微纳加工工艺原理

微纳加工工艺原理,概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀,化学气相淀积外延物理淀积工艺集成CMOS双极工艺BiCMOS检测技术MEMS加工技术,检测技术,特性测试,验证功能测试失效分析工艺监测,IC加工中的典型问题,GeneralImpuritydetection/distributionResidueidentification(fromrinsing,etching,plating)Sourceofhaze,spots,specksSlicingandpolishingWafertopography,flatness,strainPolishingresiduesOxidationOxideuniformity/thicknessOxidationstatesinthelayersandinterfacesPatterningLocalizationofresiduesPhotomaskdefects(pinholes,bridges,solventspots),IC加工中的典型问题-1,Implantation/DiffusionDepthprofilesofdopantsafterdifferentannealsMetallizationstepcoverage,linewidth,dispacment,uniformity,leakagepaths,defectpnjunctions,microshorts,microshorts,adhesion,interdiffusion,corrosion,electromigrationPackagingBond-failureonIC-chips,solderability,electricalcontacts,packagingfailures,bondingproblems,corroision,Dieattach,分析技术,BulkanalysisofMicroelectronicMaterialsMassspectrometryusingsparkandlaserexcitationIRSpectrometry,分析技术-1,AnalysisofSurfaces,InterfacesandThinFilmsXPSMicro-ramanspectroscopyLaserMicroprobeSEM,EDX,TEM,AESLowenergyionscatteringSIMSRBS,分析技术-2,StructureanalysisonanatomicscaleXRDSTM,AFMPhysical,electricalandgeometricalcharacterisationEllipsometryIRmicroscopyScanningopticalmicroscopySurfaceresistivitymeasurements,I-V,C-V,Halleffect,SiO2测量,典型击穿电场:12V/nm击穿电压质量,厚度,SiO2测量-1,杂质浓度分布,扩散分布,四探针,范德堡法不能给出深度信息扩展电阻法:更细的探针可测=10-4to104.cm(1012to1021at/cm3)深度分辨率2nm,SiO2/Si3N4厚度的光学测量,二次离子质谱SIMS,SIMS-SecondaryIonMassSpectrometryBasicfunctioningprinciplesIonsourceforprimaryionsSputteringofthesamplesurface-layerbymeansofhighenergyionsMassspectrometer;separationofsputtered,ionizedspeciesfromthesampleDetectionofsecondaryionsfromthesample(massspectra,depthprofiling,ionimaging),硅片测试,硅片测试-为了检验规格的一致性而在硅片级集成电路上进行的电学参数测量。目的-检验硅片可接受的电学性能。通过/失效的数据被用来计算表示硅片上合格芯片所占百分比的成品率。分析硅片测试的数据来确定问题的来源，并实旋修正措施，从而达到减少缺陷的目的。