集成电路制造工艺 (2).ppt

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1、第三章第三章 集成电路制造工艺集成电路制造工艺 第三章第三章第三章第三章 3.1 硅平面工艺硅平面工艺 3.2 氧化绝缘层工艺氧化绝缘层工艺 3.3 扩散掺杂工艺扩散掺杂工艺 3.4 光刻工艺光刻工艺 3.5 掩模制版技术掩模制版技术 3.6 外延生长工艺外延生长工艺 3.7 金属层制备工艺金属层制备工艺 3.8 隔离工艺技术隔离工艺技术 3.9 CMOS集成电路工艺流程集成电路工艺流程 主要内容主要内容第三章第三章集成电路的核心是半导体器件包括：电阻 电容 电感 二极管 三极管 结型场效应晶体管 MOS场效应晶体管.不同类型的半导体区域和它们之间一个或多个PN结组成半导体器件生产工艺的基本原

2、理半导体器件生产工艺的基本原理根据电路设计要求，在半导体材料不同区域形成不同导电区域(P型以及N型)进而形成一个或多个PN结第三章第三章19501950年年，合合金金法法制制备备的的晶晶体体管管即即合合金金管管或或台台面面管管半导体器件工艺技术发展的三个阶段半导体器件工艺技术发展的三个阶段第三章第三章19551955年，发明扩散技术，扩散能够精确控制年，发明扩散技术，扩散能够精确控制为了能够精确控制为了能够精确控制PNPN结的位置以及宽度等结的位置以及宽度等第三章第三章19601960年年，硅硅平平面面工工艺艺是是半半导导体体器器件件制制造造技技术术最最重重要的里程碑。要的里程碑。综合了扩散技

3、术扩散技术和二氧化硅掩膜技术二氧化硅掩膜技术二氧化硅能有效抑制大部分施主和受主杂质的扩散，可以选择性地进行扩散选择性地进行扩散，得到不同的P(N)区域第三章第三章晶片晶片（WaferWafer）：衬底硅片，也称为晶圆衬底硅片，也称为晶圆芯片芯片（ChipChip）：）：在晶片上经制备出的晶体管或电路。同一在晶片上经制备出的晶体管或电路。同一晶片上可制备出成千上万个结构相同的晶片上可制备出成千上万个结构相同的芯片芯片晶片尺寸越大技术难度就越高晶片尺寸越大技术难度就越高目前晶片尺寸在目前晶片尺寸在150 300 mm(6 12 inch)相应的生产线为相应的生产线为6、12 inch。第三章第三章

4、第三章第三章第三章第三章第三章第三章 3.2 氧化工艺氧化工艺氧化是平面工艺中最核心的技术之一。氧化是平面工艺中最核心的技术之一。19571957年，发现年，发现SiO2SiO2层具有阻止施主或受主杂质向硅内扩散层具有阻止施主或受主杂质向硅内扩散的作用，的作用，掩蔽作用掩蔽作用。选择性扩散前均要进行氧化，在晶片的表面生长二氧化硅薄膜。选择性扩散前均要进行氧化，在晶片的表面生长二氧化硅薄膜。把不需扩散的区域用一定厚度的把不需扩散的区域用一定厚度的SiO2 保护起来保护起来第三章第三章对扩散杂质起对扩散杂质起掩蔽作用掩蔽作用可作为可作为MOS器件的绝缘层，栅极氧化层器件的绝缘层，栅极氧化层用作集成

5、电路中的用作集成电路中的隔离隔离介质和介质和绝缘绝缘介质。介质。作为集成电路中的作为集成电路中的电容器电容器介质。介质。对器件表面起对器件表面起保护钝化保护钝化作用。因半导体表面态对器作用。因半导体表面态对器件的影响非常大，采用氧化层保护可防止环境对器件的影响非常大，采用氧化层保护可防止环境对器件的污染。件的污染。一一.SiO2 薄膜在集成电路中的作用薄膜在集成电路中的作用第三章第三章 SiOSiO2 2 的基本性质的基本性质晶体结构：晶体结构：结晶型结晶型(石英玻璃石英玻璃)非晶态非晶态半导体器件生产所用的半导体器件生产所用的SiOSiO2 2 薄膜属于薄膜属于非晶态非晶态结构。结构。物理性

