微電子Chap04

1、集成電路設(shè)計與制造的主要流程框架集成電路設(shè)計與制造的主要流程框架 設(shè)計設(shè)計 芯片檢測芯片檢測 單晶、外單晶、外 延材料延材料 掩膜版掩膜版 芯片制芯片制 造過程造過程 封裝封裝測試測試 系統(tǒng)需求 系統(tǒng)需求 集成電路的集成電路的 設(shè)計過程：設(shè)計過程： 設(shè)計創(chuàng)意設(shè)計創(chuàng)意 + + 仿真驗證仿真驗證 集成電路芯片設(shè)計過程框架集成電路芯片設(shè)計過程框架 From 吉利久教授吉利久教授 是是 功能要求功能要求 行為設(shè)計（行為設(shè)計（VHDL） 行為仿真行為仿真 綜合、優(yōu)化綜合、優(yōu)化網(wǎng)表網(wǎng)表 時序仿真時序仿真 布局布線布局布線版圖版圖 后仿真后仿真 否否 是是 否否 否否 是是 Sing off 設(shè)計業(yè)設(shè)計業(yè)

2、制造業(yè)制造業(yè)芯片制造過程芯片制造過程 由氧化、淀積、離子注入或蒸由氧化、淀積、離子注入或蒸 發(fā)形成新的薄膜或膜層發(fā)形成新的薄膜或膜層 曝曝 光光 刻刻 蝕蝕 硅片硅片 測試和封裝測試和封裝 用掩膜版用掩膜版 重復(fù)重復(fù) 20-30次次 集成電路芯片的顯微照片集成電路芯片的顯微照片 Vsspoly 柵Vdd布線通道 參考孔 有源區(qū) N + P + 50 m 100 m 頭發(fā)絲粗細頭發(fā)絲粗細 30 m 1 m 1 m (晶體管的大小晶體管的大小) 3050 m (皮膚細胞的大小皮膚細胞的大小) 90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人 類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較

3、類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較 N N溝道溝道MOSMOS晶體管晶體管 CMOS集成電路集成電路(互補型互補型MOS集成電路集成電路)： 目前應(yīng)用最為廣泛的一種集成電路，約占目前應(yīng)用最為廣泛的一種集成電路，約占 集成電路總數(shù)的集成電路總數(shù)的95%以上。以上。 集成電路制造工藝集成電路制造工藝 圖形轉(zhuǎn)換：圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計在掩膜版將設(shè)計在掩膜版(類似于照類似于照 相底片相底片)上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上 摻雜：摻雜：根據(jù)設(shè)計的需要，將各種雜質(zhì)摻根據(jù)設(shè)計的需要，將各種雜質(zhì)摻 雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等 制膜：制膜：制作各種

4、材料的薄膜制作各種材料的薄膜 圖形轉(zhuǎn)換：光刻圖形轉(zhuǎn)換：光刻 光刻三要素：光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機光刻膠、掩膜版和光刻機 ?光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、 基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體 ?光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其 化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶 液中的溶解特性改變液中的溶解特性改變 正膠：正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路分辨率高，在超大規(guī)模集成電路 工藝中，一般只采用正膠工藝中，一般只采用正

5、膠 負膠：負膠：分辨率差，適于加工線寬分辨率差，適于加工線寬3 m的的 線條線條 正膠：曝光正膠：曝光 后可溶后可溶 負膠：曝光負膠：曝光 后不可溶后不可溶 圖形轉(zhuǎn)換：光刻圖形轉(zhuǎn)換：光刻 幾種常見的光刻方法幾種常見的光刻方法 ?接觸式光刻：接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造分辨率較高，但是容易造 成掩膜版和光刻膠膜的損傷。成掩膜版和光刻膠膜的損傷。 ?接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一在硅片和掩膜版之間有一 個很小的間隙個很小的間隙(1025 m)，可以大大減，可以大大減 小掩膜版的損傷，分辨率較低小掩膜版的損傷，分辨率較低 ?投影式曝光：投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜利用透鏡

6、或反射鏡將掩膜 版上的圖形投影到襯底上的曝光方法，版上的圖形投影到襯底上的曝光方法， 目前用的最多的曝光方式目前用的最多的曝光方式 三種光刻方式三種光刻方式 圖形轉(zhuǎn)換：光刻圖形轉(zhuǎn)換：光刻 超細線條光刻技術(shù)超細線條光刻技術(shù) ?甚遠紫外線甚遠紫外線(EUV) (EUV) ?電子束光刻電子束光刻 ?X X射線射線 ?離子束光刻離子束光刻 圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù)圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù) 濕法刻蝕：濕法刻蝕：利用液態(tài)化學(xué)試劑或利用液態(tài)化學(xué)試劑或 溶液通過化學(xué)反應(yīng)進行刻蝕的方法溶液通過化學(xué)反應(yīng)進行刻蝕的方法 干法刻蝕：干法刻蝕：主要指利用低壓放電主要指利用低壓放電 產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基產(chǎn)生的等離子體中的離

