硅微机械加工技术 IC 代工、平整化技术和SUMMIT 工艺.ppt

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1、微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明硅微机械加工技术 IC 代工、平整化技术和SUMMIT 工艺 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明本讲内容本讲内容MEMSFoundary和和ICFoundary简介简介平整化技术平整化技术化学化学-机械抛光机械抛光(CMP)玻璃旋涂玻璃旋涂(SOG)平整化平整化MEMSFoundry工艺工艺SUMMITIVandV微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明非标准非标准工艺设计过程工艺设计

2、过程1.新思想新思想/应用应用2.设计复杂的新结构设计复杂的新结构3.采用非标准工艺制造器件采用非标准工艺制造器件4.成功率低成功率低(i.e.,失效分析失效分析)好处好处:+发展新工艺发展新工艺+增加经验增加经验+提高技能提高技能难以向工业转化难以向工业转化实验初期低成功率实验初期低成功率(iterative)投资巨大投资巨大成本高成本高费时费时缺点缺点:微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明优点：优点：+要设计工艺要设计工艺+低投资低投资+便宜便宜/见效快见效快+容易转化成工业生产容易转化成工业生产缺点缺点:材料材料/工艺固定工艺固定减少灵活性减少灵活性限制应用限制应用材料的机械特性可能难以

3、控制材料的机械特性可能难以控制好好采用采用标准标准工具和工艺的设计过程工具和工艺的设计过程1.标准标准CAD工具工具2.采用采用标准标准单元设计布局单元设计布局3.采用采用标准标准工艺制造工艺制造(Foundry)4.高高成功率成功率微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明MEMSFoundry工艺工艺MUMPS-MultiUserMEMSProcessPolysiliconandPSG每每2个月可以进行一次工艺流水个月可以进行一次工艺流水(7周周fab)15片未释放的芯片约片未释放的芯片约3200美圆美圆(1cm1cm)商业价格约商业价格约4600美圆美圆HF释放释放($375),CO2($95

4、0),和划片和划片($250/$100)厚度厚度膜膜0.60mNitride0.50mPolysilicon2.00mSiO22.00mPolysilicon0.75mSiO21.50mPolysilicon0.50mMetal(Cr/Au)微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明集成电路集成电路Foundries需要多次注入和扩散以控制掺杂分布需要多次注入和扩散以控制掺杂分布(p和和n区区)热氧化热氧化,LPCVDpolysilicon,SiN,和和SiO2,和蒸发或溅射的金属膜和蒸发或溅射的金属膜CMOS微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明IC制造工艺制造工艺:NMOS定义有源区面积定义有源区

5、面积及晶体管放置的地方及晶体管放置的地方简单工艺ActiveArea微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明IC制造工艺制造工艺:NMOS定义栅氧化层和多晶硅栅定义栅氧化层和多晶硅栅决定决定MOS晶体管晶体管W/L比比多晶栅多晶栅源漏区源漏区微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明IC制造工艺制造工艺:NMOS开接触孔和金属化开接触孔和金属化实现互连实现互连接触孔接触孔金属金属微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明ICFoundries一览一览特征特征公司公司尺寸尺寸层层价格价格芯片芯片(mm2)AMIS0.50m3metal,2poly$1000/mm2for25 min=5mm2AMIS(“Tiny

6、”)1.50m2metal,2poly$980for52.22.2mm2Agilent0.35m4metal,1poly$1000/mm2for25 min=5mm2Peregrine0.50m3metal,2poly(SOS)$2000mm2for25 min=5mm2TSMC0.18m6metal,1poly$3200/mm2for25 min=7mm2TSMC0.25m5metal,1poly$1400/mm2for25 min=10mm2TSMC0.35m4metal,1-2poly$1240/mm2for25 min=7mm2微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明芯片表面拓朴芯片表面拓

7、朴形貌形貌表面起伏表面起伏经常是不希望的经常是不希望的减少了光刻的分辨率减少了光刻的分辨率限制了膜的数目限制了膜的数目微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明平整化平整化改进的平整化技术使得改进的平整化技术使得结构的分辨率更高结构的分辨率更高多层结构容易实现多层结构容易实现微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明3-D芯片增加了集成度芯片增加了集成度可以堆剁更多的层的能力可以堆剁更多的层的能力允许更高的集成度允许更高的集成度受热效应限制受热效应限制存储芯片垂直堆垛结构存储芯片垂直堆垛结构Polysilicon(暗暗)W(亮亮)微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明平整化技术平整化技术化学机械抛光化学机械