6、质物理性质 惰性材料，在室温相当宽的范围内，性能十分稳定；惰性材料，在室温相当宽的范围内，性能十分稳定；电阻率非常高，热氧化的电阻率非常高，热氧化的SiOSiO2 2 薄膜为薄膜为 10 10 1515 欧姆欧姆厘米，厘米，是很好的绝缘材料，高介电常数。是很好的绝缘材料，高介电常数。第三章第三章二二.SiOSiO2 2薄膜的生长方法薄膜的生长方法工艺工艺：氧化氧化热氧化热氧化化学气相沉积化学气相沉积氧气氧化氧气氧化氢氧合成氧化氢氧合成氧化高压氧化高压氧化第三章第三章第三章第三章热氧化过程热氧化过程氧化前氧化前 氧化后氧化后第三章第三章氧气法氧化氧气法氧化按照氧气的情况按照氧气的情况干法氧化干法

7、氧化湿法氧化湿法氧化第三章第三章干干氧氧生生成成的的SiO2结结构构致致密密、干干燥燥、均均匀匀性性和和重重复复性性好好，掩掩蔽蔽能能力力强强，与与光光刻刻胶胶粘粘附附好好等等优点优点 干干氧氧化化速速率率慢慢，由由于于已已生生长长的的SiO2对对氧氧有有阻阻碍碍作作用用，氧氧化化的速度会逐渐降低，的速度会逐渐降低，O2Si（固体）（固体）+O2 SiO2（固体）（固体）干法氧化干法氧化 将硅片置于通有将硅片置于通有氧气氧气的高温环境内，通过到达硅表的高温环境内，通过到达硅表面的氧原子与硅的作用发生反应形成面的氧原子与硅的作用发生反应形成SiO2。将石英管高温加热至将石英管高温加热至1000以

8、上，以上，通入氧气。通入氧气。石石英英管管加热器加热器硅片硅片石英舟石英舟第三章第三章高温下，硅与水汽和氧气发生如下反应：高温下，硅与水汽和氧气发生如下反应：湿法氧化湿法氧化 Si（固体）（固体）+2H2O SiO2（固体）（固体）+2H2 湿湿氧氧氧氧化化速速率率快快，水水的的扩扩散散系系数数大大于于氧氧气气。但但致致密密度度较较差差，对对P的的掩掩蔽蔽能能力力差，于光刻胶的接触不良。差，于光刻胶的接触不良。石英管石英管高纯水高纯水加热器加热器硅片硅片石英舟石英舟湿湿O29595度的去度的去离子水离子水第三章第三章硅硅干法氧化干法氧化湿法氧化湿法氧化干法氧化干法氧化实际氧化工艺：实际氧化工艺

9、：干氧化干氧化 湿氧化湿氧化 干氧化干氧化第三章第三章氢氧合成氧化氢氧合成氧化 Si（固体）（固体）+2H2O SiO2（固体）（固体）+2H2 氧化速度快，避免湿法氧化中水蒸气对器件带来的污染，氧化速度快，避免湿法氧化中水蒸气对器件带来的污染，薄膜质量好，纯度高。薄膜质量好，纯度高。第三章第三章高压氧化高压氧化第三章第三章化学汽相沉积法化学汽相沉积法 CVDCVD把一种把一种(几种几种)元素的元素的气体气体共给基片，利用某种方式激活后，共给基片，利用某种方式激活后，在衬底表面处发生化学反应，沉积所需的固体薄膜。在衬底表面处发生化学反应，沉积所需的固体薄膜。激活方式：加热、等离子体、紫外光、激

10、光等产生高温激活方式：加热、等离子体、紫外光、激光等产生高温多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多种无机薄膜多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多种无机薄膜第三章第三章制备氧化硅时：制备氧化硅时：硅烷与氧的反应硅烷与氧的反应第三章第三章800-1000102 Pa 产量大，膜厚均匀600-700 射频电场，200-400第三章第三章第三章第三章3.SiO2薄膜的要求和检测方法薄膜的要求和检测方法 SiO2薄膜的要求薄膜的要求 表面：表面厚度均匀、表面致密、无斑点、无白雾表面：表面厚度均匀、表面致密、无斑点、无白雾 SiO2薄膜的厚度测量薄膜的厚度测量 表面观察法表面观察法(TEM)、干涉法、椭圆激光偏

11、振法等。、干涉法、椭圆激光偏振法等。最常用的是最常用的是干涉条纹法干涉条纹法。第三章第三章4.氧化技术的发展趋势和面临问题氧化技术的发展趋势和面临问题 随着集成电路的集成度的不断提高，器件尺寸的不断减小，随着集成电路的集成度的不断提高，器件尺寸的不断减小，使使MOS器件的器件的栅氧化层厚度栅氧化层厚度的不断减小。的不断减小。栅氧化层厚度从栅氧化层厚度从100 nm（1975年）年）减小到目前的减小到目前的 5nm。栅氧化层厚度越薄，则栅氧化层厚度越薄，则漏电和击穿漏电和击穿问题越严重，所以需要问题越严重，所以需要 开发开发高介质高介质的栅氧化层材料。的栅氧化层材料。随着集成电路尺寸的不断减小，

