IC_制造流程課件

1、IC 制造流程集成電路通常用單晶硅圓片制造，而單晶硅的直接材料就是多晶硅。普通沙子中的主要成分就是SIO2.多晶硅的制備：     1. 提取粗硅： 將二氧化硅和焦炭以一定的比例混合，在電爐中加熱到1600-1800度，最終將二氧化硅還遠(yuǎn)得到粗硅。      2. 高溫氯化：將粗硅和氯化氫在200-300°下直接反應(yīng)得到三氯化硅。      3. 提純?nèi)然瑁?精鎦法對(duì)三氯化硅進(jìn)行提純，利用了不同物質(zhì)具有不同沸點(diǎn)的原理。 &

2、#160;    4. 提取三氯化硅： 高純度的三氯化硅和高純度的氫氣在1100左右的高溫還原爐中反應(yīng)，最終得到高純度的多晶硅。多晶硅的純度雖然已經(jīng)非常高了，但是其混亂的晶體結(jié)構(gòu)并不適合半導(dǎo)體制造。因此要得到制造半導(dǎo)體的材料，還需要經(jīng)過一個(gè)從多晶硅到單晶硅的過程。 單晶硅的制備:     大部分單晶硅都是通過直接拉法生長的，在單晶硅的生長中，首先將待提純的多晶硅和雜質(zhì)劑（硼，磷） 放入坩堝中熔融，并將籽晶（與所需晶體晶向相同的小單晶顆粒，他提供了一個(gè)晶體繼續(xù)生長的中心） 浸入熔體。當(dāng)籽晶周圍的溶液冷卻后，

3、硅晶體就依附在籽晶上。這些新的晶體承接籽晶的取向，形成了一個(gè)大的單晶體。     單晶硅生長完成后，當(dāng)溫度是當(dāng)時(shí)便開始慢慢將晶體香山提拉并逐漸增大拉速。 拉晶時(shí)晶軸以一定速度繞軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)坩堝反方向旋轉(zhuǎn)，將晶體控制到所需直徑。當(dāng)坩堝中硅原料剩到一定量時(shí)，逐漸升溫并繼續(xù)維持拉速，讓尾部形成錐形，這樣就完成了單晶硅棒的形成了。 原片制備：首先將單晶硅棒的頭部和尾部切掉，用機(jī)械對(duì)其進(jìn)行修整到合適的直徑，之后得到一個(gè)合適直徑和一定長度的硅棒，然后用金剛石鋸來把硅棒切成一片片薄薄的圓片，圓片的每一處的厚度近似相等。然后進(jìn)行研磨，減少圓片正面和背面的鋸痕和

4、表面損傷。同時(shí)打薄晶園片。研磨后需要對(duì)晶圓進(jìn)行刻蝕和清洗，使用氫氧化鈉，乙酸和硝酸的混合物來減輕研磨過程中產(chǎn)生的損傷和裂紋。之后利用倒角工藝將圓片的邊緣磨圓，徹底消除將來電路制作過程中破損的可能性。倒角之后需要對(duì)晶圓片的邊緣進(jìn)行拋光，以提高整體清潔度以進(jìn)一步減少破損。這時(shí)候一片完美的晶圓就制造出來了。研磨 清洗 硅片尺寸檢查圓片制備過程圓片切割機(jī) 集成電路的制造工藝非常復(fù)雜，簡單的說，就是在沉底材料上，運(yùn)用各種方法形成不同的層，并在選定的區(qū)域摻入雜質(zhì)，以改變半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性，形成半導(dǎo)體器件的過程，在這個(gè)過程中更需要通過很多步驟才能完成，從晶圓片到集成電路成片大

