微连接-第一章 集成电路制造工艺过程

微连接原理与方法MicrojoininginElectronicsPackaging王春青教授/工学博士哈尔滨工业大学电子封装技术专业1991年~2009年第一章集成电路制造工艺过程集成电路的分类；半导体集成电路制造工艺过程；混合集成电路制造工艺过程材料、工艺条件、结构电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程集成电路的分类半导体集成电路„以硅、锗、砷化镓等半导体材料为基片，通过氧化、光刻、扩散、注入、淀积等技术制造的器件膜集成电路„薄膜集成电路Š以陶瓷等绝缘材料为基片，通过溅射、淀积等真空技术及光刻技术制造电子器件„厚膜集成电路Š以陶瓷等为绝缘材料为基片，通过印刷、烧结等技术制造电子器件混合集成电路多芯片模块电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程一、半导体集成电路电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程断面结构电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程完成封装后的表面形态PadsBumps电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程产业结构与分工Reticle掩膜制作厂晶圆材料厂硅原料拉单晶切割研磨清洗电路设计CADTape电路设计中心晶片针测IC测试老化IC测试厂晶片投入刻号清洗氧化CVD金属蒸镀护层沉积光阻曝光显影蚀刻扩散光阻去除WAT测试掩膜投入集成电路制造厂封装键合切割IC封装厂芯片制造的主要工艺电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程芯片工艺过程原材料-硅单晶-圆片电路-模板设计-模板制作外延生长光刻-氧化-涂胶-蚀刻扩散-注入淀积氧化互连-通孔-金属化平坦化互连-层间检测-测试-老化-冲击测试-封装器件测试电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程双极性晶体管的结构ecb在n+硅片上通过汽相沉积等方法外延生长一层高电阻率的n型外延层，在外延层上制作所需要的晶体管。作为基区的p型区域由局部扩散三价的元素如B形成；作为发射区的n型区在此p型区上再局部扩散五价的元素如P形成；集电区就是n型外延层，通过n+型衬底引出。衬底外延层n+npnSiO2铝膜基区发射区集电区发射极基极电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程光刻工艺过程硅片氧化涂感光胶掩膜曝光显影腐蚀去除感光胶电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程刻蚀工艺作用：在SiO2层上开窗口用于扩散；离子注入的掩膜；蚀刻金属接触；互连；局部金属化EtchProcessLiftoffProcess电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程晶体管制作基本工艺过程光刻基区n+n光刻发射区n+np发射区磷扩散、氧化n+nnp基区硼扩散、氧化n+pn光刻引线孔n+npn蒸镀铝膜n+npnAl刻蚀铝电极n+npn一次氧化n+衬底n外延层SiO2二氧化硅的作用：绝缘层、阻挡层；硼扩散的原料是硼酐B2O3，先将其淀积在表面，然后加热进行再分布扩散；同时生成新的氧化层。P扩散也分为预淀积和再分布扩散。在整个过程中要多次进行光刻电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程P-N结隔离的集成电路结构在p型硅衬底上先形成n+隐埋区，掺杂的元素为Sb，然后进行n外延层生长。电阻为一个p型区域；二极管通过将三极管的集电极和基极相连形成。增加了隔离工艺，通过相对的P-N结将晶体管之间隔离。电阻三极管二极管衬底外延层SiO2铝互连线p-Sip+p+p+p+pppnn+n+n+n+n+n+n+电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程介质隔离技术衬底多晶硅衬底二氧化硅电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程真空蒸镀设备电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程真空溅射电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程台阶覆盖性真空蒸镀真空溅射电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程金属化学气相沉积-LPCVD需高真空稳定的阶梯覆盖淀积难以控制的金属膜-钨„阻挡层；MOS管的栅极互连；过孔填充463232SiFWSiWF+→+HFWHWF+→+263电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程掺杂热扩散-Thermaldiffusion„预淀积:PredepositionŠ炉管中的杂质浓度大于其在晶圆材料中的固溶度„推进氧化:Drive-in-oxidationŠ使杂质向深处再分布Š同时表面再氧化„问题：横向扩散；浓度控制；表面污染；高温晶体损伤等离子注入„无横向扩散；接近室温„各种掩膜(包括光刻胶)均可有效阻止离子束流„晶体损伤与退火电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程直拉法(Czochralski)单晶生长电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程圆片规格(111)P型(111)N型(100)P型(100)N型)101()101()101()101()101()110(硅片GaAs片电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程不同圆片的生命周期100mm150mm200mm300mm197519841983199719872007199520252035?201720039年14年20年30年30年20年40年电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程集成电路芯片设计芯片设计的目的是产生制作芯片的模板，既将原理图上的元器件转变为光刻工艺所需要的模板电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程常用的元器件、电路单元已经形成标准的元件库，不需要重新设计，可以直接从库中调用。