集成電路工藝簡(jiǎn)介

1、 王武漢 2012-12-20主要內(nèi)容 1、電路和集成電路 2、半導(dǎo)體材料及其特性 3、半導(dǎo)體芯片制作 4、半導(dǎo)體芯片制作工藝 A 氧化、擴(kuò)散 B 光刻 C 金屬化（布線） D 鈍化1、電路和集成電路電路：由金屬導(dǎo)線和電子部件組成的導(dǎo)電回路，稱其為電路。1、電路和集成電路集成電路：是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；2、半導(dǎo)體材料及其特性 導(dǎo)體:容易導(dǎo)電的物體，叫導(dǎo)體。如：各種金屬，酸堿 鹽的水溶液，大地，人體等。 絕緣體:不容易導(dǎo)電的物體，叫絕緣體。如：玻璃，陶瓷，橡膠，塑料等。 半

2、導(dǎo)體電導(dǎo)率介于金屬與絕緣體之間的材料，叫半導(dǎo)體。2、半導(dǎo)體材料及其特性 純度很高的半導(dǎo)體材料稱為本征半導(dǎo)體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導(dǎo)體。 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性對(duì)某些微量雜質(zhì)極敏感，可以通過(guò)摻雜改變其導(dǎo)電性。 雜質(zhì)半導(dǎo)體靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的稱N型半導(dǎo)體，靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的稱P型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合形成PN結(jié)。2、半導(dǎo)體材料及其特性 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 3、半導(dǎo)體芯片制作利用半導(dǎo)體材料的特性，采用選擇性摻雜的方法，制作電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件，再布線互連一起，成為具有所需

3、功能的電路。9SiO2SiO2SiO2PNNNP光刻：形成擴(kuò)散窗口擴(kuò)散：形成P區(qū)SiO2氧化：形成SiO2薄膜薄膜（屏蔽）（屏蔽）光刻、擴(kuò)散：形成n區(qū)二極管和三極管制作流程N(yùn)NN10芯片加工芯片加工襯底硅片襯底硅片薄膜形成薄膜形成圖形形成圖形形成摻雜摻雜氧化光刻離子注入擴(kuò)散金屬化金屬化芯片制造流程4、半導(dǎo)體芯片制作工藝 A 氧化、擴(kuò)散 B 光刻 C 金屬化（布線） D 鈍化12A A 氧化氧化氧化工藝是半導(dǎo)體器件和集成電路制造中的最基本工藝。它的主要目的和用途是：雜質(zhì)擴(kuò)散或離子注入的掩蔽膜-選擇性擴(kuò)散SiO213定義定義：所謂氧化是指所謂氧化是指SiSi原子與原子與O O原子結(jié)合形成原子結(jié)合形

4、成SiOSiO2 2的過(guò)程。為滿足半導(dǎo)體和集成電路生長(zhǎng)的要的過(guò)程。為滿足半導(dǎo)體和集成電路生長(zhǎng)的要求，出現(xiàn)了制備膜的多種方法。求，出現(xiàn)了制備膜的多種方法。 Si+O2SiO2 Si+H2OSiO2+2H2機(jī)理：機(jī)理：硅的熱氧化經(jīng)過(guò)了以下幾個(gè)過(guò)程：硅的熱氧化經(jīng)過(guò)了以下幾個(gè)過(guò)程：氧氣氧氣(O(O2 2) )或水或水(H(H2 2O)O)等氧化劑，被吸附在等氧化劑，被吸附在SiOSiO2 2表面；表面；( (擴(kuò)散或吸附擴(kuò)散或吸附) )氧化劑以擴(kuò)散形式穿過(guò)氧化劑以擴(kuò)散形式穿過(guò)SiOSiO2 2達(dá)到達(dá)到SiOSiO2 2-Si-Si界面界面( (擴(kuò)散擴(kuò)散) )氧化劑在界面處與氧化劑在界面處與SiSi反應(yīng)形

