第二章-集成電路的基本制造工藝

第二章集成電路的基本制造工藝2.1常用半導(dǎo)體材料簡介2.2制造工藝簡介2.3雙極集成電路制造工藝2.4MOS集成電路制造工藝2.5Bi-CMOS工藝2.1常用半導(dǎo)體材料1.概述2.硅和多晶硅3.砷化鉀4.磷化銦

5.絕緣材料6.金屬材料SiO2、SiON、Si3N4等絕緣體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等半導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅等導(dǎo)體材料分類表2.1集成電路制造所應(yīng)用到的材料分類1.概述：半導(dǎo)體材料在集成電路的制造中起著根本性的作用硅，砷化鎵和磷化銦是最基本的三種半導(dǎo)體材料2.硅（Si）可以制作：二極管雙極型晶體管（BJT）結(jié)型場效應(yīng)管（J-FET）

P型、N型MOS場效應(yīng)管雙極CMOS（BiCMOS）

……

幾乎無處不在，半導(dǎo)體行業(yè)中的硅大多是多晶硅多晶硅(polysilicon,常用poly表示)多晶硅與單晶硅都是硅原子的集合體。多晶硅是單質(zhì)硅的一種形態(tài)。熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下凝固時，硅原子以金剛石晶格形態(tài)排列成許多晶核，如這些晶核長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來，就結(jié)晶成多晶硅

且其特性都隨結(jié)晶度與雜質(zhì)原子而改變。非摻雜的多晶硅薄層實質(zhì)上是半絕緣的，電阻率為300W·cm

。通過不同雜質(zhì)的組合，多晶硅的電阻率可被控制在500—0.005W·cm多晶硅被廣泛用于電子工業(yè)。在MOS及雙極器件中，多晶硅用制作柵極、形成源極與漏極（雙極器件的基區(qū)與發(fā)射區(qū)）的歐姆接觸、基本連線、薄PN結(jié)的擴散源、高值電阻等。多層硅層可用濺射法，蒸發(fā)或CVD法沉淀。多晶硅可用擴散法、注入法摻雜，也可在沉淀多晶硅的同時通入雜質(zhì)氣體（In-Situ法）來摻雜。3.砷化鎵(GaAs)能工作在超高速超高頻，其原因在于這些材料具有更高的載流子遷移率，和近乎半絕緣的電阻率可用來制造三種有源器件:MESFET（金屬半導(dǎo)體肖特基結(jié)場效應(yīng)晶體管

）

HEMT（高電子遷移率晶體管）

HBT（異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管）4.磷化銦(InP)能工作在超高速超高頻可制造三種有源器件:MESFET,HEMT和HBT廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)中

5.絕緣材料SiO2、SiON和Si3N4是IC系統(tǒng)中常用的幾種絕緣材料功能包括：充當(dāng)離子注入及熱擴散的掩膜鈍化層電隔離6金屬材料半導(dǎo)體表面制作了金屬層后，根據(jù)金屬的種類及半導(dǎo)體摻雜濃度的不同，可形成

肖特基型接觸或歐姆接觸如果摻雜濃度較低，金屬和半導(dǎo)體結(jié)合面形成肖特基型接觸，構(gòu)成肖特基二極管。如果摻雜濃度足夠高，以致于隧道效應(yīng)可以抵消勢壘的影響，那么就形成了歐姆接觸。器件互連材料包括 金屬，合金，多晶硅，金屬硅化物IC制造用金屬材料鋁，銅，鉻，鈦，鉬，鉈，鎢等純金屬和合金薄層在VLSI制造中起著重要作用。這是由于這些金屬及合金有著獨特的屬性。如對Si及絕緣材料有良好的附著力，高導(dǎo)電率，可塑性，容易制造，并容易與外部連線相連。純金屬薄層用于制作與工作區(qū)的連線，器件間的互聯(lián)線，柵及電容、電感、傳輸線的電極等。鋁（Al）在Si基VLSI技術(shù)中，由于Al幾乎可滿足金屬連接的所有要求，被廣泛用于制作歐姆接觸及導(dǎo)線。隨著器件尺寸的日益減小，金屬化區(qū)域的寬度也越來越小，故連線電阻越來越高，其RC常數(shù)是限制電路速度的重要因素。要減小連線電阻，采用低電阻率的金屬或合金是一個值得優(yōu)先考慮的方法。鋁合金在純金屬不能滿足一些重要的電學(xué)參數(shù)、達不到可靠度的情況下，IC金屬化工藝中采用合金。硅鋁、鋁銅、鋁硅銅等合金已用于減小峰值、增大電子遷移率、增強擴散屏蔽，改進附著特性等?；蛴糜谛纬商囟ǖ男ぬ鼗鶆輭?。例如,稍微在Al中加少量的Si即可使Al導(dǎo)線上的缺陷減至最少，而在Al中加入少量Cu，則可使電子遷移率提高10

