第四章 集成電路制造工藝課件

1、4.1 雙極集成電路工藝流程4.2 MOS集成電路工藝流程4.3 光刻與刻蝕技術(shù)4.4 氧化4.5 擴(kuò)散與離子注入4.6 化學(xué)氣相沉積（CVD）4.7 接觸與互連4.8 隔離技術(shù)4.9 封裝技術(shù)集成電路制造工藝 圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上 摻雜：根據(jù)設(shè)計的需要，將各種雜質(zhì)摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等 制膜：制作各種材料的薄膜4.3.1 光刻工藝簡介 光刻三要素：光刻三要素：光刻膠；掩膜版；光刻機(jī)光刻膠；掩膜版；光刻機(jī) 光刻膠又叫光致抗蝕劑、光阻材料，它是由光敏化光刻膠又叫光致抗蝕劑、光阻材料，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機(jī)溶劑等混合而成的

2、膠狀液體合物、基體樹脂和有機(jī)溶劑等混合而成的膠狀液體 光刻膠受到特定波長光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)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解特構(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性改變 正膠正膠（曝光后可溶）（曝光后可溶）：分辨率高，在超大規(guī)模集成電分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠路工藝中，一般只采用正膠 負(fù)膠負(fù)膠（曝光后不可溶）（曝光后不可溶）：分辨率差，適于加工線寬分辨率差，適于加工線寬3 m的線條的線條 掩膜版：掩膜版：在石英片上鍍鉻、氧化鉻、氧化鐵在石英片上鍍鉻、氧化鉻、氧化鐵等吸收紫外線的膜。等吸收紫外線的膜

3、。4.3 光刻與刻蝕技術(shù)正膠：曝光后正膠：曝光后可溶可溶負(fù)膠：曝光后負(fù)膠：曝光后 不可溶不可溶三種光刻方式三種光刻方式4.3.2 幾種常見的光刻方法三種光刻方法的特點： 接觸式光刻：接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造成掩膜分辨率較高，但是容易造成掩膜 版和光刻膠膜的損傷。版和光刻膠膜的損傷。 接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個很小在硅片和掩膜版之間有一個很小 的間隙的間隙(1025 m)，可以大大減可以大大減 小掩膜版的損傷，分辨率較低。小掩膜版的損傷，分辨率較低。 投影式曝光投影式曝光：利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的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，圖形投

4、影到襯底上的曝光方法， 是目前用的最多的曝光方式。是目前用的最多的曝光方式。4.3.3 超細(xì)線條光刻技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外線(EUV) 電子束光刻 X射線離子束光刻4.3.4 刻蝕技術(shù) 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)進(jìn)行刻蝕的方法2) 干法刻蝕：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(處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團(tuán)等)與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的 濕法腐蝕：濕法腐蝕： 濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用：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、腐蝕磨片、拋光、清洗、腐蝕 優(yōu)點：優(yōu)點：選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、選擇性好、

5、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡單、成本低設(shè)備簡單、成本低 缺點：缺點：鉆蝕嚴(yán)重、對圖形的控制性較差鉆蝕嚴(yán)重、對圖形的控制性較差干法刻蝕 濺射與離子束銑蝕：濺射與離子束銑蝕：通過高能惰性氣體離子的物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，但選擇性較差理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差 等離子刻蝕等離子刻蝕(Plasma Etching)：利用放電產(chǎn)生的利用放電產(chǎn)生的游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差蝕。選擇性好、對襯底損傷較小，但各向異性較差 反應(yīng)離子刻蝕反應(yīng)離子刻蝕(React

6、ive Ion Etching，簡稱為簡稱為RIE)：通過活性離子對襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)通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，優(yōu)點，同時兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點。目前，RIE已成為已成為VLSI工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)4.4 氧化工藝氧化工藝 氧化：制備氧化：制備SiO2層層4.4.1 SiO2的性質(zhì)及其作用的性質(zhì)及其作用 SiO2是一種十分理想的電絕緣材料，其電阻率是一種十分理想的電絕緣材料，其電阻率高達(dá)高達(dá)1016

7、cm；耐擊穿能力較強(qiáng)。耐擊穿能力較強(qiáng)。 它的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，室溫下它只與它的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，室溫下它只與HF酸發(fā)酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。生化學(xué)反應(yīng)。氧化硅層的主要作用氧化硅層的主要作用 在在MOS電路中作為電路中作為MOS器件的絕緣柵介質(zhì)，器件的絕緣柵介質(zhì)，器件的組成部分；器件的組成部分； 擴(kuò)散時的掩蔽層，離子注入的阻擋層擴(kuò)散時的掩蔽層，離子注入的阻擋層(有時與有時與光刻膠、光刻膠、Si3N4層一起使用層一起使用)； 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； 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；

