第二章元器件制造技術(shù)付桂翠2012年09月27日本章內(nèi)容提要半導(dǎo)體集成電路芯片制造技術(shù)1混合集成電路工藝2半導(dǎo)體集成電路芯片制造技術(shù)發(fā)展里程碑1基本工藝2器件工藝3芯片加工中的缺陷和成品率預(yù)測

4發(fā)展里程碑1963，RCA制造出第一片由MOS（MetalOxideSemiconductor，金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝制造的集成電路；1963，仙童公司的FrankWanlass提出并發(fā)表了互補(bǔ)型MOS集成電路的概念。CMOS是應(yīng)用最廣泛的、高密度集成電路的基礎(chǔ)。歷史回顧v摩爾定律1965年，仙童半導(dǎo)體的研發(fā)主管摩爾(GordonMoore)指出：微處理器芯片的電路密度，以及它潛在的計算能力，每隔一年翻番。后來，這一表述又修正為每18個月翻番。這也就是后來聞名于IT界的“摩爾定律”。戈登.摩爾集成電路現(xiàn)狀v芯片特征尺寸v晶片尺寸450mm(18英寸)(預(yù)計2012年面世)、300mm(12英寸,2002)、200mm(8英寸,1990)IntelCPU芯片特征尺寸Intel45nm晶片雙極型晶體管制作工藝(a)一次氧化(b)光刻基區(qū)(c)基區(qū)硼擴(kuò)散、氧化(d)光刻發(fā)射區(qū)(e)發(fā)射區(qū)磷擴(kuò)散、氧化(f)光刻引線孔(g)蒸鍍鋁膜(h)刻蝕鋁電極硅片制備多晶硅生產(chǎn)、單晶生長、硅圓片制造

原料：石英石粗硅四氯化硅高溫炭還原氯化多晶硅高溫氯還原單晶硅直拉法區(qū)熔法硅片切割磨片硅片制備直拉法生長單晶首先將預(yù)處理好的多晶硅裝入爐內(nèi)石英坩堝中，抽真空或通入惰性氣體；拉晶時，籽晶桿以一定速度繞軸旋轉(zhuǎn)，同時坩堝反方向旋轉(zhuǎn)，坩堝由高頻感應(yīng)或電阻加熱，其中的多晶硅料全部熔化；將籽晶下降至與熔融的多晶硅接觸，熔融的多晶硅會沿籽晶結(jié)晶，并隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀單晶。制膜膜的類型二氧化硅膜外延層金屬膜薄膜的制備技術(shù)熱氧化法物理氣相沉積PVD蒸鍍、濺射化學(xué)氣相淀積CVD淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、設(shè)備簡單氧化層生長二氧化硅的特性化學(xué)穩(wěn)定性高、絕緣、對某些雜質(zhì)能起到掩蔽作用(雜質(zhì)在其中的擴(kuò)散系數(shù)非常小)；氧化層的作用器件的保護(hù)層、鈍化層、電性能隔離、絕緣介質(zhì)層和電容器的介質(zhì)膜，實現(xiàn)選擇性的擴(kuò)散；生長方法熱氧化法等離子氧化法熱分解沉積法濺射法真空蒸鍍法氧化層生長熱氧化法干氧氧化：以干燥純凈的氧氣作為氧化氣氛，在高溫下氧直接與硅反應(yīng)生成二氧化硅；水汽氧化：以高純水蒸汽為氧化氣氛，由硅片表面的硅原子和水分子反應(yīng)生成二氧化硅層(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；濕氧氧化法：實質(zhì)上是干氧氧化和水汽氧化的混合，氧化速率介于二者之間。外延生長在單晶襯底上制備一層新的單晶層的技術(shù);層中雜質(zhì)濃度可以極為方便的通過控制反應(yīng)氣流中的雜質(zhì)含量加以調(diào)節(jié)，不受襯底中雜質(zhì)種類與摻雜水平的影響;作用：雙極型集成電路：為了將襯底和器件區(qū)域隔離(電絕緣)，在P型襯底上外延生長N型單晶硅層；MOS集成電路：減少了粒子軟誤差和CMOS電路中的閂鎖效應(yīng)等；生長方法：氣相外延技術(shù)利用硅的氣態(tài)化合物，如四氯化硅或(SiCl4)硅烷(SiH4)，在加熱的襯底表面與氫氣發(fā)生反應(yīng)或自身發(fā)生熱分解反應(yīng)，進(jìn)而還原成硅，并以單晶形式淀積在硅襯底表面。制備金屬膜實現(xiàn)電連接；Al及其合金：最常用的金屬互連材料；Cu制程；制備方法：蒸發(fā)和濺射。蒸發(fā)：真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸氣原子，在其運動軌跡中遇到晶片，就會在晶片上淀積一層金屬薄膜；濺射：在真空系統(tǒng)中充入一定的惰性氣體，在高壓電場的作用下，由于氣體放電形成離子，這些離子在強(qiáng)電場作用下被加速，然后轟擊靶材料，使其原子逸出并被濺射到晶片上，形成金屬膜；濺射法形成的薄膜比蒸發(fā)淀積的薄膜附著力更強(qiáng)，且膜更加致密、均勻。圖形轉(zhuǎn)移-光刻圖形轉(zhuǎn)移：將集成電路的單元構(gòu)件圖形轉(zhuǎn)移到圓片上的工藝；光刻+刻蝕，統(tǒng)稱光刻；光刻膠：光致抗蝕劑正膠負(fù)膠圖形轉(zhuǎn)移-刻蝕分為干法刻蝕和濕法刻蝕；濕法刻蝕一種化學(xué)刻蝕方法；將材料放在腐蝕液內(nèi)；5um以上，優(yōu)良的選擇性，刻蝕完當(dāng)前薄膜就停止；低成本、高效率；5um以下，側(cè)向腐蝕嚴(yán)重，線條寬難以控制；干法腐蝕等離子體轟擊被刻蝕表面摻雜摻雜：在半導(dǎo)體加入少量特定雜質(zhì)，形成N型與P型的半導(dǎo)體區(qū)域；摻雜銻、砷和磷可以形成N型材料；摻雜硼則可以形成P型材料；主要技術(shù)手段高溫?zé)釘U(kuò)散法：利用雜質(zhì)在高溫(約800℃以上)下由高濃度區(qū)往低濃度區(qū)的擴(kuò)散；早期使用；集成度增加，無法精確地控制雜質(zhì)的分布形式和濃度；離子注入：將雜質(zhì)轉(zhuǎn)換為高能離子的形式，直接注入硅的體內(nèi)。摻雜濃度控制精確、位置準(zhǔn)確。集成電路集成電路(IntegratedCircuit，縮寫為IC)是指通過一系列的加工工藝，將多個晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源元件，按照一定的電路連接集成在一塊半導(dǎo)體晶片(如硅或GaAs)或陶瓷等基片上，作為一個不可分割的整體執(zhí)行某一特定功能的電路組件。常見的分類方法主要有：按器件結(jié)構(gòu)類型、集成電路規(guī)模、使用的基片材料、電路功能以及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行分類。器件工藝雙極型集成電路中等速度、驅(qū)動能力強(qiáng)、模擬精度高、功耗比較大CMOS集成電路靜態(tài)功耗低、電源電壓范圍寬、輸出電壓幅度寬（無閾值損失），具有高速度、高密度潛力；電流驅(qū)動能力低BiMOS集成電路工藝PMOS型雙極型MOS型CMOS型NMOS型BiMOS雙極型硅工藝v工藝特點集成電路中各元件之間需要進(jìn)行電隔離；常規(guī)工藝中大多采用PN結(jié)隔離，即用反向PN結(jié)達(dá)到元件之間相互絕緣的目的。除PN結(jié)隔離以外，有時也采用介質(zhì)隔離或兩者混合隔離法。雙極型集成電路中需要增添隱埋層；工藝過程是：在P型硅片上，在預(yù)計制作集電極的正下方某一區(qū)域里先擴(kuò)散一層高濃度施主雜質(zhì)即N+區(qū);而后在其上再外延生長一層N型硅單晶層。于是，N型外延層將N+區(qū)隱埋在下面，再在這一外延層上制作晶體管。雙極型集成電路元件間需要互連線；

