微電子技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)第二章集成電路制造工藝

1、 第一節(jié)第一節(jié) 雙極型集成電路的工藝流程雙極型集成電路的工藝流程 P PN結(jié)隔離方法制造雙極型集成電路的典型工藝流程。結(jié)隔離方法制造雙極型集成電路的典型工藝流程。圖圖1 第二節(jié)第二節(jié) MOS集成電路的工藝流程集成電路的工藝流程 N溝道鋁柵溝道鋁柵NMOS晶體管的制造工藝流程晶體管的制造工藝流程 圖圖1 CMOS集成電路工藝流程集成電路工藝流程 CMOS反相器反相器 圖圖2 CMOS主要工藝流程圖主要工藝流程圖 圖圖3 第三節(jié)第三節(jié) 外延工藝外延工藝 外延技術(shù)的采用主要有以下優(yōu)點：外延技術(shù)的采用主要有以下優(yōu)點： 利用外延技術(shù)可以提高高頻大功率晶體管的頻率和功率特性。利用外延技術(shù)可以提高高頻大功率

2、晶體管的頻率和功率特性。 在雙極型集成電路的制造工藝中，采用外延技術(shù)容易實現(xiàn)隔離在雙極型集成電路的制造工藝中，采用外延技術(shù)容易實現(xiàn)隔離 。 利用外延技術(shù)可以根據(jù)需要方便地控制薄層單晶的電阻率、電導(dǎo)類利用外延技術(shù)可以根據(jù)需要方便地控制薄層單晶的電阻率、電導(dǎo)類 型、厚度及雜質(zhì)分布等參數(shù)。增大了工藝設(shè)計和器件制造的靈活性。型、厚度及雜質(zhì)分布等參數(shù)。增大了工藝設(shè)計和器件制造的靈活性。 外延生長的方法和原理外延生長的方法和原理 汽相外延生長的設(shè)備汽相外延生長的設(shè)備 圖圖 汽相外延生長的方法汽相外延生長的方法 汽相外延生長原理汽相外延生長原理 其他外延技術(shù)其他外延技術(shù) 液相外延：液相外延是一種在溶液中生長

3、晶體的方法。液相外延的液相外延：液相外延是一種在溶液中生長晶體的方法。液相外延的 優(yōu)點是可以得到高純度的外延層。優(yōu)點是可以得到高純度的外延層。 分子束外延：分子束外延實際上是一種直接淀積技術(shù)。分子束外延：分子束外延實際上是一種直接淀積技術(shù)。分子束外延分子束外延 的優(yōu)點是：能精確控制外延層的化學(xué)配比，雜質(zhì)分布和外延的優(yōu)點是：能精確控制外延層的化學(xué)配比，雜質(zhì)分布和外延層層 厚度。厚度。 第四節(jié)第四節(jié) 氧化工藝氧化工藝 1 1 二氧化硅的性質(zhì)及其作用二氧化硅的性質(zhì)及其作用 (1) (1) 二氧化硅的性質(zhì)二氧化硅的性質(zhì) 二氧化硅是理想的電絕緣材料，實驗表明，二氧化硅在室溫附近二氧化硅是理想的電絕緣材料

4、，實驗表明，二氧化硅在室溫附近 相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，電阻率很高。相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，電阻率很高。 二氧化硅的化學(xué)特性非常穩(wěn)定，二氧化硅的化學(xué)特性非常穩(wěn)定， 實驗證明某些雜質(zhì)在二氧化硅中的擴散系數(shù)比在實驗證明某些雜質(zhì)在二氧化硅中的擴散系數(shù)比在SiSi中的要小，因中的要小，因 而可以用二氧化硅膜作擴散的掩蔽層。而可以用二氧化硅膜作擴散的掩蔽層。 二氧化硅的電容性能是用介電常數(shù)表征的二氧化硅的電容性能是用介電常數(shù)表征的 。 (2) (2) 二氧化硅膜的作用二氧化硅膜的作用 在在MOSMOS集成電路中，二氧化硅層用做集成電路中，二氧化硅層用做MOSFETMOSFET的絕緣柵介質(zhì)的絕緣柵