8、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。4.4.2 熱氧化形成熱氧化形成SiO2的機(jī)理的機(jī)理 1）反應(yīng)方程式：）反應(yīng)方程式： Si（固體）固體）O2 SiO2（固體）固體） Si（固體）固體）2H2O SiO2（固體）固體）2H22）反應(yīng)所經(jīng)過的三個步驟：）反應(yīng)所經(jīng)過的三個步驟： （1）氧化劑從氣體內(nèi)部被傳輸?shù)綒怏w）氧化劑從氣體內(nèi)部被傳輸?shù)綒怏w/SiO2界面；界面； （2）通過擴(kuò)散穿過已經(jīng)形成的）通過擴(kuò)散穿過已經(jīng)形成的SiO2層；層； （3）在）在SiO2/Si界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。生長的生長的SiO2層厚度為層厚度為d時，所消耗的時，所消

9、耗的Si層厚度為層厚度為0.44d 3）影響）影響Si表面氧化速率的三個關(guān)鍵因素：表面氧化速率的三個關(guān)鍵因素：（1）溫度：）溫度：溫度高，反應(yīng)快。溫度高，反應(yīng)快。 （2）氧化劑的有效性：）氧化劑的有效性： 擴(kuò)散系數(shù)：擴(kuò)散系數(shù)：H2O在在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于O2。 溶溶 解解 度：在度：在SiO2層中，層中，H2O的溶解度比的溶解度比O2高約高約 600倍。倍。（3）Si層表面勢或表面能量：層表面勢或表面能量： 與與Si的晶向、摻雜濃度及氧化前的表面處理有關(guān)。的晶向、摻雜濃度及氧化前的表面處理有關(guān)。4.4.3 SiO2的制備方法的制備方法 熱氧化法熱氧化法 干氧氧化：干氧

10、氧化： 氧化速度慢氧化速度慢 水蒸汽氧化：水蒸汽氧化：氧化速度快，但氧化層疏松，缺陷多氧化速度快，但氧化層疏松，缺陷多 濕氧氧化：濕氧氧化： 與光刻膠的附著性不是很好與光刻膠的附著性不是很好 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：生長速度高；質(zhì)量好；均勻性和重復(fù)性好生長速度高；質(zhì)量好；均勻性和重復(fù)性好 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法 熱分解沉積法熱分解沉積法 濺射法濺射法進(jìn)行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖進(jìn)行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖雜質(zhì)摻雜 摻雜：摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域?qū)⑿枰碾s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

11、質(zhì)，形成中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)，形成PN結(jié)、結(jié)、電阻、歐姆接觸。電阻、歐姆接觸。 磷磷(P)、砷砷(As) N型硅型硅 硼硼(B) P型硅型硅 摻雜工藝：摻雜工藝：擴(kuò)散、離子注入擴(kuò)散、離子注入4.5 擴(kuò)散與離子注入擴(kuò)散與離子注入4.5.1 擴(kuò)擴(kuò) 散散 替位式擴(kuò)散：替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位置：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位置：1）、族元素族元素2）一般要在很高的溫度（）一般要在很高的溫度（9501280）下進(jìn)行）下進(jìn)行3）磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)?。┝?、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜

12、質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層擴(kuò)散的掩蔽層 間隙式擴(kuò)散：間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙：雜質(zhì)離子位于晶格間隙：1）Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素（對器件危害嚴(yán)重）（對器件危害嚴(yán)重）2）擴(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大）擴(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大67個數(shù)量級個數(shù)量級雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖雜質(zhì)除了縱向擴(kuò)散，還有橫向擴(kuò)散1）固態(tài)源擴(kuò)散：如）固態(tài)源擴(kuò)散：如B2O3、P2O5、BN等等4.5.2 擴(kuò)散工藝擴(kuò)散工藝2） 利用液態(tài)源進(jìn)行擴(kuò)散利用液態(tài)源進(jìn)行擴(kuò)散液態(tài)源：液態(tài)源： 硅：四乙氧基硅烷（硅：四乙氧基硅烷（TEOS），）， 分子式分子式 Si(OC2H5)4 磷：三氯氧磷，磷：三氯氧磷， 分子式分子式