7、子或游離基 ( (處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原 子基團等子基團等) )與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通 過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的 圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù)圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù) 濕法腐蝕：濕法腐蝕： ?濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛 應(yīng)用：磨片、拋光、清洗、腐蝕應(yīng)用：磨片、拋光、清洗、腐蝕 ?優(yōu)點是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率優(yōu)點是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率 高、設(shè)備簡單、成本低高、設(shè)備簡單、成本低 ?缺點是鉆蝕嚴重、對圖形的控制性較差缺點是鉆蝕嚴重、對圖形的控制性較差 干法刻蝕干

8、法刻蝕 濺射與離子束銑蝕：濺射與離子束銑蝕：通過高能惰性氣體離子的物通過高能惰性氣體離子的物 理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差 等離子刻蝕等離子刻蝕(Plasma Etching)：利用放電產(chǎn)生的利用放電產(chǎn)生的 游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻 蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差 反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，簡稱為，簡稱為 RIE)：通過活性離子對襯底的物理轟擊和化通過活性離子對襯底的物理轟擊和

9、化 學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離 子刻蝕兩者的優(yōu)點，同時兼有各向異性和選子刻蝕兩者的優(yōu)點，同時兼有各向異性和選 擇性好的優(yōu)點。目前，擇性好的優(yōu)點。目前，RIE已成為已成為VLSI工藝工藝 中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù) 雜質(zhì)摻雜雜質(zhì)摻雜 摻雜：摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的將需要的雜質(zhì)摻入特定的 半導(dǎo)體區(qū)域中，以達到改變半導(dǎo)半導(dǎo)體區(qū)域中，以達到改變半導(dǎo) 體電學(xué)性質(zhì)，形成體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、結(jié)、電阻、 歐姆接觸歐姆接觸 ?磷磷(P)、砷、砷(As) N型硅型硅 ?硼硼(B) P型硅型硅 摻雜工藝：摻雜工藝：擴散、離子注

10、入擴散、離子注入 擴擴 散散 替位式擴散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位：替位式擴散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位： ?、族元素族元素 ?一般要在很高的溫度一般要在很高的溫度(9501280)下進行下進行 ?磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴散系數(shù)磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴散系數(shù) 均遠小于在硅中的擴散系數(shù)，可以利用氧均遠小于在硅中的擴散系數(shù)，可以利用氧 化層作為雜質(zhì)擴散的掩蔽層化層作為雜質(zhì)擴散的掩蔽層 間隙式擴散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙：間隙式擴散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙： ?Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素 ?擴散系數(shù)要比替位式擴散大擴散系數(shù)要比替位式擴散大67個數(shù)量級個數(shù)量級 雜質(zhì)橫向擴散示意圖雜質(zhì)

11、橫向擴散示意圖 使實際的擴散區(qū)寬度大于氧化層掩蔽窗口，對小尺寸器件不利。使實際的擴散區(qū)寬度大于氧化層掩蔽窗口，對小尺寸器件不利。 使擴散區(qū)的四個角為球面狀，引起電場在該處集中，導(dǎo)致使擴散區(qū)的四個角為球面狀，引起電場在該處集中，導(dǎo)致pn結(jié)擊結(jié)擊 穿電壓降低。穿電壓降低。 固態(tài)源擴散：如固態(tài)源擴散：如B2O3、P2O5、BN等，與硅晶片等，與硅晶片 相隔一定距離放在石英管內(nèi)，通過氮氣將雜質(zhì)相隔一定距離放在石英管內(nèi)，通過氮氣將雜質(zhì) 源蒸汽輸運到硅晶片表面，在高溫下，雜質(zhì)化源蒸汽輸運到硅晶片表面，在高溫下，雜質(zhì)化 合物會與硅發(fā)生反應(yīng)，生成單質(zhì)的雜質(zhì)原子擴合物會與硅發(fā)生反應(yīng)，生成單質(zhì)的雜質(zhì)原子擴 散進入

12、硅中。散進入硅中。 利用液態(tài)源進行擴散的裝置示意圖利用液態(tài)源進行擴散的裝置示意圖 攜帶氣體通過含有雜質(zhì)的液態(tài)雜質(zhì)源攜帶氣體通過含有雜質(zhì)的液態(tài)雜質(zhì)源 離子注入離子注入 離子注入：將具有很高能量的雜質(zhì)離子射離子注入：將具有很高能量的雜質(zhì)離子射 入半導(dǎo)體襯底中的摻雜技術(shù)，摻雜深度由入半導(dǎo)體襯底中的摻雜技術(shù)，摻雜深度由 注入雜質(zhì)離子的能量和質(zhì)量決定，摻雜濃注入雜質(zhì)離子的能量和質(zhì)量決定，摻雜濃 度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目(劑量劑量)決定決定 ? 摻雜的均勻性好摻雜的均勻性好 ?溫度低：小于溫度低：小于600 ?可以精確控制雜質(zhì)分布可以精確控制雜質(zhì)分布 ?可以注入各種各樣的元素可以注入各

13、種各樣的元素 ?橫向擴展比擴散要小得多。橫向擴展比擴散要小得多。 ?可以對化合物半導(dǎo)體進行摻雜可以對化合物半導(dǎo)體進行摻雜 離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子注入系統(tǒng)的原理示意圖 離子源：產(chǎn)生注入離子。離子源：產(chǎn)生注入離子。 磁分析器：篩選出需要的雜質(zhì)離子。磁分析器：篩選出需要的雜質(zhì)離子。 加速管：形成靜電場，加速離子。加速管：形成靜電場，加速離子。 聚焦和掃描系統(tǒng)：由靜電聚焦透鏡聚焦，聚焦和掃描系統(tǒng)：由靜電聚焦透鏡聚焦， 經(jīng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，經(jīng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，Y方向掃描，方向掃描，X方向掃描方向掃描,離子離子 束被注射到晶片上，偏轉(zhuǎn)的目的是為了阻束被注射到晶片上，偏轉(zhuǎn)的目的是為了阻 止束流傳輸過程中產(chǎn)生的中性粒子