5、介質(zhì) 二氧化硅層可以用做摻雜時的掩蔽層二氧化硅層可以用做摻雜時的掩蔽層 . .可以作為注入離子的阻擋層?？梢宰鳛樽⑷腚x子的阻擋層。 二氧化硅膜對器件表面有保護和鈍化作用二氧化硅膜對器件表面有保護和鈍化作用 二氧化硅膜用做制作電容器的介質(zhì)材料。二氧化硅膜用做制作電容器的介質(zhì)材料。 二氧化硅膜用于集成電路中的隔離介質(zhì)和電絕緣介質(zhì)二氧化硅膜用于集成電路中的隔離介質(zhì)和電絕緣介質(zhì) 2 2 二氧化硅層的熱生長機理二氧化硅層的熱生長機理 干氧氧化法。干氧氧化的氧化層生長機理是：處在高溫狀態(tài)的氧分子干氧氧化法。干氧氧化的氧化層生長機理是：處在高溫狀態(tài)的氧分子 與硅片表面的硅原子接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)在硅表面形成二氧

6、化硅層與硅片表面的硅原子接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)在硅表面形成二氧化硅層 硅的水汽氧化。硅的水汽氧化生長氧化層的機理是：高溫下，水蒸氣硅的水汽氧化。硅的水汽氧化生長氧化層的機理是：高溫下，水蒸氣 與硅材料表面接觸時，水分子與硅材料表面的硅原子發(fā)生反應(yīng)生成二氧與硅材料表面接觸時，水分子與硅材料表面的硅原子發(fā)生反應(yīng)生成二氧 化硅層，化硅層， 濕氧氧化濕氧氧化 在實際的生產(chǎn)中，廣泛采用的氧化方式是：干氧在實際的生產(chǎn)中，廣泛采用的氧化方式是：干氧濕氧濕氧干氧的交替干氧的交替 氧化生長二氧化硅的方式氧化生長二氧化硅的方式 3 3 二氧化硅膜的制備方法二氧化硅膜的制備方法 圖圖 此外還有氫氧合成氧化及高壓氧化等制備

7、二氧化硅膜的方法。此外還有氫氧合成氧化及高壓氧化等制備二氧化硅膜的方法。 第五節(jié)第五節(jié) 化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相淀積(CVD)(CVD)方法方法 化學(xué)汽相淀積指的是通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜化學(xué)汽相淀積指的是通過氣態(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。材料的過程。 化學(xué)汽相淀積技術(shù)特點是：淀積溫度低，淀積薄膜的成分和厚度容易化學(xué)汽相淀積技術(shù)特點是：淀積溫度低，淀積薄膜的成分和厚度容易 控制，均勻性和重復(fù)性好，適用范圍寬，設(shè)備簡單等諸多優(yōu)點?？刂?，均勻性和重復(fù)性好，適用范圍寬，設(shè)備簡單等諸多優(yōu)點。 1 1 化學(xué)汽相淀積二氧化硅膜化學(xué)汽相淀積二氧化硅膜 低溫低溫 高溫高溫

8、2 2 多晶硅膜的制備多晶硅膜的制備 3 3 氮化硅膜的制備氮化硅膜的制備 常用的方法是化學(xué)汽相淀積法。多用等離子體化學(xué)汽相淀積（常用的方法是化學(xué)汽相淀積法。多用等離子體化學(xué)汽相淀積（PECVDPECVD） 方法。方法。 第六節(jié)第六節(jié) 摻雜技術(shù)摻雜技術(shù) 摻雜是指將需要的雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體特定的區(qū)域中的技術(shù)。目的是：摻雜是指將需要的雜質(zhì)摻入到半導(dǎo)體特定的區(qū)域中的技術(shù)。目的是： 改變半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)，制造改變半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)，制造PNPN結(jié)二極管、結(jié)二極管、NPNNPN和和PNPPNP晶體管、電阻晶體管、電阻 器等。在集成電路生產(chǎn)中擴散和離子注入摻雜是常用的兩種摻雜技器等。在集成電路生產(chǎn)中擴散和離子