12、随着集成电路尺寸的不断减小，布线间距缩小布线间距缩小电容明显增电容明显增大，使得器件的延迟增大速度变慢。大，使得器件的延迟增大速度变慢。减小布线电容减小布线电容的有效的有效方法就是方法就是采用低介质常数采用低介质常数的材料作的材料作层间绝缘层间绝缘。第三章第三章1、扩散定律、扩散定律由于浓度不均匀而导致载流子（电子由于浓度不均匀而导致载流子（电子或空穴）从高浓度处向低浓度处逐渐或空穴）从高浓度处向低浓度处逐渐运动的过程运动的过程 扩散扩散扩散扩散 3.3 扩散掺杂工艺扩散掺杂工艺目的目的 通过掺杂或补偿，制作通过掺杂或补偿，制作N型或型或P型区域型区域第三章第三章第三章第三章一一.扩散原理扩散

13、原理D 扩散系数：反映扩散快慢程度的物理量。扩散系数：反映扩散快慢程度的物理量。S=-DdNdX1.扩散流密度：扩散流密度：描述了扩散过程硅片上各点杂质浓度随时间变化的规律描述了扩散过程硅片上各点杂质浓度随时间变化的规律2.扩散方程：扩散方程：N2N t=DX2在硅中：在硅中：D 磷磷=10.5 cm2/s D 硼硼=25 cm2/s第三章第三章3.杂质分布特点杂质分布特点 杂质分布杂质分布 扩散工艺形式不同但总体可分为扩散工艺形式不同但总体可分为 恒定源扩散，限定源扩散恒定源扩散，限定源扩散 恒定源扩散恒定源扩散 硅硅片片表表面面处处杂杂质质浓浓度度不随时间变化而变。不随时间变化而变。限定源

14、扩散限定源扩散 硅中杂质总量不变，随硅中杂质总量不变，随时间增加表面杂质浓度不时间增加表面杂质浓度不断下降，杂质扩入硅片的断下降，杂质扩入硅片的深度增大。深度增大。第三章第三章扩散结深扩散结深ND为样品中原来的为样品中原来的掺杂浓度掺杂浓度t2t3t1 t2 NbNc第三章第三章集成电路集成电路中双极型晶体管中双极型晶体管N N 外延外延 集电区集电区 N+埋层埋层 p-Si P P 基区基区N+N+beCP+隔隔离离环环 P+隔隔 离离 环环集成电路中的双极型晶体管集成电路中的双极型晶体管结构结构与分立型相同与分立型相同因所有的元器件均在同一电路因所有的元器件均在同一电路上，所以必须要有上，

15、所以必须要有隔离隔离分开分开集电极集电极只能从只能从上面上面引出引出第三章第三章IC中中纵向纵向NPN晶体管剖面图晶体管剖面图ALSiO2bPP+P-衬底衬底ecn+-外延外延N-epiP+n+n+P-衬底衬底n+埋层埋层N-外延外延N-外延外延P+P+P+P+PN结隔离槽结隔离槽NPP+隔离隔离P+隔离隔离cbeppIC中中横向横向PNP晶体管剖面图晶体管剖面图第三章第三章衬衬底底单单晶晶片片键键合合封封帽帽老老化化筛筛选选总总测测隔隔离离区区氧氧化化2埋埋层层窗窗口口扩扩散散外外延延生生长长初初始始氧氧化化1埋埋层层窗窗口口光光刻刻1隔隔离离窗窗口口光光刻刻2基基区区窗窗口口光光刻刻3隔隔

16、离离区区窗窗口口扩扩散散基基区区氧氧化化3基基区区扩扩散散电电极极铝铝反反刻刻6 6引引线线孔孔光光刻刻5 5蒸蒸发发电电极极发发射射区区扩扩散散引引线线孔孔氧氧化化5 5划划片片中中间间测测试试装装架架压压焊焊点点光光刻刻7 7合合金金表表面面钝钝化化6 6发发射射区区氧氧化化4 4发发射射区区窗窗口口光光刻刻43.平面平面双极双极型型集成电路集成电路晶体管晶体管基本基本工艺流程工艺流程第三章第三章 第三章第三章平面平面集成电路基本集成电路基本工艺工艺平面平面集成电路集成电路工艺也工艺也分为分为前部前部工序、工序、后部后部工序、工序、辅助辅助工序工序前工序前工序（管芯工序）即中测前所有的工序