14、射到晶止束流傳輸過程中產(chǎn)生的中性粒子射到晶 片上。片上。 靶室和后臺處理系統(tǒng)：安裝需注入材料、靶室和后臺處理系統(tǒng)：安裝需注入材料、 測量離子流量、自動裝片測量離子流量、自動裝片/卸片機構(gòu)及控制卸片機構(gòu)及控制 計算機。計算機。 離子注入原理離子注入原理 高能離子射入靶后，不斷與襯底中的原子高能離子射入靶后，不斷與襯底中的原子 核及核外電子碰撞，能量逐步損失，最后核及核外電子碰撞，能量逐步損失，最后 停下，每個粒子停下的位置是隨機的，大停下，每個粒子停下的位置是隨機的，大 部分不再晶格上，因而沒有電活性。部分不再晶格上，因而沒有電活性。 與電子碰撞，雜質(zhì)離子質(zhì)量大，小角度散與電子碰撞，雜質(zhì)離子質(zhì)量

15、大，小角度散 射，方向基本不變。射，方向基本不變。 與原子核碰撞，質(zhì)量相當(dāng)，使原子核離開與原子核碰撞，質(zhì)量相當(dāng)，使原子核離開 晶格位置，使一系列的原子核離開晶格位晶格位置，使一系列的原子核離開晶格位 置，造成晶格損傷，劑量高時，使單晶硅置，造成晶格損傷，劑量高時，使單晶硅 變成無定形硅。變成無定形硅。 離子注入到無定形靶中的高斯分布情況離子注入到無定形靶中的高斯分布情況 退退 火火 退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有 的在氮氣等不活潑氣氛中進行的熱處理過的在氮氣等不活潑氣氛中進行的熱處理過 程都可以稱為退火程都可以稱為退火 ?激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離

16、子運動到激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運動到 晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流 子，起到雜質(zhì)的作用子，起到雜質(zhì)的作用 ?消除損傷消除損傷 退火方式：退火方式： ?爐退火爐退火 ?快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù) 波激光、非相干寬帶頻光源波激光、非相干寬帶頻光源(如鹵光燈、電弧如鹵光燈、電弧 燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等) 氧化工藝氧化工藝 氧化：制備氧化：制備SiO2層層 SiO2的性質(zhì)及其作用的性質(zhì)及其作用 SiO2是一種十分理想的電絕緣材是一種十分理想的電絕緣材 料，它的化學(xué)性

17、質(zhì)非常穩(wěn)定，室料，它的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，室 溫下它只與氫氟酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)溫下它只與氫氟酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 氧化硅層的主要作用氧化硅層的主要作用 在在MOS電路中作為電路中作為MOS器件的絕緣器件的絕緣 柵介質(zhì)，器件的組成部分柵介質(zhì)，器件的組成部分 擴散時的掩蔽層，離子注入的擴散時的掩蔽層，離子注入的(有時有時 與光刻膠、與光刻膠、Si3N4層一起使用層一起使用)阻擋層阻擋層 作為集成電路的隔離介質(zhì)材料作為集成電路的隔離介質(zhì)材料 作為電容器的絕緣介質(zhì)材料作為電容器的絕緣介質(zhì)材料 作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料 作為對器件和電路進行鈍化的鈍化層作為對器件和電路進行鈍化

18、的鈍化層 材料材料 SiO2的制備方法的制備方法 熱氧化法熱氧化法 ?干氧氧化干氧氧化 ?水蒸汽氧化水蒸汽氧化 ?濕氧氧化濕氧氧化 ?干氧濕氧干氧干氧濕氧干氧(簡稱干濕干簡稱干濕干)氧化法氧化法 ?氫氧合成氧化氫氧合成氧化 化學(xué)氣相淀積法化學(xué)氣相淀積法 熱分解淀積法熱分解淀積法 濺射法濺射法 ?干氧氧化：結(jié)構(gòu)致密，均勻性和重復(fù)性干氧氧化：結(jié)構(gòu)致密，均勻性和重復(fù)性 好，對雜質(zhì)擴散的掩蔽能力強，鈍化效好，對雜質(zhì)擴散的掩蔽能力強，鈍化效 果好，與光刻膠的附著性好。但氧化速果好，與光刻膠的附著性好。但氧化速 度慢，氧化溫度高。度慢，氧化溫度高。 ?水蒸汽氧化：結(jié)構(gòu)疏松，缺陷多，含水水蒸汽氧化：結(jié)構(gòu)疏松

