(完整版)第1章微细加工与MEMS技术引论课件.ppt

1、Microelectronic Fabrication&MEMS Technology1 Microelectronic Fabrication&MEMS Technology2教材：教材：微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术，Stephen A.Campbell，电子工业出版社电子工业出版社主要参考书：主要参考书：微细加工技术微细加工技术，蒋欣荣，电子工业出版社，蒋欣荣，电子工业出版社 VLSI Technology,S.M.Sze半导体制造技术半导体制造技术，Michael Quirk,Julian Serda，电子工电子工业出版社业出版社Microelectronic

2、 Fabrication&MEMS Technology3 微细加工技术的涉及面极广，具有微细加工技术的涉及面极广，具有 的性质，其的性质，其发展将依赖于基础材料、器件物理、工艺原理、精密光学、电发展将依赖于基础材料、器件物理、工艺原理、精密光学、电子光学、离子光学、化学、计算机技术、超净和超纯技术、真子光学、离子光学、化学、计算机技术、超净和超纯技术、真空技术、自动控制、精密机械、冶金化工等方面的成果。空技术、自动控制、精密机械、冶金化工等方面的成果。微细加工技术的应用十分广泛，主要应用于微电子器件、微细加工技术的应用十分广泛，主要应用于微电子器件、集成电路以及微机电系统（集成电路以及微机电

3、系统（MEMS）的制造。的制造。加工尺度：亚毫米加工尺度：亚毫米 纳米量级。纳米量级。加工单位：微米加工单位：微米 原子或分子线度量级（原子或分子线度量级（1010 m）。）。第第 1 1 章章 引论引论Microelectronic Fabrication&MEMS Technology4第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机：ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）1946年年2月月14日日Moore School，Univ.of Pennsylvania19,000个真空管组成个真空管组成大小：长大小：长24m，宽，宽6

4、m，高，高2.5m速度：速度：5000次次/sec；重量：；重量：50吨；吨；功率：功率：140KW；平均无故障运行时间：平均无故障运行时间：7min Microelectronic Fabrication&MEMS Technology51947年年12月月23日第一个晶体管，日第一个晶体管，NPN Ge晶体管。晶体管。W.Schokley，J.Bardeen，W.Brattain晶体管的剖面图晶体管的剖面图晶体管的剖面图晶体管的剖面图特点：体特点：体积小，无积小，无真空，可真空，可靠，重量靠，重量轻等。轻等。Microelectronic Fabrication&MEMS Technolo

5、gy6Microelectronic Fabrication&MEMS Technology71958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器件（两个晶体管、个器件（两个晶体管、两个电容和八个电阻），两个电容和八个电阻），Ge晶片晶片Ti公司公司Jack Kilby（杰克（杰克.基尔比）基尔比）Microelectronic Fabrication&MEMS Technology8Robert Noyce(罗伯特罗伯特.诺依斯诺依斯)1959年年 美国仙童美国仙童/飞兆公司（飞兆公司（Fairchild Semiconductor）的的R.Noicy（罗伯特（罗

6、伯特.诺依斯）开发出用于诺依斯）开发出用于IC的的Si平面工艺平面工艺技术，从而推动了技术，从而推动了IC制造业的大发展。制造业的大发展。1960年仙童公司制造的年仙童公司制造的IC Microelectronic Fabrication&MEMS Technology9半导体产业发展史上的几个里程碑半导体产业发展史上的几个里程碑v 1962年年Wanlass和和C.T.Sah CMOS技术技术 现在集成电路产业中占现在集成电路产业中占95%以上。以上。v 1967年年Kahng和和S.Sze 非挥发存储器非挥发存储器v 1968年年Dennard（登纳德）（登纳德）单晶体管单晶体管DRAMv

7、 1971年年Intel公司微处理器公司微处理器计算机的心脏计算机的心脏第一个微处理器第一个微处理器4004。4004规格为规格为1/8英寸英寸 x 1/16英寸，仅英寸，仅包含包含2000多个晶体管，采用英特尔多个晶体管，采用英特尔10微米微米PMOS技术生产。技术生产。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology10 58年，锗年，锗 IC 59年，硅年，硅 IC 61年，年，SSI（10 100 个元件个元件/芯片），芯片），RTL 62年，年，MOS IC，TTL，ECL 63年，年，CMOS IC 64年，线性年，线性 IC Microele