然后进行元件之间的互连。电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程图中元件与电源的连线已经互连完毕，细线表示尚未完成的互连。布线过程是自动的，也可以人工进行干预。CMOS反向器电路的制造过程引自：Prof.P.Cheung,DepartmentofElectrical&ElectronicEngineering,ImperialCollegeLondon电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程nMOS单元电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程pMOS单元电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程CMOS反向器的结构电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程1、CMOS反向器的结构由CAD软件设计芯片，最后的结果是模板图，每中颜色代表一层模板电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程2、光刻-表面涂胶原材料准备：拉制单晶、磨边、切片、抛光。a)裸圆片b)生长二氧化硅层c)旋转涂胶电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程3、光刻-曝光、蚀刻d)通过掩膜板对光刻胶进行曝光e)显影除去为曝光的胶f)蚀刻掉窗口二氧化硅层g)除去光刻胶电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程4、n阱区P扩散用掩膜板1蚀刻n阱窗口，进行P扩散形成n阱电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程5、制作源极区域用掩膜板2制作出2个有源区，2个MOSFET将要在这2个区域形成。由源区之间用局部氧化方法制作厚的氧化区域作为之间的隔离。电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程6、淀积栅极首先在有源区氧化形成高质量的薄的二氧化硅层，用以制作栅极掩膜板3用以制作多晶硅栅极，图中的红色部分；与此同时栅极之间也完成了互连电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程7、n+区扩散掩膜板4用于控制进行深层的As扩散，形成n隧道器件的源区和漏区。多晶硅栅起了扩散阻挡作用，保护隧道区域。电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程8、p+区B扩散掩膜板5用于控制进行深层的B扩散，形成p隧道器件的源区和漏区电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程9、制作接触孔在这个圆片上氧化形成薄的二氧化硅层；掩膜板6用于形成接触孔的图形；蚀刻出接触孔。电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程10、金属化、互连通过溅射或蒸镀形成一层铝膜,掩膜板7用于形成互连线的图形电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程11、CMOS反向器的断面结构最后制作出的CMOS反向器的断面结构电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程12、晶体管的断面电镜照片其中一个晶体管的断面电镜照片电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程IC的截面形态电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程半导体集成电路的特点优点„集成度高、可靠性好„生产效率高„成本低，适合于大批量生产缺点„很难制造出精度高、稳定性好、参数范围宽的无源器件„不同类型、性能差异大的元器件难以集成到同一衬底上„制造大功率、大电流、耐高压的器件很困难„设计周期长，工艺设备复杂、投资大Š不适合多品种、小批量的生产Š不适合非标准专用器件的生产电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程二、膜集成电路的制造工艺过程膜集成电路的特点„无源元件参数范围宽、精度高、稳定性好；可调性好„高频特性好Š适合于制作在极高频率和极高速度下工作的器件„易于制作高压、大电流、大功率的器件„抗辐射性能和抗干扰性能好„设计灵活，适合于多品种、小批量生产缺点„集成度低„组装焊点多，因而可靠性可能低„对于标准化的电路，生产效率低于半导体集成电路„至今尚不能大量生产质量稳定的有源器件电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程微波薄膜集成电路外观电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程厚膜混合集成电路由于尚不能大量、稳定地生产有源的膜元件，因此除无源器件如电阻网络，滤波器等膜集成电路一般均为混合集成电路的形式，既膜元件和其他元件组装在同一基板上。电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程厚、薄膜集成电路薄膜集成电路„采用真空蒸镀、溅射、光刻为基本工艺的薄膜技术，将组成电路的电子元件以膜的形式制作在绝缘基片上所形成的集成电路„薄膜的厚度一般在1微米以下„真空成膜厚膜集成电路„采用丝网漏印、等离子喷涂和高温烧结等技术在绝缘基片上制作的集成电路„厚膜的厚度一般在几微米到几十微米„非真空成膜电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程厚薄膜电路的材料-基片材料基本要求„良好的表面光洁度，薄膜集成电路要求很高的光洁度Š厚膜集成电路不需要也不应有薄膜基片的光洁度Š影响厚膜元件与基片的附着力„化学稳定性Š抵抗刻蚀过程的腐蚀Š厚膜电路基片要求不与浆料发生化学反应„表面电阻和体电阻高Š膜元件之间良好的隔离„与膜材料的热膨胀系数相匹配Š减小膜与基片之间的热应力„良好的导热性Š功率电路的散热„抗热冲击性好Š多次加热、烧结和热处理的温度冲击中不发生破坏电子封装技术专业eptech.hit.edu.cn集成电路制造工艺过程薄膜电路的材料-基片材料常用基片材料„单晶基片Šα-Al2O3、MgO、TiO2、SiO2、MgF2Š制造成本高，只在特殊要求时使用„多晶基片ŠAl2O3、BeO等Š表面粗糙，适合于厚膜电路Š99.5%的BeO基片的导热系数为0.58[Cal/Sec.cm