2022年全面易懂的芯片制造个人经验总结 .docx

精品_精品资料_第 4 章 芯片制造概述本章介绍芯片生产工艺的概况. 1通过在器件表面生成电路元件的工艺次序 ,来阐述 4种最基本的平面制造工艺.2说明从电路功能设计图到光刻掩膜版生产的电路设计过程.3阐述了晶圆与器件的相关特性与术语.4、1 晶圆生产的目标芯片的制造 ,分为 4个阶段 :原料制作 、 单晶生长与晶圆的制造 、集成电路晶圆的生产 、集成电路的封装 .前两个阶段已经在前面第3章涉及.本章叙述的就是第3个阶段,集成电路晶圆生产的基础学问.集成电路晶圆生产 waferfabrication就是在晶圆表面上与表面内 制造出半导体器件 的一系列生产过程.整个制造过程从硅单晶抛光片开头,到晶圆上包含了数以百计的集成电路芯片.晶圆生产的阶段4、2 晶圆术语下图列举了一片成品晶圆.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_晶圆术语晶圆表面各部分的名称如下:(1) 器件 或叫 芯片 Chip,die,device,circuit,microchip,bar: 这就是指在晶圆表面占大部分面积的微芯片掩膜.(2) 街区 或锯切线 Scribe lines,saw lines,streets,avenues: 在晶圆上用来分隔不同芯片之间的街区.街区通常就是空白的 ,但有些公司在街区内放置对准靶 ,或测试的结构.(3) 工程试验芯片 Engineeringdie,testdie: 这些芯片与正式器件或称电路芯片 不同.它包括特殊的器件与电路模块用于对晶圆生产工艺的电性测试.(4) 边缘芯片 Edgedie: 在晶圆的边缘上的一些掩膜残缺不全的芯片.由于单个芯片尺寸增大而造成的更多边缘铺张会由采纳 更大直径晶圆所补偿.推动半导体工业向更大直径晶圆进展的动力之一就就是为了削减边缘芯片所占的面积.(5) 晶圆的晶面 WaferCrystalPlane: 图中的剖面标明白器件下面的晶格构造.此图中显示的器件边缘与晶格构造的方向就是确定的.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_(6) 晶圆切面 凹槽 Waferflats notche: 图中的晶圆有主切面与副切面 ,表示这就是一个P 型 <100>晶向的晶圆 参见第 3 章的切面代码 .300毫米晶圆都就是用凹槽作为晶格导向的标识.4、3晶圆生产的基础工艺集成电路芯片有成千上万的种类与功用.但就是,它们都就是由为数不多的 基本结构 主要为双极结构与金属氧化物半导体结构,这些在后面介绍 与生产工艺制造出来的.这类似于汽车工业,这个工业生产的产品范畴很广,从轿车到推土机.然而 ,金属成型、焊接、油漆等工艺对汽车厂都就是通用的.在汽车厂内部 ,这些基本的工艺以不同的方式被应用,以制造出客户期望的产品.芯片制造也就是一样 ,制造企业使用 4种最基本的工艺方法 ,通过大量的 工艺次序 与工艺变化 制造出特定的芯片.这些基本的工艺方法就是: 增层、光刻、掺杂与热处理.晶圆1生增产层的基础工艺增层2光刻增层就是在晶圆表面3形掺成杂薄膜的加工工艺.从下图的简洁MOS 晶体管 ,可以瞧出在4晶热圆处表理面生成了很多的薄膜 .这些薄膜可以就是绝缘体、半导体或导体.它们由不同的材料组成 ,就是使用多种工艺生长或淀积的.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_截面图 :完整金属氧化物栅极晶体管的生长层与沉积层这里主要的工艺技术就是: 生长二氧化硅膜与淀积不同种材料的薄膜 如下图所示 .增层的制程生长法淀积法氧化工艺化学气相淀积工艺氮化硅工艺蒸发工艺溅射增层的制程分类通用的淀积技术就是 :化学气相淀积 、蒸发 与溅射.下表列出了常见的薄膜材料与增层工艺.其中每项的具体情况、各种薄膜在器件结构内的功用等,在本书的后面章节中有阐述.层别热氧化工艺化学气相蒸发工艺溅射工艺淀积工艺绝缘层二氧化硅二氧化硅 ;氮化硅二氧化硅 ;一氧化硅 ;半导体层外延单晶硅;多晶硅可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_铝;钨;铝硅合金;钛;铝铜合金 ;钼;镍铬铁合金黄金;铝硅合金 ;铝铜合金导体层薄层分类工艺与材料的对比表光刻光刻就是通过一系列生产步骤去的工艺 见下图 .,将晶圆表面薄膜的特定部分除光刻加工过程光刻生产的目标 就是依据电路设计的要求,生成尺寸精确的特点图形 ,且在晶圆表面的位置要正确,而且与其她部件的关联也要正确.