19、，缺陷多，含水 量大，掩蔽能力差。但氧化速度高。較量大，掩蔽能力差。但氧化速度高。較 少用。少用。 ?濕氧氧化：比水蒸汽氧化好濕氧氧化：比水蒸汽氧化好 ，沒干氧好。生，沒干氧好。生 長速度快。與光刻膠的附著性不是很好。長速度快。與光刻膠的附著性不是很好。 ?干氧濕氧干氧干氧濕氧干氧(簡稱干濕干簡稱干濕干)氧化法：交氧化法：交 替氧化方法制備高質(zhì)量的氧化層。替氧化方法制備高質(zhì)量的氧化層。 ?氫氧合成氧化：在常壓下，將高純氫氣和氧氫氧合成氧化：在常壓下，將高純氫氣和氧 氣通入氧化爐，燃燒生成水，水在高溫下汽氣通入氧化爐，燃燒生成水，水在高溫下汽 化，與硅反應(yīng)。避免了濕氧氧化時水蒸汽帶化，與硅反應(yīng)。

20、避免了濕氧氧化時水蒸汽帶 來的污染。生長速度高，氧化層質(zhì)量好，生來的污染。生長速度高，氧化層質(zhì)量好，生 長速度易控制，均勻性和重復(fù)性好。集成電長速度易控制，均勻性和重復(fù)性好。集成電 路中應(yīng)用廣泛。路中應(yīng)用廣泛。 進行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖進行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖 化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相淀積(CVD) 化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相淀積(Chemical Vapor Deposition)： 通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層 薄膜材料的過程薄膜材料的過程 CVD技術(shù)特點：技術(shù)特點： ?具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度

21、易于控 制、均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適制、均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適 用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點 ?CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所 需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、 多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬鎢、鉬)等等 化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相淀積(CVD) 常壓化學(xué)汽相淀積常壓化學(xué)汽相淀積(APCVD) 低壓化學(xué)汽相淀積低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD) 等離子增強化學(xué)汽相淀積等離子增強化學(xué)汽相淀積 (PECVD) APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意

22、圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖 石英管用三溫區(qū)管狀爐加熱石英管用三溫區(qū)管狀爐加熱,氣體由一端引氣體由一端引 入入,另一端抽出另一端抽出,石英管壁靠近爐管石英管壁靠近爐管,溫度很溫度很 高高.又叫熱壁又叫熱壁CVD, 優(yōu)點：薄膜厚度的均勻性好，一爐可加工優(yōu)點：薄膜厚度的均勻性好，一爐可加工 幾百片，壓強低。幾百片，壓強低。 缺點：沉積速度慢。缺點：沉積速度慢。 LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖 在通常的在通常的CVD系統(tǒng)中增加了等離子體的能系統(tǒng)中增加了等離子體的能 量，反應(yīng)室由兩塊平行的金屬電極板組成，量，反應(yīng)室由兩塊平行的金屬電極板組成， 射頻電壓加在上電極上，下電極接地，射射頻電壓加在上

23、電極上，下電極接地，射 頻電壓使平板電極之間的氣體發(fā)生等離子頻電壓使平板電極之間的氣體發(fā)生等離子 放電，工作氣體由位于下電極附近的進氣放電，工作氣體由位于下電極附近的進氣 口進入，并流過口進入，并流過 放電區(qū)。半導(dǎo)體片放在下放電區(qū)。半導(dǎo)體片放在下 電極上，加熱到電極上，加熱到100-400度左右。度左右。 優(yōu)點：沉積溫度低優(yōu)點：沉積溫度低 平行板型平行板型PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖 化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相淀積(CVD) 單晶硅的化學(xué)汽相淀積單晶硅的化學(xué)汽相淀積(外延外延)：一般地，將在單一般地，將在單 晶襯底上生長單晶材料的工藝叫做外延，生長有晶襯底上生長單晶材料的工藝叫做外

24、延，生長有 外延層的晶體片叫做外延片。可同時控制導(dǎo)電類外延層的晶體片叫做外延片?？赏瑫r控制導(dǎo)電類 型、電阻率及厚度。型、電阻率及厚度。 氣相：利用硅的氣態(tài)化合物或液態(tài)化合物的蒸汽氣相：利用硅的氣態(tài)化合物或液態(tài)化合物的蒸汽 在襯底表面進行化學(xué)反應(yīng)生成單晶硅。在襯底表面進行化學(xué)反應(yīng)生成單晶硅。 液相：由液相直接在襯底表面生長外延層。液相：由液相直接在襯底表面生長外延層。 分子束外延：在超高真空條件下，由一種或幾種分子束外延：在超高真空條件下，由一種或幾種 原子或分子束蒸發(fā)到襯底表面形成外延層的方法，原子或分子束蒸發(fā)到襯底表面形成外延層的方法， 能精確控制外延層的化學(xué)配比及雜質(zhì)分布，溫度能精確控制外

25、延層的化學(xué)配比及雜質(zhì)分布，溫度 低。低。 材料：四氯化硅材料：四氯化硅(SiCl4)、二氯硅烷、二氯硅烷(SiH2Cl2)、三氯、三氯 氫硅氫硅(SiHCl3)、硅烷、硅烷(SiH4)。 二氧化硅的化學(xué)汽相淀積：二氧化硅的化學(xué)汽相淀積：可以作為金屬化可以作為金屬化 時的介質(zhì)層，而且還可以作為離子注入或擴時的介質(zhì)層，而且還可以作為離子注入或擴 散的掩蔽膜，甚至還可以將摻磷、硼或砷的散的掩蔽膜，甚至還可以將摻磷、硼或砷的 氧化物用作擴散源氧化物用作擴散源 ?低溫低溫CVD氧化層：低于氧化層：低于500,利用硅烷和氧氣利用硅烷和氧氣 反應(yīng)，優(yōu)點：溫度低。作為覆蓋器件的鈍化層反應(yīng)，優(yōu)點：溫度低。作為覆