13、POCl3 硼：硼酸三丙脂，硼：硼酸三丙脂， 分子式分子式 B(CH3CH2CH2O3)4.5.3 離子注入 離子注入：離子注入：將具有很高能量的雜質(zhì)離子射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)離子的能量和質(zhì)量決定，摻雜濃度由注入雜質(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)目質(zhì)離子的數(shù)目(劑量劑量)決定決定 摻雜的均勻性好摻雜的均勻性好 溫度低：小于溫度低：小于600 可以精確控制雜質(zhì)分布可以精確控制雜質(zhì)分布 可以注入各種各樣的元素可以注入各種各樣的元素 橫向擴(kuò)展比擴(kuò)散要小得多。橫向擴(kuò)展比擴(kuò)散要小得多。 可以對化

14、合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜可以對化合物半導(dǎo)體進(jìn)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 離子束與晶體主軸偏離離子束與晶體主軸偏離7 10 （類似于非晶靶），（類似于非晶靶）， 以減少溝道離子的數(shù)目以減少溝道離子的數(shù)目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4.5.5 退火 退火：退火：也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮氣等也叫熱處理，集成電路工藝中所有的在氮氣等不活潑氣氛中進(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火不活潑氣氛中進(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火退火的作用：退火的作用：1）激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運動到晶格位）激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運動到晶

15、格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子，起到雜質(zhì)的置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子，起到雜質(zhì)的作用作用2）消除損傷）消除損傷 退火方式：退火方式：1） 爐退火爐退火2）快速退火：）快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源光、非相干寬帶頻光源(如鹵光燈、電弧燈、石墨加如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等熱器、紅外設(shè)備等)4.6 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(CVD) 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition)： 通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上沉積一層通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上沉積一層薄膜材料的過程薄膜

16、材料的過程 CVD技術(shù)特點：技術(shù)特點：1）具有沉積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、）具有沉積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點2）CVD方法幾乎可以沉積集成電路工藝中所需方法幾乎可以沉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要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬鎢、鉬)等等化學(xué)氣相沉積的分類： 常壓化學(xué)氣相沉積(APCVD) 低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD) 等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD

17、)APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖 LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖平行板型平行板型PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖4.6.2 單晶硅的化學(xué)氣相沉積單晶硅的化學(xué)氣相沉積(外延外延) 一般地，將在單晶襯底上生長單晶材料的工一般地，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。藝叫做外延，生長有外延層的晶體片叫做外延片。外延技術(shù)主要有：外延技術(shù)主要有：1）液相外延）液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE ）2）氣相外延）氣相外延（ Vapor Phase Epitaxy ，VPE） 鹵化物氣相外延（鹵化物氣相

18、外延（Hyride Vapor Phase Epitaxy ， HVPE）：）： SiCl42H2Si4HCl 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延（金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延（MOVPE，或稱為或稱為MOCVD）3）分子束外延（）分子束外延（MBE）氣相外延用摻雜源：氣相外延用摻雜源： 砷烷（砷烷（AsH3）、）、磷烷（磷烷（PH3）等等 乙硼烷（乙硼烷（B2H6）（沸點：沸點：92.5；火箭推進(jìn)劑）；火箭推進(jìn)劑）4.6.3 二氧化硅的化學(xué)氣相沉積二氧化硅的化學(xué)氣相沉積 可以作為金屬化時的介質(zhì)層，而且還可以可以作為金屬化時的介質(zhì)層，而且還可以作為離子注入或擴(kuò)散的掩蔽膜，甚至還可以將作為離子注入或擴(kuò)散的掩蔽膜，

19、甚至還可以將摻磷、硼或砷的氧化物用作擴(kuò)散源摻磷、硼或砷的氧化物用作擴(kuò)散源 低溫低溫CVD氧化層：低于氧化層：低于500 反應(yīng)源：硅烷和氧氣反應(yīng)源：硅烷和氧氣 SiH4O2SiO2H2 中等溫度沉積：中等溫度沉積：500800 反應(yīng)源反應(yīng)源: 四乙氧基硅烷四乙氧基硅烷 （又稱正硅酸乙酯，縮寫：（又稱正硅酸乙酯，縮寫：TEOS） Si(OC2H5)4 SiO2副產(chǎn)物副產(chǎn)物 高溫沉積：高溫沉積：900左右左右 反應(yīng)源反應(yīng)源: 二氯硅烷和笑氣二氯硅烷和笑氣 SiCl2H22N2OSiO22N22HCl4.6.4 多晶硅的化學(xué)氣相沉積多晶硅的化學(xué)氣相沉積 利用多晶硅替代金屬鋁作為利用多晶硅替代金屬鋁作為

