集成電路Chap04課件

集成電路制造工藝北京大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架設(shè)計(jì)芯片檢測單晶、外延材料掩膜版芯片制造過程封裝測試系統(tǒng)需求集成電路的設(shè)計(jì)過程：

設(shè)計(jì)創(chuàng)意+仿真驗(yàn)證集成電路芯片設(shè)計(jì)過程框架From吉利久教授是功能要求行為設(shè)計(jì)（VHDL）行為仿真綜合、優(yōu)化——網(wǎng)表時(shí)序仿真布局布線——版圖后仿真否是否否是Singoff—設(shè)計(jì)業(yè)—集成電路芯片的顯微照片集成電路的內(nèi)部單元(俯視圖)溝道長度為0.15微米的晶體管柵長為90納米的柵圖形照片N溝道MOS晶體管CMOS集成電路(互補(bǔ)型MOS集成電路)：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95%以上。圖形轉(zhuǎn)換：光刻光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)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(jī)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正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠負(fù)膠：分辨率差，適于加工線寬≥3m的線條正膠：曝光后可溶負(fù)膠：曝光后不可溶圖形轉(zhuǎn)換：光刻幾種常見的光刻方法接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個(gè)很小的間隙(10～25m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜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圖形轉(zhuǎn)換：光刻超細(xì)線條光刻技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外線(EUV)電子束光刻X射線離子束光刻圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù)濕法刻蝕：利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕的方法干法刻蝕：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(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團(tuán)等)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù)濕法腐蝕：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、腐蝕優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單、成本低缺點(diǎn)是鉆蝕嚴(yán)重、對圖形的控制性較差雜質(zhì)摻雜摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅摻雜工藝：擴(kuò)散、離子注入擴(kuò)散替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位：Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的溫度(950～1280℃)下進(jìn)行磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙：Na、K、Fe、Cu、Au等元素?cái)U(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大6～7個(gè)數(shù)量級雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖利用液態(tài)源進(jìn)行擴(kuò)散的裝置示意圖離子注入離子注入：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(劑量)決定摻雜的均勻性好溫度低：小于600℃可以精確控制雜質(zhì)分布可以注入各種各樣的元素橫向擴(kuò)展比擴(kuò)散要小得多?？梢詫衔锇雽?dǎo)體進(jìn)行摻雜離子注入系統(tǒng)的原理示意圖退火退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮?dú)獾炔换顫姎夥罩羞M(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運(yùn)動(dòng)到晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子，起到雜質(zhì)的作用消除損傷退火方式：爐退火快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源(如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等)氧化工藝氧化：制備SiO2層SiO2的性質(zhì)及其作用SiO2是一種十分理想的電絕緣材料，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)氧化硅層的主要作用在MOS電路中作為MOS器件的絕緣柵介質(zhì)，器件的組成部分?jǐn)U散時(shí)的掩蔽層，離子注入的(有時(shí)與光刻膠、Si3N4層一起使用)阻擋層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)材料作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料作為對器件和電路進(jìn)行鈍化的鈍化層材料SiO2的制備方法熱氧化法干氧氧化水蒸汽氧化濕氧氧化干氧－濕氧－干氧(簡稱干濕干)氧化法氫氧合成氧化化學(xué)氣相淀積法熱分解淀積法濺射法進(jìn)行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖化學(xué)汽相淀積(CVD)化學(xué)汽相淀積(ChemicalVaporDeposition)：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CVD技術(shù)特點(diǎn)：具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺(tái)階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)CVD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SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等化學(xué)汽相淀積(CVD)常壓化學(xué)汽相淀積(APCVD)低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖平行板型PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖化學(xué)汽相淀積(CVD)單晶硅的化學(xué)汽相淀積(外延)：一般地，將在單晶襯底上生長單晶材料的工藝叫做外延，生長有外延層的晶體片叫做外延片二氧化硅的化學(xué)汽相淀積：可以作為金屬化時(shí)的介質(zhì)層，而且還可以作為離子注入或擴(kuò)散的掩蔽膜，甚至還可以將摻磷、硼或砷的氧化物用作擴(kuò)散源低溫CVD氧化層：低于500℃中等溫度淀積：500～800℃高溫淀積：900℃左右化學(xué)汽相淀積(CVD)多晶硅的化學(xué)汽相淀積：利用多晶硅替代金屬鋁作為MOS器件的柵極是MOS集成電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬鋁作為柵極的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)源漏區(qū)自對準(zhǔn)離子注入，使MOS集成電路的集成度得到很大提高。氮化硅的化學(xué)汽相淀積：中等溫度(780～820℃)的LPCVD或低溫(300℃)PECVD方法淀積物理氣相淀積(PVD)蒸發(fā)：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，有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場作用下，氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上蒸發(fā)原理圖集成電路工藝圖形轉(zhuǎn)換：光刻：接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電子束光刻刻蝕：干法刻蝕、濕法刻蝕摻雜：離子注入退火擴(kuò)散制膜：氧化：干氧氧化、濕氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸發(fā)、濺射作業(yè)集成電路工藝主要分為哪幾大類，每一類中包括哪些主要工藝，并簡述各工藝的主要作用簡述光刻的工藝過程集成電路制造工藝北京大學(xué)集成電路基本加工工藝包括襯底外延生長、掩膜制版、光刻、摻雜、絕緣層和金屬層形成等。而集成電路的特定工藝包括硅基的雙極型工藝、CMOS、BiCMOS；鍺硅HBT工藝和BiCMOS工藝，SOI材料的CMOS工藝，GaAs基/InP基的MESFET工藝、HEMT工藝和HBT工藝等。目前應(yīng)用最廣泛的特定工藝是CMOS工藝。在CMOS工藝中，又可細(xì)分為DRAM工藝、邏輯工藝、模擬數(shù)字混合集成工藝，RFIC工藝等。盡管特定工藝種類繁多，若以晶體管類型來區(qū)分，目前常用的大體上可分為雙極型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS、BiCMOS四大類型。將分別介紹這四種特定工藝的基本加工過程。CMOS集成電路制造工藝CMOS工藝技術(shù)是當(dāng)代VLSI工藝的主流工藝技術(shù)，該工藝是在PMOS與NMOS工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，特點(diǎn)是將NMOS器件和PMOS器件同時(shí)制作在同一襯底上。COMOS工藝一般可分為三類：P阱CMOS工藝、N阱CMOS工藝和雙阱CMOS工藝。P阱CMOS工藝P阱CMOS工藝以N型單晶硅為襯底。首先在N型硅襯底上制作P阱，然后將NMOS晶體管制作在該P(yáng)阱中，而PMOS管則直接做在N型硅襯底上。N阱CMOS工藝N阱CMOS工藝正好與P阱CMOS工藝相反，它是在P型襯底上形成N阱。因?yàn)镹溝道器件是在P型襯底上制成的，這種方法與標(biāo)準(zhǔn)的N溝道MOS晶體管的工藝是兼容的。在這種情況下，N阱中和了P型襯底，N阱中的P溝道MOS晶體管會(huì)受到過渡摻雜的影響。