半導體工藝技術

1、l微電子學：Microelectronicsl微電子學微型電子學l核心半導體器件l半導體器件設計與制造的主要流程框架半導體器件設計與制造的主要流程框架設計設計芯片檢測芯片檢測單晶、外單晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造過程造過程封裝封裝測試測試 物理原理物理原理制造業(yè)制造業(yè)芯片制造過程芯片制造過程由氧化、淀積、離子注入或蒸由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層發(fā)形成新的薄膜或膜層曝曝 光光刻刻 蝕蝕硅片硅片測試和封裝測試和封裝用掩膜版用掩膜版重復重復20-30次次 50 m100 m頭發(fā)絲粗細頭發(fā)絲粗細 30 m1 m 1 m(晶體管的大小晶體管的大小)3050 m(皮膚細胞

2、的大小皮膚細胞的大小)90年代生產的集成電路中晶體管大小與人年代生產的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較N溝道溝道MOS晶體管晶體管CMOS集成電路集成電路(互補型互補型MOS集成電路集成電路)：目前應用最為廣泛的一種集成電路，約占目前應用最為廣泛的一種集成電路，約占集成電路總數(shù)的集成電路總數(shù)的95%以上。以上。半導體制造工藝半導體制造工藝l圖形轉換：將設計在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉移到半導體單晶片上l摻雜：根據(jù)設計的需要，將各種雜質摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等l制膜：制作各種材料的薄膜圖形轉換：光刻圖形轉換：光刻l光刻

3、三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機l光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機溶劑等混合而成的膠狀液體l光刻膠受到特定波長光線的作用后，導致其化學結構發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變光刻光刻l正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠l負膠：分辨率差，適于加工線寬3m的線條正膠：曝光正膠：曝光后可溶后可溶負膠：曝光負膠：曝光后不可溶后不可溶圖形轉換：光刻圖形轉換：光刻l幾種常見的光刻方法l接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。l接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個很小的間隙(1025m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低l投影式曝

4、光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式三種光刻方式三種光刻方式掩膜版掩膜版光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)光源光源光刻膠光刻膠硅片硅片接觸式接近式投影式圖形轉換：光刻圖形轉換：光刻l超細線條光刻技術l甚遠紫外線(EUV) l電子束光刻 lX射線l離子束光刻圖形轉換：刻蝕技術圖形轉換：刻蝕技術l濕法刻蝕：利用液態(tài)化學試劑或溶液通過化學反應進行刻蝕的方法l干法刻蝕：主要指利用低壓放電產生的等離子體中的離子或游離基(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團等)與材料發(fā)生化學反應或通過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的圖形轉換：刻蝕技術圖形轉換：刻蝕技術l濕法腐蝕：l濕法化學刻蝕在

5、半導體工藝中有著廣泛應用：磨片、拋光、清洗、腐蝕l優(yōu)點是選擇性好、重復性好、生產效率高、設備簡單、成本低l缺點是鉆蝕嚴重、對圖形的控制性較差干法刻蝕干法刻蝕l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l等離子刻蝕(Plasma Etching)：利用放電產生的游離基與材料發(fā)生化學反應，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差l反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching，簡稱為RIE)：通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學反應雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點，同時兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點。目前，RIE已

6、成為VLSI工藝中應用最廣泛的主流刻蝕技術雜質摻雜雜質摻雜l摻雜：將需要的雜質摻入特定的半導體區(qū)域中，以達到改變半導體電學性質，形成PN結、電阻、歐姆接觸l磷(P)、砷(As) N型硅l硼(B) P型硅l摻雜工藝：擴散、離子注入擴擴 散散l替位式擴散：雜質離子占據(jù)硅原子的位：l、族元素l一般要在很高的溫度(9501280)下進行l(wèi)磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴散系數(shù)均遠小于在硅中的擴散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質擴散的掩蔽層l間隙式擴散：雜質離子位于晶格間隙：lNa、K、Fe、Cu、Au 等元素l擴散系數(shù)要比替位式擴散大67個數(shù)量級雜質橫向擴散示意圖雜質橫向擴散示意圖固態(tài)源擴散：如B2O3、P

7、2O5、BN等利用液態(tài)源進行擴散的裝置示意圖離子注入離子注入l離子注入：將具有很高能量的雜質離子射入半導體襯底中的摻雜技術，摻雜深度由注入雜質離子的能量和質量決定，摻雜濃度由注入雜質離子的數(shù)目(劑量)決定 l 摻雜的均勻性好l溫度低：小于600l可以精確控制雜質分布l可以注入各種各樣的元素l橫向擴展比擴散要小得多。l可以對化合物半導體進行摻雜離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子注入到無定形靶中的高斯分布情況離子注入到無定形靶中的高斯分布情況退退 火火l退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮氣等不活潑氣氛中進行的熱處理過程都可以稱為退火l激活雜質：使不在晶格位置上的離子運動到

