第三章集成電路制造工藝ppt課件

1、第三章第三章 集成電路制造工藝集成電路制造工藝 第三章第三章第三章第三章 3.1 硅平面工藝硅平面工藝 3.2 氧化絕緣層工藝氧化絕緣層工藝 3.3 擴(kuò)散摻雜工藝擴(kuò)散摻雜工藝 3.4 光刻工藝光刻工藝 3.5 掩模制版技術(shù)掩模制版技術(shù) 3.6 外延生長(zhǎng)工藝外延生長(zhǎng)工藝 3.7 金屬層制備工藝金屬層制備工藝 3.8 隔離工藝技術(shù)隔離工藝技術(shù) 3.9 CMOS集成電路工藝流程集成電路工藝流程 主要內(nèi)容主要內(nèi)容第三章第三章 集成電路的核心是半導(dǎo)體器件 包括：電阻 電容 電感 二極管 三極管 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管. 不同類型的半導(dǎo)體區(qū)域和它們之間一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)組成半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝的

2、基本原理半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝的基本原理根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，在半導(dǎo)體材料不同區(qū)域形成不同導(dǎo)電區(qū)域(P型以及N型)進(jìn)而形成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)第三章第三章19501950年，合金法制備的晶體管即合金管或臺(tái)面年，合金法制備的晶體管即合金管或臺(tái)面管管半導(dǎo)體器件工藝技術(shù)發(fā)展的三個(gè)階段半導(dǎo)體器件工藝技術(shù)發(fā)展的三個(gè)階段第三章第三章19551955年，發(fā)明擴(kuò)散技術(shù)，擴(kuò)散能夠精確控制年，發(fā)明擴(kuò)散技術(shù)，擴(kuò)散能夠精確控制為了能夠精確控制為了能夠精確控制PNPN結(jié)的位置以及寬度等結(jié)的位置以及寬度等第三章第三章19601960年，硅平面工藝是半導(dǎo)體器件制造技術(shù)最重年，硅平面工藝是半導(dǎo)體器件制造技術(shù)最重要的里程碑。要的里程碑。綜

3、合了擴(kuò)散技術(shù)和二氧化硅掩膜技術(shù)二氧化硅能有效抑制大部分施主和受主雜質(zhì)的擴(kuò)散，可以選擇性地進(jìn)行擴(kuò)散，得到不同的P(N)區(qū)域第三章第三章晶片晶片WaferWafer）：襯底硅片，也稱為晶圓）：襯底硅片，也稱為晶圓芯片芯片ChipChip）：在晶片上經(jīng)制備出的晶體管或電路。同一）：在晶片上經(jīng)制備出的晶體管或電路。同一晶片上可制備出成千上萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的芯片晶片上可制備出成千上萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的芯片晶片尺寸越大技術(shù)難度就越高晶片尺寸越大技術(shù)難度就越高目前晶片尺寸在目前晶片尺寸在150 300 mm ( 6 12 inch )相應(yīng)的生產(chǎn)線為相應(yīng)的生產(chǎn)線為6、12 inch。第三章第三章第三章第三章第三章第三章

4、第三章第三章 3.2 氧化工藝氧化工藝氧化是平面工藝中最核心的技術(shù)之一。氧化是平面工藝中最核心的技術(shù)之一。19571957年，發(fā)現(xiàn)年，發(fā)現(xiàn)SiO2SiO2層具有阻止施主或受主雜質(zhì)向硅內(nèi)擴(kuò)散層具有阻止施主或受主雜質(zhì)向硅內(nèi)擴(kuò)散的作用，掩蔽作用。的作用，掩蔽作用。選擇性擴(kuò)散前均要進(jìn)行氧化，在晶片的表面生長(zhǎng)二氧化硅薄膜。選擇性擴(kuò)散前均要進(jìn)行氧化，在晶片的表面生長(zhǎng)二氧化硅薄膜。把不需擴(kuò)散的區(qū)域用一定厚度的把不需擴(kuò)散的區(qū)域用一定厚度的SiO2 保護(hù)起來保護(hù)起來第三章第三章 對(duì)擴(kuò)散雜質(zhì)起掩蔽作用對(duì)擴(kuò)散雜質(zhì)起掩蔽作用 可作為可作為MOSMOS器件的絕緣層，柵極氧化層器件的絕緣層，柵極氧化層 用作集成電路中的隔

