料（胶膜的主体）转移图形到硅片上UV曝光后发生光化学反应，溶解性质发生改变正胶从不可溶到可溶负胶从可溶到不可溶,树脂,感光剂光刻胶中的感光剂是光刻胶材料中的光敏成分。

在紫外区，会发生反应。

即对光能发生化学反应。

如果聚合物中不添加感光剂，那么它对光的敏感性差，而且光谱范围较宽，添加特定的感光剂后，可以增加感光灵敏度，而且限制反应光的光谱范围，或者把反应光限制在某一波长的光。

控制和或改变光化学反应决定曝光时间和强,溶剂光刻胶中容量最大的成分是溶剂。

添加溶剂的目的是光刻胶处于液态，以便使光刻胶能够通过旋转的方法涂在晶园表面。

绝大多数的溶剂在曝光前挥发，对于光刻胶的光化学性质几乎没有影响。

溶解聚合物经过旋转涂布可得到薄光刻胶膜,添加剂光刻胶中的添加剂通常是专有化学品，成份由制造商开发，但是由于竞争原因不对外公布。

主要在光刻胶薄膜中用来改变光刻胶的特定化学性质或光响应特性。

如添加染色剂以减少反射。

光刻工艺,为确保光刻胶能和晶园表面很好粘结，必须进行表面处理，包括三个阶段：

微粒清除、脱水和涂底胶。

1气相成底膜处理,1第一步:

微粒清除目的：

清除掉晶圆在存储、装载和卸载到片匣过程中吸附到的一些颗粒状污染物。

清除方法：

1）高压氮气吹除2）化学湿法清洗：

酸清洗和烘干。

3）旋转刷刷洗4）高压水流喷洗,第二步:

脱水烘焙1目的：

干燥晶圆表面，使基底表面由亲水性变为憎水性，增加表面粘附性。

经过清洁处理后的晶园表面可能会含有一定的水分（亲水性表面），所以必须脱水烘焙使其达到清洁干燥（憎水性表面），以便增加光刻胶和晶园表面的黏附能力。

保持憎水性表面通常通过下面两种方法：

一是保持室内温度在50以下，并且在晶园完成前一步工艺之后尽可能快的进行涂胶。

另一种方法是把晶园存储在用干燥并且干净的氮气净化过的干燥器中。

除此之外，一个加热的操作也可以使晶园表面恢复到憎水表面。

有三种温度范围：

2脱水烘焙的三个温度范围：

150-200，低温蒸发水分；

400，中温烘烤；

750，高温烘干。

第三步晶圆涂底胶1用hexamethyldisilazane（HMDS）进行成膜处理（HMDS:

六甲基乙硅烷）2.要求：