雙阱CMOS工藝雙阱CMOS工藝采用的原始材料是在N+或P+襯底上外延一層輕摻雜的外延層，然后用離子注入的方法同時(shí)制作N阱和P阱。使用雙阱工藝不但可以提高器件密度，還可以有效的控制寄生晶體管的影響，抑制閂鎖現(xiàn)象。形成N阱初始氧化淀積氮化硅層光刻1版，定義出N阱反應(yīng)離子刻蝕氮化硅層N阱離子注入，注磷形成P阱去掉光刻膠在N阱區(qū)生長厚氧化層，其它區(qū)域被氮化硅層保護(hù)而不會(huì)被氧化去掉氮化硅層P阱離子注入，注硼推阱退火驅(qū)入去掉N阱區(qū)的氧化層形成場隔離區(qū)生長一層薄氧化層淀積一層氮化硅光刻場隔離區(qū)，非隔離區(qū)被光刻膠保護(hù)起來反應(yīng)離子刻蝕氮化硅場區(qū)離子注入熱生長厚的場氧化層去掉氮化硅層形成多晶硅柵生長柵氧化層淀積多晶硅光刻多晶硅柵刻蝕多晶硅柵形成硅化物淀積氧化層反應(yīng)離子刻蝕氧化層，形成側(cè)壁氧化層淀積難熔金屬Ti或Co等低溫退火，形成C-47相的TiSi2或CoSi去掉氧化層上的沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的Ti或Co高溫退火，形成低阻穩(wěn)定的TiSi2或CoSi2形成N管源漏區(qū)光刻，利用光刻膠將PMOS區(qū)保護(hù)起來離子注入磷或砷，形成N管源漏區(qū)形成P管源漏區(qū)光刻，利用光刻膠將NMOS區(qū)保護(hù)起來離子注入硼，形成P管源漏區(qū)形成接觸孔化學(xué)氣相淀積磷硅玻璃層退火和致密光刻接觸孔版反應(yīng)離子刻蝕磷硅玻璃，形成接觸孔形成第一層金屬淀積金屬鎢(W)，形成鎢塞形成第一層金屬淀積金屬層，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等光刻第一層金屬版，定義出連線圖形反應(yīng)離子刻蝕金屬層，形成互連圖形形成穿通接觸孔化學(xué)氣相淀積PETEOS通過化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化光刻穿通接觸孔版反應(yīng)離子刻蝕絕緣層，形成穿通接觸孔形成第二層金屬淀積金屬層，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等光刻第二層金屬版，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合金形成鈍化層在低溫條件下(小于300℃)淀積氮化硅光刻鈍化版刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形測試、封裝，完成集成電路的制造工藝CMOS集成電路一般采用(100)晶向的硅材料AA雙極集成電路

制造工藝制作埋層初始氧化，熱生長厚度約為500～1000nm的氧化層光刻1#版(埋層版)，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，并去掉光刻膠進(jìn)行大劑量As+注入并退火，形成n+埋層雙極集成電路工藝生長n型外延層利用HF腐蝕掉硅片表面的氧化層將硅片放入外延爐中進(jìn)行外延，外延層的厚度和摻雜濃度一般由器件的用途決定形成橫向氧化物隔離區(qū)熱生長一層薄氧化層，厚度約50nm淀積一層氮化硅，厚度約100nm光刻2#版(場區(qū)隔離版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硅層-氧化層以及一半的外延硅層刻蝕掉進(jìn)行硼離子注入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，形成厚的場氧化層隔離區(qū)去掉氮化硅層形成基區(qū)光刻3#版(基區(qū)版)，利用光刻膠將收集區(qū)遮擋住，暴露出基區(qū)基區(qū)離子注入硼形成接觸孔：光刻4#版(基區(qū)接觸孔版)進(jìn)行大劑量硼離子注入刻蝕掉接觸孔中的氧化層形成發(fā)射區(qū)光刻5#版(發(fā)射區(qū)版)，利用光刻膠將基極接觸孔保護(hù)起來，暴露出發(fā)射極和集電極接觸孔進(jìn)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)金屬化淀積金屬，一般是鋁或Al-Si、Pt-Si合金等光刻6#版(連線版)，形成金屬互連線合金：使Al與接觸孔中的硅形成良好的歐姆接觸，一般是在450℃、N2-H2氣氛下處理20～30分鐘形成鈍化層在低溫條件下(小于300℃)淀積氮化硅光刻7#版(鈍化版)刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形隔離技術(shù)PN結(jié)隔離場區(qū)隔離絕緣介質(zhì)隔離溝槽隔離PN結(jié)隔離工藝絕緣介質(zhì)隔離工藝LOCOS隔離工藝LOCOS隔離工藝溝槽隔離工藝接觸與互連Al是目前集成電路工藝中最常用的金屬互連材料,但Al連線也存在一些比較嚴(yán)重的問題電遷移嚴(yán)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IBM、Motorola等已經(jīng)開發(fā)成功目前，互連線已經(jīng)占到芯片總面積的70～80%；且連線的寬度越來越窄，電流密度迅速增加幾個(gè)概念場區(qū)有源區(qū)柵結(jié)構(gòu)材料Al-二氧化硅結(jié)構(gòu)多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)難熔金屬硅化物/多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)Salicide工藝淀積多晶硅、刻蝕并形成側(cè)壁氧化層；淀積