26、蓋器件的鈍化層 與鋁之間的絕緣層。缺點：臺階覆蓋能力差，與鋁之間的絕緣層。缺點：臺階覆蓋能力差， 有顆粒狀氧化硅。有顆粒狀氧化硅。 ?中等溫度淀積：中等溫度淀積：500800，利用四乙氧基硅，利用四乙氧基硅 烷烷Si(OC2H5)4。均勻性、臺階覆蓋性、氧化層的。均勻性、臺階覆蓋性、氧化層的 質(zhì)量比低溫的好，適于制作接觸孔的介質(zhì)層。質(zhì)量比低溫的好，適于制作接觸孔的介質(zhì)層。 ?高溫淀積：高溫淀積：900左右。利用二氯甲硅烷左右。利用二氯甲硅烷SiCl2H2 和氧化亞氮（低壓下），非常均勻，有時沉積和氧化亞氮（低壓下），非常均勻，有時沉積 多晶硅上的絕緣膜。多晶硅上的絕緣膜。 化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相

27、淀積(CVD) 多晶硅的化學(xué)汽相淀積：多晶硅的化學(xué)汽相淀積：利用多晶硅替代利用多晶硅替代 金屬鋁作為金屬鋁作為MOS器件的柵極是器件的柵極是MOS集成集成 電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬 鋁作為柵極的鋁作為柵極的MOS器件性能得到很大提高，器件性能得到很大提高， 而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實現(xiàn)源漏區(qū)自而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實現(xiàn)源漏區(qū)自 對準離子注入，使對準離子注入，使MOS集成電路的集成度集成電路的集成度 得到很大提高。得到很大提高。 ?氮化硅的化學(xué)汽相淀積：氮化硅的化學(xué)汽相淀積：中等溫度中等溫度(780 820)的的LPCVD或低溫或低溫(300)

28、PECVD方法方法 淀積。淀積。 ?LPCVD：具有理想的化學(xué)配比，密度較高，：具有理想的化學(xué)配比，密度較高， 氧化速度很慢，可作為局域氧化的掩蔽阻擋氧化速度很慢，可作為局域氧化的掩蔽阻擋 層。材料：二氯甲硅烷和氨氣。層。材料：二氯甲硅烷和氨氣。 ?PECVD：不具備理想的化學(xué)配比，密度較低，：不具備理想的化學(xué)配比，密度較低， 沉積溫度低。具有阻擋水和鈉離子擴散及很沉積溫度低。具有阻擋水和鈉離子擴散及很 強的抗劃傷能力，可作集成電路的鈍化層。強的抗劃傷能力，可作集成電路的鈍化層。 可用硅烷與氨氣或氮氣在等離子體中反應(yīng)得可用硅烷與氨氣或氮氣在等離子體中反應(yīng)得 到。到。 物理氣相淀積物理氣相淀積(

29、PVD)(PVD) 蒸發(fā)：蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得 足夠的能量后便可以脫離金屬表面的足夠的能量后便可以脫離金屬表面的 束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。 按照能量來源的不同，有燈絲加熱蒸按照能量來源的不同，有燈絲加熱蒸 發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種 濺射：濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在 高壓電場作用下，氣體放電形成的離高壓電場作用下，氣體放電形成的離 子被強電場加速，轟擊靶材料，使靶子被強電場加速，轟擊靶材料，使靶 原子逸出并被濺射到晶片上原子逸出并被濺射到晶片上 蒸蒸 發(fā)發(fā) 原原 理理 圖圖

30、集成電路工藝集成電路工藝 圖形轉(zhuǎn)換：圖形轉(zhuǎn)換： ?光刻：接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電光刻：接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電 子束光刻子束光刻 ?刻蝕：干法刻蝕、濕法刻蝕刻蝕：干法刻蝕、濕法刻蝕 摻雜：摻雜： ?離子注入離子注入 退火退火 ?擴散擴散 制膜：制膜： ?氧化：干氧氧化、濕氧氧化等氧化：干氧氧化、濕氧氧化等 ?CVD：APCVD、LPCVD、PECVD ?PVD：蒸發(fā)、濺射：蒸發(fā)、濺射 作作 業(yè)業(yè) 集成電路工藝主要分為哪集成電路工藝主要分為哪 幾大類，每一類中包括哪些幾大類，每一類中包括哪些 主要工藝，并簡述各工藝的主要工藝，并簡述各工藝的 主要作用主要作用 簡述光刻的工藝過程簡