5、離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)。用作集成電路中的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)。 作為集成電路中的電容器介質(zhì)。作為集成電路中的電容器介質(zhì)。 對(duì)器件表面起保護(hù)鈍化作用。因半導(dǎo)體表面態(tài)對(duì)器對(duì)器件表面起保護(hù)鈍化作用。因半導(dǎo)體表面態(tài)對(duì)器件的影響非常大，采用氧化層保護(hù)可防止環(huán)境對(duì)器件的影響非常大，采用氧化層保護(hù)可防止環(huán)境對(duì)器件的污染。件的污染。 一. SiO2 薄膜在集成電路中的作用第三章第三章 SiO2 的基本性質(zhì)的基本性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)： 結(jié)晶型結(jié)晶型(石英玻璃石英玻璃) 非晶態(tài)非晶態(tài)半導(dǎo)體器件生產(chǎn)所用的半導(dǎo)體器件生產(chǎn)所用的SiO2 薄膜屬于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。薄膜屬于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。物理性質(zhì)物理性質(zhì) 惰性材料，在室溫相當(dāng)寬的范圍內(nèi)

6、，性能十分穩(wěn)定；電阻率非常高，惰性材料，在室溫相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，性能十分穩(wěn)定；電阻率非常高，熱氧化的熱氧化的SiO2 薄膜為薄膜為 10 15 歐姆歐姆厘米，厘米， 是很好的絕緣材料，高介電是很好的絕緣材料，高介電常數(shù)。常數(shù)。第三章第三章二二.SiO2.SiO2薄膜的生長(zhǎng)方法薄膜的生長(zhǎng)方法工藝：工藝：氧化氧化熱氧化熱氧化化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積氧氣氧化氧氣氧化氫氧合成氧化氫氧合成氧化高壓氧化高壓氧化第三章第三章第三章第三章熱氧化過程熱氧化過程氧化前氧化前 氧化后氧化后第三章第三章氧氣法氧化氧氣法氧化按照氧氣的情況按照氧氣的情況干法氧化干法氧化濕法氧化濕法氧化第三章第三章干氧生成的干氧生成的SiO

7、2結(jié)構(gòu)致密、結(jié)構(gòu)致密、枯燥、均勻性和重復(fù)性好，掩枯燥、均勻性和重復(fù)性好，掩蔽能力強(qiáng)，與光刻膠粘附好等蔽能力強(qiáng)，與光刻膠粘附好等優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 干氧化速率慢，由于已生長(zhǎng)干氧化速率慢，由于已生長(zhǎng)的的SiO2對(duì)氧有阻礙作用，氧化對(duì)氧有阻礙作用，氧化的速度會(huì)逐漸降低，的速度會(huì)逐漸降低，O2Si固體）固體）+ O2 SiO2固體）固體） 干法氧化干法氧化 將硅片置于通有氧氣的高溫環(huán)境內(nèi)，通過到達(dá)硅表將硅片置于通有氧氣的高溫環(huán)境內(nèi)，通過到達(dá)硅表面的氧原子與硅的作用發(fā)生反應(yīng)形成面的氧原子與硅的作用發(fā)生反應(yīng)形成SiO2。將石英管高溫加熱至將石英管高溫加熱至10001000以上，以上，通入氧氣。通入氧氣。石石英英管管

8、加熱器加熱器硅片硅片石英舟石英舟第三章第三章高溫下，硅與水汽和氧氣發(fā)生如下反應(yīng)：高溫下，硅與水汽和氧氣發(fā)生如下反應(yīng)：濕法氧化濕法氧化 Si固體）固體）+ 2H2O SiO2固體）固體）+ 2H2 濕氧氧化速率快，水的擴(kuò)濕氧氧化速率快，水的擴(kuò)散系數(shù)大于氧氣。但致密散系數(shù)大于氧氣。但致密度較差，對(duì)度較差，對(duì)P的掩蔽能力的掩蔽能力差，于光刻膠的接觸不良。差，于光刻膠的接觸不良。石英管石英管高純水高純水加熱器加熱器硅片硅片石英舟石英舟濕濕O29595度的去度的去離子水離子水第三章第三章硅硅干法氧化干法氧化濕法氧化濕法氧化干法氧化干法氧化實(shí)際氧化工藝：干氧化實(shí)際氧化工藝：干氧化 濕氧化濕氧化 干氧化干氧