5、約需要經(jīng)過數(shù)百道工序。通過這些復(fù)雜的工序，就能夠在一塊微小的芯片上集成成千上萬甚至以億計(jì)的晶體管。       集成電路的制造工藝是由多種單項(xiàng)工藝組合而成的，簡單來說主要的單項(xiàng)工藝包括三類： 薄膜制備工藝；圖形轉(zhuǎn)移工藝和摻雜工藝。              1.  薄膜制備工藝： 包括煙花工藝和薄膜沉淀工藝。該工藝通過生長或者沉淀的方法，生成集成電路制造過程中所需要的各種材料的薄膜，如金屬盒絕緣層

6、。              2. 圖形轉(zhuǎn)移工藝： 包括光刻工藝和刻蝕工藝，在物理上說，集成電路是由許許多多的半導(dǎo)體元器件組合而成的，對(duì)應(yīng)在硅晶圓片上就是半導(dǎo)體，道題依舊各種不同層上的隔離材料的集合。集成電路制造工藝首先將這些結(jié)構(gòu)以圖形的形式制作在光刻掩膜版上，然后通過圖形轉(zhuǎn)化工藝就能最終將轉(zhuǎn)移到圓片上。             

7、0;3. 摻雜工藝： 包括擴(kuò)散工藝和離子注入工藝，即通過這些工藝將各種雜質(zhì)按照設(shè)計(jì)要求摻雜到晶圓片的特定位置上，形成晶體管的源漏端以及歐姆接觸（金屬與半導(dǎo)體的接觸）等。       通過一定順序的對(duì)上述單項(xiàng)工藝進(jìn)行重復(fù)，組合使用，就形成集成電路的完整制造工藝了。薄膜制備工藝：        集成電路的制造過程中需要在晶圓片的表面上生長數(shù)層材質(zhì)不同，厚度不同的薄膜，其中有導(dǎo)電膜層以及絕緣膜層，這些膜層的制備對(duì)于集成電路的制造非常重要。 制造膜層的主要方法有氧

8、化，化學(xué)氣相沉積已經(jīng)物理氣象沉積。        1. 氧化          在集成電路制造工藝中，氧化是一項(xiàng)必不可少的工藝。在廣義上說，凡是物質(zhì)與氧發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)生成氧化物的過程都稱為氧化，容易生長出高質(zhì)量的硅氧化物是半導(dǎo)體硅材料獲得普遍應(yīng)用的重要原因之一。         只要在硅暴露在氧氣中，都會(huì)形成二氧化硅。當(dāng)集成電路制造中用到的二氧化硅是高純度的

9、，需要經(jīng)過特定工藝即氧化工藝制備。目前常用的工藝是熱氧化方法，即硅晶圓片與含氧物質(zhì)（氧氣，水汽等氧化劑） 在高溫下進(jìn)行反應(yīng)從而生成二氧化硅膜。熱氧法的氧化反應(yīng)在硅與二氧化硅交界面處，接觸到的雜質(zhì)少，生成的二氧化硅氧化膜質(zhì)量較高。   將需要氧化的硅晶圓片放在托架上 準(zhǔn)備氧化 將硅圓片放入氧化爐中  氧化后的硅片對(duì)比（右側(cè)是氧化后的）    2.  沉積    與氧化（如硅的氧化反應(yīng)生成二氧化硅）不同， 沉積專指薄膜形成過程中，并不消耗硅晶圓片或者襯底材料本身。

10、60;          薄膜沉積工藝是一項(xiàng)非常重要的工藝，以為它涵蓋了晶圓片表面以上部分所有層的制備和產(chǎn)生，目前已經(jīng)發(fā)展為物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD） 兩個(gè)主要的方向。金屬的沉積技術(shù)通常是物理性質(zhì)的，屬于物理氣象沉積，而半導(dǎo)體層和絕緣層的沉積工藝通常屬于化學(xué)氣相沉積。圖形轉(zhuǎn)移工藝：        不管是氧化，沉積還是擴(kuò)散，離子注入，這些單項(xiàng)工藝本身對(duì)硅晶圓片各個(gè)不同位置沒用任何選擇性，他們都是對(duì)整個(gè)硅晶圓片進(jìn)行處理，

