1、1矽晶積體電路生產製程矽晶積體電路生產製程 授課老師：鄒文正 姓 名：李宜桓 學 號：M97L0220 2OUTLINEo 簡介o 積體電路介紹o 製程o 未來發展o 參考資料3簡介簡介o 積體電路晶片的製造是一個複雜而且耗時的過程，首先要利用強大的電子設計自動化IC設計軟體來設計電路，再將積體電路設計的佈局圖轉印到石英玻璃上的鉻膜層以形成光罩或倍縮光罩，在由石英砂提煉出粗級矽在經過純化後再拉成單晶矽棒，然後才切片做成晶圓，晶圓經過邊緣和表面處理後，才和光罩一起送到半導體製造廠去生產積體電路。4積體電路介紹積體電路介紹o積體電路是將各種電路組件包括電阻、電容及電晶體集積連接於半導體表面而形成的
2、電路。積體電路自 1960年代問世以來，一直朝組件微小化;製作大型化發展，一方面可增進元件工作的速度，一方面可降低製作成本。5積體電路的演進積體電路的演進小型積體電路 SSISmall-Scale Integration每個晶片上元件數目，少於100個。1966年中型積體電路 MSIMedium-Scale Integration每個晶片上的元件數目，多於100個，但少於1000個。1969年大型積體電路 LSILarge-Scale Integration每個晶片上的元件數目，多於1000個而少於10000個。1975年超大型積體電路 VLSIVery-large-scale integra
3、tion每個晶片上的元件數目，多於10000個而少於100000個。1990年特大型積體電路 ULSIUltra-Large-Scale Integration每個晶片上的元件數目，多於100000個。1960年6積體電路製程積體電路製程o積體電路製程最重要的步驟，有以下七項:1.單晶成長 2.生成矽晶薄膜 3.生成絕緣層 4.微影蝕刻形成電路圖形 5.摻入電活性雜質及熱處理 6.製作金屬接面及連線 7.切片與構裝 71.1.單晶成長單晶成長o矽單晶通常以柴氏法或浮區 法成長。目前矽單晶成長技 術已相當成熟，可長成一米 長，直徑二十公分的龐大晶 體。其純度可達到每十億矽 原子中僅含一個雜質原子
4、，而晶體中幾乎全無缺陷。柴氏拉升法示意圖8o長成的圓柱形矽晶棒首先經切 割成晶片。晶片的厚度選取隨 其直徑增加而增加，一般約數 百微米。切割好的晶片再經機 械研磨及化學侵蝕，將表面磨 平，即成為積體電路基底的晶 元。矽單晶棒晶元92.2.生成矽晶薄膜生成矽晶薄膜 o 磊晶矽薄膜的純度高、缺陷少、性質佳，但其製程溫度最高、難度最高，因此在元件應用上有其限制，一般用在積體電路製程最前段。複晶矽薄膜則在積體電路中應用極廣，這要歸功於其製程溫度較低，耐高溫，與二氧化矽界面特性佳，可靠度好，而且能均勻覆蓋不平坦的結構。至於非晶矽薄膜缺陷多，一般用於對缺陷較不敏感元件，例如太陽能電池。103.3.生成絕緣
5、層生成絕緣層 o處理晶元的最先步驟，通常為在矽晶上成長二氧化矽絕緣層。二氧化矽可由矽晶在氧化氣氛中加熱生成。依需要氧化氣氛可為氧氣或水蒸氣。而加熱溫度則在攝氏900一1000度間。加熱時間則由所需氧化層厚度決定。o氧化層可用於製成積體電路圖形，摻入電活性雜質之障、保護層及閘極介電質等。在某些製程中也用到氮化矽(Si3N4)的絕緣層。氧化矽及氮化矽均可由化學氣相沉積法生成。114.4.微影蝕刻形成電路圖形微影蝕刻形成電路圖形 o在半導體面形成積體電 路所需的圖形，通常要 用微影蝕刻方法;而蝕 刻方法分為乾蝕刻與濕 蝕刻兩種。12o 乾蝕刻是利用離子束清除未受光阻保護區域的材料方法，其優點在不等向