20、MOS器件的柵極是器件的柵極是MOS集成電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬鋁作為集成電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬鋁作為柵極的柵極的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實現(xiàn)源漏區(qū)自對準(zhǔn)離子注入，使硅柵技術(shù)可以實現(xiàn)源漏區(qū)自對準(zhǔn)離子注入，使MOS集成電路的集成度得到很大提高。集成電路的集成度得到很大提高。 多晶硅的化學(xué)氣相沉積：多晶硅的化學(xué)氣相沉積：中等溫度中等溫度(780820)的的LPCVD或低溫或低溫(300) PECVD方法沉積方法沉積多晶硅的 ECR-PECVD5的高純SiH4（Ar氣稀釋）和高純H2PECVD的主要優(yōu)點：沉積溫度

21、低；成膜質(zhì)量高。4.6.5 氮化硅的化學(xué)氣相沉積1）LPCVD方法：方法： SiCl2H2 4NH3 Si3N46H2 6HCl 2）PECVD方法：方法： SiH4 NH3 SiNH3H2 2SiH4 N2 2SiNH3H2 PECVD生長的氮化硅有阻擋水和鈉離子擴(kuò)散生長的氮化硅有阻擋水和鈉離子擴(kuò)散的功能，且抗劃傷。的功能，且抗劃傷。 氮化硅主要用作局域氧化的掩蔽層4.7 接觸與互連接觸與互連 Al是目前集成電路工藝中最常用的金是目前集成電路工藝中最常用的金屬互連材料屬互連材料, 但但Al連線也存在一些比較連線也存在一些比較嚴(yán)重的問題嚴(yán)重的問題 電遷移嚴(yán)重、電阻率偏高、淺結(jié)穿透等電遷移嚴(yán)重、

22、電阻率偏高、淺結(jié)穿透等 Cu連線工藝有望從根本上解決該問題連線工藝有望從根本上解決該問題 IBM、Motorola等已經(jīng)開發(fā)成功等已經(jīng)開發(fā)成功 目前，互連線已經(jīng)占到芯片總面積的目前，互連線已經(jīng)占到芯片總面積的7080%；且連線的寬度越來越窄，；且連線的寬度越來越窄，電流密度迅速增加電流密度迅速增加特性特性AlAu AgCu電阻率電阻率（cm）2.42.351.591.71熔點（熔點（）66010639601083熱導(dǎo)率（熱導(dǎo)率（w/cm)2.383.154.253.98抗電遷移性抗電遷移性低低高高很低很低高高抗腐蝕性抗腐蝕性高高很高很高低低低低金銀銅鋁的特性比較：金銀銅鋁的特性比較：Cu的的雙

23、雙鑲鑲嵌嵌工工藝藝鑲嵌：damascene 銅布線取代鋁作為銅布線取代鋁作為IC互連的困難：互連的困難：1）銅難以刻蝕；銅難以刻蝕； 解決辦法：化學(xué)機(jī)械拋光（解決辦法：化學(xué)機(jī)械拋光（CMP） 拋光劑拋光劑: 二氧化硅懸浮顆粒氫氧化鉀溶液二氧化硅懸浮顆粒氫氧化鉀溶液2）銅是快擴(kuò)散雜質(zhì)，銅原子不但很容易擴(kuò)散進(jìn)入氧）銅是快擴(kuò)散雜質(zhì)，銅原子不但很容易擴(kuò)散進(jìn)入氧化物或介質(zhì)材料，形成互連線的低擊穿，而且銅快擴(kuò)化物或介質(zhì)材料，形成互連線的低擊穿，而且銅快擴(kuò)散到硅中形成深能級陷阱，或與硅在較低溫度下散到硅中形成深能級陷阱，或與硅在較低溫度下(200)反應(yīng)生成反應(yīng)生成Cu3Si，導(dǎo)致對有源區(qū)的沾污而引起導(dǎo)致對有

24、源區(qū)的沾污而引起結(jié)漏電和閾值電壓結(jié)漏電和閾值電壓VT漂移。漂移。 解決辦法：在銅與氧化物及介質(zhì)材料之間加入一解決辦法：在銅與氧化物及介質(zhì)材料之間加入一層阻擋層。層阻擋層。 合適的阻擋層材料必需具備以下條件：合適的阻擋層材料必需具備以下條件：1）能夠阻擋銅原子的擴(kuò)散；）能夠阻擋銅原子的擴(kuò)散；2）具有低的薄層電阻；）具有低的薄層電阻；3）具有很好的熱穩(wěn)定性，能經(jīng)受器件制造過程中高溫的影響；）具有很好的熱穩(wěn)定性，能經(jīng)受器件制造過程中高溫的影響；4）與銅和其他介質(zhì)層都有很好的界面接觸，并且不與銅和介質(zhì)材）與銅和其他介質(zhì)層都有很好的界面接觸，并且不與銅和介質(zhì)材料起反應(yīng)；料起反應(yīng)；5）必須與化學(xué)機(jī)械拋光工