11、不涉及任何圖形。        集成電路是由成千上萬甚至上億個(gè)晶體管等元器件集成的，而這些元器件也許類型，結(jié)構(gòu)，尺寸都不相同。IC制造的精髓是能夠?qū)C設(shè)計(jì)者的要求轉(zhuǎn)移到硅晶圓片上，因此在集成電路制造流程中，有一個(gè)關(guān)鍵問題必須解決，那就是如何在一片硅晶圓片上定義，區(qū)分和制造不同類型，不同結(jié)構(gòu)已經(jīng)不同尺寸的元器件？又如何將這些數(shù)以億計(jì)的元器件集成到一起而獲得預(yù)期的電路功能。        答案只有一個(gè)，那就是集成電路制造需要圖形轉(zhuǎn)移工藝，它主要包括兩部分，即

12、光刻工藝和刻蝕工藝。        1. 光刻工藝            光刻工藝是一種圖形復(fù)印技術(shù)，是集成電路制造工藝中一項(xiàng)關(guān)鍵的工藝，簡單來說，光刻收到照相技術(shù)的啟發(fā)，利用光刻膠感官后該特性發(fā)生改變的原理，將光刻淹沒版的圖形精確的復(fù)印到涂在晶圓片上的光刻膠上，然后利用光刻膠作為掩膜保護(hù)，在晶圓片表面的掩膜層上進(jìn)行選擇性的加工（刻蝕或注入），從而在晶圓片上獲得相應(yīng)的電路圖形結(jié)構(gòu)。   

13、          光刻工藝是加工集成電路微型圖形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，在主流制造工藝的單項(xiàng)工藝中，該工藝最為復(fù)雜，成本最為昂貴。他對(duì)各層薄膜的圖形及摻雜區(qū)域的確定起著決定性的作用，通常用光刻次數(shù)和所需光刻掩膜版的個(gè)數(shù)來表示某集成電路制造工藝的難易程度。              光刻工藝原理與我們通常的照相技術(shù)相類似，基本過程為：    &#

14、160;         1. 在硅晶圓片上涂上一層光刻膠（有叫光致抗蝕劑，一種光敏材料），這層光刻膠相當(dāng)于印相紙。用預(yù)先制作好的有一定圖形的光刻掩膜版（相當(dāng)于印相時(shí)的底片）蓋上。               2. 對(duì)涂有光刻膠的晶圓片進(jìn)行曝光，此過程相當(dāng)于印相中的感光，光刻膠感光后其特性發(fā)生改變，正膠的感光部分變得容易溶解，而負(fù)膠則相反。   &

15、#160;           3. 對(duì)晶圓片進(jìn)行顯影。正膠經(jīng)過顯影后被溶解，只留下未受光照部分的圖形，而負(fù)膠相反，收到光照部分變得不容易溶解，經(jīng)過顯影后，留在光照部分形成圖形，之后對(duì)晶圓片進(jìn)行刻蝕，便可以再晶圓片表面的掩膜成上割制出所需的圖形。               4. 用去膠法把涂在晶圓片上的感光膠去掉。   

16、60;     光刻工藝是制作半導(dǎo)體器件和集成電路制造工藝的關(guān)鍵工藝。將光刻工藝和其他集成電路工藝，如摻雜工藝，薄膜制備工藝相結(jié)合，便可以完成半導(dǎo)體器件和集成電路的制造。 >1 光刻膠： 正膠 負(fù)膠光刻膠中負(fù)膠在光刻工藝應(yīng)用最早，其工藝成本低，產(chǎn)量高，當(dāng)由于它吸收顯影液后便會(huì)膨脹，導(dǎo)致分辨率不如正膠。以此在亞微米甚至更小尺寸的加工技術(shù)，主要是使用正膠作為光刻膠。>2 光刻掩膜版      集成電路設(shè)計(jì)和工藝制造之間的接口是版圖，那么什么事版圖呢？ 集成電