通常為金屬鋁薄層互連線。集成電路的結(jié)構(gòu)類型

按照集成電路的結(jié)構(gòu)形式可以將它分為半導(dǎo)體單片集成電路及混合集成電路。

單片集成電路(IC)：它是指電路中所有的元器件都制作在同一塊半導(dǎo)體基片上的集成電路。混合集成電路(HIC)：是指將多個半導(dǎo)體集成電路芯片或半導(dǎo)體集成電路芯片與各種分立元器件通過一定的工藝進(jìn)行二次集成，構(gòu)成一個完整的、更復(fù)雜的功能器件，該功能器件最后被封裝在一個管殼中，作為一個整體使用。因此，有時也稱混合集成電路為二次集成IC?；旌霞呻娐稰K印刷電路板

?混合集成電路可比等效的印刷電路板體積小4~6倍、重量輕10倍，但成本較高。 ?散熱

混合電路中，大功率器件可以直接裝在導(dǎo)熱好的陶瓷基片上。 印刷電路板上要將元器件貼到電路板上，且用粘結(jié)劑粘上很重的散熱板或使用金屬芯的電路板。

混合集成電路PK半導(dǎo)體集成電路

?混合電路設(shè)計容易，成本更低，投產(chǎn)快，適合中小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。

混合集成電路工藝混合集成電路工藝v厚膜混合集成電路40年代中期出現(xiàn)；膜厚一般在幾微米至幾十微米；一般采用絲網(wǎng)印刷工藝，是一種非真空成膜技術(shù)；特點是設(shè)計更為靈活、工藝簡便、成本低廉，特別適宜于多品種小批量生產(chǎn)；常用在高壓、大電流、大功率耐高溫混合集成電路以及較低頻段的微波集成電路方面。