6、蝕刻性較高，而光阻也可以氧化法清除。在積體電路製作步驟中，蝕刻形成圖形為必經步驟，較複雜的積體電路，利用光罩形成圖形的次數也就越多。135.5.摻入電活性雜質及熱處理摻入電活性雜質及熱處理 o矽晶中一般均須加入電活性雜質原子(如三價的硼，五價的砷或磷)，來控制半導體的電流，形成正、負接面電晶體。摻入雜質方法包括擴散法及離子佈植法。離子佈植法因在雜質濃度、縱深分佈及純度控制方面遠較擴散法優越，在大型積體電路製作上已被廣泛應用。其方法是利用加速器將高能量離子植入矽晶表面中。離子佈植示意圖14o因高能量離子常會破壞矽晶表面晶體結構，造成輻射損傷，生成各種缺陷。生成的缺陷對矽晶電性往往有不良的影響，因
7、此在離子佈植後必須有一段熱處理的步驟，去除晶體中的缺陷或減低精密度。o熱處理溫度一般在攝氏1100度以下。時間則視消除缺陷及雜質分佈的需要而定。熱處理後佈植之離子於擴散重新分布156.6.製作金屬接面及連線製作金屬接面及連線 o 在積體電路中各電路元件，通常由導線連絡。這些導線除在接面地區外，通常與矽晶基底有一絕緣層間隔。o 導電層也用於電晶體接觸及金氧半電晶體閘極之電極導體接觸及閘極電極，一般要求導電性好即電阻低。在元件尺寸較大時，均利用鋁膜，但鋁薄與矽晶反應過強，所以閘極電極多改用低阻值的多晶矽或金屬與矽的化合物(金屬矽化物)與多晶矽，接觸則改用金屬矽化物。在大型積體電路中，金屬矽化物應用
8、甚為普遍。金屬矽化物常由在矽晶上沉積金屬或金屬-矽薄膜再經熱處理形成。16o 在元件基組連線特性方面，須與絕緣層黏著力好，但不易穿越絕緣層與矽晶接觸，在元件操作時不易斷線，電阻值低。以往均利用鋁或鋁合金膜，近年來有改用銅膜的趨勢。為防止鋁連線與矽化物作用，在其中常沉積一層擴散阻絕層，如鈦化鎢、混合物或氮化鈦層。177.7.切片與構裝切片與構裝 o 積體電路在製程中，均在一晶元上同時製作許多 5-10毫米大小長方形晶片。各晶片合高達百萬個電路基組。經切割後，各晶片須焊黏於電路基板，再分別構裝才能應用。18o構裝包括封裝及接線，封裝的日的在防止積體電路的受潮、受蝕、碰損，增加導熱能力，而可在較惡劣
9、的情況下操作。接線則使積體電路相互間得到連帶，並得以對外輸入、輸出訊號，對微電子產品性能、價格和可靠性都有很大影響。19o圖(a)是將凸塊製作在卷帶的內引腳頂端，再將其搭載於IC晶片的接墊上；圖(b)則在IC晶片的接墊上長成凸塊，再與卷帶的內引腳頂端接合。接合凸塊的製作為TAB技術中重要的一環，凸塊化卷帶引腳頂端的凸塊(也稱為Mesa Bump)可以配合引腳蝕刻的技術製成，在單層卷帶上較容易見到；在雙層與三層卷帶上進行凸塊蝕刻因為很容易導致卷帶變形，故凸塊化的雙層與三層卷帶極為少見。為了簡化凸塊化的製程，各種改良的凸塊化技術因此被開發出來。轉移凸塊技術的接合，它的優點為可省略在IC晶片上製作障
10、層金屬與蝕刻之步驟，可避免晶片受到破壞並可降低生產成本，提高TAB技術的可靠度與泛用性。20未來發展未來發展o 由於微電子工業的發展，微電子產品未來不論在產生訊號、調頻、傳輸、偵測、放大、儲存記憶、展示、開關、邏輯各方面元件及材料，包括半導體、導體、超導體、磁性合金、介電、壓電、熱電、鐵電材料、雷射、光電、光碟、發光材料等，均面臨極大求新求精求進的挑戰。資訊時代在通訊、計算及控制方面日新月異，必須靠具備不同專業知識、經驗和技術的科學家和工程師密切合作，才能設計並克服高難度技術，製作益形複雜精密的系統。21參考資料參考資料o積體電路製程技術發展 詹益仁 工研院電光所o積體電路的演進與發展 王文宏o半導體製程技術導論 Hong Xiao,Ph.Do中國材料科學學會網路輔助教學課程22 Thanks for your attention