1000倍；通過金屬之間或與Si的互相摻雜可以增強熱穩(wěn)定性。銅(Cu)因為銅的電阻率為1.7

cm,比鋁3.1

cm的電阻率低,今后,以銅代鋁將成為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的趨勢.IBM公司最早推出銅布線的CMOS工藝,實現(xiàn)了400MHzPowerPC芯片.0.18m的CMOS工藝中幾乎都引入了銅連線工藝.金與金合金由于GaAs與III/V器件及IC被應(yīng)用于對速度與可靠性要求很高的行業(yè)，如電腦、通訊、軍事、航空等。故對形成金屬層所使用的金屬有一定的限制。而GaAs、InP襯底的半絕緣性質(zhì)及化學(xué)計量法是挑選金屬時的附加考慮因素。由于離子注入的最大摻雜濃度為3·1018cm-3，故不能用金屬與高摻雜的半導(dǎo)體（>3·1019cm-3）形成歐姆接觸。這個限制促使人們在GaAs及InP芯片中采用合金作為接觸和連接材料。在制作N型GaAs歐姆接觸時采用金與鍺形成的低共熔混合物.所以第一第二層金屬必須和金鍺歐姆接觸相容，因此有許多金合金系統(tǒng)得到應(yīng)用?；诮鸬慕饘倩に嚭桶虢^緣襯底及多層布線系統(tǒng)的組合有一個優(yōu)點，即芯片上傳輸線和電感有更高的Q值。在大部分GaAsIC工藝中有一個標(biāo)準(zhǔn)的工序：即把第一層金屬布線與形成肖特基勢壘與柵極形成結(jié)合起來。實際上，多層布線系統(tǒng)如Ti/Pt/Au或Ti/Pd/Au同時被用于肖特基勢壘。兩層與多層金屬布線VLSI至少采用兩層金屬布線。第一層金屬主要用于器件各個極的接觸點及器件間的部分連線，這層金屬通常較薄，較窄，間距較小。第二層主要用于器件間及器件與焊盤間的互聯(lián)，并形成傳輸線。寄生電容大部分由兩層金屬及其間的隔離層形成。多數(shù)VLSI工藝中使用3層以上的金屬。最上面一層通常用于供電及形成牢固的接地。其它較高的幾層用于提高密度及方便自動化布線。0.35umCMOS工藝的多層互聯(lián)線2.2制造工藝簡介氧化掩膜(Mask)和光刻刻蝕摻雜：熱擴散、離子注入化學(xué)氣相淀積(CVD)金屬化1.氧化

硅平面工藝中的隔離氧化層以及MOS器件中的刪氧化層都是利用氧化工藝形成的。例如：一個MOS集成電路電路中，主要元件是PMOS,NMOS,R,C,L及連線。MOS是MetalOxideSemiconductorSilicon的縮寫。MOS管有三種主要材料：金屬、二氧化硅、硅。

氧化分為：干氧化、濕氧化、選擇性氧化等

注：這里的氧化指硅（Si）的氧化,形成SiO2

通常將成批的硅圓片放入潔凈的石英爐中，加熱到800-1200℃，常壓下將含氧氣體（干氧氣或水汽）從爐的一端流入并從另一端流出氧化爐示意圖2.掩膜(Mask)和光刻

掩膜是用石英玻璃做成的均勻平坦的薄片，表面上涂一層600

800?厚的Cr層，使其表面光潔度更高。稱之為鉻板，Crmask。

IC、Mask&Wafer掩膜制造：從物理上講,任何半導(dǎo)體器件及IC是一系列互相聯(lián)系的基本單元的組合,如導(dǎo)體,半導(dǎo)體及在基片上不同層上形成的不同尺寸的隔離材料等.要制作出這些結(jié)構(gòu)需要一套掩膜。一個光學(xué)掩膜通常是一塊涂著特定圖案鉻薄層的石英玻璃片，一層掩模對應(yīng)一塊IC的一個工藝層。工藝流程中需要的一套掩膜必須在工藝流程開始之前制作出來。制作這套掩膜的數(shù)據(jù)來自電路設(shè)計工程師給出的版圖。

3種掩膜制作方法：圖案發(fā)生器方法、

X射線制版、電子束掃描法(E-BeamScanning).電子束光刻裝置:

LEICAEBPG5000+

功能：

制造掩膜和直寫光刻光刻：在IC的制造過程中，光刻是多次應(yīng)用的重要工序。其作用是把掩膜上的圖型轉(zhuǎn)換成晶圓上的器件結(jié)構(gòu)。掩膜圖形的形成過程：涂敷光刻膠->預(yù)烘->曝光->顯影->堅膜->刻蝕->去除抗蝕劑

光刻工藝流程:（1）涂敷光刻膠：清洗晶圓，在200

C溫度下烘干1小時。目的是防止水汽引起光刻膠薄膜出現(xiàn)缺陷。待晶圓冷卻下來，立即涂光刻膠。光刻膠有兩種：正性(positive)與負性(negative)。正性膠顯影后去除的是經(jīng)曝光的區(qū)域的光刻膠，負性膠顯影后去除的是未經(jīng)曝光的區(qū)域的光刻膠。正性膠適合作窗口結(jié)構(gòu),如接觸孔,焊盤等，而負性膠適用于做長條形狀如多晶硅和金屬布線等。光刻膠對大部分可見光靈敏，對黃光不靈敏，可在黃光下操作。（2）預(yù)烘：將溶劑蒸發(fā)掉，準(zhǔn)備曝光(照射)

