芯片制造基础知识.ppt

芯片制造流程 基本过程 晶园制作WaferCreation芯片制作ChipCreation后封装ChipPackaging 第1部分晶园制作 1 1多晶生成 PolySiliconCreation1目前半导体制程所使用的主要原料就是晶园 Wafer 它的主要成分为硅 Si 富含硅的物质非常普遍 就是沙子 Sand 它的主要成分为二氧化硅 SiO2 沙子经过初步的提炼 获得具有一定纯度的硅 再经过一些步骤提高硅的纯度 半导体制程所使用的硅需要非常高的纯度 接着就是生成多晶硅 PolySilicon PolySiliconCreation2采用一种叫做Trichlorosilane的物质 SiHCl3 作为溶剂 氢气作为反应环境 在钽 tantalum 电热探针指引下 经过初步提炼的硅形成晶体 这种过程需要多次 中途还会用到氢氟酸 HF 这样剧毒的化学药品 硅的纯度也随着这个过程而进一步被提高 最后生成多晶硅的硅锭 PolySiliconCreation3 1 2单晶制作 CrystalPulling1多晶硅硅锭中晶体的晶向是杂乱无章的 如果使用它来制作半导体器件 其电学特性将非常糟糕 所以必须把多晶硅制作成单晶硅 这个过程可以形象地称作拉单晶 CrystalPulling 将高纯度的多晶硅碾碎 放入石英坩埚 加高温到1400 C 注意反应的环境是高纯度的惰性气体氩 Ar 精确的控制温度 单晶硅就随着晶种被拉出来了 单晶分类 单晶分为直拉单晶和区熔单晶两种直拉单晶由多晶碎料在石英锅内融化后由子晶拉制而成 集成电路用得芯片多由这种方法拉制的单晶加工而成 区熔单晶由多晶棒悬空 经过电圈加热至融化状态 接触子晶而形成单晶 这种单晶特点电阻高 纯度高 多用于IGBT等放大电路 CrystalPulling2 CrystalPulling3 制作完毕的单晶硅按照半径的大小来区分 目前正在使用的有 150mm 6 200mm 8 300mm 12 正在发展的有 400mm 16 1 3晶园切片 WaferSlicing单晶硅具有统一的晶向 在把单晶硅切割成单个晶园 Wafer 的时候 首先要在单晶硅锭上做个记号来标识这个晶向 通常标识该晶向的记号就是所谓Flat或者Notch 平边 凹槽 6 Wafer6 的晶园通常采用所谓 平边 的方法来标识晶向 8 Wafer8 的晶园采用Notch 12 16 Wafer采用Notch 为什么呢 猜想 1 4晶园抛光 Lapping Polishing切片结束之后 真正成型的晶园诞生 此时需要对晶园的表面进行一些处理 抛光 主要的步骤有以下几步 机械研磨 使用氧化铝颗粒 蚀刻清洗 使用硝酸 醋酸 氢氧化钠 Wafer抛光 化学机械研磨 使用硅土粉 表面清洗 氨水 过氧化氢 去离子水 1 5晶园外延生长 WaferEpitaxialProcessing经过抛光 晶园表面变得非常平整 但是这个时候还不能交付使用 半导体工业使用的晶园并不是纯粹的硅晶园 而是经过掺杂了的N型或者P型硅晶园 这是一套非常复杂的工艺 用到很多不同种类的化学药品 做完这一步 晶园才可以交付到半导体芯片制作工厂 第2部分芯片制作 2 1氧化层生长 OxidationLayering氧化层生长就是在晶园表面生长出一层二氧化硅 这个反应需要在1000 C左右的高纯氧气环境中进行 2 2有关Photo 什么是Photo 所谓Photo就是照相 将光罩的图形传送到晶园上面去 Photo的机器成本在半导制程中 Photo是非常重要的一个环节 从整个半导体芯片制造工厂的机器成本来看 有近一半都来自Photo Photo是半导体制程最主要的瓶颈Photo制约了半导体器件 线宽 光罩制作MaskCreationPhoto的工作和照相类似 它所使用的 底片 就是光罩 即Mask 通常也被称为Reticle 光罩就是一块玻璃板 上面由铬 Cr 组成图形 例如线条 孔等等 制作光罩需要用到LaserWriter或者E beam这样的机器 非常昂贵 这一部分不算入Photo的机台成本 一般需要专门的光罩厂来制作 光罩上的图形信息由CAD直接给出 这些CAD的信息 即半导体芯片的设计 由DesignHouse提供 2 3Photo的具体步骤 光刻胶涂布PhotoResistCoating曝光Stepper ScannerExposure显影和烘烤Develop Bake 光阻涂布PhotoResistCoating在Photo 晶园的第一部操作就是涂光阻 光阻是台湾的翻译方法 大陆这边通常翻译成光刻胶 光阻涂布的机台叫做Track 由TEL公司提供 光阻涂布的是否均匀直接影响到将来线宽的稳定性 光阻分为两种 正光阻和负光阻 一般而言通常使用正光阻 只有少数层次采用负光阻 曝光Exposure曝光动作的目的是将光罩上的图形传送到晶园上 0 13um 0 18um就是这样做出来的 曝光所采用的机台有两种 Stepper和Scanner 左图是当今市场占有率最高的ASML曝光机 Stepper和Scanner的区别步进式和扫描式按照所使用光源来区分曝光机g Line436nmh Line405nmi Line365nmKrF248nmArF193nmX Ray MaybeNotUse 显影和烘烤Develop Bake曝光完毕之后 