集成電路制造工藝總結(jié)

集成電路制造工藝總結(jié)

學(xué)習(xí)了集成電路制造工藝的課程，了解和掌握了很多關(guān)于集成電路的設(shè)計(jì)與具體細(xì)節(jié)的知識，在此總結(jié)一下最近學(xué)習(xí)的情況和心得。

通過整體學(xué)習(xí)掌握了微電子工藝的初步理論知識和制作細(xì)節(jié)，所謂微電子工藝，就是指用半導(dǎo)體材料制作微電子產(chǎn)品的方法、原理、技術(shù)。不同產(chǎn)品的制作工藝不同，但可將制作工藝分解為多個(gè)基本相同的小單元，再將不同的小單元按需要順序排列組合來實(shí)現(xiàn)。

具體以一個(gè)最常用的芯片設(shè)計(jì)為例，首先將大自然中僅次于氧含量的硅做成硅棒，然后切片，再經(jīng)過20到30步工藝步驟做成硅片然后再對做好的芯片進(jìn)行測試，再經(jīng)過封裝成成品，完了再經(jīng)過成品測試找出不符合標(biāo)準(zhǔn)的芯片，再包裝到上市出售。

公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一戈提出了一個(gè)很著名的論斷：即“摩爾定律”，集成電路上能被集成的晶體管數(shù)目，將會(huì)以每18個(gè)月翻一番的速度穩(wěn)定增長。該論斷到目前為之還在適用，但到以后會(huì)不會(huì)出現(xiàn)如此的情況就很難下定論，因?yàn)殡S著工藝的成熟，技術(shù)的進(jìn)步，加工水平的提升，該速度會(huì)不會(huì)面臨艱難的挑戰(zhàn)也是一個(gè)謎。

在本次學(xué)習(xí)過程中，首先了解了硅作為集成電路的基礎(chǔ)性材料，主要是由于它有一下幾個(gè)特點(diǎn)：原料充分；硅晶體表面易于生長穩(wěn)定的氧化層，這對于保護(hù)硅表面器件或電路的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)很重要；重量輕，密度只有2.33g/cm3；熱學(xué)特性好，線熱膨脹系數(shù)小，2.510-6/℃，熱導(dǎo)率高，1.50W/cm·℃；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；機(jī)械性能良好。

在掌握了硅的優(yōu)點(diǎn)之后，熟悉了單晶硅的生長。采用熔體生長法制備單晶硅棒：多晶硅→熔體硅→單晶硅棒；按制備時(shí)有無使用坩堝又分為兩類：有坩堝的：直拉法、磁控直拉法；

無坩堝的：懸浮區(qū)熔法。

單晶硅的生長原理為：固體狀態(tài)下原子的排列方式有無規(guī)則排列的非晶態(tài)，也可以成為規(guī)則排列的晶體。決定因素有三方面:物質(zhì)的本質(zhì)：原子以哪種方式結(jié)合使系統(tǒng)吉自由能更低。溫度高時(shí)原子活動(dòng)能力強(qiáng)，排列紊亂能量低，而低溫下按特定方式排列結(jié)合能高可降低其總能量----這是熱力學(xué)的基本原則。

熔融液體的粘度：粘度表征流體中發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)的阻力，隨溫度降低，粘度不斷增加，在到達(dá)結(jié)晶轉(zhuǎn)變溫度前。粘度增加到能阻止在重力作用物質(zhì)發(fā)生流動(dòng)時(shí)，即可以保持固定的形狀，這時(shí)物質(zhì)已經(jīng)凝固，不能發(fā)生結(jié)晶。

熔融液體的冷卻速度：冷卻速度快，到達(dá)結(jié)晶溫度原子來不及重新排列就降到更低溫度，最終到室溫時(shí)難以重組合成晶體，可以將無規(guī)則排列固定下來。然后，在單晶硅里進(jìn)行摻雜，主要有：液相摻雜，氣相摻雜，中子輻射摻雜三類。液相摻雜可直接在坩堝內(nèi)加入雜質(zhì)元素制造特定電阻率圓片。利用雜質(zhì)的擴(kuò)散機(jī)理，在用區(qū)熔法拉制硅單晶的過程中加入氣相雜質(zhì)氛圍，并通過控制雜質(zhì)氣體的雜質(zhì)含量和氣體流量的方法控制單晶的電阻率。在單晶爐內(nèi)通入的惰性氣體中加入一定量的含摻雜元素的雜質(zhì)氣體。在雜質(zhì)氣氛下，蒸發(fā)常數(shù)小的雜質(zhì)部分溶入熔體硅中，摻入單晶體內(nèi)。無坩堝生長單晶法，一般采用氣相摻雜方法。NTD法是一種內(nèi)摻雜方法，所用原始硅單晶是不摻雜的本征單晶，將它放在原子反應(yīng)堆中進(jìn)行中子輻照，使硅中的天然同位素30Si俘獲中子后產(chǎn)生不穩(wěn)定的31Si,經(jīng)過半衰期(2.62h)的β衰變生產(chǎn)不穩(wěn)定的31P，從而實(shí)現(xiàn)對硅單晶的磷(n型)摻雜。

