集成電路制造工藝

1、 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院集成電路制造工藝集成電路制造工藝 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院芯片制造過程芯片制造過程 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計(jì)在掩膜版圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計(jì)在掩膜版( (類似于照相底類似于照相底片片) )上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。 摻雜：根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，將各種雜質(zhì)摻雜摻雜：根據(jù)設(shè)計(jì)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。在需要的位

2、置上，形成晶體管、接觸等。 制膜：制作各種材料的薄膜。制膜：制作各種材料的薄膜?；静襟E：基本步驟：硅片準(zhǔn)備、硅片準(zhǔn)備、 外延、外延、 氧化、氧化、 摻雜、摻雜、 淀積、淀積、 刻蝕、刻蝕、 光刻光刻 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院硅片準(zhǔn)備硅片準(zhǔn)備 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院光刻光刻 （lithographylithography） 圖形轉(zhuǎn)移：將設(shè)計(jì)在圖形轉(zhuǎn)移：將設(shè)計(jì)在掩膜版掩膜版( (類似于照相類似于照相底片底片) )上的圖形轉(zhuǎn)移上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片到半導(dǎo)體單晶片上。上。光刻的基本原理：利用光敏抗蝕涂層（光刻膠）發(fā)生光化學(xué)反光刻的

3、基本原理：利用光敏抗蝕涂層（光刻膠）發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合刻蝕方法在各種薄膜上生成合乎要求的圖形，以實(shí)現(xiàn)、應(yīng)，結(jié)合刻蝕方法在各種薄膜上生成合乎要求的圖形，以實(shí)現(xiàn)、形成金屬電極和布線或表面鈍化的目的。形成金屬電極和布線或表面鈍化的目的。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院光刻工藝流程光刻工藝流程 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院q光刻三要素：光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)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、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?；w樹脂和有機(jī)溶劑等混合而成的膠狀

4、液體。 光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化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。解特性改變。q正膠（曝光后可溶）：分辨率高，在超大規(guī)模集成正膠（曝光后可溶）：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠。電路工藝中，一般只采用正膠。q負(fù)膠（曝光后不可溶）負(fù)膠（曝光后不可溶） ：分辨率差，適于加工線：分辨率差，適于加工線寬寬33 m m的的線條。線條。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 插圖fig.4.6正膠：曝光后可溶正膠：曝光后可溶負(fù)膠：曝光后不可溶負(fù)膠：

5、曝光后不可溶 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院亮場版和暗場版亮場版和暗場版 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院曝光的幾種方法曝光的幾種方法q接觸式光刻：分辨率較高，接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。膠膜的損傷。q接近式曝光：在硅片和掩膜接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個(gè)很小的間隙版之間有一個(gè)很小的間隙(10(102525m mm)m)，可以大大減小，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低。掩膜版的損傷，分辨率較低。q投影式曝光：利用透鏡或反投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影射鏡將掩膜版

6、上的圖形投影到襯底上的曝光方法，目前到襯底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式。（用的最多的曝光方式。（特特征尺寸：征尺寸：0.250.25 m m) )超細(xì)線條光刻技術(shù)超細(xì)線條光刻技術(shù)（特征尺寸：特征尺寸：0.100.10 m m) )v甚遠(yuǎn)紫外線甚遠(yuǎn)紫外線(euv)(euv)v電子束光刻電子束光刻vx x射線射線v離子束光刻離子束光刻特征尺寸特征尺寸工藝水平的標(biāo)工藝水平的標(biāo)志：在保證一定成品率出志：在保證一定成品率出的最細(xì)光刻線條。的最細(xì)光刻線條。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院圖4.7 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院圖形轉(zhuǎn)移：刻蝕技術(shù)圖