31、述光刻的工藝過程 CMOSCMOS集成電路制集成電路制 造工藝造工藝 形成形成N阱阱 ?初始氧化初始氧化 ?淀積氮化硅層淀積氮化硅層 ?光刻光刻1版，定義出版，定義出N阱阱 ?反應(yīng)離子刻蝕氮化硅層反應(yīng)離子刻蝕氮化硅層 ?N阱離子注入，注磷阱離子注入，注磷 形成形成P阱阱 ?去掉光刻膠去掉光刻膠 ?在在N阱區(qū)生長厚氧化層，其它區(qū)域被氮化硅阱區(qū)生長厚氧化層，其它區(qū)域被氮化硅 層保護而不會被氧化層保護而不會被氧化 ?去掉光刻膠及氮化硅層去掉光刻膠及氮化硅層 ? P阱離子注入，注硼阱離子注入，注硼 推阱推阱 ?退火驅(qū)入退火驅(qū)入 ?去掉去掉N阱區(qū)的氧化層阱區(qū)的氧化層 形成場隔離區(qū)形成場隔離區(qū) ?生長一層

32、薄氧化層生長一層薄氧化層 ?淀積一層氮化硅淀積一層氮化硅 ?光刻場隔離區(qū)，非隔離區(qū)被光光刻場隔離區(qū)，非隔離區(qū)被光 刻膠保護起來刻膠保護起來 ?反應(yīng)離子刻蝕氮化硅反應(yīng)離子刻蝕氮化硅 ?場區(qū)離子注入場區(qū)離子注入,用于抑制場寄用于抑制場寄 生晶體管的開啟生晶體管的開啟. ?去除光刻膠去除光刻膠 ?熱生長厚的場氧化層熱生長厚的場氧化層 ?去掉氮化硅層去掉氮化硅層 形成多晶硅柵形成多晶硅柵 ? 生長柵氧化層生長柵氧化層 ? 淀積多晶硅淀積多晶硅 ? 光刻多晶硅柵光刻多晶硅柵 ? 刻蝕多晶硅柵刻蝕多晶硅柵 形成硅化物形成硅化物 ?淀積氧化層淀積氧化層 ?反應(yīng)離子刻蝕氧化層，形成側(cè)壁氧化層反應(yīng)離子刻蝕氧化層

33、，形成側(cè)壁氧化層 ?淀積難熔金屬淀積難熔金屬Ti或或Co等等 ?低溫退火，形成低溫退火，形成C-47相的相的TiSi2或或CoSi ?去掉氧化層上的沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的去掉氧化層上的沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的Ti或或Co ?高溫退火，形成低阻穩(wěn)定的高溫退火，形成低阻穩(wěn)定的TiSi2或或CoSi2 形成形成N管源漏區(qū)管源漏區(qū) ?光刻，利用光刻膠將光刻，利用光刻膠將PMOS區(qū)保護起來區(qū)保護起來 ?離子注入磷或砷，形成離子注入磷或砷，形成N管源漏區(qū)管源漏區(qū) 形成形成P管源漏區(qū)管源漏區(qū) ?光刻，利用光刻膠將光刻，利用光刻膠將NMOS區(qū)保護起來區(qū)保護起來 ?離子注入硼，形成離子注入硼，形成P管源漏區(qū)管源漏區(qū) 形成

34、接觸孔形成接觸孔 ? 化學(xué)氣相淀積磷硅玻璃層化學(xué)氣相淀積磷硅玻璃層 ?退火和致密退火和致密 ?光刻接觸孔版光刻接觸孔版 ?反應(yīng)離子刻蝕磷硅玻璃，形成接觸孔反應(yīng)離子刻蝕磷硅玻璃，形成接觸孔 形成第一層金屬形成第一層金屬 ?淀積金屬鎢淀積金屬鎢(W)，形成鎢塞，形成鎢塞 形成第一層金屬形成第一層金屬 ?淀積金屬層，如淀積金屬層，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等合金等 ?光刻第一層金屬版，定義出連線圖形光刻第一層金屬版，定義出連線圖形 ?反應(yīng)離子刻蝕金屬層，形成互連圖形反應(yīng)離子刻蝕金屬層，形成互連圖形 形成穿通接觸孔形成穿通接觸孔 ?化學(xué)氣相淀積化學(xué)氣相淀積PETEOS Plasma Enhan

35、ced TEOS(四乙氧基硅烷四乙氧基硅烷)，PETEOS的最大優(yōu)點的最大優(yōu)點 是臺階覆蓋性好是臺階覆蓋性好 ?通過化學(xué)機械拋光進行平坦化通過化學(xué)機械拋光進行平坦化 ?光刻穿通接觸孔版光刻穿通接觸孔版 ?反應(yīng)離子刻蝕絕緣層，形成穿通接觸孔反應(yīng)離子刻蝕絕緣層，形成穿通接觸孔 形成第二層金屬形成第二層金屬 ?淀積金屬層，如淀積金屬層，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等合金等 ?光刻第二層金屬版，定義出連線圖形光刻第二層金屬版，定義出連線圖形 ?反應(yīng)離子刻蝕，形成第二層金屬互連圖形反應(yīng)離子刻蝕，形成第二層金屬互連圖形 合金合金 形成鈍化層形成鈍化層 ? 在低溫條件下在低溫條件下(小于小于300)淀

36、積氮化硅淀積氮化硅 ? 光刻鈍化版光刻鈍化版 ? 刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形 測試、封裝，完成集成電路的制造工藝測試、封裝，完成集成電路的制造工藝 CMOS集成電路一般采用集成電路一般采用(100)晶向的硅材料晶向的硅材料 雙極集成電路雙極集成電路 制造工藝制造工藝 制作埋層制作埋層 ?初始氧化，熱生長厚度約為初始氧化，熱生長厚度約為5001000nm的氧化層的氧化層 ?光刻光刻1#版版(埋層版埋層版)，利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將光刻窗，利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將光刻窗 口中的氧化層刻蝕掉，并去掉光刻膠口中的氧化層刻蝕掉，并去掉光刻膠 ?進行大劑量進行大劑量As+注入并退火，形成

