集成電路制造工藝-北京大學(xué)課件

集成電路制造工藝北京大學(xué)集成電路設(shè)計(jì)與制造的主要流程框架設(shè)計(jì)芯片檢測(cè)單晶、外延材料掩膜版芯片制造過(guò)程封裝測(cè)試

系統(tǒng)需求

集成電路的設(shè)計(jì)過(guò)程：

設(shè)計(jì)創(chuàng)意

+

仿真驗(yàn)證集成電路芯片設(shè)計(jì)過(guò)程框架From吉利久教授是功能要求行為設(shè)計(jì)（VHDL）行為仿真綜合、優(yōu)化——網(wǎng)表時(shí)序仿真布局布線——版圖后仿真否是否否是Singoff—設(shè)計(jì)業(yè)—集成電路的內(nèi)部單元(俯視圖)

50m100m頭發(fā)絲粗細(xì)

30m1m1m(晶體管的大小)30~50m(皮膚細(xì)胞的大小)90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類(lèi)頭發(fā)絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較N溝道MOS晶體管集成電路制造工藝圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計(jì)在掩膜版(類(lèi)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(jì)的需要，將各種雜質(zhì)摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等制膜：制作各種材料的薄膜圖形轉(zhuǎn)換：光刻光刻三要素：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、基體樹(shù)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(zhǎng)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性改變正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠負(fù)膠：分辨率差，適于加工線寬≥3m的線條圖形轉(zhuǎn)換：光刻幾種常見(jiàn)的光刻方法接觸式光刻：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個(gè)很小的間隙(10～25m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低投影式曝光：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圖形轉(zhuǎn)換：光刻超細(xì)線條光刻技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外線(EUV)電子束光刻X射線離子束光刻圖形轉(zhuǎn)換：刻蝕技術(shù)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：磨片、拋光、清洗、腐蝕優(yōu)點(diǎn)是選擇性好、重復(fù)性好、生產(chǎn)效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低缺點(diǎn)是鉆蝕嚴(yán)重、對(duì)圖形的控制性較差干法刻蝕濺射與離子束銑蝕：通過(guò)高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差等離子刻蝕(PlasmaEtching)：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。選擇性好、對(duì)襯底損傷較小，但各向異性較差反應(yīng)離子刻蝕(ReactiveIonEtching，簡(jiǎn)稱(chēng)為RIE)：通過(guò)活性離子對(duì)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)兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。目前，RIE已成為VLSI工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)雜質(zhì)摻雜摻雜：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PN結(jié)、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅摻雜工藝：擴(kuò)散、離子注入雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖固態(tài)源擴(kuò)散：如B2O3、P2O5、BN等利用液態(tài)源進(jìn)行擴(kuò)散的裝置示意圖離子注入系統(tǒng)的原理示意圖離子注入到無(wú)定形靶中的高斯分布情況退火退火：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(guò)程都可以稱(chēng)為退火激活雜質(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，起到雜質(zhì)的作用消除損傷退火方式：爐退火快速退火：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(shè)備等)氧化硅層的主要作用在MOS電路中作為MOS器件的絕緣柵介質(zhì)，器件的組成部分?jǐn)U散時(shí)的掩蔽層，離子注入的(有時(shí)與光刻膠、Si3N4層一起使用)阻擋層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)材料作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料作為對(duì)器件和電路進(jìn)行鈍化的鈍化層材料SiO2的制備方法熱氧化法干氧氧化水蒸汽氧化濕氧氧化干氧－濕氧－干氧(簡(jiǎn)稱(chēng)干濕干)氧化法氫氧合成氧化化學(xué)氣相淀積法熱分解淀積法濺射法進(jìn)行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖化學(xué)汽相淀積(CVD)化學(xué)汽相淀積(ChemicalVaporDeposition)：通過(guò)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(guò)程CVD技術(shù)特點(diǎn)：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)備簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)CVD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SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等化學(xué)汽相淀積(CVD)常壓化學(xué)汽相淀積(APCVD)低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖平行板型PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖化學(xué)汽相淀積(CVD)單晶硅的化學(xué)汽相淀積(外延)：一般地，將在單晶襯底上生長(zhǎng)單晶材料的工藝叫做外延，生長(zhǎng)有外延層的晶體片叫做外延片二氧化硅的化學(xué)汽相淀積：可以作為金屬化時(shí)的介質(zhì)層，而且還可以作為離子注入或擴(kuò)散的掩蔽膜，甚至還可以將摻磷、硼或砷的氧化物用作擴(kuò)散源低溫CVD氧化層：低于500℃中等溫度淀積：500～800℃高溫淀積：900℃左右化學(xué)汽相淀積(CVD)多晶硅的化學(xué)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(shù)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)源漏區(qū)自對(duì)準(zhǔn)離子注入，使MOS集成電路的集成度得到很大提高。氮化硅的化學(xué)汽相淀積：中等溫度(780～820℃)的LPCVD或低溫(300℃)PECVD方法淀積物理氣相淀積(PVD)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，淀積在晶片上。按照能量來(lái)源的不同，有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場(chǎng)作用下，氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上蒸發(fā)原理圖集成電路工藝圖形轉(zhuǎn)換：光刻：接觸光刻、接近光刻、投影光刻、電子束光刻刻蝕：干法刻蝕、濕法刻蝕摻雜：離子注入退火擴(kuò)散制膜：氧化：干氧氧化、濕氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸發(fā)、濺射作業(yè)集成電路工藝主要分為哪幾大類(lèi)，每一類(lèi)中包括哪些主要工藝，并簡(jiǎn)述各工藝的主要作用簡(jiǎn)述光刻的工藝過(guò)程集成電路制造工藝北京大學(xué)CMOS集成電路制造工藝形成N阱初始氧化淀積氮化硅層光刻1版，定義出N阱反應(yīng)離子刻蝕氮化硅層N阱離子注入，注磷形成P阱去掉光刻膠在N阱區(qū)生長(zhǎng)厚氧化層，其它區(qū)域被氮化硅層保護(hù)而不會(huì)被氧化去掉氮化硅層