7、形轉(zhuǎn)移：刻蝕技術(shù) 濕法刻蝕濕法刻蝕：利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)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。進(jìn)行刻蝕的方法。v濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用：磨濕法化學(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。片、拋光、清洗、腐蝕。v優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備優(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。簡單、成本低。v缺點(diǎn)是鉆蝕嚴(yán)重、對圖形的控制性較差。缺點(diǎn)是鉆蝕嚴(yán)重、對圖形的控制性較差。濕法刻蝕一般都是各向同性的，即橫向和縱向的腐濕法刻蝕一般都是各向同性的，即橫向和縱向的腐蝕速率相同。蝕速率相同。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子

8、與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 干法刻蝕干法刻蝕：主要指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的：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離子或游離基( (處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團(tuán)等基團(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。而達(dá)到刻蝕的目的。v濺射與離子束銑蝕：通過高能惰性氣體離子的物理轟擊濺射與離子束銑蝕：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。作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差。v等離子刻蝕等離子刻蝕(plasma etching)(plasma etching

9、)：利用放電產(chǎn)生的游離：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(shí)現(xiàn)刻蝕。選擇基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實(shí)現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差。性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差。v反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion etching(reactive ion etching，簡稱為，簡稱為rie)rie)：過活性離子對襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕。過活性離子對襯底的物理轟擊和化學(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(diǎn)，同時(shí)兼有各向具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。目前，異性和選擇性好的優(yōu)

10、點(diǎn)。目前，rierie已成為已成為vlsivlsi工藝中工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)。應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院摻雜工藝（摻雜工藝（dopingdoping）q摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域摻雜：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)，形成中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成pnpn結(jié)、結(jié)、電阻、歐姆接觸。電阻、歐姆接觸。q摻入的雜質(zhì)主要是：摻入的雜質(zhì)主要是： 磷磷(p)(p)、砷、砷(as) (as) n n型硅型硅 硼硼(b) (b) p p型硅

11、型硅q摻雜工藝主要包括：擴(kuò)散（摻雜工藝主要包括：擴(kuò)散（diffusion)diffusion)、離、離子注入子注入(ion implantation)(ion implantation)。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院擴(kuò)散擴(kuò)散q擴(kuò)散由雜質(zhì)、溫度物質(zhì)決定的擴(kuò)散系數(shù)來決定。擴(kuò)散由雜質(zhì)、溫度物質(zhì)決定的擴(kuò)散系數(shù)來決定。q替位式擴(kuò)散：溫度高，擴(kuò)散系數(shù)低。替位式擴(kuò)散：溫度高，擴(kuò)散系數(shù)低。 間隙式擴(kuò)散：溫度低，擴(kuò)散系數(shù)高（比替位式擴(kuò)散大間隙式擴(kuò)散：溫度低，擴(kuò)散系數(shù)高（比替位式擴(kuò)散大67個(gè)數(shù)量級(jí)），必須嚴(yán)防間隙雜質(zhì)進(jìn)入擴(kuò)散、

12、氧化、個(gè)數(shù)量級(jí)），必須嚴(yán)防間隙雜質(zhì)進(jìn)入擴(kuò)散、氧化、退火系統(tǒng)。退火系統(tǒng)。q選擇性擴(kuò)散：用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層。選擇性擴(kuò)散：用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層。q縱向擴(kuò)散的同時(shí)，存在橫向擴(kuò)散。（縱向擴(kuò)散的同時(shí)，存在橫向擴(kuò)散。（0.8xj)q擴(kuò)散方法主要有固態(tài)源擴(kuò)散和液態(tài)源擴(kuò)散。擴(kuò)散方法主要有固態(tài)源擴(kuò)散和液態(tài)源擴(kuò)散。q兩步擴(kuò)散法：兩步擴(kuò)散法：事先進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散（預(yù)淀積），事先進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散（預(yù)淀積），再擴(kuò)散使擴(kuò)散層推進(jìn)到預(yù)期的深度（再擴(kuò)散）。再擴(kuò)散使擴(kuò)散層推進(jìn)到預(yù)期的深度（再擴(kuò)散）。q擴(kuò)散適于結(jié)較深（擴(kuò)散適于結(jié)較深（ 0.3 m)、線條較粗、線條較粗（ 3 m)器件。器件。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子