,测试方法,硅片在线参数测试在安放在硅片特殊位置的特殊测试结构中进行，一般测试结构是在芯片之间的划片区，划片道宽度一般有100到150微米。硅片拣选测试在硅片制造的最后，对硅片上的芯片100%进行测试，安是一种功能测试，确保器件能在IC数据手册规定的限制条件下完成所有特定任务来检验器件,组装工艺,1.组装工艺的作用及流程2.组装工艺各工序的原理和方法3.先进组装工艺简介,组装工艺,又称后道工序，是指将中测后的合格芯片从圆片上装配到管座上并进而封装成为实用性的单个元器件或集成电路。通过组装，可以实现：1.给芯片提供一个坚硬的外壳，提高器件或电路的机械强度。2.给器件或电路提供适当的管脚，使内部电学功能转移到管脚上。3.隔绝芯片与外界的接触，使它工作时不受或少受外界的影响，4.提供一定的散热装置。5.金属封装的器件或电路可以起到电磁屏蔽的作用。,组装工艺的基本流程,测试,减薄,分片与镜检,装片与烧结,键合,封装,切筋打弯,老化打印包装等,各工序工艺原理-减薄,在前道工序中，为减少硅片的碎裂和防止硅片翘曲，硅片不能太薄，但硅片厚了会带来如下的问题：硅片太厚不容易划片硅片太厚不容散热硅片太厚，体电阻增加，器件的饱和压降会增大减薄的方法：采用全自动化机器进行背面减薄。,各工序工艺原理-划片与裂片,划片的目的：将具有数百个集成电路的管习的圆片分割成许多单独的管芯以便装片划片的方法金刚刀划片激光划片裂片：绷分法,各工序工艺原理-装片与烧结,将合格的分立的管芯装到管座上并烧结牢烧结方法聚合物粘贴共晶焊粘贴玻璃焊料粘贴,环氧树脂导电银浆,各工序工艺原理-装片与烧结,环氧树脂粘贴最常用的管芯与管座或引线框架粘贴的方法环氧树脂是一种热固性聚合物，加热时发生聚合物热交联，一般在150-170C下烘焙固化在芯片和管座之间有散热要求时，在环氧树脂中加入银粉制成导热树脂。,各工序工艺原理-装片与烧结,导电银浆粘贴成份：Ag2O（焊料）、氧化铋（降低熔点）、松香（还原剂）、松节油（溶剂）、蓖麻油（增加粘度）原理：在烧结过程中松节油不断挥发，当全部挥发掉后导电银浆固化，同时松香将Ag2O还原成银，使银浆具有一定的导电和导热性能。,各工序工艺原理-装片与烧结,共晶焊粘贴原理：利用大多数合金熔点比组成合金的单纯金属的熔点低的原理，使芯片背面和管座表面的材料在较低的温度下成合金。例：铝的熔点660C,硅的熔点1420C，铝-硅合金熔点577C金的熔点1064C，金-硅合金的熔点370C工艺：先在减薄后的硅片背面淀积一层金，基座有一个金或银的金属化表面，加热到420C左右约6秒钟，在芯片和引线框架之间形成共晶合金互连。,各工序工艺原理-装片与烧结,装片方法：,手工装片自动装片,自动装片流程：,上料盒,引线框架输送带,银膏提供,芯片提供,预固化,下料盒,电视监控器,微机控制器,各工序工艺原理-装片与烧结,装片与粘贴的质量控制常见的有以下质量问题：芯片位置异常芯片倾斜芯片平移芯片旋转未和银膏对齐,）,各工序工艺原理-装片与烧结,烧结问题:银膏的量不适中虚焊工艺规范选择不当清洁度差,各工序工艺原理-键合,用细金属丝将芯片上的电极引线和底座外引线互连的过程,从芯片压焊点到引线框架的引线键合,各工序工艺原理-键合,键合的方法热压键合超声键合热超声球键合热压键合利用加热和加压，使金属引线和管芯的金属层键合在一起，并将管芯的电极引线和管座相应的电极处引线连接起来,各工序工艺原理-键合,热压键合原理：由于金属丝和管芯上的铝层同时受热受压，接触面产生塑性形变，并破坏界面的氧化膜，使两者接触面接近原子引力范围，产生强烈吸引达到键合，同时金属引线和金属表面不平整，加压后高低不平处相互填充而产生强性嵌合作用，使两者紧密接触。,各工序工艺原理-键合,超声键合利用超声波能量和压力强金属丝和电极在不加热的情况下直接焊接的一种方法。