在此之后 ,晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜.被除去部分的可能外形就是薄膜内的孔或就是残留的 岛状.在晶圆的制造过程中 ,晶体三极管、二极管、电容、电阻与金可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_光刻工艺中的另一个问题就是缺陷.光刻就是高科技版本的照相术 ,只不过就是在难以置信的微小尺寸下完成的.在制程中的污染物会造成缺陷.事实上由于光刻在晶圆生产过程中要完成 5层至 20层或更多 ,所以污染问题将会被 放大 .掺杂掺杂就是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺过程 见下图 .掺杂它有两种工艺方法:热扩散 与离子注入 ,将后面具体阐述.(1) 热扩散热扩散 就是在 1000 C左右的高温下 ,发生的化学反应.它就是一个化学反应过程.晶圆暴露在肯定掺杂元素气态下.扩散的简洁例子就犹如除臭剂从压力容器内释放到房间内.气态下的掺杂原子通过扩散化学反应迁移到暴露的晶圆表面,形成一层 薄膜 .在芯片应用中 ,热扩散也被称为 固态扩散 ,由于晶圆可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_材料就是固态的.(2) 离子注入离子注入就是一个物理反应过程.晶圆被放在离子注入机的一端 ,掺杂离子源 通常为气态 在另一端.在离子源一端 ,掺杂体原子被离子化 带有肯定的电荷 ,被电场加到 超高速 ,穿过晶圆表层. 原子的动量将掺杂原子注入晶圆表层, 就似乎一粒子弹从枪内射入墙中.掺杂的总结掺杂工艺的目的就是: 在晶圆表层内建立 兜形区 ,如下图所示 ,或就是富含电子 N型或就是富含空穴 P型.这些兜形区形成 电性活跃区 与 PN结,在电路中的晶体管、 二极管、电容器、电阻器都依靠它来工作.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_热处理晶片表面的 N型与 P型掺杂区的构成可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_热处理就是简洁的将晶圆加热 与冷却 ,来达到特定结果的制程.在热处理的过程中,在晶圆上没有增加或减去任何物质,另外会有一些污染物与水汽从晶圆上蒸发.(1) 在离子注入制程后会有一步重要的热处理 .掺杂原子的注入所造成的晶圆损耗会被热处理修复,这称为 退火 ,温度在 1000'C可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_左右.(2) 另外 ,金属导线 在晶圆上制成后会也会进行热处理.这些导线在电路的各个器件之间承载电流.为了确保良好的导电性,金属会在 450 C热处理后与晶圆表面紧密熔合.(3) 热处理的第三种用途就是: 通过加热在晶圆表面的光刻胶,将溶剂蒸发掉 ,从而得到精确的图形.4、4 制造半导体器件与电路典型 VLSI规模两层金属集成电路结构的截面图完成如此复杂的结构需要很多生产工艺特定次序进行 ,又包含一些子工艺步骤.例如,并且每种工艺依据,64 Gb CMOS 器件的特殊制程需要 180个重要工艺步骤、版.50多次次清洗与多达近30层膜下表列出了 4种基础工艺与每一个工艺方案的原理.在图中的就是针对一个简洁器件造的次序.MOS 栅极硅晶体管而言,说明白制晶圆制造加工工艺一览表基本工艺制程方法具体分类当今的芯片结构含有多层薄膜与掺杂. 很多层的薄膜生长或淀积在晶圆表面 ,包括多层的导体协作与绝缘体 参见下图的四层截面.