25、藝兼容。）必須與化學(xué)機(jī)械拋光工藝兼容。 其中過渡金屬元素及其氮化物引起廣泛關(guān)注，主要包括其中過渡金屬元素及其氮化物引起廣泛關(guān)注，主要包括W、WN、Ta、Nb、TaN、TiN、TaSiN和和TiNx等。等。 因為過渡金屬及其氮化物都有很強(qiáng)的導(dǎo)電性、較高的熔點和對因為過渡金屬及其氮化物都有很強(qiáng)的導(dǎo)電性、較高的熔點和對銅原子的阻擋特性。其中銅原子的阻擋特性。其中TiN已在鋁的金屬化工藝中得到了應(yīng)用。已在鋁的金屬化工藝中得到了應(yīng)用。 在實際的銅在實際的銅/阻擋層結(jié)構(gòu)中，阻擋層的厚度阻擋層結(jié)構(gòu)中，阻擋層的厚度應(yīng)控制在應(yīng)控制在100nm以下。以下。 有數(shù)據(jù)表明，對于亞微米超大規(guī)模集成電有數(shù)據(jù)表明，對于亞微

26、米超大規(guī)模集成電路而言，其阻擋層不超過路而言，其阻擋層不超過10nm，在在600條件條件下，下，30分鐘內(nèi)不會發(fā)生銅擴(kuò)散穿過該阻擋層的分鐘內(nèi)不會發(fā)生銅擴(kuò)散穿過該阻擋層的現(xiàn)象。現(xiàn)象。4.7.1 金屬膜的形成方法金屬膜的形成方法 物理氣相沉積（物理氣相沉積（PVD）蒸發(fā)：蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便在真空系統(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，沉積在晶片可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子，沉積在晶片上。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。蒸發(fā)兩種。濺射：濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓

27、電場作用下，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(qiáng)電場加速，轟擊靶材料，使氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上。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4.7.2 難熔金屬硅化物柵及其復(fù)合結(jié)構(gòu)難熔金屬硅化物柵及其復(fù)合結(jié)構(gòu) 為了提高速度和集成度，可按比例縮小器件的特征尺寸，為了提高速度和集成度，可按比例縮小器件的特征尺寸，當(dāng)特征線寬小于當(dāng)特征線寬小于1.5m時，多晶硅柵遇到問題：時，多晶硅柵遇到問題： 作為柵和局域互連材料的多晶硅的電阻率較高（大于作為柵和局域互連材料的多晶硅的電阻率較高（大于500 cm），），其寄生電阻限制

28、了集成電路速度。其寄生電阻限制了集成電路速度。 作為替代多晶硅的材料，要求具有電阻率低、高溫穩(wěn)定性作為替代多晶硅的材料，要求具有電阻率低、高溫穩(wěn)定性好，與集成電路工藝兼容等特點。好，與集成電路工藝兼容等特點。 Al 電阻率低，但熔點太低（電阻率低，但熔點太低（660）。）。 W、Mo 熔點高，但它們與硅柵刻蝕后的工藝不兼容。熔點高，但它們與硅柵刻蝕后的工藝不兼容。 實驗發(fā)現(xiàn)難熔金屬硅化物如實驗發(fā)現(xiàn)難熔金屬硅化物如TiSi2、CoSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2等是替代多晶硅的理想材料。等是替代多晶硅的理想材料。 幾個概念幾個概念場區(qū)：場區(qū)：硅片上不制作器件的區(qū)域（除柵區(qū)和有硅片上不制作

29、器件的區(qū)域（除柵區(qū)和有 源區(qū)之外的區(qū)域）源區(qū)之外的區(qū)域）柵區(qū)：柵區(qū)：柵極下方形成導(dǎo)電溝道的區(qū)域柵極下方形成導(dǎo)電溝道的區(qū)域有源區(qū)：有源區(qū)：直接從外部接收和向外部送出電信號直接從外部接收和向外部送出電信號 的區(qū)域（指的區(qū)域（指MOS管的源區(qū)和漏區(qū)）管的源區(qū)和漏區(qū)） 柵結(jié)構(gòu)材料柵結(jié)構(gòu)材料 Al-二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu) 多晶硅多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu) 難熔金屬硅化物難熔金屬硅化物/多晶硅多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu) 自對準(zhǔn)金屬硅化自對準(zhǔn)金屬硅化物物(Salicide)工藝工藝 沉積多晶硅、刻蝕沉積多晶硅、刻蝕并形成側(cè)壁氧化層；并形成側(cè)壁氧化層； 沉積沉積Ti或或Co等難熔等難熔金屬金屬