8、ctronic Fabrication&MEMS Technology11 65年，年，MSI（100 3000个元件个元件/芯片）芯片）69年，年，CCD 70年，年，LSI（3000 10万个元件万个元件/芯片），芯片），1K DRAM 71年，年，8位位 MPU IC，4004 72年，年，4K DRAM，I2L IC 77年，年，VLSI（10万万 300万个元件万个元件/芯片），芯片），64K DRAM，16位位 MPU 80年，年，256K DRAM，2 m 84年，年，1M DRAM，1 m 85年，年，32 位位 MPU，M 68020 Microelectronic Fabr

9、ication&MEMS Technology12 86年，年，ULSI（300万万 10亿个元件亿个元件/芯片），芯片），4 M DRAM(8106,91 mm2,0.8 m,150 mm)，于于 89 年开始商业化生产，年开始商业化生产，95 年达到生产顶峰。主要工年达到生产顶峰。主要工 艺技术：艺技术：g 线（线（436 nm）步进光刻机、步进光刻机、1:10 投影曝光、投影曝光、负负性性胶胶 正性胶、各向异性干法腐蚀、正性胶、各向异性干法腐蚀、LOCOS 元件元件 隔离技术、隔离技术、LDD 结构、浅结注入、薄栅绝缘层、多晶结构、浅结注入、薄栅绝缘层、多晶 硅或难熔金属硅化物、多层薄膜

10、工艺等。硅或难熔金属硅化物、多层薄膜工艺等。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology13 88年，年，16 M DRAM（3107,135 mm2,0.5 m,200 mm），），于于 92 年开始商业化生产，年开始商业化生产，97 年达到生产顶峰。主要年达到生产顶峰。主要 工艺技术：工艺技术：i 线（线（365 nm）步进光刻机、选择步进光刻机、选择 CVD 工艺、工艺、多晶硅化物、难熔金属硅化物多层布线、接触埋入、多晶硅化物、难熔金属硅化物多层布线、接触埋入、化学机械抛光（化学机械抛光（CMP）工艺等。工艺等。Microelectronic F

11、abrication&MEMS Technology14 91年，年，64 M DRAM（1.4108,198 mm2,0.35 m,200 mm），），于于 94 年开始商业化生产，年开始商业化生产，99 年达到生产顶峰。主要年达到生产顶峰。主要 工艺技术：工艺技术：i 线步进光刻机、相移掩模技术、低温平线步进光刻机、相移掩模技术、低温平 面化工艺、全干法低损伤刻蚀、加大存储电容工艺、面化工艺、全干法低损伤刻蚀、加大存储电容工艺、增强型隔离、增强型隔离、RTP/RTA工艺、高性能浅结、工艺、高性能浅结、CMP 工艺、生产现场粒子监控工艺等。工艺、生产现场粒子监控工艺等。Microelectr

12、onic Fabrication&MEMS Technology15 92年，年，256 M DRAM（5.6108,400 mm2,0.25 m,200 mm），），于于 98 年开始商业化生产，年开始商业化生产，2002 年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。主要工艺技术：准分子激光（主要工艺技术：准分子激光（248 nm）步进光刻机、步进光刻机、相移掩模技术、无机真空兼容全干法光刻胶、相移掩模技术、无机真空兼容全干法光刻胶、10亿个元件亿个元件/芯片），芯片），1 G DRAM（2.2109,700 mm2,0.18 m,200 mm），），2000 年开始商业化生产，年开始商业化生产，200

13、4 年达到生产顶峰。年达到生产顶峰。主要工艺技术：主要工艺技术：X 射线光刻机、超浅结（射线光刻机、超浅结（0.05 m）、）、高介电常数铁电介质工艺、高介电常数铁电介质工艺、SiC 异异质结工艺、现场质结工艺、现场 真空连接工艺、实时控制工艺的全面自动化等。真空连接工艺、实时控制工艺的全面自动化等。97年，年，4 G DRAM（8.8109,986 mm2,0.13 m,300 mm），），2003 年进入商业化生产。年进入商业化生产。02年，年，2 G、0.13 m，（，（商业化生产）商业化生产）04年，年，4 G、0.09 m，（，（商业化生产）商业化生产）06年，年，8 G、0.056

14、 m，（，（商业化生产）商业化生产）Microelectronic Fabrication&MEMS Technology17Intel,Pentium III45nm CPU,AMDMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology18 集成电路工业发展的一个重要规律即所谓集成电路工业发展的一个重要规律即所谓。Intel 公司的创始人之一公司的创始人之一戈登戈登摩尔摩尔先生在先生在 1965 年年 4月月19日日发表于发表于电子学杂志电子学杂志上的文章中提出，集成电路的能力将上的文章中提出，集成电路的能力将每年翻一番。每年翻一番。1975 年，他对此提法做