晶园送回Track进行显影 洗掉被曝过光的光阻 然后再进行烘烤 使没有被洗掉的光阻变得比较坚硬而不至于在下一步蚀刻的时候被破坏掉 2 4酸蚀刻 AcidEtch将没有被光阻覆盖的薄膜腐蚀掉 是酸蚀刻的主要任务 蚀刻完毕之后 再将光阻洗去 酸蚀刻要使用到多种酸剂 例如 腐蚀SiO2需要用氢氟酸 剧毒无比的东东 去除光阻需要用到硫酸 2 5清洗甩干 SpinRinseDry晶园本质上是一种类似于玻璃的东西 很脆 易碎 任何碰撞都将导致晶园碎裂 所以在半导体厂使用真空吸盘来抓取晶园 但是即便如此 在防止了晶园碎裂导致的细小颗粒之后 仍然必须对晶园做经常性的清洗 以防止细小颗粒残留在晶园的表面上 几乎在每一步的操作后 都需要对晶园进行清洗 清洗晶园采用的物质通常是 DIWater 去离子水 用于清洗 高纯度的氮气 用于吹干晶园 2 6等离子体浴 Ashing等离子体浴通常在蚀刻之后去除残留在晶园表面的光阻 对于不同层次的光阻移除 采用的等离子体是不一样的 例如 硅 硅化物 金属导线等等 另外 在去除光阻止后 通常还需要有一步清洗 以保证晶园表面的洁净度 2 7金属蚀刻 MetalEtch金属蚀刻用于制作芯片中的金属导线 导线的形状由Photo制作出来 这部分工作也使用等离子体完成 2 8薄膜生长 金属沉积MetalDeposition铜制程沉积CopperDeposition化学气相沉积ChemicalVaporDeposition MetalDeposition一般来说 采用PhysicalVaporDeposition PVD 物理气相沉积 的方法制作金属薄膜 这里面的金属薄膜包括 Aluminum 铝 Gold 金 andTungsten 钨 金属层用于在半导体元器件中制造通路 当然 离不开Photo的配合 CopperDeposition通常 半导体器件中的导线采用的是铝 铜导线比铝导线具有更多的优越性 铜导线电阻比铝导线小40 这样采用铜导线的器件要快15 铜导线不易因为ESD而导致器件破坏 它能够承受更强的电流 采用铜导线的困难 当铜和硅接触的时候 会在硅中发生非常快速的扩散 这种扩散还将改变制作在硅上面半导体三极管的电学特性 导致三极管失效 IBM最终克服了这些困难 Damascene 采用先做绝缘层 再做铜导线层的方法解决扩散问题 在制作铜导线层的时候 IBM采用一种铜的多晶体 进一步限制铜在硅中的扩散 ChemicalVaporDeposition化学气相沉积 CVD 和PVD相比较 主要是在沉寂薄膜的时候还伴随着化学反应的发生 针对不同的薄膜 要采用不同的化学物质来做化学气相沉积 2 9离子注入 IonImplant和前述的制程不一样 离子注入不制作出新的层次 它仅仅改变晶园上某个区域的电学特性 变为P型或者N型半导体 离子注入制造PN结 半导体中最基本的单位 改善三极管集电极和发射极之间的导通性 2 10总览制作过程 芯片是一层一层做出来的 元器件 导线 连接孔 第3部分后封装 3 1电性测试 ProbeTest电性测试半导体芯片制作工厂交付使用的产品是晶园本身 在出货之前 需要对晶园上的每一个芯片做电性测试 良率通常晶园上的芯片不会每一个都是可以工作的 测量所得的 可用芯片数 总芯片数 之值就是所谓 良率 Yield 通常只有良率达到一定值时才可以出货 由于这种测试使用探针 所以又被称为ProbeTest 探针测试 IntroductionoftheSemiconductorPackagesandAssembly AssemblyProcesses 2 3 2晶园切割 WaferDieCut在晶园电性测试之后 出货到封装厂 后封装的工作真正开始 封装厂会将晶园切割成一个个小的芯片 由于在晶园上留给封装厂切割的空间只有80um 所以这也是一项非常精细的工作 然后需要把电性不良的芯片排除在外 3 3引线 WireBonding接着 封装厂会在切割下来的芯片上焊接上引线 这种引线的直径大约在人头发的1 3 约30um左右 引线接在芯片设计时留出的接线管脚上 任何引线之间的连接 Bridge 都将是致命的 引线制作 3 4封装 Packaging晶园切割 引线之后就是封装 封装之后 我们就见到了真正产品 芯片 TheEndThanks Logic Generic HighVoltage 0 18um1P6M 0 18um1P6M 0 35um2P3M 0 18um2P4M MixedSignal BiCMOS 0 35um2P3M 0 25um1P5M SMICTJFAB7MajorTechnologyOfferings 0 16 0 15um1P6M AvailableTechnologies DRAM FLASH 0 16um4P3M 0 16um1P6M 0 18um2P3M 0 15umProcesspresentation ZEROMARK WAFERSTART RSCHECK Ptype8 12ohm cm STARTOX 350A 1100oC WAFERMARK Photoalign 1 Padoxide 降低Si Nitride之间的应力 110 10A 920oC45mindryO22 NitrideDEP STICMP的阻挡层 厚度由photo决定 1625A 760oC INITIALOXIDE