9、注入摻雜是常用的兩種摻雜技 術(shù)。術(shù)。 1 1 擴散原理擴散原理 (1) (1) 擴散的本質(zhì)與擴散方法擴散的本質(zhì)與擴散方法 在集成電路工藝中的擴散指的是在一定溫度下，在集成電路工藝中的擴散指的是在一定溫度下， 族元素硼（族元素硼（B B） 或或V V族元素磷（族元素磷（P P）、砷（）、砷（ASAS）等原子能夠克服阻力進入半導(dǎo)體（硅）等原子能夠克服阻力進入半導(dǎo)體（硅） 中并緩慢地移動。中并緩慢地移動。 進入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子有替位式擴散和間隙式擴散兩種方式。進入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子有替位式擴散和間隙式擴散兩種方式。 (2) (2) 兩種表面源的擴散方程的解兩種表面源的擴散方程的解 圖圖1 1 圖圖

10、2 2 (3) (3) 擴散工藝的主要參數(shù)擴散工藝的主要參數(shù) 薄層電阻。薄層電阻。圖圖3 3 圖圖4 4 PN PN結(jié)結(jié)深結(jié)結(jié)深Xj Xj 磨角法磨角法 Xj=dsin Xj=dsin 圖圖 滾槽法滾槽法 Xj=ab/2R Xj=ab/2R 圖圖 (4) (4) 雜質(zhì)的橫向擴散雜質(zhì)的橫向擴散 在大規(guī)模集成電路制造工藝中應(yīng)減小或避免雜質(zhì)的橫向擴散在大規(guī)模集成電路制造工藝中應(yīng)減小或避免雜質(zhì)的橫向擴散 圖圖 tW Lt R Qq RS 1 I CU RS 2 2 擴散工藝擴散工藝 固態(tài)源擴散裝置固態(tài)源擴散裝置 圖圖 工藝過程為：先是固態(tài)氮化硼源的活化工藝過程為：先是固態(tài)氮化硼源的活化, ,活化后的氮

11、化硼源與硅片活化后的氮化硼源與硅片 間隔等距離立放在反應(yīng)室內(nèi)，加熱到間隔等距離立放在反應(yīng)室內(nèi)，加熱到960960擴散擴散, ,將預(yù)淀積后的硅晶將預(yù)淀積后的硅晶 片在稀氫氟酸中漂去摻入硼的二氧化硅（硼硅玻璃）層后，繼續(xù)進片在稀氫氟酸中漂去摻入硼的二氧化硅（硼硅玻璃）層后，繼續(xù)進 行再分布擴散行再分布擴散. . 3 3 離子注入摻雜技術(shù)離子注入摻雜技術(shù) 離子注入裝置離子注入裝置 圖圖 離子源離子源 磁分析器磁分析器 加速器加速器 。 聚焦和掃描器。聚焦和掃描器。 靶室和偏束板。靶室和偏束板。 真空排氣系統(tǒng)和電氣控制器真空排氣系統(tǒng)和電氣控制器。 (2) (2) 離子注入的原理離子注入的原理 圖圖 (