15、了修正，称集成电路的年，他对此提法做了修正，称集成电路的能力将每两年翻一番。能力将每两年翻一番。摩尔定律最近的表述：在价格不变的情况下，摩尔定律最近的表述：在价格不变的情况下，Microelectronic Fabrication&MEMS Technology19关键尺寸关键尺寸(CD)的发展的发展Microelectronic Fabrication&MEMS Technology201971年，年，Intel的第一个微处理器的第一个微处理器4004：10微米工艺，仅包含微米工艺，仅包含2300多只晶体管；多只晶体管；2010年，年，Intel的最新微处理器的最新微处理器Core i7：3

16、2纳米工艺，包含近纳米工艺，包含近20亿只晶体管。亿只晶体管。晶体管集成数量的发展晶体管集成数量的发展Microelectronic Fabrication&MEMS Technology21p 据报道，英特尔将于据报道，英特尔将于2011年底推年底推出采用出采用22 nm工艺的工艺的MPU，包含近，包含近290亿只晶体管；亿只晶体管；p 英特尔英特尔预计建设、装备预计建设、装备22nm工艺工艺工厂的资本支出将增加到工厂的资本支出将增加到90亿美元；亿美元；p 英特尔将联合三星、东芝等厂商英特尔将联合三星、东芝等厂商进行进行10nm制造工艺研发，在制造工艺研发，在2016年年之前三大巨头将会升

17、级到之前三大巨头将会升级到10nm级别级别制造工艺。制造工艺。晶体管集成数量的发展晶体管集成数量的发展22nm 测试芯片测试芯片-intelMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology22 60年：年：0.5 英寸，英寸，65年：年：1 英寸，英寸，70年：年：2 英寸，英寸，75年：年：3 英寸，英寸，80年：年：4 英寸，英寸，90年：年：6 英寸，英寸，95年：年：8 英寸（英寸（200 mm），），2000年：年：12 英寸（英寸（300 mm）。）。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology2320

18、00年年1992年年1987年年1981年年1975年年1965 年年 50mm 100mm 125mm 150mm 200mm 300mm 450mm 2吋吋 4吋吋 5吋吋 6吋吋 8吋吋 12吋吋 18吋吋2008年年硅片尺寸（Wafer Size）的发展Microelectronic Fabrication&MEMS Technology24美国美国 1997 2012 年半导体技术发展规划年半导体技术发展规划 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012比特比特/芯片芯片256M1 G4 G 16 G 64 G256 G特征尺寸特征尺寸（m）0.250.180

19、.150.130.10.070.05晶片直径晶片直径（mm）200300300300300450450 目标：集成度目标：集成度 、可靠性、可靠性 、速度、速度 、功耗、功耗 、成本、成本 努力方向：线宽努力方向：线宽 、晶片直径、晶片直径 、设计技术、设计技术 Microelectronic Fabrication&MEMS Technology25 可以看出，专家们认为，可以看出，专家们认为，即集成度每即集成度每 3 年乘以年乘以 4，而线宽则是每，而线宽则是每 6年下降一半。年下降一半。目前硅器件与集成电路占了目前硅器件与集成电路占了 2000多亿美元的多亿美元的半导体市场的半导体市场的

20、 95%以上。以上。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology26摩尔定律的问题：摩尔定律的问题：特征尺寸的缩小已经接近原子量级，量子效应越来越明显。特征尺寸的缩小已经接近原子量级，量子效应越来越明显。芯片功耗。由于越来越多的器件集成在更小的面积内，单位芯片功耗。由于越来越多的器件集成在更小的面积内，单位面积的热量也成倍增加。面积的热量也成倍增加。电流泄漏、热噪。电流泄漏、热噪。The Moores Law摩尔定律摩尔定律Microelectronic Fabrication&MEMS Technology27ITRS国际半导体技术蓝图国际半导体技术

21、蓝图融合融合SiP3D集成集成Microelectronic Fabrication&MEMS Technology28“More Moore”芯片特征尺寸的不断缩小。芯片特征尺寸的不断缩小。l 从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和从几何学角度指的是为了提高密度、性能和可靠性在晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸的继续缩小垂直方向上的特征尺寸的继续缩小l 与此关联的与此关联的3D结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用来影响晶圆的电性能。响晶圆的电性能。More MooreMicroelectronic Fabrication&MEMS