NITRIDEDEP SiONDEP320AAAMASKAAetchSiN Ox Sietch 3800A 80degree PRSTRIPH2SO4 H2O2 SPM organiccompoundremoval AEI 0 24 0 025 ADI 0 23 0 02 STIETCH STIETCHIMAGE LinerOXSTEP 1 SPM HFSTEP 2 APM HPM Sipaticle metalion 1000C DRYOX 150 15A HDPGapFillHDPCVDOX6100A trenchdepth 1 1 HDPCVDOXRTA减少缺陷1000C 20sec N2 HDPDEPOSITION As DepositedHDPGapfillSTI TheARreticlealgorithmisdefinedsuchthatARactive 0 80umwillbeopenduringARmaskbutwith0 20umdownsizeoneachsideoftheactive AsARresistopensattheHDPoxideslope ahighARetchSiN SiO2selectivity 10 1 isneededtopreventanySiNgouge ReversePhoto AR Etch OxCMPforSTICMPEquipment1 Mirra3padtwohardpadandonesoftpad STICMP 2 Lambelt ILDCMP 3 EbaratwoPAD onepadforWCMP otherpadforoxbuffer WCMP STICMP TheSTIoxideCMPprocessstopsatSiNwithsomeSiNloss WithARmaskandSTIoxideCMP theHDPoxidecanbeplanarizedbeforeSiNisremoved PostSTICMPimage NitrideremovalPadOxideRemoveSACOXFunction 1 避免光阻和Si表面直接接触 造成污染2 避免在离子注入时 产生穿隧效应 使dopantprofile得到较好的控制 NITRIDEREMOVAL P WellPhoto CoreandI O Implant PWELLIMP transistor NCHANNELIMP 防止穿通 也可以调整Vt N VTIMP 调整Vt PWELL Npthru N VT P WELL N WellPhoto CoreandI O Implant NWELLIMP transistor PCHANNELIMP 防止穿通 也可以调整Vt VTPIMP 调整Vt ResistStripIMPLANTDAMAGEANNEALSTDCLEAN1000C 10sec N WELL GATEOX SACOXIDEREMOVE50 1HFGATE1 OXSTEP 1 SPM HFSTEP 2 APM HPM800C 58A WETDUALGATEOXIDEPHOTOGATEOXIDEETCH CRS130 1 7BOE H2SO4 H2O2GATE2OXStep 1 SPMStep 1 APM HPM750C WET23A Final70A P1DEPSiONDEP320AHMCOATINGPEOX150APolyPHOTOADI0 17 0 017HMDRYETCHASHERANDWETSTRIPHF100 1 H2SO4 H2O2PolyETCHAEI0 15 0 015POLYWETSTRIPHF100 1 H2SO4 H2O2SIONREMOVE50 1HF H3PO4PolyRe Oxidation1015C 21ARTO P1DEP LDD1 NLLPhotoImplant PocketimplantIn3 0E13 130K T30R445NLDDimplantAs1 1E15 003K T0ResistorstripPLLPhotoPocketimplantAs2 9E13 130K T30R445PLDDimplantBF21 6E14 4K T0Resistorstrip N Well P Well N N P P LDD2 for3 3VMOS PLHPhotoLDDimplant 3 3V 1 8V F2 50E14 005K T0ResiststripLDDRTA950C 10sNLHPhotoLDD1ImplantAs3 00E13 050K T00LDD2ImplantP5 00E13 030K T00Resiststrip NITRIDESPACER NitrideSpacer CleanLINING150TEOS700C 150A 15A SiNSPACERSiN300A 30A COMPOSITESPACERTEOS1000A 100A SPACERETCH300ASN 1000ATEOSClean OxideStripH2SO4 H2O2 HF100 1 1min N P N SNPhotoN implant1A5 50E15 060K T00N implant2P1 50W14 035K T00ResistStripP SPPhotoP