17、路的版圖對(duì)應(yīng)于晶圓上是電路元器件結(jié)構(gòu)的幾何圖形組合，只不過這些幾何圖形是由不同層的圖形組合而成的，如有源層，多晶硅，N+注入或P+注入 N阱 已經(jīng)金屬層等。      集成電路的版圖是由設(shè)計(jì)工程師在工作站上完成的，最終得到的是關(guān)于版圖的圖像或者數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)交給集成電路制造商，而制造商要將版圖上的圖像轉(zhuǎn)移到晶圓片上，就需要經(jīng)過一個(gè)重要的中間環(huán)節(jié)-制版，即制造一套相應(yīng)的光刻掩膜版。制版的目的就是產(chǎn)生一套分層的版圖光刻掩膜版，為將來進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)換（光刻和刻蝕）做準(zhǔn)備。       制造商將設(shè)計(jì)

18、工程師交付的標(biāo)準(zhǔn)制版數(shù)據(jù)傳送給一個(gè)稱為圖形發(fā)生器的設(shè)備，圖形發(fā)生器會(huì)根據(jù)該數(shù)據(jù)完成圖形的縮小和重復(fù)，并將版圖數(shù)據(jù)分層轉(zhuǎn)移到各層光刻掩膜版上，這就是制版。每層版圖對(duì)應(yīng)不同的工藝步驟。       光刻掩膜版質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響光刻圖形的質(zhì)量。在芯片制造過程中需要經(jīng)過十幾乃至幾十次的光刻，每次光刻都需要一塊光刻掩膜版，每塊光刻掩膜版的質(zhì)量都會(huì)影響光刻的質(zhì)量。因此要有高的成品率，就必須制作出搞質(zhì)量的光刻掩膜版。> 3 曝光系統(tǒng)      將光刻掩膜版與涂在光刻膠的晶圓片對(duì)準(zhǔn)，用一定波長的

19、紫外光經(jīng)過光刻掩膜版照射晶圓片，使晶圓片上受光照的光刻膠的特性發(fā)生變化，就是曝光。      曝光熊主要有光學(xué)曝光系統(tǒng)和非光學(xué)曝光系統(tǒng)。光學(xué)曝光系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了5個(gè)階段，即接觸式曝光，接近式曝光，投影式曝光，掃描投影式曝光已經(jīng)步進(jìn)掃描投影曝光，其中接觸式曝光，接近式曝光和投影式曝光為普通的曝光系統(tǒng)。      非光學(xué)曝光系統(tǒng)有電子束曝光，X射線曝光和離子束曝光，這種曝光系統(tǒng)容易達(dá)到較高的分辨率，其中，限角度投影式電子束光刻系統(tǒng)是目前最具應(yīng)用前景的非光學(xué)光刻系統(tǒng)。  BG-40

20、1型曝光機(jī)光刻工藝詳細(xì)步驟：  1. 底模處理      底模處理是光刻工藝的第一步，其主要目的是對(duì)晶圓片表面進(jìn)行處理，以增強(qiáng)晶圓片與光刻膠之間的粘附性。      底模處理包括如下步驟：              1. 清洗： 使晶圓片表面清潔，干燥，這樣的晶圓片表面才能與光刻膠形成良好的接觸     &#

21、160;         2. 烘干： 晶圓片表面容易吸附濕氣，從而會(huì)影響光刻膠的粘附性，所以需要將晶圓片表面進(jìn)行烘干。               3. 增黏處理： 為了使晶圓片和光刻膠之間的粘附良好，需要在烘干后的晶圓片表面涂上一層增粘劑，使晶圓片和光刻膠之間的粘著力增強(qiáng)。       

