集成电路制造工艺.ppt

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1、集成电路制造工艺集成电路制造工艺 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院芯片制造过程芯片制造过程 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院图形转换：将设计在掩膜版图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底类似于照相底片片)上的图形转移到衬底上。上的图形转移到衬底上。掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等。在需要的位置上，形成晶体管、接触等。制膜：制作各种材料的薄膜。制膜：制作各种材料

2、的薄膜。基本步骤：基本步骤：硅片准备、硅片准备、外延、外延、氧化、氧化、掺杂、掺杂、淀积、淀积、刻蚀、刻蚀、光刻光刻 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院硅片准备硅片准备 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院光刻光刻 （LithographyLithography）图图形形转转移移：将将设设计计在在掩掩膜膜版版(类类似似于于照照相相底底片片)上上的的图图形形转转移移到半导体单晶片上。到半导体单晶片上。光光刻刻的的基基本本原原理理：利利用用光光敏敏抗抗蚀蚀涂涂层层（光光刻刻胶胶）发发生生光光化化学学反反应应，结结合合刻刻蚀蚀方方法法在在各各种种薄薄膜膜上上

3、生生成成合合乎乎要要求求的的图图形形，以以实实现现、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。形成金属电极和布线或表面钝化的目的。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院光刻工艺流程光刻工艺流程 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院q光刻三要素：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶、掩膜版和光刻机 光光刻刻胶胶又又叫叫光光致致抗抗蚀蚀剂剂，它它是是由由光光敏敏化化合合物物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种

4、特定溶液中的溶学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变。解特性改变。q正胶（曝光后可溶）：分辨率高，在超大规模集成正胶（曝光后可溶）：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶。电路工艺中，一般只采用正胶。q负胶（曝光后不可溶）负胶（曝光后不可溶）：分辨率差，适于加工线宽：分辨率差，适于加工线宽3 3 m m的的线条。线条。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院插图fig.4.6正胶：曝光后可溶正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶负胶：曝光后不可溶 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院亮场版和暗场版亮场版和暗场版 半导体器件物理半导体器

5、件物理电子与信息学院电子与信息学院曝光的几种方法曝光的几种方法q接接触触式式光光刻刻：分分辨辨率率较较高高，但但是是容容易易造造成成掩掩膜膜版版和和光光刻刻胶膜的损伤。胶膜的损伤。q接接近近式式曝曝光光：在在硅硅片片和和掩掩膜膜版版之之间间有有一一个个很很小小的的间间隙隙(10(102525m mm)m)，可可以以大大大大减减小小掩膜版的损伤，分辨率较低。掩膜版的损伤，分辨率较低。q投投影影式式曝曝光光：利利用用透透镜镜或或反反射射镜镜将将掩掩膜膜版版上上的的图图形形投投影影到到衬衬底底上上的的曝曝光光方方法法，目目前前用用的的最最多多的的曝曝光光方方式式。（特特征尺寸：征尺寸：0.250.2

6、5 m m)超细线条光刻技术超细线条光刻技术（特特 征征 尺尺 寸寸：0.100.10 m m)v甚远紫外线甚远紫外线(EUV)(EUV)v电子束光刻电子束光刻vX X射线射线v离子束光刻离子束光刻特特征征尺尺寸寸工工艺艺水水平平的的标标志志：在在保保证证一一定定成成品品率率出出的最细光刻线条。的最细光刻线条。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院图4.7 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院图形转移：刻蚀技术图形转移：刻蚀技术湿法刻蚀湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。进行刻蚀的方法。v湿法化学刻

7、蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀。片、抛光、清洗、腐蚀。v优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低。简单、成本低。v缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。湿湿法法刻刻蚀蚀一一般般都都是是各各向向同同性性的的，即即横横向向和和纵纵向向的的腐腐蚀蚀速率相同。速率相同。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院干干法法刻刻蚀蚀：主主要要指指利利用用低低压压放放电电产产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基(处处于于激激

8、发发态态的的分分子子、原原子子及及各各种种原原子子基基团团等等)与与材材料料发发生生化化学学反反应应或或通通过过轰轰击击等等物物理理作作用用而而达达到刻蚀的目的。到刻蚀的目的。v溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差。作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差。v等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向

9、异性较差。好、对衬底损伤较小，但各向异性较差。v反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching(Reactive Ion Etching，简称为简称为RIE)RIE)：过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，异性和选择性好的优点。目前，RIERIE已成为已成为VLSIVLSI工艺中工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。应用最广泛的主流刻蚀技术。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院

10、 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院掺杂工艺（掺杂工艺（DopingDoping）q掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成中，以达到改变半导体电学性质，形成PNPN结、结、电阻、欧姆接触。电阻、欧姆接触。q掺入的杂质主要是：掺入的杂质主要是：磷磷(P)(P)、砷、砷(As)N(As)N型硅型硅 硼硼(B)P(B)P型硅型硅q掺杂工艺主要包括：扩散（掺杂工艺主要包括：扩散（diffusion)diffusion)、离离子注入子注入(ion implantation)(ion implantation)。

11、半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院扩散扩散q扩散由杂质、温度物质决定的扩散系数来决定。扩散由杂质、温度物质决定的扩散系数来决定。q替位式扩散：温度高，扩散系数低。替位式扩散：温度高，扩散系数低。间间隙隙式式扩扩散散：温温度度低低，扩扩散散系系数数高高（比比替替位位式式扩扩散散大大67个个数数量量级级），必必须须严严防防间间隙隙杂杂质质进进入入扩扩散散、氧氧化化、退火系统。退火系统。q选择性扩散：用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层。选择性扩散：用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层。q纵向扩散的同时，存在横向扩散。（纵向扩散的同时，