5、成反應(yīng)形成SiOSiO2 2( (反應(yīng)反應(yīng)) ) SiSiO2氣體氣體O O2 2或或H H2 2O O吸附吸附擴(kuò)散擴(kuò)散反應(yīng)反應(yīng)SiSiSiSiO2氧化前氧化前氧化后氧化后氧化膜刻氧化膜刻蝕蝕特點(diǎn)：特點(diǎn)：熱氧化膜生長(zhǎng)時(shí)，并不是堆積在硅表熱氧化膜生長(zhǎng)時(shí)，并不是堆積在硅表面，而且要面，而且要“吃掉吃掉”部分硅。這是熱部分硅。這是熱氧化工藝與氧化工藝與CVDCVD工藝的主要區(qū)別。工藝的主要區(qū)別。h 熱氧化的基本裝置經(jīng)過(guò)過(guò)濾的空氣排氣口至排氣管石英罩熔凝石英管熔凝石英舟電阻加熱器氧化氣體O2或H2O+攜帶氣體硅片15A A 擴(kuò)散（摻雜）技術(shù)擴(kuò)散（摻雜）技術(shù)摻雜是指用人為的方法，將所需雜質(zhì)按照要摻雜是指

6、用人為的方法，將所需雜質(zhì)按照要求的濃度與分布摻入到半導(dǎo)體等材料中，以求的濃度與分布摻入到半導(dǎo)體等材料中，以達(dá)到改變材料電學(xué)性質(zhì)，形成半導(dǎo)體器件的達(dá)到改變材料電學(xué)性質(zhì)，形成半導(dǎo)體器件的目的。利用摻雜技術(shù)可以制備目的。利用摻雜技術(shù)可以制備p-np-n結(jié)、電阻器、結(jié)、電阻器、歐姆接觸和互連線等等。歐姆接觸和互連線等等。16離子注入：離子注入：離子注入是把摻雜原子離化。然后帶電離子被加速，以較高離子注入是把摻雜原子離化。然后帶電離子被加速，以較高的能量注入到半導(dǎo)體中。經(jīng)高溫退火后，注入的離子活化引的能量注入到半導(dǎo)體中。經(jīng)高溫退火后，注入的離子活化引起施主或受主的作用起施主或受主的作用( (使注入離子激

7、活即運(yùn)動(dòng)到晶格位置起到使注入離子激活即運(yùn)動(dòng)到晶格位置起到電活性摻雜作用電活性摻雜作用) )，并使材料恢復(fù)晶體狀態(tài)，并使材料恢復(fù)晶體狀態(tài)( (因?yàn)閯┝亢芨邥r(shí)因?yàn)閯┝亢芨邥r(shí)可以使硅單晶嚴(yán)重?fù)p傷以至于變成無(wú)定形硅可以使硅單晶嚴(yán)重?fù)p傷以至于變成無(wú)定形硅) )。 離子注入 離子注入是把具有一定能量的帶電粒子摻入到硅等襯底中。典型的離子能量是30300keV，典型的注入劑量是10111016離子數(shù)/cm2。 離子注入的主要優(yōu)點(diǎn)在于雜質(zhì)摻入量可以更加精確控制并且重復(fù)性好，以及加工溫度比擴(kuò)散工藝低。離子源磁分析器控制離子束的可變狹縫加速管垂直掃描器水平掃描器半導(dǎo)體片離子注入系統(tǒng)示意圖18擴(kuò)散原理擴(kuò)散原理擴(kuò)散運(yùn)

8、動(dòng)是微觀粒子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是微觀粒子(原子或分子原子或分子)熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在一定溫度下雜質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在一定溫度下雜質(zhì)原子具有一定的能量，能夠克服某種阻力進(jìn)入半導(dǎo)體，并在其中作緩慢的原子具有一定的能量，能夠克服某種阻力進(jìn)入半導(dǎo)體，并在其中作緩慢的遷移運(yùn)動(dòng)。遷移運(yùn)動(dòng)。這些雜質(zhì)原子不是代替硅原子的位置就是處在晶體的間隙中，因此擴(kuò)散這些雜質(zhì)原子不是代替硅原子的位置就是處在晶體的間隙中，因此擴(kuò)散也就有替位式擴(kuò)散和間隙式擴(kuò)散兩種方式。也就有替位式擴(kuò)散和間隙式擴(kuò)散兩種方式。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)總從濃度高的地方向濃度低的地方移動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)總從濃度高的地方向濃度低的地方移動(dòng)。從宏觀上看，好象有一個(gè)力使原子沿著濃度下降