22、0; 2 ： 涂膠            甩膠機(jī)          對(duì)晶圓片進(jìn)行底模處理后，便可以進(jìn)行涂膠，在晶圓片上涂上一層粘附良好，厚度適當(dāng)，均勻的光刻膠膜。          涂膠時(shí)的晶圓片表面必須是清潔干燥的。如果晶圓擱置較久，就穾重新進(jìn)行清潔處理后再涂膠。晶圓片最好在氧化后就立刻涂膠，此時(shí)期表面未被

23、沾污。           一般采用旋轉(zhuǎn)法對(duì)晶圓片進(jìn)行涂膠，其原理是利用晶圓片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力，將滴于片上的膠液甩開，在光刻膠表面張力和晶圓片旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下，最終展開成為厚度均勻的光刻膠膜。膠膜厚度由晶圓片轉(zhuǎn)速和膠的濃度來控制。要求厚度適當(dāng)，膜層均勻。粘附良好。         3： 前烘          烘干

24、臺(tái)         涂膠完成后，仍有一定量的容積殘存在膠膜內(nèi)，若直接曝光，會(huì)影響圖形的尺寸哈完好率。因此，涂膠后，需經(jīng)過一個(gè)高溫加熱步驟即前烘，它對(duì)后續(xù)的一些工藝參數(shù)有很大的影響。        前烘就是在一定的溫度下，使光刻膠里面的溶劑寒芒的充分的逸出來，使光刻膠膜干燥，其目的是真假光刻膠和襯底間的粘附性，增強(qiáng)膠膜的光吸收以及抗腐蝕能力，以及緩和涂膠過程中膠膜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力等。      4： 曝

25、光      5： 顯影              顯影就是用顯影液溶解掉不需要的光刻膠，將光刻掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。             顯影液和顯影時(shí)間的選擇對(duì)顯影效果的影響是極為重要的。顯影液的選擇原則是：對(duì)需要去除的那部分光刻膠膜溶解的快，溶解度打，對(duì)需要保留的那部分光

26、刻膠膜溶解度極小。              顯影工藝（包括溫度，時(shí)間，劑量）等的控制非常重要，控制不當(dāng)，光刻膠圖形就會(huì)出現(xiàn)問題，繼而影響到后面的刻蝕工藝       6： 堅(jiān)膜               和前烘一樣，堅(jiān)膜也是一個(gè)熱處理過程，就是在一定的溫度

27、下，對(duì)顯影后的晶圓片進(jìn)行烘焙。               經(jīng)過顯影的光刻膠膜已經(jīng)軟化，膨脹，膠膜與晶圓片表面之間的粘附性下降。 堅(jiān)膜的目的就是要使殘留的光刻膠溶劑全部揮發(fā)，提高光刻膠與晶圓片的粘附性以及光刻膠的抗腐蝕能力，使得光刻膠確實(shí)能夠起到保護(hù)作用，為下一步的刻蝕做好準(zhǔn)備。堅(jiān)膜同時(shí)也除去了剩余的顯影液和水。           7： 刻蝕 &

28、#160;                經(jīng)過前面的一系列工藝已經(jīng)將光刻掩膜版的圖形轉(zhuǎn)移到了光刻膠上。為了制作集成電路元器件，需要將光刻膠上的圖形進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到光刻膠下層的材料商。這個(gè)任務(wù)就有刻蝕來完成。                  刻蝕就是叫涂膠前所沉積的薄膜上沒有被光刻膠

29、覆蓋和保護(hù)的那部分去除掉，達(dá)到將光刻膠上的圖形轉(zhuǎn)移到其下層材料上的目的。                  光刻膠的下層薄膜可能是二氧化硅，氮化硅，多晶硅或者金屬材料，材料不同或者圖形不同，刻蝕的要求也不同。                  實(shí)際上，光刻和刻