37、注入并退火，形成n+埋層埋層 雙極集成電路工藝雙極集成電路工藝 生長生長n型外延層型外延層 ?利用利用HF腐蝕掉硅片表面的氧化層腐蝕掉硅片表面的氧化層 ?將硅片放入外延爐中進行外延，外延層的厚度和摻雜將硅片放入外延爐中進行外延，外延層的厚度和摻雜 濃度一般由器件的用途決定濃度一般由器件的用途決定 形成橫向氧化物隔離區(qū)形成橫向氧化物隔離區(qū) ?熱生長一層薄氧化層，厚度約熱生長一層薄氧化層，厚度約50nm ?淀積一層氮化硅，厚度約淀積一層氮化硅，厚度約100nm ?光刻光刻2#版版(場區(qū)隔離版場區(qū)隔離版 形成橫向氧化物隔離區(qū)形成橫向氧化物隔離區(qū) ?利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將光刻窗口中的氮化利用反應(yīng)離子刻

38、蝕技術(shù)將光刻窗口中的氮化 硅層硅層-氧化層以及一半的外延硅層刻蝕掉氧化層以及一半的外延硅層刻蝕掉 ?進行硼離子注入進行硼離子注入 形成橫向氧化物隔離區(qū)形成橫向氧化物隔離區(qū) ?去掉光刻膠，把硅片放入氧化爐氧化，形成去掉光刻膠，把硅片放入氧化爐氧化，形成 厚的場氧化層隔離區(qū)厚的場氧化層隔離區(qū) ?去掉氮化硅層去掉氮化硅層 形成基區(qū)形成基區(qū) ?光刻光刻3#版版(基區(qū)版基區(qū)版)，利用光刻膠將收集區(qū)遮，利用光刻膠將收集區(qū)遮 擋住，暴露出基區(qū)擋住，暴露出基區(qū) ?基區(qū)離子注入硼基區(qū)離子注入硼 形成接觸孔：形成接觸孔： ?光刻光刻4#版版(基區(qū)接觸孔版基區(qū)接觸孔版) ?進行大劑量硼離子注入進行大劑量硼離子注入

39、?刻蝕掉接觸孔中的氧化層刻蝕掉接觸孔中的氧化層 形成發(fā)射區(qū)形成發(fā)射區(qū) ?光刻光刻5#版版(發(fā)射區(qū)版發(fā)射區(qū)版)，利用光刻膠將基極接觸，利用光刻膠將基極接觸 孔保護起來，暴露出發(fā)射極和集電極接觸孔孔保護起來，暴露出發(fā)射極和集電極接觸孔 ?進行低能量、高劑量的砷離子注入，形成發(fā)射進行低能量、高劑量的砷離子注入，形成發(fā)射 區(qū)和集電區(qū)區(qū)和集電區(qū) 金屬化金屬化 ?淀積金屬，一般是鋁或淀積金屬，一般是鋁或Al-Si、Pt-Si合金等合金等 ?光刻光刻6#版版(連線版連線版)，形成金屬互連線，形成金屬互連線 合金：合金：使使Al與接觸孔中的硅形成良好的歐與接觸孔中的硅形成良好的歐 姆接觸，一般是在姆接觸，一般

40、是在450、N2-H2氣氛下處氣氛下處 理理2030分鐘分鐘 形成鈍化層形成鈍化層 ?在低溫條件下在低溫條件下(小于小于300)淀積氮化硅淀積氮化硅 ?光刻光刻7#版版(鈍化版鈍化版) ?刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形 隔離技術(shù)隔離技術(shù) PN結(jié)隔離結(jié)隔離 場區(qū)隔離場區(qū)隔離 絕緣介質(zhì)隔離絕緣介質(zhì)隔離 溝槽隔離溝槽隔離 PN結(jié)隔離工藝結(jié)隔離工藝 絕緣絕緣 介質(zhì)介質(zhì) 隔離隔離 工藝工藝 LOCOS隔離工藝隔離工藝 LOCOS局域氧化局域氧化隔離工藝隔離工藝 生長薄氧化層、氮化硅。生長薄氧化層、氮化硅。 光刻，以光刻膠作為掩蔽層光刻，以光刻膠作為掩蔽層 刻蝕場區(qū)的氧化層、氮化硅?？涛g

41、場區(qū)的氧化層、氮化硅。 通過離子注入進行場區(qū)摻雜，通過離子注入進行場區(qū)摻雜， 去膠后利用氮化硅作為掩蔽去膠后利用氮化硅作為掩蔽 層進行場區(qū)氧化層進行場區(qū)氧化 ，最后去掉，最后去掉 氮化硅。氮化硅。 溝槽隔離工藝溝槽隔離工藝 接觸與互連接觸與互連 Al是目前集成電路工藝中最常用的金是目前集成電路工藝中最常用的金 屬互連材料屬互連材料, 但但Al連線也存在一些比較連線也存在一些比較 嚴重的問題嚴重的問題 ?電遷移嚴重、電阻率偏高、淺結(jié)穿透等電遷移嚴重、電阻率偏高、淺結(jié)穿透等 Cu連線工藝有望從根本上解決該問題連線工藝有望從根本上解決該問題 ?IBM、Motorola等已經(jīng)開發(fā)成功等已經(jīng)開發(fā)成功 目

