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IntroductiontoMicroelectronics第五章大生产技术第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程§53生产线的组织与自动化§5.2工艺集成技术§5.3生产线的组织与自动化§5.4Foundry代工模式§y代模式第五章大生产技术X集成电路芯片制造业是高技术、高投资、高风险的企业。Æ随着制造工艺的进步，所加工的硅片直径越来越大，而器件特征尺寸在不断缩随着制的进步所的片径越来越大而器件特征寸在断缩小，单位面积上能够容纳的集成电路数量剧增，成品率显著提高，单位产品的成本大幅度降低，可靠性等性能指标显著提升，促进了大生产的规模化。Æ但另一方面，集成电路制造的产业投资巨大，是吃“金”的产业。一般就建线成本而言，一条200mm（8英寸）生产线需要约12亿美元的投资，一条300mm（12英寸）生产线需25亿美元投资，而且每年的运行保养、设备更新与新技术开发等养线成本占总投资的20%。Æ更严重的是行业竞争激烈，技术进步快，一旦设备更新不及、新技术无法同步推出，客户就会流失，竞争就处于被动状态。第五章大生产技术X集成电路制造业分为两大阵营Æ当前的集成电路制造业可以分为两大阵营，即IDM（从芯片设计直到成品制前的集成路制可以分为两大阵营即从片设计到成品制成的一条龙集成器件制造企业）和Foundy（专职于按照其他客户或芯片厂家的规格要求承包制造芯片的加工厂）。Æ全球范围内主要的IDM厂商包括Intel、意法、TI、美光、英飞凌、三星等；主要Foundry厂商包括台积电、台联电、特许、中芯国际等。Æ当前，全球正在运营的300mm（12英寸）生产线、200mm（8英寸）生产线、150mm（6英寸）生产线的集成电路生产线有数百条；其中亚太地区主要分布在日本、中国（特别是台湾省）、韩国、新加坡、马来西亚等国家和地区，北美地区全部分布在美国，欧洲主要分布在英国、法国、德国、意大利等。第五章大生产技术X集成电路主流技术水平Æ就集成电路制造的主流技术水平而言，针对200mm圆片，用于大规模生产的就集成路制的流技术水平而言对圆片用大规模产的技术是0.13μm~0.25μm线宽，以铝工艺为主；针对300mm圆片，大规模生产技术是0.13μm和90nm线宽，以铜工艺为主。Æ就集成电路的核心竞争力而言，一方面，在于工艺技术水平、工艺品种与成熟度、管理效率和产品成品率；另一方面，在于设备的持续更新能力和新工艺的开发能力发能力。Æ20世纪80年代美国和欧洲占统治地位但是日本半导体生产商迅速的崛起Æ20世纪80年代，美国和欧洲占统治地位，但是日本半导体生产商迅速的崛起，使半导体工业成为世界范围内的工业，随之而来的是“四小龙”（中国香港地区、台湾地区、新加坡和韩国）半导体工业的发展。第五章大生产技术X半导体IC工厂选址应具备哪些条件？Æ制作半导体需要大量的水因此Æ制作半导体IC需要大量的水，因此水资源必须丰富，且有充足稳定的电力供应，这是选址的首要条件。而且半导要体IC制作需要各种各样的消耗性材料（化学药品，化学气体等），要确保运输的快捷安全输的快捷安全。Æ此外，确保人才供应，能稳定不断地提供训练有素的技术人员及熟练的操作员也是重要的因素之一。环保因素对IC工厂的选址也越来越重要日本国内主要半导体IC工厂的分布，IC工厂的选址也越来越重要。主要分布在东京湾，大阪湾，沿濑户内海，环九州岛等地。第五章大生产技术X半导体IC工厂选址应具备哪些条件？中国内地的半导体IC工厂主要分布在长江三角洲、珠江长江三角洲、珠江三角洲、京津地区，少量在西部地区。第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤参数测试制作金属3及压焊点合金制作金属及压焊点合金金的成通孔2和钨塞2的形成金属2互连的形成通孔1和钨塞1的形成金属1互连的形成通孔2和钨塞2的形成侧墙的形成局部互连工艺双阱工艺浅槽隔离工艺多晶硅栅工艺轻掺杂漏端注入工艺源漏注入工艺接触孔的形成X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(1)双阱工艺：n阱的形成薄膜抛光①薄膜抛光扩散刻蚀光刻②③⑤③注入④⑤¦n阱的形成包含①外延生长②氧化层生长③第一层掩膜④n阱注入（高能）⑤退火n阱工艺示意图¦n阱的形成包含①外延生长②氧化层生长③第层掩膜④n阱注入（高能）⑤退火X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(1)双阱工艺：p阱的形成薄膜抛光薄膜抛光扩散刻蚀光刻①③①注入②¦p阱的形成包含①第二层掩膜②p阱注入（高能）③退火p阱工艺示意图¦p阱的形成包含①第二层掩膜②p阱注入（高能）③退火X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(2)浅槽隔离（STI）工艺：STI槽刻蚀薄膜抛光薄膜抛光扩散刻蚀光刻①②③④注入STI槽刻蚀¦STI槽刻蚀①隔离氧化层②氮化物淀积③第三层掩膜，浅槽隔离④STI槽刻蚀X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(2)浅槽隔离（STI）工艺：STI氧化物填充薄膜抛光②薄膜抛光扩散刻蚀光刻①②注入STI氧化物填充¦STI氧化物填充①沟槽衬垫氧化硅②沟槽CVD氧化物填充X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