,超声波发生器,换能器,变辐杆,加压用砝码,管芯,管座,劈刀,各工序工艺原理-键合,键合质量的检查短路检查金球键合中心的偏离,球和球短路,球和铝引线短路,金球偏离内焊点超出坏直径的1/4为不合格,各工序工艺原理-键合,键合强度的检验,测试样品,样品卡,钩,芯片,引脚,拉力计,特点：操作方便，键合牢固，压点无方向性，可自动送线，提高工作效率,各工序工艺原理-键合,热超声金丝球键合操作过程：将金丝穿过劈刀的毛细管用氢气火焰使金丝端部熔成金球利用超声键合法使金球与芯片上的电极区金属膜形成牢固的压焊点提升和移动劈刀压焊引线框架上的压焊点将引线折断,热超声球键合,各工序工艺原理-封装,封装的方法金属封装塑料封装陶瓷封装金属封装：特点：坚固耐用，热阻小有良好的散热性能，有电磁屏蔽作用，但成本高，重量重，体积大管座：小功率管用可伐合金，大功率管用铜管帽：低碳钢，表面镀镍或铜结构,各工序工艺原理-封装,各工序工艺原理-封装,塑料封装重量轻，体积小，有利于微型化节省大量的金属和合金，成本降低（一般可降低30%-60%）适合于自动化生产，提高了生产效率但机械性能差，导热能力弱，对电磁不能屏蔽，一般适用于民品。材料：环氧塑料或硅酮方法：传递模法,双列直插式DIP,各工序工艺原理-封装,单列直插封装,各工序工艺原理-封装,各工序工艺原理-封装,陶瓷封装特点：于集成电路封装，特别是目前用于要具有气密性好、高可靠性或者大功率的情况种类耐熔陶瓷陶瓷针栅阵列PGA薄层陶瓷陶瓷双列直插式CEDIP,PGA及CEDIP图,微纳加工工艺原理,概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀,化学气相淀积外延物理淀积工艺集成CMOS双极工艺BiCMOS检测技术MEMS加工技术,MEMS加工简介,Micro-Electro-MechanicalSystems(MEMS),MEMS尺度,MEMS加工技术,湿法腐蚀技术干法腐蚀技术表面微机械加工技术LIGA技术键合技术,湿法腐蚀技术,各向异性腐蚀EDP，TMAH,联氨,KOH电化学腐蚀硅各向同性腐蚀腐蚀自停止,与晶向相关的腐蚀,各向同性腐蚀所有方向的腐蚀速率是相同的横向腐蚀速率与纵向近似相等腐蚀速率与掩膜边缘无关各向异性腐蚀腐蚀速率与晶面有关横向腐蚀速率可能大于也可能小于垂直腐蚀速率，取决于掩膜版与晶轴的夹角掩膜边缘与掩膜图形决定了最终腐蚀的形状,硅的各向异性腐蚀,Examplesofanisotropically-etchedSi,硅的HNA腐蚀,HF+HNO3+CH3COOH各向同性腐蚀总体反应：Si+HNO3+6HFH2SiF6+HNO2+H2O+H2腐蚀过程是硅的氧化然后被HF溶解的过程硅表面点随即变成氧化或还原点；类似于电化学电池,硅的HNA腐蚀,各向异性硅腐蚀液,碱性腐蚀液，例如KOH,NaOH等，腐蚀可以得到较平滑的表面。在腐蚀液中加如异丙醇可以增加(100)和(111)的腐蚀速率比。腐蚀Al,有点腐蚀SiO2，基本不腐蚀NitrideEDP腐蚀液：和KOH类似，但有毒。不腐蚀金属（在某些情况下包含Al）和SiO2TMAH腐蚀液：和EDP类似但无毒，在某些情况下不腐蚀Al，不腐蚀SiO2,EDP腐蚀-1,乙二氨，邻苯二酚，水EthyleneDiaminePyrocatechol或称为：EPW（EthyleneDiaminePyrocatecholWater)EDP腐蚀采用的掩膜材料：SiO2,Si3N4,Au,Cr,Ag,Cu,Ta;会腐蚀Al晶向选择性：（111）：（100）1：35（100）硅的典型腐蚀速率：70C14um/hr80C20um/hr90C30um/hr97C36um/hr,典型配方:1L乙二氨，NH2-CH2-CH2-NH2160g邻苯二酚，C6H4(OH)2133mLH2O,EDP腐蚀-2,需要回流冷凝装置以保证浓度的稳定与MOS和CMOS工艺完全不兼容专门容器回收会锈任何金属腐蚀表面会留下一层棕色的物质，难以去除EDP对凸角的腐蚀比其它任何各向异性腐蚀液都快常用于释放悬臂梁结构腐蚀表面较光滑,EDP腐蚀-3,EDP腐蚀会产生Si(OH)4的淀积，在Al压焊点上产生Al(OH)3Moser的腐蚀后处理：20sec,DIwaterrinse120sec.Dipin5%(抗坏血酸)ascorbicacidandH2O120sec,rinseinDIwater60sec.Dipin(己烷)hexane,C6H14,TMAH腐蚀,TetraMethylAmmoniumHydroxide四甲基氢氧氨MOS和CMOS兼容-无碱性金属存在-对SiO2和Al腐蚀不明显晶向选择性：（111）：（100）1：10-1：35典型配方-250mLTMAH(25%Aldrich)