9、化第三章第三章氫氧合成氧化氫氧合成氧化OHOH222%)99.99(%)9999.99( Si固體）固體）+ 2H2O SiO2固體）固體）+ 2H2 氧化速度快，避免濕法氧化中水蒸氣對(duì)器件帶來的污染，氧化速度快，避免濕法氧化中水蒸氣對(duì)器件帶來的污染，薄膜質(zhì)量好，純度高。薄膜質(zhì)量好，純度高。第三章第三章高壓氧化高壓氧化第三章第三章化學(xué)汽相沉積法化學(xué)汽相沉積法 CVDCVD把一種把一種( (幾種幾種) )元素的氣體共給基片，利用某種方式激活后，元素的氣體共給基片，利用某種方式激活后，在襯底表面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積所需的固體薄膜。在襯底表面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積所需的固體薄膜。激活方式：加熱、等離子

10、體、紫外光、激光等產(chǎn)生高溫激活方式：加熱、等離子體、紫外光、激光等產(chǎn)生高溫多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多種無機(jī)薄膜多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多種無機(jī)薄膜第三章第三章OHSiOOSiH222422制備氧化硅時(shí)：制備氧化硅時(shí)：硅烷與氧的反應(yīng)硅烷與氧的反應(yīng)第三章第三章800-1000102 Pa 產(chǎn)量大，膜厚均勻600-700 射頻電場(chǎng)，200-400第三章第三章第三章第三章3. SiO2薄膜的要求和檢測(cè)方法薄膜的要求和檢測(cè)方法 SiO2薄膜的要求薄膜的要求 外表：表面厚度均勻、表面致密、無斑點(diǎn)、無白霧外表：表面厚度均勻、表面致密、無斑點(diǎn)、無白霧 SiO2薄膜的厚度測(cè)量薄膜的厚度測(cè)量 表面

11、觀察法表面觀察法(TEM)、干涉法、橢圓激光偏振法等。、干涉法、橢圓激光偏振法等。 最常用的是干涉條紋法。最常用的是干涉條紋法。第三章第三章4. 氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和面臨問題氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和面臨問題 隨著集成電路的集成度的不斷提高，器件尺寸的不斷減小，隨著集成電路的集成度的不斷提高，器件尺寸的不斷減小， 使使MOS器件的柵氧化層厚度的不斷減小。器件的柵氧化層厚度的不斷減小。 柵氧化層厚度從柵氧化層厚度從100 nm1975年減小到目前的年減小到目前的 5nm。 柵氧化層厚度越薄，則漏電和擊穿問題越嚴(yán)重，所以需要柵氧化層厚度越薄，則漏電和擊穿問題越嚴(yán)重，所以需要 開發(fā)高介質(zhì)的柵氧化層材料。開

12、發(fā)高介質(zhì)的柵氧化層材料。 隨著集成電路尺寸的不斷減小，布線間距縮小電容明顯增隨著集成電路尺寸的不斷減小，布線間距縮小電容明顯增大，使得器件的延遲增大速度變慢。減小布線電容的有效大，使得器件的延遲增大速度變慢。減小布線電容的有效方法就是采用低介質(zhì)常數(shù)的材料作層間絕緣。方法就是采用低介質(zhì)常數(shù)的材料作層間絕緣。第三章第三章1、擴(kuò)散定律、擴(kuò)散定律由于濃度不均勻而導(dǎo)致載流子電子由于濃度不均勻而導(dǎo)致載流子電子或空穴從高濃度處向低濃度處逐漸或空穴從高濃度處向低濃度處逐漸運(yùn)動(dòng)的過程運(yùn)動(dòng)的過程 分散分散 3.3 擴(kuò)散摻雜工藝擴(kuò)散摻雜工藝目的目的 通過摻雜或補(bǔ)償，制作通過摻雜或補(bǔ)償，制作N型或型或P型型區(qū)域區(qū)域第