12、存在横向扩散。（0.8xj)q扩散方法主要有固态源扩散和液态源扩散。扩散方法主要有固态源扩散和液态源扩散。q两步扩散法：两步扩散法：事先进行预扩散（预淀积），事先进行预扩散（预淀积），再扩散使扩散层推进到预期的深度（再扩散）。再扩散使扩散层推进到预期的深度（再扩散）。q扩散适于结较深（扩散适于结较深（0.3 m)、线条较粗线条较粗（3 m)器件。器件。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院插fig.13,fig.14,fig2.8扩散方法。液态源扩散液态源扩散固态源扩散固态源扩散 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息

13、学院电子与信息学院q离离子子注注入入：将将具具有有很很高高能能量量的的杂杂质质离离子子射射入入半半导导体体衬衬底底中中的的掺掺杂杂技技术术，掺掺杂杂深深度度由由注注入入杂杂质质离离子子的的能能量量和和质质量量决决定定，掺掺杂杂浓浓度度由由注注入入杂杂质质离离子子的的数数目目(剂剂量量)决定。决定。q离离子子注注入入的的深深度度由由注注入入离离子子的的能能量量和和离离子子的的质质量量决决定，可以得到精确结深，尤其是浅结。定，可以得到精确结深，尤其是浅结。q低低温温（600 600 o oC C）、掺掺杂杂均均匀匀性性好好、离离子子注注入入剂剂量量可可精确控制，重复性好、横向扩散比纵向扩散小得多。

14、精确控制，重复性好、横向扩散比纵向扩散小得多。q可可以以注注入入各各种种各各样样的的元元素素并并可可以以对对化化合合物物半半导导体体进进行掺杂。行掺杂。q多多数数注注入入离离子子停停留留在在与与硅硅晶晶格格位位置置不不一一致致的的位位置置上上，不具有电活性，需要退火处理，激发电活性。不具有电活性，需要退火处理，激发电活性。离子注入离子注入 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院退火（Annealing）v退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮退火：也叫热处理

15、，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。退火。激激活活杂杂质质：使使不不在在晶晶格格位位置置上上的的离离子子运运动动到到晶晶格格位位置置，以以便便具具有有电电活活性性，产产生生自自由由载载流流子子，起起到杂质的作用。到杂质的作用。消除损伤消除损伤v退火方式：退火方式：炉退火炉退火 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等墨加热器、红外设备等)。半导体器件物理半导体器件物理电子

16、与信息学院电子与信息学院氧化（氧化（OxidationOxidation）v氧化：制备氧化：制备SiOSiO2 2层层vSiOSiO2 2是是一一种种十十分分理理想想的的电电绝绝缘缘材材料料，它它的的化化学学性性质质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应v热氧化法热氧化法干氧氧化干氧氧化水蒸汽氧化水蒸汽氧化湿氧氧化湿氧氧化干氧湿氧干氧干氧湿氧干氧(简称干湿干简称干湿干)氧化法氧化法氢氧合成氧化氢氧合成氧化v化学气相淀积法化学气相淀积法v溅射法溅射法 半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院氧化硅层的主要作用氧化硅层的主要作用在在MOSM

17、OS电路中作为电路中作为MOSMOS器件的绝缘栅介质，器件的组器件的绝缘栅介质，器件的组成部分。成部分。扩扩散散时时的的掩掩蔽蔽层层，离离子子注注入入的的(有有时时与与光光刻刻胶胶、SiSi3 3N N4 4层一起使用层一起使用)阻挡层。阻挡层。作为集成电路的隔离介质材料。作为集成电路的隔离介质材料。作为电容器的绝缘介质材料。作为电容器的绝缘介质材料。作为多层金属互连层之间的介质材料。作为多层金属互连层之间的介质材料。作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料。作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)(CVD)化

18、学汽相淀积化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)(Chemical Vapor Deposition)：通过：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。过程。CVDCVD技术特点：技术特点：具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。备简单等一系列优点。CVDCVD方方法法几几乎乎可可以以淀淀积积集集成成电电路路工工艺艺中中所所需需要要的的 各各种种薄薄膜膜，例例如

19、如掺掺杂杂或或不不掺掺杂杂的的SiO2SiO2、多多晶晶硅硅、非非晶硅、氮化硅、金属晶硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等。等。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院常压化学汽相淀积常压化学汽相淀积(APCVD)(APCVD)低压化学汽相淀积低压化学汽相淀积(LPCVD)(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积等离子增强化学汽相淀积(PECVD)(PECVD)半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院物理气相淀积物理气相淀积(PVD)(PVD)蒸蒸发发（EvaporationEvaporation）：在在真真空空系系统统中中，金金属属原原子子获获得得足足够够的的能能量

20、量后后便便可可以以脱脱离离金金属属表表面面的的束束缚缚成成为为蒸蒸汽汽原原子子，淀淀积积在在晶晶片片上上。按按照照能能量量来来源源的的不不同同，有有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种。灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院溅溅射射（SputteringSputtering）：真真空空系系统统中中充充入入惰惰性性气气体体，在在高高压压电电场场作作用用下下，气气体体放放电电形形成成的的离离子子被被强强电电场场加加速速，轰轰击击靶靶材材料料，使使靶靶原原子子逸逸出出并并被溅射到晶片上。被溅射到晶片上。半导体器件物理半导体器件物理电子与信息学院电子与信息学院图形转移：图形转移：光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻 刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀掺杂：掺杂：离子注入离子注入 退火退火 扩散扩散制膜：制膜：氧化：干氧氧化、湿氧氧化等氧化：干氧氧化、湿氧氧化等 CVD CVD：APCVDAPCVD、LPCVDLPCVD、PECVDPECVD PVD PVD：蒸发、溅射：蒸发、溅射工艺小结