-375mLWater-22gSilicondust-90Cetching-1um/mininetchingrate,硅的联氨腐蚀,也是各向异性腐蚀典型配方100mLN2H4100mLH2O2um/min,100C联氨腐蚀很危险威力很强的还原剂（火箭燃料）易燃液体易自燃-N2H4+H2O2N2+H2O(爆炸),KOH腐蚀,碱性、各向异性腐蚀腐蚀面较光滑会腐蚀AlSiO2的腐蚀较快Nitride是理想的掩膜材料典型配方250gKOH200g异丙醇800ml水腐蚀速率：1um/min,80C2nm/min,氧化硅1.4nm/hr,Nitride,KOH腐蚀,相对腐蚀速率：(111)(reference)=1(100)=100200(110)=600腐蚀系统简单热板加热搅拌系统优点安全，无毒缺点与CMOS不兼容腐蚀铝,电化学腐蚀效应-1,电化学腐蚀效应-2,HF通常腐蚀SiO2,不腐蚀Si通过正向偏置硅，空穴可以通过外部电路注入以氧化硅，进而被HF溶解可以用Si3N4做掩膜，是抛光腐蚀如果采用浓HF（48%HF）腐蚀，硅在腐蚀过程中不会完全氧化，最终形成棕色的多空硅,电化学腐蚀效应-3,自停止腐蚀,V,P-Si,N-Si,电化学腐蚀效应-4,硅片的偏置电压超过OCP，空穴增加氧化加快腐蚀速率增加若偏置电压进一步增加至钝化势PP，SiO2将形成硅表面钝化，腐蚀停止HF/H2O溶液不显示PP，因HF腐蚀SiO2,电化学腐蚀例,用标准CMOS工艺，形成隔离的单晶硅岛用“开”掩膜版留下硅区采用适当的TMAH腐蚀液，使暴露的铝不被腐蚀N阱偏置电压大于PP，使N阱不被腐蚀,干法刻蚀,每步的相对长度影响侧墙的斜率,开始,各向同性SF6腐蚀加各向异性轰击,SF6再腐蚀,各向同性Polymer形成（C4F8）,高选择比,腐蚀速率Upto3m/min,表面微机械加工技术,2Dor2.5D加工Poly-Si作为结构层,屈服强度比体硅压阻系数低YoungsModulus不均匀难实现大质量器件各向同性、设计简单易CMOS兼容,表面加工MEMS,应力控制方法,625oC淀积的大晶粒多晶硅膜呈柱状结构，压应力。900-1150oC氮气中退火可以减少应力，常用RTA方法退火。580oC以下淀积的不掺杂多晶硅膜为非晶态，应力与淀积温度和压力有关。低温退火可以产生平滑的表面和低张应力。磷、硼、砷和碳注入会影响多晶的应力。PSG/Poly-Si/PSG结构+高温退火可以产生低应力或无应力多晶。生长过程中改变薄膜组分可以减少应力，如SirichNitride波纹结构膜（Corrugatedfilm）可以有效减少应力。,表面释放技术,表面粘附的产生液体表面张力，沾污等释放技术蒸发,升华,超临界,气相腐蚀接触面阻力特性接触面阻力减少技术表面微凹,表面粗糙,低表面能涂覆,材料相图,固态,液态,气态,温度,压力,溶点,沸点,1atm,临界点,三态点,蒸发干燥技术,MEMS中液态到气态的转变很激烈,固态,液态,气态,温度,压力,沸点,1atm,临界点,三态点,释放接触表面阻力,干燥清洗中的毛细力使微结构下弯vanderWaals力低表面张力液体最好甲醇methanol,表面接触力减少技术,减少粘附表面凹坑表面粗糙低表面能涂敷集成支撑微结构增加对毛细力的容耐力举例:微链微熔丝microfuses可牺牲的支持层光刻胶,接触力减小凹坑,减少接触面积能采用光滑表面,衬底,牺牲层,微结构,减少Stiction粗糙表面,纳米级表面纹理减少接触面积减少有效表面能,减少Stiction低表面能材料,暂支撑结构Microtethers,需要手工分断链接部分,暂支撑结构Microfuses,提供机械支撑以防止stiction电流脉冲熔断熔丝以释放结构,可牺牲的支撑层,用干法刻蚀去除光刻胶,可牺牲的支撑层,用干法刻蚀去除光刻胶,升华干燥,丁醇butylalcohol冰点26C二氯苯dichlorobenzene冰点56C,固态,液态,气态,温度,压力,1atm,临界点,三态,冰点,升华干燥设备安装,芯片级冷冻装置干燥以防止潮气,升华干燥控制,迅速冷却/结霜会导致微结构破裂需要更好的温度控制(较慢的冷冻),超临界点干燥,材料Tc(C)Pc(atm)Pc(psi)Water3742183204Methanol240801155CO231731073,超临