P阱離子注入，注硼推阱退火驅(qū)入去掉N阱區(qū)的氧化層形成場(chǎng)隔離區(qū)生長(zhǎng)一層薄氧化層淀積一層氮化硅光刻場(chǎng)隔離區(qū)，非隔離區(qū)被光刻膠保護(hù)起來(lái)反應(yīng)離子刻蝕氮化硅場(chǎng)區(qū)離子注入熱生長(zhǎng)厚的場(chǎng)氧化層去掉氮化硅層形成多晶硅柵生長(zhǎng)柵氧化層淀積多晶硅光刻多晶硅柵刻蝕多晶硅柵形成硅化物淀積氧化層反應(yīng)離子刻蝕氧化層，形成側(cè)壁氧化層淀積難熔金屬Ti或Co等低溫退火，形成C-47相的TiSi2或CoSi去掉氧化層上的沒(méi)有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的Ti或Co高溫退火，形成低阻穩(wěn)定的TiSi2或CoSi2形成N管源漏區(qū)光刻，利用光刻膠將PMOS區(qū)保護(hù)起來(lái)離子注入磷或砷，形成N管源漏區(qū)形成P管源漏區(qū)光刻，利用光刻膠將NMOS區(qū)保護(hù)起來(lái)離子注入硼，形成P管源漏區(qū)形成接觸孔化學(xué)氣相淀積磷硅玻璃層退火和致密光刻接觸孔版反應(yīng)離子刻蝕磷硅玻璃，形成接觸孔形成第一層金屬淀積金屬鎢(W)，形成鎢塞形成第一層金屬淀積金屬層，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等光刻第一層金屬版，定義出連線圖形反應(yīng)離子刻蝕金屬層，形成互連圖形形成穿通接觸孔化學(xué)氣相淀積PETEOS通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光進(jìn)行平坦化光刻穿通接觸孔版反應(yīng)離子刻蝕絕緣層，形成穿通接觸孔形成第二層金屬淀積金屬層，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等光刻第二層金屬版，定義出連線圖形反應(yīng)離子刻蝕，形成第二層金屬互連圖形合金形成鈍化層在低溫條件下(小于300℃)淀積氮化硅光刻鈍化版刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形測(cè)試、封裝，完成集成電路的制造工藝CMOS集成電路一般采用(100)晶向的硅材料AA雙極集成電路

制造工藝制作埋層初始氧化，熱生長(zhǎng)厚度約為500～1000nm的氧化層光刻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，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(zhǎng)n型外延層利用HF腐蝕掉硅片表面的氧化層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形成橫向氧化物隔離區(qū)熱生長(zhǎng)一層薄氧化層，厚度約50nm淀積一層氮化硅，厚度約100nm光刻2#版(場(chǎng)區(qū)隔離版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硅層-氧化層以及一半的外延硅層刻蝕掉進(jìn)行硼離子注入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，形成厚的場(chǎng)氧化層隔離區(qū)去掉氮化硅層形成基區(qū)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)基區(qū)離子注入硼形成接觸孔：光刻4#版(基區(qū)接觸孔版)進(jìn)行大劑量硼離子注入刻蝕掉接觸孔中的氧化層形成發(fā)射區(qū)光刻5#版(發(fā)射區(qū)版)，利用光刻膠將基極接觸孔保護(hù)起來(lái)，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，形成發(fā)射區(qū)和集電區(qū)金屬化淀積金屬，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20～30分鐘形成鈍化層在低溫條件下(小于300℃)淀積氮化硅光刻7#版(鈍化版)刻蝕氮化硅，形成鈍化圖形隔離技術(shù)PN結(jié)隔離場(chǎng)區(qū)隔離絕緣介質(zhì)隔離溝槽隔離PN結(jié)隔離工藝絕緣介質(zhì)隔離工藝LOCOS隔離工藝LOCOS隔離工藝溝槽隔離工藝接觸與互連Al是目前集成電路工藝中最常用的金屬互連材料,但Al連線也存在一些比較嚴(yán)重的問(wèn)題電遷移嚴(yán)重、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(wèn)題IBM、Motorola等已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功目前，互連線已經(jīng)占到芯片總面積的70～80%；且連線的寬度越來(lái)越窄，電流密度迅速增加幾個(gè)概念場(chǎng)區(qū)有源區(qū)柵結(jié)構(gòu)材料Al-二氧化硅結(jié)構(gòu)多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)難熔金屬硅化物/多晶硅-二氧化硅結(jié)構(gòu)Salicide工藝淀積多晶硅、刻蝕并形成側(cè)壁氧化層；淀積Ti或Co等難熔金屬RTP并選擇腐蝕側(cè)壁氧化層上的金屬；最后形成Sa