8、抛光(CMP)简单的机械研磨可以获得非常平整的表面简单的机械研磨可以获得非常平整的表面在玻璃上旋转涂覆在玻璃上旋转涂覆(SOG)采用低粘度溶剂样玻璃混合物旋涂在光滑表面采用低粘度溶剂样玻璃混合物旋涂在光滑表面上，可以退火烧成坚硬的薄膜上，可以退火烧成坚硬的薄膜微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明载体载体平板上的研磨垫平板上的研磨垫化学化学-机械抛光机械抛光控制控制:转速转速,压力压力观察观察研磨速率研磨速率,均匀性均匀性支撑支撑研磨垫研磨垫水水平板平板研浆研浆载体载体研浆研浆微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明抛光工艺抛光工艺研磨速率与材料硬度有关研磨速率与材料硬度有关平整化工艺避免了表面起伏

9、纹平整化工艺避免了表面起伏纹微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明局部和全局均匀性局部和全局均匀性影响均匀性的因素影响均匀性的因素腐蚀的几何结构腐蚀的几何结构材料硬度材料硬度CMP之前之前CMP之后之后微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明采用采用CMP平整化平整化MEMS平整化牺牲层可以保证得到平坦的多晶层平整化牺牲层可以保证得到平坦的多晶层CMP前前(未平整的未平整的Poly)CMP后后(完全平整化的完全平整化的Poly)微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明更平整的更平整的MEMS微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明玻璃悬涂玻璃悬涂(SOG)溶溶-凝胶凝胶固体和溶剂的混合物固体和溶剂的混合物加

10、入更多的溶剂可以减少粘度加入更多的溶剂可以减少粘度SOG具有介于具有介于SiO2和有机物或和有机物或“线性线性”硅炀烷聚硅炀烷聚合物之间的分子结构合物之间的分子结构取决于致密程度取决于致密程度优点优点纯度好纯度好,低温工艺低温工艺平整平整,高绝缘强度高绝缘强度可以用于集成电路工艺可以用于集成电路工艺可以掺杂或不掺杂可以掺杂或不掺杂微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明SOG平整化和注模平整化和注模固体衬底固体衬底/模模SOG涂覆涂覆/平整化平整化去模去模微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明平整化平整化MEMS:SUMMITIVSandia超平整多层超平整多层MEMS技术技术(SUMMIT)4-层

11、多晶硅和层多晶硅和SiO2(平整平整)$10,000提供提供100芯片芯片6.3mm2.8mm(未释放未释放)微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明平整化平整化MEMS:SUMMITIV5-层多晶和平整的层多晶和平整的SiO2可用于产生更复杂的可用于产生更复杂的MEMS微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明Summit和和MUMPS比较比较MUMPS的优点的优点比较成熟比较成熟周转时间快周转时间快相对便宜相对便宜Summit的优点的优点可以有额外多晶层可以有额外多晶层平整平整微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明MEMS和和IC的结合的结合先做先做IC先做先做MEMS混合在一起混合在一起微机械加工技

12、术微机械加工技术秦明秦明早期例子早期例子1984(R.Howe)MEMS梳状驱动和梳状驱动和NMOSIC放大放大微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明ICMEMSIC完成后做完成后做MEMS由于多晶淀积温度高，要求采用其他金属由于多晶淀积温度高，要求采用其他金属W引线引线微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明MEMSICMEMS必须能耐高温处理必须能耐高温处理Polysilicon结构比较理想结构比较理想微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明MEMSExchangehttp:/www.mems-exchange.org/TheMEMSExchanges组成一个虚拟的组成一个虚拟的fabFab中心的网络允许用户远程选择工艺流程和在线检测（美国）中心的网络允许用户远程选择工艺流程和在线检测（美国）针对美国商业、学校和政府实验室针对美国商业、学校和政府实验室微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明MEMSExchangeProcessRun微机械加工技术微机械加工技术秦明秦明RemoteMicroscopeScreenShot