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_增层氧化常压氧化法高压氧化法快速热氧化化学气相淀积常压化学气相淀积低压化学气相淀积等离子增强化学气相淀积气相外延法金属有机物化学气相淀积分子束外延物理气相淀积真空蒸发法光刻光刻胶溅射法正胶工艺负胶工艺曝光系统接触式曝光接近式曝光投影式曝光步进曝光机曝光源高压汞X 射线电子束曝光成像工艺单层光刻胶多层光刻胶防反射层偏轴照明环状照明平整化对比度提高刻蚀湿化学刻蚀干法刻蚀可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_剥脱 离子磨反应离子刻蚀法掺杂扩散开放式炉管 水平竖置封闭炉管快速热处理离子注入中高电流离子注入低能量高能量离子注人热处理加热加热盘 热对流 快速加热热辐射红外线加热4、4、1 电路设计电路设计就是产生芯片整个过程的第一步.1电路设计由布局、尺寸设计、设计电路上一块块的功能电路 图开头 ,例如 规律功能图 见下图 ,这个规律图设计了电路要求的主要功能与运算.简洁电路的规律功能设计图举例可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_(2) 接下来 ,设计人员将规律功能图转化为示意图 参见下图 ,示意图标示出了各种电路元件的数量与连接关系.每一个元件在图上由符号代表.附在示意图后的就是电路运行必需的电性能参数电路、电压、电阻等 .由元件符号组成的电路示意图举例(3) 第三步就是 电路版面 设计 , 它就是半导体集成电路所独有的.电路的工作运行与很多因素相关,包括材料电阻率 ,材料物理特性与元件的物理尺寸.另外的因素就是各个元件之间的相对定位关系.全部这些考虑因素打算了元件、器件、电路的物理布局与尺寸.线路图 设计开头于使用复杂尖端的运算机帮助设计系统CAD, 将每一个电路元件转化为具体的图形与尺寸.通过CAD 系统构造成电路 ,接下来将就是把最终的设计完全复制.得到的结果就是一张展现全部子层图形的复合叠加图,称此图为 复合图 .如下图所示.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_复合图类似于一座多层办公楼的设计图,从顶部俯视并展现全部楼层.但就是,复合图就是实际电路尺寸的很多倍 .制造集成电路与盖楼房同样需要一层层的建,因此必需将电路的复合图分解为每层的设计图.下图以一个简洁的金属氧化物栅极晶体管为例,图解了复合图形与分层图形.5层掩膜版栅极晶体管的复合图与分层图每层的图形就是数字化的数字化就是图形转换为数据库,并由运算机处理的x y 坐标的设计图.4、4、2 光刻母版与掩膜版可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_光刻工艺就是用于在晶圆表面上与内部产生需要的图形与尺寸.将数字化图形转到晶圆上需要一些加工步骤.在光刻制程中,预备光刻母版 reticle 就是其中一个步骤.光刻母版 就是在玻璃或石英板的镀薄膜铬层上生成分层设计电路图的 复制图 .光刻母版 可直接用于进行 光刻 ,也可以用来制造 掩膜版 .掩膜版 就是在玻璃底板表层镀铬. 在加工完成后 ,在掩膜版表面会掩盖很多电路图形的副本见下图 b .掩膜版就是用整个晶圆表面来形成图形.这里光刻母版与掩膜版的制作过程将在后面章节中叙述.下图说明白从电路设计到图形成型与晶圆之上的过程.光 刻母版与掩膜版由工厂单独的部门制造,或者从外部供应商购买.它向芯片生产部门按每种电路器件种类,供应一套光刻母版或掩膜版.(a) 在玻璃模版上镀铬;b有相同图形的光刻母版4、4、3 晶圆制造的例子可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_集成电路的生产从抛光硅片的下料开头. 下图的 截面图按次序,展现了制造一个简洁的 MOS 栅极硅晶体管结构 , 所需要的基础工艺.MOS栅极硅晶体管的工艺步骤每一步工艺生产的说明如下所示:第1步: 增层工艺 .对晶圆表面的氧化会形成一层爱护薄膜,它可作为掺杂的屏障.这层二氧化硅膜被称为场氧化层.第2步: 光刻工艺 .光刻制程在场氧化层上开凹孔,以定义晶体管的源极、栅极与漏极的特定位置.第3步: 增层工艺 . 接下来 ,晶圆将经过二氧化硅氧化反应加工.晶圆暴露的硅表面会生长一层氧化薄膜.它可作为栅极氧化层.第4步: 增层工艺 .在这一步 ,晶圆上沉积一层多晶硅作为栅极构造.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_第5步: 光刻工艺 .在氧化层多晶硅层按电路图形刻蚀两个开口,它们定义了晶体管的源极与漏极区域.第6步: 掺杂工艺 .这用于在源极与漏极区域形成N阱.第7步: 增层工艺 .在源极与漏极区域生长一层氧化膜.第8步: 光刻工艺 .分别在源极、 栅极与漏极区域刻蚀形成的孔,称为接触孔.