42、前，互連線已經(jīng)占到芯片總面積的目前，互連線已經(jīng)占到芯片總面積的 7080%；且連線的寬度越來越窄，；且連線的寬度越來越窄， 電流密度迅速增加電流密度迅速增加 幾個概念幾個概念 ?場區(qū)場區(qū)場區(qū)是指一種很厚的氧化層，位于芯片上不做場區(qū)是指一種很厚的氧化層，位于芯片上不做 晶體管、電極接觸的區(qū)域，可以起到隔離晶體管的作晶體管、電極接觸的區(qū)域，可以起到隔離晶體管的作 用。用。 ?有源區(qū)和場區(qū)是互補的，晶體管做在有源區(qū)處，有源區(qū)和場區(qū)是互補的，晶體管做在有源區(qū)處， 金屬和多晶硅連線多做在場區(qū)上。金屬和多晶硅連線多做在場區(qū)上。 ?CMOS工藝中的場區(qū)（即晶體管以外的區(qū)域）需工藝中的場區(qū)（即晶體管以外的區(qū)域

43、）需 要較厚的氧化層，目的是提高場開啟電壓，使其高于要較厚的氧化層，目的是提高場開啟電壓，使其高于 工作電壓，形成良好的隔離；同時減小金屬層或多晶工作電壓，形成良好的隔離；同時減小金屬層或多晶 硅與硅襯底之間的寄生電容。但僅靠增加場氧的厚度硅與硅襯底之間的寄生電容。但僅靠增加場氧的厚度 仍不能滿足對場開啟的要求（即滿足場在器件正常工仍不能滿足對場開啟的要求（即滿足場在器件正常工 作時不可能開啟的要求），還要對場區(qū)進行注入，增作時不可能開啟的要求），還要對場區(qū)進行注入，增 加場區(qū)的摻雜濃度，阻止溝道的生成，進一步提高開加場區(qū)的摻雜濃度，阻止溝道的生成，進一步提高開 啟電壓。啟電壓。 ?有源區(qū)有源

44、區(qū):硅片上做有源器件的區(qū)域（就是有些阱區(qū)。硅片上做有源器件的區(qū)域（就是有些阱區(qū)。 或者說是采用或者說是采用STI等隔離技術(shù)，隔離開的區(qū)域）。等隔離技術(shù)，隔離開的區(qū)域）。 柵結(jié)構(gòu)材料柵結(jié)構(gòu)材料 ?Al-二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu) ?多晶硅多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu) ?難熔金屬硅化物難熔金屬硅化物/多晶硅多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu) Salicide工藝工藝(自對自對 準多晶硅準多晶硅/硅化物結(jié)硅化物結(jié) 構(gòu)構(gòu)) ?依次淀積柵氧化層與多依次淀積柵氧化層與多 晶硅、晶硅、 RIE刻蝕出多晶刻蝕出多晶 硅柵，低溫沉積硅柵，低溫沉積SiO2并并 致密，致密， RIE刻蝕并形成刻蝕并形成 側(cè)壁氧化層

45、；側(cè)壁氧化層； ?淀積淀積Ti或或Co等難熔金屬等難熔金屬 ?RTP并選擇腐蝕側(cè)壁氧并選擇腐蝕側(cè)壁氧 化層上的金屬；化層上的金屬； ?在較高溫度下進行在較高溫度下進行RTP 處理，形成化學(xué)穩(wěn)定的處理，形成化學(xué)穩(wěn)定的 低阻的低阻的CoSi2或或C-54相相 的的TiSi2最后形成最后形成 Salicide結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 優(yōu)點優(yōu)點 降低了柵、源降低了柵、源/漏及局部互連線的電阻，漏及局部互連線的電阻， 與深亞微米與深亞微米CMOS工藝兼容，對提高深亞工藝兼容，對提高深亞 微米微米CMOS電路的特性非常有利。電路的特性非常有利。 集集 成成 電電 路路 封封 裝裝 工工 藝藝 流流 程程 劃片：金剛刀、脈沖激光束、含金剛石粉劃片：金剛刀、脈沖激光束、含金剛石粉 的鋸片。的鋸片。 封裝材料：金屬封裝、陶瓷封裝、和塑料封裝材料：金屬封裝、陶瓷封裝、和塑料 封裝。封裝。 各種封各種封 裝類型裝類型 示意圖示意圖 集成電路工藝小結(jié)集成電路工藝小結(jié) 前工序前工序 ?圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)：主要包括光刻、圖形轉(zhuǎn)換技術(shù)：主要包括光刻、 刻蝕等技術(shù)刻蝕等技術(shù) ?薄膜制備技術(shù)：主要包括外延、薄膜制備技術(shù)：主要包括外延、 氧化、化學(xué)氣相淀積、物理氣相氧化、化學(xué)氣相淀積、物理氣相 淀積淀積(如濺射、蒸發(fā)如濺射、蒸發(fā)) 等等 ?摻雜技術(shù)：主要包括擴散和離子摻雜技術(shù)：主要包括擴散和離子