光刻膠通過過濾器滴入晶圓中央，被真空吸盤吸牢的晶圓以2000

8000轉(zhuǎn)/分鐘的高速旋轉(zhuǎn)，從而使光刻膠均勻地涂在晶圓表面。涂光刻膠的方法正性膠與負性膠光刻圖形的形成（過程包含刻蝕）（3）曝光:

光源可以是可見光,紫外線,X射線和電子束。光量，時間取決于光刻膠的型號，厚度和成像深度。（4）顯影:

晶圓用真空吸盤吸牢，高速旋轉(zhuǎn)，將顯影液噴射到晶圓上。顯影后，用清潔液噴洗。（5）堅膜:即烘烤，將顯影液和清潔液全部蒸發(fā)掉。最小線寬：這是光刻系統(tǒng)所能加工的極限，如果工藝和設(shè)備沒有更新，很難超越這一極限。代表集成電路發(fā)展水平的主要指標(biāo)之一。如：CPU所使用的0.09μm工藝。3.刻蝕經(jīng)過涂膠、曝光、顯影等工藝步驟在光刻膠上形成了所需的圖形后，就可以利用這層光刻膠作為屏蔽掩膜對其下面的材料進行選擇性腐蝕?？涛g的作用:

制作不同的器件結(jié)構(gòu)，如線條、接觸孔、臺式晶體管、凸紋、柵等。被刻蝕的材料:

半導(dǎo)體，絕緣體，金屬等?？涛g的兩種方法： 濕法（早期工藝）和干法4.摻雜在襯底材料上摻入五價或三物質(zhì)，以改變半導(dǎo)體材料的電性能。摻雜過程是由硅的表面向體內(nèi)作用的。參雜在半導(dǎo)體工藝中的位置：摻雜的目的是以形成特定導(dǎo)電能力的材料區(qū)域,包括N型或P型半導(dǎo)體層和絕緣層。是制作各種半導(dǎo)體器件和IC的基本工藝。經(jīng)過摻雜，原材料的部分原子被雜質(zhì)原子代替。材料的導(dǎo)電類型決定于雜質(zhì)的化合價摻雜可與外延生長同時進行，也可在其后，例如，雙極性硅IC的摻雜過程主要在外延之后，而大多數(shù)GaAs及InP器件和IC的摻雜與外延同時進行。主要兩種摻雜方式：熱擴散和離子注入。

熱擴散：是最早也是最簡單的摻雜工藝，主要用于Si工藝。施主雜質(zhì)用P，As，Sb，受主雜質(zhì)可用B。要減少少數(shù)載流子的壽命，也可摻雜少量的Au。Si02隔離層常被用作熱擴散摻雜的掩膜。擴散過程中，溫度與時間是兩個關(guān)鍵參數(shù)。在生產(chǎn)雙極型硅IC時，至少要2次摻雜，一次是形成基區(qū)，另一次形成發(fā)射區(qū)。在基片垂直方向上的摻雜濃度變化對于器件性能有重要意義。

離子注入技術(shù):20世紀50年代開始研究，70年代進入工業(yè)應(yīng)用階段的。隨著VLSI超精細加工技術(shù)的進展，現(xiàn)已成為各種半導(dǎo)體攙雜和注入隔離的主流技術(shù)。離子注入機：5.化學(xué)氣相淀積(CVD)

定義：指使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)。其英文原名為“ChemicalVapourDeposition”，簡稱為“CVD”。

分類：低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD）、等離子增強化學(xué)氣相淀積（PECVD）、金屬有機物化合氣相淀積（MOCVD）等。

作用:(1)形成二氧化硅層。如，硅圓片后期工藝中已經(jīng)生長了Al，不能再承受高溫進行氧化，就可以用CVD形成SiO2層.(2)各種薄膜材料的制備，如多晶硅、氮化硅、無定形非晶硅薄膜的淀積等。

6.金屬化在晶圓片上得到大量相互隔離且相互不相連的半導(dǎo)體器件之后，下一步就是要將這些器件連接起來構(gòu)成一個完整的集成電路。通常把這一工藝叫金屬化。金屬層的制作方法主要有：蒸發(fā)、濺射和電鍍。金屬連線可以有多層，因而有多次金屬化過程，上下兩層金屬之間用SiO2隔離（用CVD形成）。在需要連接上下金屬層的位置用光刻和刻蝕方法在SiO2層上打孔連接。2.3雙極集成電路制造工藝典型的雙極性硅工藝：NPN三極管主要工藝步驟：1.襯底選擇2.第一次光刻－－N＋隱埋層擴散孔光刻3.外延層淀積4.第二次光刻－－P＋隔離擴