8、晶格位置，以便具有電活性，產生自由載流子，起到雜質的作用l消除損傷l退火方式：l爐退火l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(如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設備等)氧化工藝氧化工藝l氧化：制備SiO2層lSiO2的性質及其作用lSiO2是一種十分理想的電絕緣材料，它的化學性質非常穩(wěn)定，室溫下它只與氫氟酸發(fā)生化學反應氧化硅層的主要作用氧化硅層的主要作用l在MOS電路中作為MOS器件的絕緣柵介質，器件的組成部分l擴散時的掩蔽層，離子注入的(有時與光刻膠、Si3N4層一起使用)阻擋層l作為集成電路的隔離介質材料l作為電容器的絕緣介質材料l作為多層金屬互連層之間的介質材料

9、l作為對器件和電路進行鈍化的鈍化層材料SiO2的制備方法的制備方法l熱氧化法l干氧氧化l水蒸汽氧化l濕氧氧化l干氧濕氧干氧(簡稱干濕干)氧化法l氫氧合成氧化l化學氣相淀積法l熱分解淀積法l濺射法進行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖進行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖化學汽相淀積化學汽相淀積(CVD)l化學汽相淀積(Chemical Vapor Deposition)：通過氣態(tài)物質的化學反應在襯底上淀積一層薄膜材料的過程lCVD技術特點：l具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設備簡單等一系列優(yōu)點lCVD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

10、雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等化學汽相淀積化學汽相淀積(CVD)l常壓化學汽相淀積(APCVD)l低壓化學汽相淀積(LPCVD)l等離子增強化學汽相淀積(PECVD)APCVD反應器的結構示意圖反應器的結構示意圖 LPCVD反應器的結構示意圖反應器的結構示意圖平行板型平行板型PECVD反應器的結構示意圖反應器的結構示意圖化學汽相淀積化學汽相淀積(CVD)l單晶硅的化學汽相淀積(外延)：一般地，將在單晶襯底上生長單晶材料的工藝叫做外延，生長有外延層的晶體片叫做外延片l二氧化硅的化學汽相淀積：可以作為金屬化時的介質層，而且還可以作為離子注入或擴散的掩蔽膜，甚至還可以

11、將摻磷、硼或砷的氧化物用作擴散源 l低溫CVD氧化層：低于500l中等溫度淀積：500800l高溫淀積：900左右化學汽相淀積化學汽相淀積(CVD)l多晶硅的化學汽相淀積：利用多晶硅替代金屬鋁作為MOS器件的柵極是MOS集成電路技術的重大突破之一，它比利用金屬鋁作為柵極的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅柵技術可以實現(xiàn)源漏區(qū)自對準離子注入，使MOS集成電路的集成度得到很大提高。l氮化硅的化學汽相淀積：中等溫度(780820)的LPCVD或低溫(300) PECVD方法淀積物理氣相淀積物理氣相淀積(PVD)l蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子

12、，淀積在晶片上。按照能量來源的不同，有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種l濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場作用下，氣體放電形成的離子被強電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上蒸蒸發(fā)發(fā)原原理理圖圖半導體工藝半導體工藝l圖形轉換：l光刻：接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電子束光刻l刻蝕：干法刻蝕、濕法刻蝕l摻雜：l離子注入 退火l擴散l制膜：l氧化：干氧氧化、濕氧氧化等lCVD：APCVD、LPCVD、PECVDlPVD：蒸發(fā)、濺射20世紀世紀60年代的典型工藝年代的典型工藝20世紀世紀70年代的典型工藝年代的典型工藝20世紀世紀80年代的典型工藝年代的典型工藝熱氧化生成SiO2；第一

13、次光刻：打開N阱離子注入窗口；進行N阱的離子注入與二次擴散；刻蝕氧化物；1熱氧化生成SiO2緩沖層；CVD淀積Si3N4；第二次光刻：定義有效溝道區(qū)域；氮化硅刻蝕；氧化層刻蝕；2熱氧化生成場氧；氮化硅刻蝕；緩沖層刻蝕；清洗表面；閾值電壓調整的離子注入；柵氧生長；3CVD淀積N+多晶硅柵；第三次光刻：形成多晶硅圖形，定義柵極；4第四次光刻：打開N+區(qū)的離子注入窗口；磷注入；5光刻膠掩蔽條；第五次光刻：P+區(qū)離子注入；5光刻膠掩蔽條；CVD淀積SiO2；離子注入退火；6第六次光刻：接觸孔刻蝕；7金屬Al淀積；第七次光刻：生成金屬化圖形；8課程設計作業(yè)一課程設計作業(yè)一課程設計作業(yè)一課程設計作業(yè)一l形