30、快速熱處理（快速熱處理（RTP）并選擇腐蝕側(cè)壁氧并選擇腐蝕側(cè)壁氧化層上的金屬；化層上的金屬； 最后形成最后形成Salicide結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)SOI: 絕緣襯底上的硅絕緣襯底上的硅4.8 隔離技術(shù)隔離技術(shù) PN結(jié)隔離結(jié)隔離 場區(qū)隔離場區(qū)隔離 絕緣介質(zhì)隔離絕緣介質(zhì)隔離 溝槽隔離溝槽隔離 SBC在雙極模擬電路和電壓為在雙極模擬電路和電壓為1530V的電源的電源電路中廣泛應(yīng)用。電路中廣泛應(yīng)用。 缺點缺點： （1）隔離區(qū)寬，集成度低；）隔離區(qū)寬，集成度低； （2）集電極與襯底及基極間的）集電極與襯底及基極間的PN結(jié)寄生電容較結(jié)寄生電容較大，電路速度受限。大，電路速度受限。4.8.1 雙極集成電路的隔離工藝雙極

31、集成電路的隔離工藝1）標(biāo)準(zhǔn)隱埋集電極隔離工藝（）標(biāo)準(zhǔn)隱埋集電極隔離工藝（SBC）2）集電極擴(kuò)散隔離工藝（）集電極擴(kuò)散隔離工藝（CDI）優(yōu)點優(yōu)點：（：（1）隔離面積??；（）隔離面積小；（2）比）比SBC工藝簡單。工藝簡單。缺點缺點： （1）集電極與襯底及基極間的）集電極與襯底及基極間的PN結(jié)寄生電容較結(jié)寄生電容較大，電路速度受限；大，電路速度受限； （2）集電極基極結(jié)的擊穿電壓低，只能在小）集電極基極結(jié)的擊穿電壓低，只能在小電源電壓的器件中使用。電源電壓的器件中使用。3）介質(zhì)隔離）介質(zhì)隔離（DI）優(yōu)點：隔離效果好。優(yōu)點：隔離效果好。缺點缺點：（：（1）研磨背面時要求精確機(jī)械定位；）研磨背面時要求

32、精確機(jī)械定位； （2）沉積多晶硅時，硅片容易翹曲。）沉積多晶硅時，硅片容易翹曲。4）等平面氧化物隔離工藝）等平面氧化物隔離工藝 半等平面氧化物隔離工藝半等平面氧化物隔離工藝 在等平面工藝中，增加刻蝕在等平面工藝中，增加刻蝕Si的工藝的工藝（刻蝕掉的（刻蝕掉的Si層厚度是氧化層厚度的層厚度是氧化層厚度的0.56倍）倍） 橫向是氧化物隔離；縱向是橫向是氧化物隔離；縱向是PN結(jié)隔離結(jié)隔離 優(yōu)點：優(yōu)點：寄生電容??；隔離面積?。贿m于制作高寄生電容?。桓綦x面積??；適于制作高速、高集成度的集成電路，是雙極集成電路的最佳速、高集成度的集成電路，是雙極集成電路的最佳隔離方案之一。隔離方案之一。目的：防止場寄生晶

33、體管開啟目的：防止場寄生晶體管開啟（1）增大場氧化層厚度；）增大場氧化層厚度；（2）溝阻注入：提高場氧化層下面硅層的表面摻雜溝阻注入：提高場氧化層下面硅層的表面摻雜 濃度。從而提高寄生濃度。從而提高寄生MOSFET的閾的閾 值電壓。值電壓。4.8.2 MOS集成電路隔離工藝集成電路隔離工藝1）標(biāo)準(zhǔn)場氧化隔離）標(biāo)準(zhǔn)場氧化隔離場氧化層厚度是柵氧化層的場氧化層厚度是柵氧化層的710倍。倍。缺點：場氧化層厚；臺階覆蓋不好。缺點：場氧化層厚；臺階覆蓋不好。2）局域氧化隔離）局域氧化隔離(LOCOS)工藝工藝優(yōu)點：優(yōu)點：(1)臺階覆蓋好；臺階覆蓋好；(2)自對準(zhǔn)溝阻注入，自對準(zhǔn)溝阻注入， 可可 節(jié)省隔離區(qū)