22、 Technology29More MooreHigh-K材料：材料：高介电常数，取代高介电常数，取代SiO2作栅介质，降低漏电。作栅介质，降低漏电。High-K材料相对介电常数为材料相对介电常数为25左右，甚至可以到左右，甚至可以到37。Low-K 材料：材料：低介电常数，减少铜互连导线间的电容，提低介电常数，减少铜互连导线间的电容，提高信号速度。高信号速度。Low-K材料相对介电常数在材料相对介电常数在3左右。左右。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology3025 nm FINFET MOS transistorMicroelectronic

23、Fabrication&MEMS Technology31Microelectronic Fabrication&MEMS Technology32ITRS国际半导体技术蓝图国际半导体技术蓝图Microelectronic Fabrication&MEMS Technology33 功能多样化的功能多样化的“More Than Moore”指的是用各种方法给最终用户提供附指的是用各种方法给最终用户提供附加价值，不一定要缩小特征尺寸，如从系统组件级向加价值，不一定要缩小特征尺寸，如从系统组件级向3D集成或精确的封装级集成或精确的封装级(SiP)或芯片级或芯片级(SoC)转移。转移。More Th

24、an MooreMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology34功率器件功率器件功率系统集成芯片功率系统集成芯片(Power SoC or SiP)Microelectronic Fabrication&MEMS Technology35 如热力学限制。由于热扰动的影响，数字逻辑系统的开关如热力学限制。由于热扰动的影响，数字逻辑系统的开关能量至少应满足能量至少应满足 ES 4kT=1.6510-20 J。当沟道长度为当沟道长度为 0.1 m 时，开关能量约为时，开关能量约为 510-18 J。在亚微米范围，从热力学的角度在亚微米范围，从热力学的角度暂时

25、不会遇到麻烦。又如加工尺度限制，显然原子尺寸是最小暂时不会遇到麻烦。又如加工尺度限制，显然原子尺寸是最小可加工单位，现在的最小加工单位通常大于这个数值。可加工单位，现在的最小加工单位通常大于这个数值。硅材料较低的迁移率将是影响硅材料较低的迁移率将是影响 IC 发展的一个重要障碍。发展的一个重要障碍。包括电路限制、测试限制、互连限制、管脚数量限制、散包括电路限制、测试限制、互连限制、管脚数量限制、散热限制、内部寄生耦合限制等。热限制、内部寄生耦合限制等。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology36 器件设计器件设计 封装测试封装测试电路设计电路设计材

26、料制备材料制备Microelectronic Fabrication&MEMS Technology371.Crystal Growth 单晶生长单晶生长2.Single Crystal Ingot 单晶硅锭单晶硅锭3.Crystal Trimming and Diameter Grind 单晶去头和单晶去头和径向研磨径向研磨4.Flat Grinding 定位边研磨定位边研磨5.Wafer Slicing 硅片切割硅片切割 6.Edge Rounding 倒角倒角 7.Lapping 粘片粘片 8.Wafer Etching 硅片刻蚀硅片刻蚀 9.Polishing 抛光抛光10.Wafer

27、 Inspection 硅片检查硅片检查SlurryPolishing tablePolishing headPolysiliconSeed crystalHeaterCrucible硅片制备硅片制备Microelectronic Fabrication&MEMS Technology3888 die200-mm wafer232 die300-mm waferMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology39Silicon substratedrainSilicon substrateTop protective layerMetal layerIns

28、ulation layersRecessed conductive layerConductive layerMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology40 图形的产生与转移（又称为光刻，包括曝光、图形的产生与转移（又称为光刻，包括曝光、显影、刻蚀等）显影、刻蚀等）掺杂（扩散、离子注入）、掺杂（扩散、离子注入）、薄膜制备（热氧化、蒸发、溅射、薄膜制备（热氧化、蒸发、溅射、CVD 等）等）芯片制造芯片制造Microelectronic Fabrication&MEMS Technology41Microelectronic Fabrication&ME

29、MS Technology42涂光刻涂光刻胶（正）胶（正）选择曝光选择曝光热热氧化氧化SiO2NMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology43去胶去胶掺杂掺杂显影（第显影（第 1 次图形转移）次图形转移）刻蚀（第刻蚀（第 2 次图形转移）次图形转移）NPMicroelectronic Fabrication&MEMS Technology44镀铝膜镀铝膜光刻铝电极光刻铝电极CVD 淀积淀积 SiO2 膜膜光刻接触孔光刻接触孔Microelectronic Fabrication&MEMS Technology45 衬底制备衬底制备 热氧化热氧化 隐埋