(2)浅槽隔离（STI）工艺：STI氧化物抛光——氮化物去除薄膜抛光①薄膜抛光扩散刻蚀光刻②注入STI氧化物抛光——氮化物去除¦STI氧化物抛光——氮化物去除①沟槽氧化物抛光②氮化物去除X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(3)多晶硅结构工艺薄膜抛光薄膜抛光扩散刻蚀光刻①②③④注入多晶硅结构工艺¦多晶硅结构工艺①栅氧化层生长②多晶硅淀积③第四层掩膜④多晶硅栅刻蚀X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(4)轻掺杂漏（LDD）注入工艺：n-轻掺杂漏注入薄膜抛光薄膜抛光扩散刻蚀光刻①注入②n-LDD注入¦n-轻掺杂漏注入①第五层掩膜②n-LDD注入（低能量，浅结）X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(4)轻掺杂漏（LDD）注入工艺：p-轻掺杂漏注入薄膜抛光薄膜抛光扩散刻蚀光刻①注入②p-LDD注入¦p-轻掺杂漏注入①第六层掩膜②p-LDD注入（低能量，浅结）X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(5)侧墙的形成薄膜抛光扩散刻蚀光刻①②扩散刻蚀光刻注入侧墙的形成¦侧墙的形成①淀积二氧化硅②二氧化硅反刻X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(6)源/漏注入工艺：n+源/漏注入薄膜抛光薄膜抛光扩散刻蚀光刻①注入②n+S/D注入¦n+源/漏注入①第七层掩膜②n+源/漏注入（中等能量）X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(6)源/漏注入工艺：p+源/漏注入薄膜抛光薄膜抛光扩散刻蚀光刻①③注入②p+S/D注入¦p+源/漏注入①第八层掩膜②p+源/漏注入（中等能量）③退火X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(7)接触孔的形成①②③薄膜抛光扩散刻蚀光刻①②③接触孔的形成扩散刻蚀光刻注入接触孔的形成¦p+源/漏注入①钛的淀积②退火③刻蚀金属钛X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(8)局部互连工艺①②③④薄膜抛光扩散刻蚀光刻①②③④局部互连金属的形成扩散刻蚀光刻注入局部互连金属的形成¦局部互连工艺①金属钛淀积②氮化钛淀积③钨淀积④磨抛钨X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(9)通孔1和钨塞1的形成薄膜抛光①②③④扩散刻蚀光刻注注入钨塞1的形成¦钨塞1的形成①淀积钛阻挡层②淀积氮化钛③钨淀积④磨抛钨X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(10)第一层金属互连线的形成①②③薄膜抛光①②③④扩散刻蚀光刻注入④金属1互连的形成注入¦金属1互连的形成①淀积钛阻挡层②淀积铝铜合金③淀积氮化钛④第十一层掩膜X200025典型CMOS电路制造主要工艺步骤第五章大生产技术§5.1典型芯片制造主要工艺流程X200mm0.25μm典型CMOS电路制造主要工艺步骤(11)通孔2和钨塞2的形成(12)第二层金属互连线的形成(13)制作第三层金属直至制作压点和合金(14)参数测试艺步的使铜连艺X300mm0.13μmCMOS工艺步骤不同的是使用了铜互连工艺。第五章大生产技术§5.2工艺集成技术X工艺集成技术主要有：Si的CMOS技术、双极技术、BiCMOS技术、SiGe双极及BiCMOS技术、SOI技术、GaAs的MESFET（HEMT）技术、HBT技术、MMIC技术和数字IC技术。C技术和数字C技术。X双极工艺流程X互补双极晶体管工艺流程第五章大生产技术§5.2工艺集成技术X互补双极晶体管工艺流程¦SOI片制备¦NPN和PNP晶体管埋层制作¦P型基区和N型基区制作¦N型发射区和P型发射区制作¦NPN和PNP晶体管埋层制作¦外延4至8微米N型硅¦6微米×3微米隔离槽制作¦N型发射区和P型发射区制作¦电容和电阻制作¦金属化6微米3微米隔离槽制作¦PNP型晶体管的P阱制作¦N+和P+集电极制作金属化¦钝化¦键合和封装SOI全介质隔离互补双极晶体管结构示意图XSiGBiCMOS工艺流程第五章大生产技术§5.2工艺集成技术XSiGeBiCMOS工艺流程普通高速BiCMOS器件结构示意图普通高速BiCMOS器件结构示意图标准CMOS和RF双极晶体管兼容的BiCMOS工艺流程简化示意图工艺流程简化示意图XSOI工艺技术第五章大生产技术§5.2工艺集成技术XSOI工艺技术硅片键合SOI工艺流程示意图硅片键合SOI工艺流程示意图XSOI工艺技术第五章大生产技术§5.2工艺集成技术XSOI工艺技术第一阶段，羟基第二阶段，从300˚C开始氢键被Si－O－Si键代替，会发生如反应第三阶段，当退火温度大于800˚C后，水使硅氧化成氧化硅，本征空洞消失，第阶段，羟基团（OH—）之间以氢键键合。温度范围从室温到300˚C。如下反应，(Si-OH)+(HO-Si)→(Si-O-Si)+H2O,大约到400˚C左右时，键合反成氧化硅，本征空洞消失，反应产生的氢容易扩散离开硅。由于SiO2的流动性增加，可以消除键合界面应基本完成。增加，可以消除键合界面的微间隙。X单片微波集成电路（MMIC）简化工艺步骤第五章大生产技术§5.2工