12、3) (3) 離子注入的雜質(zhì)分布離子注入的雜質(zhì)分布 (4) (4) 離子注入摻雜技術(shù)的特點離子注入摻雜技術(shù)的特點 被注入的雜質(zhì)離子是經(jīng)過質(zhì)量分析器挑選出來的，被選中的離子純被注入的雜質(zhì)離子是經(jīng)過質(zhì)量分析器挑選出來的，被選中的離子純 度高、能量單一，從而保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響。度高、能量單一，從而保證了摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響。 離子注入可以在較低溫度離子注入可以在較低溫度(400 )(400 )下進行，所以能夠避免熱擴散所下進行，所以能夠避免熱擴散所 引入的晶體缺陷。引入的晶體缺陷。 離子注入摻雜的均勻性好，可以在較大面積上形成既薄又均勻的摻離子注入摻雜的均勻性好，可以在較大面

13、積上形成既薄又均勻的摻 雜層，而且橫向擴散比熱擴散小得多。雜層，而且橫向擴散比熱擴散小得多。 離子注入技術(shù)對于注入離子的能量和劑量可以分別獨立地控制，因離子注入技術(shù)對于注入離子的能量和劑量可以分別獨立地控制，因 而可以精確控制摻雜的濃度和摻雜深度。而可以精確控制摻雜的濃度和摻雜深度。 第七節(jié)第七節(jié) 光刻工藝光刻工藝 1 1 光刻工藝步驟光刻工藝步驟 在二氧化硅薄膜上開窗口的光刻工藝步驟在二氧化硅薄膜上開窗口的光刻工藝步驟 圖圖 光刻工藝流程光刻工藝流程 (1) (1) 清洗后的硅片；清洗后的硅片；(2) (2) 涂感光膠；涂感光膠；(3) (3) 前烘；前烘； (4) (4) 曝光；曝光；(5

14、) (5) 顯影；顯影；(6) (6) 堅膜及腐蝕；堅膜及腐蝕；(7) (7) 去膠去膠 光刻的流程光刻的流程 清潔處理。清潔處理。 涂感光膠。涂感光膠。 前烘。前烘。 曝光。曝光。 顯影。顯影。 堅膜。堅膜。 腐蝕。腐蝕。 去膠。去膠。 清洗。清洗。 2 2常見的幾種光刻方法常見的幾種光刻方法 常用的光刻方法有接觸式光刻、接近式光刻和投影式光刻三種常用的光刻方法有接觸式光刻、接近式光刻和投影式光刻三種 . . 圖圖 3 3 超細線條曝光技術(shù)超細線條曝光技術(shù) 遠紫外線曝光技術(shù)。遠紫外線曝光技術(shù)。 電子束曝光技術(shù)。電子束曝光技術(shù)。 離子束曝光技術(shù)。離子束曝光技術(shù)。 X X射線曝光技術(shù)。射線曝光技

15、術(shù)。 第八節(jié)第八節(jié) 刻蝕技術(shù)刻蝕技術(shù) 1 1 濕法腐蝕濕法腐蝕 濕法腐蝕就是將晶片置于液態(tài)的化學(xué)腐蝕液中進行腐蝕。根據(jù)被腐濕法腐蝕就是將晶片置于液態(tài)的化學(xué)腐蝕液中進行腐蝕。根據(jù)被腐 蝕膜層材料的不同，配制不同的腐蝕液進行腐蝕。蝕膜層材料的不同，配制不同的腐蝕液進行腐蝕。 二氧化硅的腐蝕二氧化硅的腐蝕 鋁的腐蝕鋁的腐蝕 2 2 干法腐蝕干法腐蝕 干法腐蝕是使腐蝕劑處于干法腐蝕是使腐蝕劑處于“活性氣態(tài)活性氣態(tài)”情況下，與被腐蝕的晶片表情況下，與被腐蝕的晶片表 面接觸而實現(xiàn)腐蝕的。干法腐蝕分為等離子體腐蝕、物理腐蝕和反面接觸而實現(xiàn)腐蝕的。干法腐蝕分為等離子體腐蝕、物理腐蝕和反 應(yīng)離子腐蝕三類。應(yīng)離子