14、成N阱l初始氧化l淀積氮化硅層l光刻1版，定義出N阱l反應離子刻蝕氮化硅層lN阱離子注入，注磷l形成P阱l去掉光刻膠l在N阱區(qū)生長厚氧化層，其它區(qū)域被氮化硅層保護而不會被氧化l去掉氮化硅層l P阱離子注入，注硼l推阱l去掉N阱區(qū)的氧化層l退火驅入l形成場隔離區(qū)l生長一層薄氧化層l淀積一層氮化硅l光刻場隔離區(qū)，非隔離區(qū)被光刻膠保護起來l反應離子刻蝕氮化硅l場區(qū)離子注入l熱生長厚的場氧化層l去掉氮化硅層l形成多晶硅柵l 生長柵氧化層l 淀積多晶硅l 光刻多晶硅柵l 刻蝕多晶硅柵lSalicide工藝l淀積多晶硅、刻蝕并形成側壁氧化層；l淀積Ti或Co等難熔金屬lRTP并選擇腐蝕側壁氧化層上的金屬；

15、l最后形成Salicide結構l形成硅化物l淀積氧化層l反應離子刻蝕氧化層，形成側壁氧化層l淀積難熔金屬Ti或Co等l低溫退火，形成C-47相的TiSi2或CoSil去掉氧化層上的沒有發(fā)生化學反應的Ti或Col高溫退火，形成低阻穩(wěn)定的TiSi2或CoSi2l形成N管源漏區(qū)l光刻，利用光刻膠將PMOS區(qū)保護起來l離子注入磷或砷，形成N管源漏區(qū)l形成P管源漏區(qū)l光刻，利用光刻膠將NMOS區(qū)保護起來l離子注入硼，形成P管源漏區(qū)l形成接觸孔l 化學氣相淀積磷硅玻璃層l退火和致密l光刻接觸孔版l反應離子刻蝕磷硅玻璃，形成接觸孔l形成第一層金屬l淀積金屬鎢(W)，形成鎢塞l形成第一層金屬l淀積金屬層，如A

16、l-Si、Al-Si-Cu合金等l光刻第一層金屬版，定義出連線圖形l反應離子刻蝕金屬層，形成互連圖形l形成穿通接觸孔l化學氣相淀積PETEOSl通過化學機械拋光進行平坦化l光刻穿通接觸孔版l反應離子刻蝕絕緣層，形成穿通接觸孔l形成第二層金屬l淀積金屬層，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等l光刻第二層金屬版，定義出連線圖形l反應離子刻蝕，形成第二層金屬互連圖形l合金l 形成鈍化層l 在低溫條件下(小于300)淀積氮化硅l 光刻鈍化版l 刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形l測試、封裝，完成集成電路的制造工藝lCMOS集成電路一般采用(100)晶向的硅材料AA雙極集成電路雙極集成電路制造工藝制造工藝l制作埋

17、層l初始氧化，熱生長厚度約為5001000nm的氧化層l光刻1#版(埋層版)，利用反應離子刻蝕技術將光刻窗口中的氧化層刻蝕掉，并去掉光刻膠l進行大劑量As+注入并退火，形成n+埋層雙極集成電路工藝雙極集成電路工藝l生長n型外延層l利用HF腐蝕掉硅片表面的氧化層l將硅片放入外延爐中進行外延，外延層的厚度和摻雜濃度一般由器件的用途決定l形成橫向氧化物隔離區(qū)l熱生長一層薄氧化層，厚度約50nml淀積一層氮化硅，厚度約100nml光刻2#版(場區(qū)隔離版l形成橫向氧化物隔離區(qū)l利用反應離子刻蝕技術將光刻窗口中的氮化硅層-氧化層以及一半的場氧化層刻蝕掉l進行硼離子注入l形成橫向氧化物隔離區(qū)l去掉光刻膠，把

18、硅片放入氧化爐氧化，形成厚的場氧化層隔離區(qū)l去掉氮化硅層l形成基區(qū)l光刻3#版(基區(qū)版)，利用光刻膠將收集區(qū)遮擋住，暴露出基區(qū)l基區(qū)離子注入硼l形成接觸孔：l光刻4#版(基區(qū)接觸孔版)l進行大劑量硼離子注入l刻蝕掉接觸孔中的氧化層l形成發(fā)射區(qū)l光刻5#版(發(fā)射區(qū)版)，利用光刻膠將基極接觸孔保護起來，暴露出發(fā)射極和集電極接觸孔l進行低能量、高劑量的砷離子注入，形成發(fā)射區(qū)和集電區(qū)l金屬化l淀積金屬，一般是鋁或Al-Si、Pt-Si合金等l光刻6#版(連線版)，形成金屬互連線l合金：使Al與接觸孔中的硅形成良好的歐姆接觸，一般是在450、N2-H2氣氛下處理2030分鐘l形成鈍化層l在低溫條件下(小于300)淀積氮化硅l光刻7#版(鈍化版)l刻蝕氮