【正文】 5. 刻蝕 6. 薄膜工藝：外延、濺射、蒸發(fā) 7. 金屬化及多層布線 第一章：超大規(guī)模集成電路硅襯底加工技術 Crystal seed Molten polysilicon Heat shield Water jacket Single crystal silicon Quartz crucible Carbon heating element Crystal puller and rotation mechanism CZ Crystal Puller Figure Silicon Ingot Grown by CZ Method Photograph courtesy of Kayex Corp., 300 mm Si ingot Photo 單晶硅片 Crystal Growth Shaping Wafer Slicing Wafer Lapping and Edge Grind Etching Polishing Cleaning Inspection Packaging Basic Process Steps for Wafer Preparation Figure 硅單晶的加工成型技術 硅片加工：將硅單晶棒制作成硅片的過程 滾圓（ rounding）－ X射線定位（ x－ ray orientation）－切片（ slicing）－倒角（ edge contouring）－硅片研磨（ lapping）－清洗（ cleaning）－化學腐蝕（ etching）－熱處理（ heat treatment) 硅片加工的目的 提高硅單晶棒的使用率 制造硅片二個高平行度與平坦度的潔凈表 明 維持硅片表面結晶性能、化學性能與電特性等性質與其內層材料一致，力圖避免出現(xiàn)位錯、微裂紋、應力等缺陷，以免影響半導體中載體的形成 單晶錠外形整理 單晶錠外形整理包括：切割分段、外圓滾磨、定位面研磨 切割分段 切除籽晶、肩部、尾部的直徑小于規(guī)格要求的部分及電阻率和完整性不符合規(guī)格要求的部分 切割前加熱單晶錠到 100℃ ，用粘結劑將石墨條粘貼在切縫底部，切割速度7mm/min以下，以避免破損 外圓滾磨 包括液體磨料研磨和砂輪研磨 液體研磨：去除單晶錠表面毛刺 砂輪研磨：使晶錠直徑達到規(guī)格要求的尺寸 研磨定位 定位面研磨：沿晶錠軸線方向在晶錠表面研磨 1或 2個平面 主定位面的主要作用： A 在自動加工設備中作為硅片機械定位的參考面； B 作為 選定芯片圖形與晶體取向關系的參考； C 在吸片或裝硅 片時可以選擇固定的接觸位置減少損壞。 ? 大批量，低成本 圖形轉移技術使之得以實現(xiàn)。 3 微電子工藝特點及用途 ? 超凈 環(huán)境、操作者、工藝三方面的超凈，如超凈室， ULSI在 100級超凈室制作，超凈臺達 10級。 未來 ? 近 10年來 ， “ 輕晶圓廠 ” （ fablight）或 “ 無晶圓廠 ”（ fabless）模式的興起，而沒有芯片設計公司反過來成為 IDM（ Integrated Device Manufacturer） 。由于量子尺寸效應，集成電路線寬的物理極限約為 微米，即 35納米。英特爾 ? 2023年 7月 27日：英特爾 迅馳 集成電路的集成度每三年增長四倍，特征尺寸每三年縮小 倍 2 DROM集成度與工藝的進展 年代 1985年 1988年 1991年 1994年 1997年 2023年 集成度 1M 4M 16M 64M 256M 1G 最小 線寬 光刻 技術 光學曝光 準分子 電子束 電子束 X射線 （電子束） 摩爾定律：每隔 3年 IC集成度提高 4倍 ? 2023年 1月：英特爾奔騰 4處理器推出，它采用英特爾 制程技術生產，含有 5500萬個晶體管。 ? 新工藝，新技術，不斷出現(xiàn)。 ? 60年代的出現(xiàn)了外延技術，如： nSi/n+Si，nSi/pSi。 ?臺式法 所有元件內部和外部都是靠細細的金屬導線焊接相連。 ? 不同產品的制作就是將單項工藝按需要順序排列組合來實現(xiàn)的。 ? 1874年，電報機、電話和無線電相繼發(fā)明等早期電子儀器亦造就了一項新興的工業(yè) ── 電子業(yè)的誕生。 1 引言 基本器件的兩個發(fā)展階段 ? 分立元件階段（ 1905～ 1959） – 真空電子管、半導體晶體管 ? 集成電路階段（ 1959～） – SSI、 MSI、 LSI、 VLSI、 ULSI 集成電路從小規(guī)模集成電路迅速發(fā)展到大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，從而使電子產品向著 高效能低消耗、高精度、高穩(wěn)定、智能化 的方向發(fā)展。 微電子工業(yè)生產過程圖 前工序：微電子產品制造的特有工藝 后工序 npnSi雙極型晶體管芯片工藝流程 硅外延平面工藝舉例 舉例 n+ n p n+ e b c 2 微電子工藝發(fā)展歷程 ? 誕生 :1947年 12月在美國的貝爾實驗室，發(fā)明了半導體點接觸式晶體管，采用的關鍵工藝技術是合金法制作 pn結。 仙童（ Fairchild）半導體公司 ? 1959年 7月，諾依斯提出：可以用蒸發(fā)沉積金屬的方法代替熱焊接導線，這是解決元件相互連接的最好途徑。一般雙極電路或晶體管制作在外延層上。（等離子技術的應用，電子束光刻，分子束外延，等等） 發(fā)展 張忠謀：臺灣半導體教父 ? 全球第一個集成電路標準加工廠（ Foundry）是1987年成立的臺灣積體電路公司，它的創(chuàng)始人張忠謀也被譽為“晶體芯片加工之父”。 ? 2023年 8月 13日：英特爾透露了 90nm制程技術的若干技術突破，包括高性能、低功耗晶體管，應變硅，高速銅質接頭和新型低 k介質材料。移動技術平臺誕生，采用英特爾 ，包含 7700萬個晶體管。酷睿 ? 2雙核處理器 ,含有 晶體管，采用英特爾 65nm制程技術?？犷?? 2四核處理器含有 多個晶體管。 ? 另外，硅片平整度也是影響工藝特征尺寸進一步小型化的重要因素。 ? 5年前英特爾做 45納米時，臺積電還停留在 90納米，中間隔了一個 65納米。 ? 超純 指所用材料方面，如襯底材料、 功能性電子材料、水、氣等； Si、 Ge單晶純度達 11個 9。 超凈環(huán)境 ? 21世紀硅微電子技術的三個主要發(fā)展方向 – 特征尺寸繼續(xù)等比例縮小 – 集成電路 (IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片 (SOC) SoC是一個通過 IP設計復用達到高生產率的軟/硬件協(xié)同設計過程 – 微電子技術與其它領域相結合將產生新的產業(yè)和新的學科 ，例如 MEMS、 DNA芯片等 其核心是將電子信息系統(tǒng)中的信息獲取、信息執(zhí)行與信息處理等主要功能集成在一個芯片上，而完成信息處理處理功能。 副定位面的作用：識別硅片晶向和電導類型的標志。 2. 結晶定位：保證結晶方向的偏差在控制范圍內，試切－切片 3. 切片：內徑切割（ ID Slicing）、線切割（ wire－ saw slicing）。不造成晶片表面的劃傷。 研磨的操作 控制參數(shù)：研磨盤轉速及所加的荷重。 控制方法：定時或定厚度（磨除量） 磨料 在一定壓力下與硅片表面不斷進行摩擦，通過機械作用去掉硅片表面的破碎損傷層，使硅片比切割時平整光滑并達到預定的厚度。 硅片清洗的基本概念及理論 吸附：硅片表面的硅原子鍵被打開，這些不飽和鍵處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易吸引周圍環(huán)境中的原子或分子 解吸：吸附于硅片表面的雜質粒子在其平衡位置附近不停