13、與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 插fig. 13, fig.14, fig2.8擴(kuò)散方法。液態(tài)源擴(kuò)散液態(tài)源擴(kuò)散固態(tài)源擴(kuò)散固態(tài)源擴(kuò)散 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院q離子注入：將具有很高能量的雜質(zhì)離子射入半導(dǎo)體離子注入：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)目量和質(zhì)量決定，摻雜濃度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目( (劑劑量量) )決定。決定。q離子注入的深度由注入離子的能量和離子的質(zhì)量決離子注入的深度由注入

14、離子的能量和離子的質(zhì)量決定，可以得到精確結(jié)深，尤其是淺結(jié)。定，可以得到精確結(jié)深，尤其是淺結(jié)。q低溫（低溫（ 600 600 o oc c）、摻雜均勻性好、離子注入劑量可）、摻雜均勻性好、離子注入劑量可精確控制，重復(fù)性好、橫向擴(kuò)散比縱向擴(kuò)散小得多。精確控制，重復(fù)性好、橫向擴(kuò)散比縱向擴(kuò)散小得多。q可以注入各種各樣的元素并可以對化合物半導(dǎo)體進(jìn)可以注入各種各樣的元素并可以對化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜。行摻雜。q多數(shù)注入離子停留在與硅晶格位置不一致的位置上，多數(shù)注入離子停留在與硅晶格位置不一致的位置上，不具有電活性，需要退火處理，激發(fā)電活性。不具有電活性，需要退火處理，激發(fā)電活性。離子注入離子注入 半導(dǎo)體器件

15、物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院退火（annealing）v退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮退火：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氣等不活潑氣氛中進(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火。退火。 激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運(yùn)動(dòng)到晶激活雜質(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。到雜質(zhì)的作用。 消除損傷消除損傷v退火方式：退火方

16、式： 爐退火爐退火 快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源激光、非相干寬帶頻光源( (如鹵光燈、電弧燈、石如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等墨加熱器、紅外設(shè)備等) )。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院氧化（氧化（oxidationoxidation）v氧化：制備氧化：制備siosio2 2層層vsiosio2 2是一種十分理想的電絕緣材料，它的化學(xué)性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)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)v熱氧化法熱氧化法干氧氧化干氧

17、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v化學(xué)氣相淀積法化學(xué)氣相淀積法v濺射法濺射法 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院氧化硅層的主要作用氧化硅層的主要作用 在在mosmos電路中作為電路中作為mosmos器件的絕緣柵介質(zhì)，器件的組器件的絕緣柵介質(zhì)，器件的組成部分。成部分。 擴(kuò)散時(shí)的掩蔽層，離子注入的擴(kuò)散時(shí)的掩蔽層，離子注入的( (有時(shí)與光刻膠、有時(shí)與光刻膠、sisi3 3n n4 4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

18、。 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(jìn)行鈍化的鈍化層材料。作為對器件和電路進(jìn)行鈍化的鈍化層材料。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相淀積(cvd)(cvd) 化學(xué)汽相淀積化學(xué)汽相淀積(chemical vapor deposition)(chemical vapor deposition)：通過：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。過程。 cvdcvd技術(shù)特點(diǎn)：技術(shù)特點(diǎn)： 具有淀積溫度

19、低、薄膜成分和厚度易于控制、均具有淀積溫度低、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)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)。備簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)。 cvdcvd方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的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各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的sio2sio2、多晶硅、非、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬晶硅、氮化硅、金屬( (鎢、鉬鎢、鉬) )等。等。 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理電子與信息學(xué)院電子與信息學(xué)院常壓化學(xué)汽相淀積常壓化學(xué)汽相淀積(apcvd)(apcvd)低壓化學(xué)汽相淀積低壓化學(xué)汽相淀積(lpcvd)(lpcvd)等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(pecvd)(pe