13、三章第三章第三章第三章一一. . 擴(kuò)散原理擴(kuò)散原理D 擴(kuò)散系數(shù)：反映擴(kuò)散快慢程度的物理量。擴(kuò)散系數(shù)：反映擴(kuò)散快慢程度的物理量。S = - DdNdX1. 擴(kuò)散流密度：擴(kuò)散流密度：描述了擴(kuò)散過程硅片上各點(diǎn)雜質(zhì)濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律描述了擴(kuò)散過程硅片上各點(diǎn)雜質(zhì)濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律2. 擴(kuò)散方程：擴(kuò)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)/exp(00kTEDD第三章第三章3. 雜質(zhì)分布特點(diǎn)雜質(zhì)分布特點(diǎn) 雜質(zhì)分布雜質(zhì)分布 擴(kuò)散工藝形式不同但總體可分為擴(kuò)散工藝形式不同但總體可分為 恒定源擴(kuò)散，限定源擴(kuò)散恒定源擴(kuò)散，限定源擴(kuò)散 恒定源擴(kuò)

14、散恒定源擴(kuò)散 硅片表面處雜質(zhì)濃度硅片表面處雜質(zhì)濃度不隨時(shí)間變化而變。不隨時(shí)間變化而變。 限定源擴(kuò)散限定源擴(kuò)散 硅中雜質(zhì)總量不變，隨硅中雜質(zhì)總量不變，隨時(shí)間增加表面雜質(zhì)濃度不時(shí)間增加表面雜質(zhì)濃度不斷下降，雜質(zhì)擴(kuò)入硅片的斷下降，雜質(zhì)擴(kuò)入硅片的深度增大。深度增大。第三章第三章擴(kuò)散結(jié)深擴(kuò)散結(jié)深ND為樣品中原來的為樣品中原來的摻雜濃度摻雜濃度t2t3t1 t2 NbNc第三章第三章集成電路中雙極型晶體管集成電路中雙極型晶體管N N 外延外延 集電區(qū)集電區(qū) N +埋層埋層 p - Si P P 基區(qū)基區(qū)N+N+beCP+隔隔離離環(huán)環(huán) P+ 隔隔 離離 環(huán)環(huán)集成電路中的雙極型晶體管集成電路中的雙極型晶體管結(jié)

15、構(gòu)與分立型相同結(jié)構(gòu)與分立型相同因所有的元器件均在同一電路因所有的元器件均在同一電路上，所以必須要有隔離分開上，所以必須要有隔離分開集電極只能從上面引出集電極只能從上面引出第三章第三章IC中縱向中縱向NPN晶體管剖面圖晶體管剖面圖ALSiO2bPP+P-襯底ecn+-外延外延N-epiP+n+n+P-襯底襯底n+埋層埋層N-外延外延N-外延外延P+P+P+P+ PN結(jié)隔離槽結(jié)隔離槽NPP+隔離隔離P+隔離隔離cbeppIC中橫向中橫向PNP晶體管剖面圖晶體管剖面圖第三章第三章襯襯底底單單晶晶片片鍵鍵合合封封帽帽老老化化篩篩選選總總測(cè)測(cè)隔隔離離區(qū)區(qū)氧氧化化2埋埋層層窗窗口口分分散散外外延延生生長(zhǎng)長(zhǎng)

16、初初始始氧氧化化1埋埋層層窗窗口口光光刻刻1隔隔離離窗窗口口光光刻刻2基基區(qū)區(qū)窗窗口口光光刻刻3隔隔離離區(qū)區(qū)窗窗口口擴(kuò)擴(kuò)散散基基區(qū)區(qū)氧氧化化3基基區(qū)區(qū)擴(kuò)擴(kuò)散散電電極極鋁鋁反反刻刻6 6引引線線孔孔光光刻刻5 5蒸蒸發(fā)發(fā)電電極極發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)擴(kuò)擴(kuò)散散引引線線孔孔氧氧化化5 5劃劃片片中中間間測(cè)測(cè)試試裝裝架架壓壓焊焊點(diǎn)點(diǎn)光光刻刻7 7合合金金表表面面鈍鈍化化6 6發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)氧氧化化4 4發(fā)發(fā)射射區(qū)區(qū)窗窗口口光光刻刻43. 平面雙極型集成電路晶體管基本工藝流程平面雙極型集成電路晶體管基本工藝流程第三章第三章 第三章第三章平面集成電路基本工藝平面集成電路基本工藝平面集成電路工藝也分為前部工序、后部工序