9、的方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的快從宏觀上看，好象有一個(gè)力使原子沿著濃度下降的方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的快慢與溫度、濃度梯度有關(guān)慢與溫度、濃度梯度有關(guān)。 TMX9000氫氧合成爐氫氧合成爐 NV10-160大束流離子注入機(jī)大束流離子注入機(jī)B B 光刻光刻概述概述1、光刻是一種表面加工技術(shù)；、光刻是一種表面加工技術(shù)；2、光刻是復(fù)印圖象和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的綜合性技術(shù)；、光刻是復(fù)印圖象和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的綜合性技術(shù)；1、涂膠、前烘：、涂膠、前烘：2、曝光：、曝光：3、顯影、堅(jiān)膜：、顯影、堅(jiān)膜：4、腐蝕：、腐蝕：5、去膠：、去膠：光刻工藝流程23光刻流程：光刻流程：1、涂膠(涂布)2、對(duì)準(zhǔn)、曝光3、顯影(現(xiàn)像)(正膠為例)光源光

10、源透鏡透鏡透鏡透鏡光刻版光刻版光刻膠光刻膠硅片硅片光刻膠光刻膠硅片硅片SiO2光刻膠光刻膠硅片硅片SiO2光刻膠光刻膠硅片硅片SiO2掩模版掩模版涂膠設(shè)備光刻機(jī)C C 金屬化金屬化概述概述一、金屬化工藝的作用一、金屬化工藝的作用金屬化工藝是根據(jù)集成電路的設(shè)計(jì)要求，將各種晶體管、金屬化工藝是根據(jù)集成電路的設(shè)計(jì)要求，將各種晶體管、二極管、電阻、電容等元器件用金屬薄膜線條（互連線）連接二極管、電阻、電容等元器件用金屬薄膜線條（互連線）連接起來(lái)，形成一個(gè)完整的電路與系統(tǒng)，并提供與電源等外電路相起來(lái)，形成一個(gè)完整的電路與系統(tǒng)，并提供與電源等外電路相連接的接點(diǎn)。連接的接點(diǎn)。金屬化系統(tǒng)和金屬化工藝的優(yōu)劣將影

11、響整個(gè)電路的電特性金屬化系統(tǒng)和金屬化工藝的優(yōu)劣將影響整個(gè)電路的電特性和可靠性。為提高電路速度與集成度，應(yīng)盡可能縮短互連線，和可靠性。為提高電路速度與集成度，應(yīng)盡可能縮短互連線，或采用多層金屬化系統(tǒng)。或采用多層金屬化系統(tǒng)。對(duì)金屬化系統(tǒng)的要求對(duì)金屬化系統(tǒng)的要求1、電導(dǎo)率高，能提供低阻的互連引線；、電導(dǎo)率高，能提供低阻的互連引線；2、與、與N+硅、硅、P+硅或高摻雜多晶硅能形成低阻的歐姆接觸；硅或高摻雜多晶硅能形成低阻的歐姆接觸；3、與硅、與硅、SiO2的粘附能力強(qiáng)；的粘附能力強(qiáng)；4、抗電遷移能力強(qiáng)；、抗電遷移能力強(qiáng)；5、抗電化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)；、抗電化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)；6、易于淀積和刻蝕；、易于淀積和刻蝕

12、；7、便于超聲或熱壓鍵合，且鍵合點(diǎn)能經(jīng)受長(zhǎng)期工作；、便于超聲或熱壓鍵合，且鍵合點(diǎn)能經(jīng)受長(zhǎng)期工作；8、多層互連時(shí)，層與層之間不互相滲透和擴(kuò)散。、多層互連時(shí)，層與層之間不互相滲透和擴(kuò)散。 符合上述要求的最佳金屬材料是鋁（符合上述要求的最佳金屬材料是鋁（Al）。）。缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)主要電遷移問(wèn)題；電遷移問(wèn)題；硅在鋁中擴(kuò)散以引起鋁在硅在鋁中擴(kuò)散以引起鋁在Al/Si界面向硅中楔進(jìn)和耐腐蝕界面向硅中楔進(jìn)和耐腐蝕性等問(wèn)題。性等問(wèn)題。解決辦法：采取解決辦法：采取Al-Si、Al-Si-Cu合金；合金；Pt-Si、Pb-Si;TiW、TiN等。等。三、金屬化互連系統(tǒng)中的失效及改進(jìn)措施三、金屬化互連系統(tǒng)中的失效及改進(jìn)