30、蝕是兩個(gè)不同個(gè)加工工藝，當(dāng)因?yàn)檫@兩個(gè)工藝只有連續(xù)進(jìn)行，才能完成真正意義上的圖形轉(zhuǎn)移，而且在工藝線上，這兩個(gè)工藝經(jīng)常就放在同一工序中，因此有時(shí)也將這兩個(gè)步驟統(tǒng)稱為光刻。                  刻蝕工藝主要有濕法刻蝕和干法刻蝕，濕法刻蝕是利用液體化學(xué)試劑與待刻材料反應(yīng)生成可溶性化合物，道道刻蝕的目的，是一種純化學(xué)腐蝕，具有良好的選擇性，當(dāng)屬于各向同性，因此對(duì)線條尺寸控制性差。干法刻蝕是利用等離子體與待刻材料相互作用（物

31、理轟擊和化學(xué)反應(yīng)），從而去除未被光刻膠保護(hù)的材料而達(dá)到刻蝕的目的。                  在圖形轉(zhuǎn)移中，干法刻蝕占據(jù)主導(dǎo)地位，例如，氮化硅，多晶硅，金屬以及合金材料等均采用干法刻蝕技術(shù)，而二氧化硅采用濕法刻蝕技術(shù)，又是金屬鋁也采用濕法刻蝕技術(shù)。            8： 去膠  

32、60;          超聲波清洗劑             光刻膠除了在光刻過程中用作光刻掩膜版到晶圓片的圖形轉(zhuǎn)移媒介，還用作刻蝕時(shí)不需刻蝕區(qū)的保護(hù)膜，當(dāng)刻蝕完成后，光刻膠一件不再有用，需要將其徹底去除，完成這一過程的工序就是去膠，此外，刻蝕過程中殘留的各種試劑也要清除掉。        

33、60;    常用的去膠方法有溶劑去膠，氧化去膠和等離子去膠三種。              1. 溶劑去膠： 將帶有光刻膠的晶圓片浸泡在去膠溶劑中去膠              2.  氧化去膠： 利用氧化劑與光刻膠反應(yīng)來去膠      

34、        3. 等離子去膠： 利用高頻電磁場使氧氣在高頻點(diǎn)成作用下電離成等離子體，其氧化能力非常強(qiáng)，與光刻膠反應(yīng)使光刻膠編程易揮發(fā)的物質(zhì)被排除系統(tǒng)，達(dá)到去膠的目的。               去膠結(jié)束，整個(gè)光刻過程也就結(jié)束了。摻雜工藝         所謂摻雜工藝就似乎將可控?cái)?shù)量的所需雜質(zhì)摻

35、入晶圓的特定區(qū)域中，從而改變半導(dǎo)體的電學(xué)性能。利用摻雜工藝，可以制作PN結(jié)，晶體管的源漏區(qū)，電阻，歐默接觸等。這些是制造大規(guī)模集成電路的基礎(chǔ)。         擴(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要工藝。連著都被用來制造分離器件與集成電路，互補(bǔ)不足。相得益彰。擴(kuò)散是較早時(shí)期采用的摻雜工藝，并沿用至今，而離子注入是20世紀(jì)60年代發(fā)展來的一種在很多方面都由于擴(kuò)散的摻雜工藝。離子注入工藝大大推動(dòng)了集成電路的發(fā)展，使集成電路的生產(chǎn)進(jìn)入超大規(guī)模時(shí)代，是應(yīng)用最廣泛的主流摻雜工藝。         擴(kuò)散     擴(kuò)散是一種原子，分子或離子在高溫驅(qū)動(dòng)下由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運(yùn)動(dòng)過程。 一直到20世紀(jì)70年代，雜質(zhì)摻雜主要是通過高溫?cái)U(kuò)散的方式完成，扎實(shí)原子通過氣相源或者摻雜過的氧化物擴(kuò)散活沉積到硅晶片的表面，這些雜質(zhì)的濃度將從表面到體內(nèi)單調(diào)下降，而雜質(zhì)分