16、腐蝕三類。 淀積工藝淀積工藝 在集成電路制造工藝中，金屬電極膜的淀積方法常用的有真空在集成電路制造工藝中，金屬電極膜的淀積方法常用的有真空 蒸發(fā)法和濺射法，這兩種方法都屬于物理汽相淀積技術(shù)。蒸發(fā)法和濺射法，這兩種方法都屬于物理汽相淀積技術(shù)。 1 1 真空蒸發(fā)方法真空蒸發(fā)方法 電阻加熱蒸發(fā)電阻加熱蒸發(fā) 圖圖 電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā) 2 2 濺射技術(shù)濺射技術(shù) 表面鈍化技術(shù)表面鈍化技術(shù) 為了提高器件穩(wěn)定性和可靠性，主要采取的措施有為了提高器件穩(wěn)定性和可靠性，主要采取的措施有 摻氯氧化。摻氯氧化。 摻磷氧化。摻磷氧化。 氮化硅（氮化硅（Si3N4Si3N4）鈍化膜。）鈍化膜。 三氧化二鋁鈍化膜。三氧化二

17、鋁鈍化膜。 隔離技術(shù)隔離技術(shù) 1 1 雙極型集成電路中的隔離技術(shù)雙極型集成電路中的隔離技術(shù) (1) PN(1) PN結(jié)隔離結(jié)隔離圖圖 PNPN結(jié)隔離工藝的優(yōu)點是方法簡單、易于制造、無需特殊技術(shù)和設(shè)備。但結(jié)隔離工藝的優(yōu)點是方法簡單、易于制造、無需特殊技術(shù)和設(shè)備。但 其缺點是：其缺點是： 由于由于PNPN結(jié)漏電流的存在，隔離性能欠理想。結(jié)漏電流的存在，隔離性能欠理想。 由于隔離擴散時的橫向擴散，因此要占用較多芯片面積，這對提高由于隔離擴散時的橫向擴散，因此要占用較多芯片面積，這對提高 集成度不利。集成度不利。 隔離結(jié)面積大，由于隔離結(jié)面積大，由于PNPN結(jié)的電容效應(yīng)，會影響高頻放大器的頻率響結(jié)的電

18、容效應(yīng)，會影響高頻放大器的頻率響 應(yīng)和高速數(shù)字電路的速度。應(yīng)和高速數(shù)字電路的速度。 PNPN結(jié)隔離的抗輻照能力差，受溫度影響大。這是因為結(jié)隔離的抗輻照能力差，受溫度影響大。這是因為PNPN結(jié)的電特性結(jié)的電特性 對溫度和輻射影響靈敏的緣故。對溫度和輻射影響靈敏的緣故。 (2) PN(2) PN結(jié)對通隔離結(jié)對通隔離 對通隔離工藝示意圖對通隔離工藝示意圖 圖圖 (3) (3) 集電極隔離擴散集電極隔離擴散 集電極隔離擴散工藝示意圖集電極隔離擴散工藝示意圖 圖圖 (4) (4) 雙極型集成電路中的介質(zhì)隔離雙極型集成電路中的介質(zhì)隔離 介質(zhì)隔離工藝示意圖介質(zhì)隔離工藝示意圖 圖圖 氧化；（氧化；（b b） 光刻；光刻； （c c） 腐蝕；腐蝕； （d d） 生成氧化硅；生成氧化硅； （e e） 生成多晶硅；生成多晶硅； （f f） 形成形成N N型硅型硅 (5) (5) 雙極型集成電路中的雙極型集成電路中的PNPN結(jié)介質(zhì)隔離結(jié)介質(zhì)隔離 PNPN結(jié)結(jié)- -介質(zhì)混合隔離工藝介質(zhì)混合隔離工藝 圖圖 (a(a） N N+ +埋層擴散；埋層擴散； （b b） 擴散保護環(huán)；擴散保護環(huán)； （c c） 外延外延N N型層；型層； （d d） 開槽；開槽； （e e） 隔離氧化隔離氧化 2 2 MOS