13、措施1、鋁尖楔現(xiàn)象（結(jié)穿刺現(xiàn)象）、鋁尖楔現(xiàn)象（結(jié)穿刺現(xiàn)象）這是由于硅溶解到鋁中，特別是在幾個(gè)點(diǎn)上大量溶解形成的。這是由于硅溶解到鋁中，特別是在幾個(gè)點(diǎn)上大量溶解形成的。它使鋁像尖釘一樣刺入硅中，造成它使鋁像尖釘一樣刺入硅中，造成PN結(jié)的短路失效。結(jié)的短路失效?；ミB線在接觸孔處的縱向結(jié)構(gòu)互連線在接觸孔處的縱向結(jié)構(gòu)硅集成電路的金屬化系統(tǒng)硅集成電路的金屬化系統(tǒng)金屬化互連技術(shù)金屬化互連技術(shù)金屬化系統(tǒng)金屬化系統(tǒng) 金屬化互連線分為兩大類：金屬化互連線分為兩大類： (1) (1) 以鋁為主的金屬化系統(tǒng)，可以不加接觸層、粘附層和以鋁為主的金屬化系統(tǒng)，可以不加接觸層、粘附層和阻擋層等，工藝簡(jiǎn)單，容易與鋁絲鍵合，產(chǎn)

14、品價(jià)格低廉，因而阻擋層等，工藝簡(jiǎn)單，容易與鋁絲鍵合，產(chǎn)品價(jià)格低廉，因而獲得了廣泛的使用。但抗電遷移能力差。獲得了廣泛的使用。但抗電遷移能力差。 (2) (2) 以金為主的金屬化互連，抗電遷移能力強(qiáng)，特別是采以金為主的金屬化互連，抗電遷移能力強(qiáng)，特別是采用金絲球形熱壓鍵合，鍵合點(diǎn)特別牢固，適于特殊要求的高可用金絲球形熱壓鍵合，鍵合點(diǎn)特別牢固，適于特殊要求的高可靠集成電路。靠集成電路。金屬化薄膜的制備金屬化薄膜的制備 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜 真空蒸發(fā)技術(shù)是對(duì)淀積薄膜的源材料施加熱能或動(dòng)能，真空蒸發(fā)技術(shù)是對(duì)淀積薄膜的源材料施加熱能或動(dòng)能，使之分解為原子或原子的集合體，并輸運(yùn)到硅片表面后結(jié)合或使之分

15、解為原子或原子的集合體，并輸運(yùn)到硅片表面后結(jié)合或凝聚在硅片表面而形成薄膜。凝聚在硅片表面而形成薄膜。 蒸發(fā)過(guò)程：（蒸發(fā)過(guò)程：（1 1）被蒸發(fā)物質(zhì)由凝聚相（固體或液體）轉(zhuǎn)）被蒸發(fā)物質(zhì)由凝聚相（固體或液體）轉(zhuǎn)化為汽相；（化為汽相；（2 2）汽相原子或分子在真空系統(tǒng)中輸運(yùn)；（）汽相原子或分子在真空系統(tǒng)中輸運(yùn)；（3 3）汽）汽相原子或分子在襯底上淀積、成核和生長(zhǎng)。相原子或分子在襯底上淀積、成核和生長(zhǎng)。 電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā) 原理原理 電子束蒸發(fā)是利用陰極電子槍發(fā)射出電子，電子束在電子束蒸發(fā)是利用陰極電子槍發(fā)射出電子，電子束在電場(chǎng)作用下穿過(guò)加速極陽(yáng)極進(jìn)入磁場(chǎng)空間，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)作用下穿過(guò)加速極陽(yáng)極進(jìn)入磁場(chǎng)空間，通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度控制電子束的偏轉(zhuǎn)半徑，準(zhǔn)