Implant1B3 50E15 005K T00P Implant2B3 00E13 015K T00ResistStrip SALICIDEBLOCK STDCleanSABDeposistionCAPOX 350 30AS DRTAAnnealing1020C 20sec N2SABPhotoSalicideBlockEtchdry WETETCHResistStrip CoSALICIDE Pre COSalisideDip 100 1HF1min SalicideDeposition Co75A TiN200A Salicide1stRTA 530oC30secN2 SalicideSelectiveEtch sc1 m2 Salicide2ndRTA 850oC30secN2 SalicideTransistor INTERLAYERDIELECTRIC PE SION400ADEPBPTEOSDeposition1500ABPSGFLOW620C30minCRCLEANPETEOSdeposition8500AOxCMPforILD 6500A CRCLEAN N Well P Well N 1 5k SABPSG 8 5k PETEOS 400 SION CONTACTETCH PE SION600ADEPARCCTPhotoContactetchAsherResistStrip W PLUG CONTGLUELAYERETCH100 IMP TI100 CVD TIN50Silicideannealing 690 C 60s 3000 300 WCVDDEPWCMPforIMD CT ContactFormation METAL1DEPOSITION MET1GLUE 200Ti 250TiN MET1AL 3000AlCu 50Ti 300TiN METAL1ETCH InorganicBARCSIONDEPM1PhotoMetaletchResistStrip DR L S 0 23 0 23 HDPOXIDEFORIMD1 5k HDPUSG 11 5k PETEOSdep HDPOxideGapfillCapability 0 18 mMetal5atDR 0 28 0 28 VIA1PHOTO ETCH Via1PhotoViaetchAsherResistStrip W PLUG VIAGLUELAYERETCH180 100Ti 50TiN IMP CVD 3000 300 WCVDWCMPforIMD Met1 N Well P Well N 100 Ti 50 TiN ViaFormation METAL2 DEP ETCH MET2GLUE 200Ti 250TiN MET2AL 4000AlCu 50Ti 300TiN InorganicBARCSIONDEP320A 32M2PhotoMetaletchResistStrip DR L S 0 28 0 28 VIA2 DEP ETCH 6k HDPUSG 11 5k PETEOSdepOxCMPforIMDPE SiON600AVia2PhotoViaetchResistStrip METAL3DEP ETCH W PLUG VIAGLUELAYERETCH130 160Ti 70TiN IMP CVD 3 3k WCVDWCMPforIMD MET3GLUE 200Ti 250TiN MET3AL 8000AlCu 50Ti 600TiN InorganicBARCSIONDEP320A 32M3PhotoMetaletchResistStrip DR 0 28 0 28 VIA3 DEP ETCH 6k HDPUSG 11 5k PETEOSdepOxCMPforIMDPE SiON600AVia3PhotoViaetchResistStrip DR 0 26 0 26 METAL4DEP ETCH W PLUG MET4GLUE 200Ti 250TiN MET4AL 4000AlCu 50Ti 600TiN InorganicBARCSIONDEP320A 32M4PhotoMetaletchResistStrip VIAGLUELAYERETCH130 160Ti 70TiN IMP CVD 3 3k WCVDWCMPforIMD DR 0 28 0 28 VIA4 DEP ETCH 6k HDPUSG 11 5k PETEOSdepOxCMPforIMDPE SiON600AVia4PhotoViaetchResistStrip Met1 N Well P Well P P N N Met2 Met3 Met4 DR 0 26 0 26 METAL5 DEP ETCH W PLUG MET5GLUE 200Ti 250TiN MET5AL 4000AlCu 50Ti 600TiN InorganicBARCSIONDEP320A 32M5PhotoMetaletchResistStrip VIAGLUELAYERETCH130 160Ti 70TiN IMP CVD 3 3k WCVDWCMPforIMD DR 0 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