34、面積；節(jié)省隔離區(qū)面積；(3)漏、源與襯底漏、源與襯底PN結(jié)間結(jié)間 的寄生電容小，工作的寄生電容小，工作 速度高。速度高。3）開槽回填隔離溝槽隔離工藝）開槽回填隔離溝槽隔離工藝4.9 封裝技術(shù)基本功能：基本功能：1）為芯片提供機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)；）為芯片提供機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)；2）接通芯片的電流通路；）接通芯片的電流通路；3）提供信號的輸入）提供信號的輸入/輸出通路；輸出通路；4）提供熱通路，散熱作用。提供熱通路，散熱作用。集成電路封裝工藝流程封裝級別：封裝級別：0級封裝：芯片上器件本體的互連級封裝：芯片上器件本體的互連1級封裝：芯片上的輸入級封裝：芯片上的輸入/輸出與基板互連輸出與基板互連2級

35、封裝：將封裝好的元器件或多芯片組件用多層級封裝：將封裝好的元器件或多芯片組件用多層 互連布線板組裝成部件、插件或小整機(jī)互連布線板組裝成部件、插件或小整機(jī)3級封裝：用插件或小整機(jī)組裝成機(jī)柜整機(jī)級封裝：用插件或小整機(jī)組裝成機(jī)柜整機(jī)各種封裝類型示意圖4.1 雙極集成電路制造工藝 制作埋層 初始氧化，熱生長厚度約為5001000nm的氧化層（做砷注入的阻擋層） 光刻1#版(埋層版)，利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將光刻窗口中的氧化層刻蝕掉（露出埋層區(qū)），并去掉光刻膠 進(jìn)行大劑量As+注入并退火，形成n+埋層雙極集成電路工藝 生長生長n型外延層型外延層 利用利用HF腐蝕掉硅片表面的氧化層腐蝕掉硅片表面的氧化層 將

36、硅片放入外延爐中進(jìn)行外延，外延層的厚將硅片放入外延爐中進(jìn)行外延，外延層的厚度和摻雜濃度一般由器件的用途決定度和摻雜濃度一般由器件的用途決定 形成橫向氧化物隔離區(qū)形成橫向氧化物隔離區(qū) 熱生長一層薄氧化層，厚度約熱生長一層薄氧化層，厚度約50nm（做氮化硅的緩沖層）做氮化硅的緩沖層） 沉積一層氮化硅，厚度約沉積一層氮化硅，厚度約100nm（做氧化時的掩蔽層）做氧化時的掩蔽層） 光刻光刻2#版版(場區(qū)隔離版場區(qū)隔離版) 形成橫向氧化物隔離區(qū)形成橫向氧化物隔離區(qū) 利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將光刻窗口中的氮化利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)將光刻窗口中的氮化硅層硅層-氧化層以及一半的外延硅層刻蝕掉氧化層以及一半的外延硅層

37、刻蝕掉 進(jìn)行硼離子注入進(jìn)行硼離子注入（形成溝道隔斷區(qū)）（形成溝道隔斷區(qū)） 形成橫向氧化物隔離區(qū)形成橫向氧化物隔離區(qū) 去掉光刻膠，把硅片放入氧化爐氧化，形成去掉光刻膠，把硅片放入氧化爐氧化，形成厚的場氧化層隔離區(qū)厚的場氧化層隔離區(qū) 去掉氮化硅層去掉氮化硅層 形成基區(qū)形成基區(qū) 光刻光刻3#版版(基區(qū)版基區(qū)版)，利用光刻膠將收集區(qū)遮，利用光刻膠將收集區(qū)遮擋住，暴露出基區(qū)擋住，暴露出基區(qū) 基區(qū)離子注入硼基區(qū)離子注入硼（形成（形成p型基區(qū)）型基區(qū)） 形成接觸孔：形成接觸孔： 光刻光刻4#版版(基區(qū)接觸孔版基區(qū)接觸孔版) 進(jìn)行大劑量硼離子注入進(jìn)行大劑量硼離子注入（形成（形成p區(qū)，便于做歐姆接觸）區(qū)，便于做

38、歐姆接觸） 刻蝕掉接觸孔中的氧化層刻蝕掉接觸孔中的氧化層（氮化硅的緩沖層，約（氮化硅的緩沖層，約50nm厚）厚） 形成發(fā)射區(qū)形成發(fā)射區(qū) 光刻光刻5#版版(發(fā)射區(qū)版發(fā)射區(qū)版)，利用光刻膠將基極接觸，利用光刻膠將基極接觸孔保護(hù)起來，暴露出發(fā)射極和集電極接觸孔孔保護(hù)起來，暴露出發(fā)射極和集電極接觸孔 進(jìn)行低能量、高劑量的砷離子注入，形成進(jìn)行低能量、高劑量的砷離子注入，形成n型發(fā)型發(fā)射區(qū)和集電區(qū)射區(qū)和集電區(qū) 金屬化 沉積金屬，一般是鋁或Al-Si、Pt-Si合金等 光刻6#版(連線版)，形成金屬互連線 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 形成鈍