30、层光刻隐埋层光刻 隐埋隐埋层扩散层扩散 外延淀积外延淀积 热氧化热氧化 隔离光刻隔离光刻 隔隔离扩散离扩散 热氧化热氧化 基区光刻基区光刻 基区扩散基区扩散 再分布再分布及氧化及氧化 发射区光刻发射区光刻 （背面掺金）（背面掺金）发射区扩发射区扩散散 氧化氧化 接触孔光刻接触孔光刻 铝淀积铝淀积 反刻铝反刻铝 铝铝合金合金 淀积钝化层淀积钝化层 压焊区光刻压焊区光刻 中测中测Microelectronic Fabrication&MEMS Technology46 杂质选择原则：杂质固溶度大，以使集电极串联电阻降低；杂质选择原则：杂质固溶度大，以使集电极串联电阻降低；高温时在硅中的扩散系数要小

31、，以减小外延时埋层杂质上推到高温时在硅中的扩散系数要小，以减小外延时埋层杂质上推到外延层的距离；与硅衬底的晶格匹配好，以减小应力。最理想外延层的距离；与硅衬底的晶格匹配好，以减小应力。最理想的隐埋层杂质为的隐埋层杂质为 As。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology47 对于模拟电路，典型的外延层电阻率对于模拟电路，典型的外延层电阻率 epi=0.55 cm，厚度厚度 Tepi=7 17 m。对于数字电路，典型的外延层电阻率对于数字电路，典型的外延层电阻率 epi=0.2 .cm，厚度厚度Tepi=3 7 m；Microelectronic Fab

32、rication&MEMS Technology48 在硅衬底上形成孤立的外延层岛，实现各元件间的电绝缘。在硅衬底上形成孤立的外延层岛，实现各元件间的电绝缘。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology49 形成形成 NPN 管的基区及扩散电阻。管的基区及扩散电阻。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology50 包括集电极接触孔光刻与包括集电极接触孔光刻与 N+扩散，以减小接触电阻。扩散，以减小接触电阻。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology51Microele

33、ctronic Fabrication&MEMS Technology52 Microelectronic Fabrication&MEMS Technology53Microelectronic Fabrication&MEMS Technology54 可采用等离子增强化学汽相淀积（可采用等离子增强化学汽相淀积（PECVD）Si3N4 钝化膜，一般淀积温度钝化膜，一般淀积温度 300。（开压焊孔）（开压焊孔）从上述芯片制造工艺过程可以看到，共进行了从上述芯片制造工艺过程可以看到，共进行了 7 次光刻次光刻，需要需要 7 块掩膜版。典型的集成电路制造工艺需要块掩膜版。典型的集成电路制造工艺需

34、要 15 20 块不同块不同的掩膜版，某些的掩膜版，某些 BiCMOS 工艺更需要工艺更需要 28 块掩膜版。此外，还块掩膜版。此外，还要涉及到氧化、外延、离子注入或扩散、化学汽相淀积、金属要涉及到氧化、外延、离子注入或扩散、化学汽相淀积、金属化和钝化等工艺。掌握了这些工艺技术，就掌握了制造集成电化和钝化等工艺。掌握了这些工艺技术，就掌握了制造集成电路的基本技术。路的基本技术。Microelectronic Fabrication&MEMS Technology55SGD N 沟道硅栅沟道硅栅 MOSFET 剖面图剖面图PNNMicroelectronic Fabrication&MEMS T

35、echnology56 CMOS 结构剖面图结构剖面图Microelectronic Fabrication&MEMS Technology57CMOS工艺工艺流程流程中的中的主要主要制造制造步骤步骤Oxidation(Field oxide)Silicon substrateSilicon dioxideoxygenPhotoresistDevelopoxidePhotoresistCoatingphotoresistMask-WaferAlignment and ExposureMaskUV lightExposed PhotoresistexposedphotoresistSDActiv

36、e RegionsSDsilicon nitrideNitrideDepositionContact holesSDGContactEtchIon ImplantationDGScanning ion beamSMetal Deposition and EtchdrainSDGMetal contacts PolysiliconDepositionpolysiliconSilane gasDopant gasOxidation(Gate oxide)gate oxideoxygenPhotoresistStripoxideRF PowerIonized oxygen gasOxideEtchphotoresistoxideRF Power Ionized CF4 gasPolysiliconMask and EtchRF PowerIonized CCl4 gaspoly gateRF Power