17、、輔助工序平面集成電路工藝也分為前部工序、后部工序、輔助工序前工序管芯工序即中測(cè)前所有的工序前工序管芯工序即中測(cè)前所有的工序 薄膜制備工藝薄膜制備工藝: : 外延層制備、氧化層、鈍化層、金屬電極層外延層制備、氧化層、鈍化層、金屬電極層 摻雜工藝摻雜工藝: : 制備埋層、隔離區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)等制備埋層、隔離區(qū)、基區(qū)、發(fā)射區(qū)等 圖形加工工藝圖形加工工藝: : 光刻掩膜、制版光刻掩膜、制版后工序：中測(cè)后直至成品所有的工序后工序：中測(cè)后直至成品所有的工序輔助工序：高純水的制備、高純氣體制備、單晶片制備，輔助工序：高純水的制備、高純氣體制備、單晶片制備， 超凈環(huán)境等超凈環(huán)境等第三章第三章 3.10 CM

18、OS集成電路工藝集成電路工藝一、一、CMOS （互補(bǔ)型（互補(bǔ)型MOS電路）電路）在一塊硅片上同時(shí)制備出在一塊硅片上同時(shí)制備出 N-MOS和和P-MOS管，管，并根據(jù)使用要求合理連接在電路中。并根據(jù)使用要求合理連接在電路中。 N外延外延 N+P 阱阱N阱阱P+P+N+N+場(chǎng)氧化層場(chǎng)氧化層PN+N+N阱阱P+P+NP+P+P 阱阱N+N+第三章第三章CMOS 在集成電路中用途非常廣泛，其特點(diǎn)為：在集成電路中用途非常廣泛，其特點(diǎn)為： 電流小、功耗低電流小、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工藝流程工藝流程N(yùn)阱的生成阱的生成有源區(qū)的確定和場(chǎng)氧氧化有源區(qū)的確定和場(chǎng)氧

19、氧化生長(zhǎng)柵氧化層和生成多晶硅柵電極生長(zhǎng)柵氧化層和生成多晶硅柵電極形成形成P溝溝MOS晶體管晶體管形成形成N溝溝MOS晶體管晶體管引線及后續(xù)工藝引線及后續(xù)工藝第三章第三章N阱的生成阱的生成氧化氧化光刻光刻摻雜摻雜PPN阱阱第三章第三章有源區(qū)的確定和場(chǎng)氧氧化有源區(qū)的確定和場(chǎng)氧氧化有源區(qū)：晶體管所在的區(qū)域有源區(qū)：晶體管所在的區(qū)域(N溝晶體管溝晶體管) (P溝晶體管溝晶體管)N+N+N+N+寄生晶體管寄生晶體管場(chǎng)氧：不同晶體管之間形成較厚的氧化層場(chǎng)氧：不同晶體管之間形成較厚的氧化層第三章第三章襯底襯底氧化氧化去掉氮化層去掉氮化層SiO2緩沖層緩沖層Si3N4第三章第三章沒有氧化層的區(qū)域即為沒有氧化層的區(qū)域即為有源區(qū)有源區(qū)第三章第三章生長(zhǎng)柵氧化層和生成多晶硅柵電極生長(zhǎng)柵氧化層和生成多晶硅柵電極確定了有源區(qū)以后，就可以制作確定了有源區(qū)以后，就可以制作MOSMOS晶體管晶體管第三章第三章形成形成P溝溝MOS晶體管晶體管第三章第三章形成形成N溝溝MOS晶體管晶體管第三章第三章N+N+ N 阱P+P+N+SiO2SiO2Al