39、化層 在低溫條件下(小于300)沉積氮化硅 光刻7#版(鈍化版) 刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形4.2 CMOS集成電路制造工藝 形成形成N阱阱 初始氧化初始氧化（形成氮化硅的緩沖層）（形成氮化硅的緩沖層） 沉積氮化硅層沉積氮化硅層（做砷或磷離子注入的掩蔽層）（做砷或磷離子注入的掩蔽層） 光刻光刻1版，定義出版，定義出N阱阱 反應(yīng)離子刻蝕氮化硅層反應(yīng)離子刻蝕氮化硅層（露出（露出N阱區(qū)）阱區(qū)） N阱離子注入，注入磷或砷離子阱離子注入，注入磷或砷離子 形成P阱 去掉光刻膠去掉光刻膠 在在N阱區(qū)生長厚氧化層阱區(qū)生長厚氧化層（硼注入時的掩蔽層）（硼注入時的掩蔽層），其它區(qū)域被氮化硅層保護(hù)而不會被氧化其它區(qū)域

40、被氮化硅層保護(hù)而不會被氧化 去掉氮化硅層去掉氮化硅層（露出（露出p阱區(qū)）阱區(qū)） P阱離子注入，注硼阱離子注入，注硼 推阱推阱 退火驅(qū)入退火驅(qū)入 去掉去掉N阱區(qū)的氧化層阱區(qū)的氧化層 形成場隔離區(qū) 生長一層薄氧化層緩沖層生長一層薄氧化層緩沖層 沉積一層氮化硅沉積一層氮化硅 光刻場隔離區(qū)，非隔離區(qū)光刻場隔離區(qū)，非隔離區(qū)被光刻膠保護(hù)起來被光刻膠保護(hù)起來 反應(yīng)離子刻蝕氮化硅反應(yīng)離子刻蝕氮化硅 場區(qū)離子注入場區(qū)離子注入（溝阻注入）（溝阻注入） 熱生長厚的場氧化層熱生長厚的場氧化層 去掉氮化硅層去掉氮化硅層 形成多晶硅柵 生長柵氧化層生長柵氧化層 沉積多晶硅沉積多晶硅 光刻多晶硅柵光刻多晶硅柵 刻蝕多晶硅柵

41、刻蝕多晶硅柵 形成硅化物形成硅化物 沉積氧化層沉積氧化層 反應(yīng)離子刻蝕氧化層，形成側(cè)壁氧化層反應(yīng)離子刻蝕氧化層，形成側(cè)壁氧化層 沉積難熔金屬沉積難熔金屬Ti或或Co等等 低溫退火，形成低溫退火，形成C-47相的相的TiSi2或或CoSi2 去掉氧化層上的沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的去掉氧化層上的沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的Ti或或Co 高溫退火，形成低阻穩(wěn)定的高溫退火，形成低阻穩(wěn)定的TiSi2或或CoSi2 形成形成N管源漏區(qū)管源漏區(qū) 光刻，利用光刻膠將光刻，利用光刻膠將PMOS區(qū)保護(hù)起來區(qū)保護(hù)起來 離子注入磷或砷，形成離子注入磷或砷，形成N管源漏區(qū)管源漏區(qū) 形成形成P管源漏區(qū)管源漏區(qū) 光刻，利用光刻膠將光刻，利用光刻膠將NMOS區(qū)保護(hù)起來區(qū)保護(hù)起來 離子注入硼，形成離子注入硼，形成P管源漏區(qū)管源漏區(qū) 形成接觸孔形成接觸孔 化學(xué)氣相沉積硼磷硅玻璃層（化學(xué)氣相沉積硼磷硅玻璃層（BPTEOS） 硼磷硅玻璃在高溫條件下某種程度上具有像液體一樣的硼磷硅玻璃在高溫條件下某種程度上具有像液體一樣的流動能力（回流：流動能力（回流：Reflow）。）。因此硼磷硅玻璃薄膜具有卓越因此硼磷硅玻璃薄膜具有卓越的填孔能力，并且能夠提高整個硅片表面的平坦化，從而為的填孔能力，并且能夠提高整個硅片表面的平坦化，從而為光刻及后道工藝提供更大的工藝范圍。光刻及后道工藝