第9步: 增层工艺 .在整个晶圆的表面沉积一层导电金属,该金属通常就是铝的合金.第10步: 光刻工艺 .把晶圆表面金属镀层在芯片与街区上的部分,依据电路图形除去. 金属膜剩下的部分将芯片的每个元件,精确无误的依据设计要求相互连接起来.第11步: 热处理工艺 .紧随金属刻蚀加工后,晶圆将在氮气环境下经受加热工艺.此步加工的目的就是使金属与源、漏、栅极进一步熔合以获得更好的电性接触连接.第12步: 增层工艺 .芯片器件上的最终一层就是爱护层 ,通常被称为防刮层或钝化层.它的用途就是使芯片表面的元件在电测 ,封装及使用时得到爱护.第13步: 光刻工艺. 在整个工艺加工序列的最终一步 ,就是将钝化层位于芯片周边金属引线垫上的部分刻蚀掉.这一步被称为引线垫掩膜 在图中没有列出 .这13步工艺流程 ,举例阐述了 4种最基本的工艺方法就是如何应用到制造一个具体的晶体管结构的.电路所需的其她元件 二极管、电阻器与电容 也同时在电路的不同区域上构成. 比如说 ,在这个工艺流程下 ,电阻的图形与晶体管源漏极图形同时被添加在晶圆上.随后的扩散工艺形成源极栅极与电阻.对于其她形式的晶体管,例如 ,双极型与硅晶栅极金属氧化物半导体 ,也同样就是由这 4种最基本的工艺方法加工而成的,不同的只就是所用材料与工艺流程.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_4、5 芯片的几个术语下图就是一个中等规模的金属氧化物半导体集成电路的显微照片.芯片的例子可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_该芯片的主要结构部件就是:(1) 双极型晶体管 ;(2) 电路的特定编号 ;(3) 压焊点 ;(4) 压焊点上的一小块污染物;(5) 金属导线 ;(6) 街区 芯片间的分割线 ;(7) 独立五连接的元件;(8) 掩膜版对准标记 ;(9) 电阻.4、6晶圆测试在晶圆制造完成之后 ,一特别重要的步骤就是测试.在测试过程中,每一个芯片的电性才能与电路功能都被检测到.晶圆测试也称为芯片测试.在测试时 ,晶圆被固定在真空吸力的卡盘上,并与很薄的探针电测器对准 ,同时探针与芯片的每一个焊接垫相接触见下图 .电测器在电源的驱动下测试电路并记录下结果.测试的数量、次序与类型由运算机程序掌握.测试机就是自动化的 ,所以在探针电测器与第一片晶圆对准后 人工对准或使用自动视觉系统 的测试工作无需操作员的帮助.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_晶圆测试测试就是可以实现以下三个目标.第一,在晶圆送到封装工厂之前,鉴别出合格的芯片.其次,对器件电路的电性参数进行特性评估.工程师们需要监测参数的分布状态来保持工艺的质量水平.第三 ,芯片的合格品与不良品的核算,会给晶圆生产人员供应全面的业绩反馈.晶圆测试就是主要的芯片良品率统计方法之一.随着芯片的面积增大与密度提高使得晶圆测试的费用越来越大.这样一来 ,芯片需要更长的测试时间,以及更加精密复杂的电 源、机械装置与运算机系统,来执行测试工作与监控测试结果.特殊就是 , 视觉检查系统也就是随着芯片尺寸扩大而更加精密与昂贵的.目前 ,测试的设计人员在探究如何将测试流程更加简化而有效 ,例如 ,同时进行多个芯片的测试.4、7 集成电路的封装在下图“集成电路的制造次序”中,绝大部分晶圆会被送到第4个制造阶段 封装.封装厂可能与晶圆厂在一起,或者远离晶圆厂. 很多半导体制造商将晶圆送到海外的工厂去封装.在封装过程中 ,晶圆被分成很多小芯片,合格的芯片被封装在一个爱护壳内.也有一些种类的芯片无需封装而直接合成到电子系统中.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_4、8 本章小结集成电路的制造次序可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_半导体制造过程周期长而且复杂,并且随着产品类型、集成等级、特点尺寸等的不同,而产生很多生产工艺的差异.本章将半导体的制造分成 4个阶段 ,即4个基本的工艺方法 ,实际的各种工艺将在后面的工艺原理章节里重点阐述.可编辑资料 - 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