17、（管芯工序）即中测前所有的工序 薄膜制备工艺薄膜制备工艺:外延层制备、氧化层、钝化层、金属电极层外延层制备、氧化层、钝化层、金属电极层 掺杂工艺掺杂工艺:制备埋层、隔离区、基区、发射区等制备埋层、隔离区、基区、发射区等 图形加工工艺图形加工工艺:光刻掩膜、制版光刻掩膜、制版后工序后工序：中测后直至成品所有的工序中测后直至成品所有的工序辅助工序辅助工序：高纯水的制备、高纯气体制备、单晶片制备，：高纯水的制备、高纯气体制备、单晶片制备，超净环境等超净环境等第三章第三章 3.10 CMOS集成电路工艺集成电路工艺一、一、CMOS （互补型互补型MOS电路电路）在一块硅片上同时制备出在一块硅片上同时制

18、备出 N-MOS和和P-MOS管，管，并根据使用要求合理连接在电路中。并根据使用要求合理连接在电路中。N外延外延 N+P 阱阱N阱阱P+P+N+N+场氧化层场氧化层PN+N+N阱阱P+P+NP+P+P 阱阱N+N+第三章第三章CMOS 在集成电路中用途非常广泛，其特点为：在集成电路中用途非常广泛，其特点为：电流小、功耗低电流小、功耗低 集成度高集成度高 速度快速度快第三章第三章典型典型N阱阱CMOS工艺流程工艺流程N阱的生成阱的生成有源区的确定和场氧氧化有源区的确定和场氧氧化生长栅氧化层和生成多晶硅栅电极生长栅氧化层和生成多晶硅栅电极形成形成P沟沟MOS晶体管晶体管形成形成N沟沟MOS晶体管晶

19、体管引线及后续工艺引线及后续工艺第三章第三章N阱的生成阱的生成氧化氧化光刻光刻掺杂掺杂PPN阱阱第三章第三章有源区的确定和场氧氧化有源区的确定和场氧氧化有源区：晶体管所在的区域有源区：晶体管所在的区域(N沟晶体管沟晶体管)(P沟晶体管沟晶体管)N+N+N+N+寄生晶体管寄生晶体管场氧：不同晶体管之间形成较厚的氧化层场氧：不同晶体管之间形成较厚的氧化层第三章第三章衬底衬底氧化氧化去掉氮化层去掉氮化层SiO2缓冲层缓冲层Si3N4第三章第三章没有氧化层的区域即为没有氧化层的区域即为有源区有源区第三章第三章生长栅氧化层和生成多晶硅栅电极生长栅氧化层和生成多晶硅栅电极确定了有源区以后，就可以制作确定了

20、有源区以后，就可以制作MOSMOS晶体管晶体管第三章第三章形成形成P沟沟MOS晶体管晶体管第三章第三章形成形成N沟沟MOS晶体管晶体管第三章第三章N+N+N 阱P+P+N+SiO2SiO2AlSiO2场氧化层场氧化层栅氧化层栅氧化层栅氧化层栅氧化层N+多晶多晶硅栅硅栅P+多晶多晶硅硅栅栅第三章第三章硅栅与自对准技术硅栅与自对准技术如果在栅氧化层上采用如果在栅氧化层上采用多晶硅多晶硅作为作为栅电极栅电极，在形成，在形成源、漏区进行扩散时，源、漏区进行扩散时，栅材料栅材料可以起到可以起到掩膜掩膜的作用，的作用，自动解决了栅金属电极与源、漏区对准的问题。自动解决了栅金属电极与源、漏区对准的问题。所以

21、称为所以称为自对准工艺自对准工艺。目前超大规模集成目前超大规模集成电路中电路中MOSMOS管均采用管均采用硅栅硅栅结构。结构。P型硅型硅场氧化层场氧化层 沟道隔离层沟道隔离层多晶硅栅电极多晶硅栅电极栅氧化层栅氧化层第三章第三章本章要求本章要求1 1、掌握、掌握氧化、扩散、离子注入、光刻等工艺以及在集成电氧化、扩散、离子注入、光刻等工艺以及在集成电路中的作用。路中的作用。2 2、掌握一般集成电路的工艺流程，理解几种隔离方法、埋掌握一般集成电路的工艺流程，理解几种隔离方法、埋层工序的作用。层工序的作用。3 3、掌握、掌握N N沟沟CMOSCMOS工艺流程，工艺流程，CMOSCMOS晶体管的截面图和俯视图。晶体管的截面图和俯视图。1 1、画出双极晶体管画出双极晶体管(NPN(NPN和和PNP)PNP)的截面图的截面图以及几种以及几种MOSMOS晶体管的截面图晶体管的截面图(标注区域和电极标注区域和电极)。2.2.典型典型PNPN结隔离双极集成电路工艺流程结隔离双极集成电路工艺流程