在微電子工藝中，外延(epita_y)是指在單晶襯底上，用物理的或化學(xué)的方法，按襯底晶向排列（生長）單晶膜的工藝過程。新排列的晶體稱為外延層，有外延層的硅片稱為（硅）外延片，與先前描述的單晶生長不同在于外延生長溫度低于熔點(diǎn)許多，外延是在晶體上生長晶體，生長出的晶體的晶向與襯底晶向相同，摻雜類型、電阻率可不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。

使用外延工藝主要有一下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：高的集電結(jié)擊穿電壓和低的集電極串聯(lián)電阻，利用外延技術(shù)的pn結(jié)隔離是早期雙極型集成電路常采用的電隔離方法。

外延工藝常用的硅源：四氯化硅SiCl4(XXX)，是應(yīng)用最廣泛，也是研究最多的硅源---主要應(yīng)用于傳統(tǒng)外延工藝；三氯硅烷SiHCl3(TCS)，和SiCl4類似但溫度有所降低----常規(guī)外延生長；二氯硅烷SiH2Cl2(DCS)----更低溫度，選擇外延；硅烷SiH4，更適應(yīng)薄外延層和低溫生長要求，得到廣泛應(yīng)用；新硅源：二硅烷Si2H6-----低溫外延。

二氧化硅是微電子工藝中采用最多的介質(zhì)薄膜。二氧化硅薄膜的制備方法有：熱氧化、化學(xué)氣相淀積、物理法淀積、陽極氧化等。熱氧化是最常用的氧化方法，需要消耗硅襯底，是一種本征氧化法。

在摻雜的步驟中，包含了熱擴(kuò)散和離子注入兩種方法。由于熱擴(kuò)散成本較低容易實(shí)現(xiàn)在以前的制作工藝中經(jīng)常采用，而離子注入方法比熱擴(kuò)散更加精確，實(shí)現(xiàn)摻雜的效果比摻雜好，但是離子注入的一個(gè)最大劣勢是成本高，就單個(gè)離子注入機(jī)比較昂貴，配合其他的設(shè)備整個(gè)成本比較高。下面就分別說一下熱擴(kuò)散和離子注入的方法。

擴(kuò)散是微電子工藝中最基本的工藝之一，是在約1000℃的高溫、p型或n型雜質(zhì)氣氛中，使雜質(zhì)向襯底硅片的確定區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散，達(dá)到一定濃度，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體定域、定量摻雜的一種工藝方法，也稱為熱擴(kuò)散。目的是通過定域、定量擴(kuò)散摻雜改變半導(dǎo)體導(dǎo)電類型，電阻率，或形成PN結(jié)。

固相擴(kuò)散是通過微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，主要有三種方式：間隙式擴(kuò)散、替位式擴(kuò)散、間隙—替位式擴(kuò)散。擴(kuò)散工藝是要將具有電活性的雜質(zhì)，在一定溫度，以一定速率擴(kuò)散到襯底硅的特定位置，得到所需的摻雜濃度以及摻雜類型。主要有兩種方式：恒定表面源擴(kuò)散和限定表面源擴(kuò)散。

所謂離子注入，就是離化后的原子在強(qiáng)電場的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)?；具^程為：將某種元素的原子或攜帶該元素的分子經(jīng)離化變成帶電的離子，在強(qiáng)電場中加速，獲得較高的動(dòng)能。注入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì)。

離子注入的特點(diǎn)：各種雜質(zhì)濃度分布與注入濃度可通過精確控制摻雜劑量（1011-1017cm-2）和能量（5-500keV）來達(dá)到；同一平面上雜質(zhì)摻雜分布非常均勻（±1%variationacrossan8’’wafer）；非平衡過程，不受固溶度限制，可做到淺結(jié)低濃度或深結(jié)高濃度；注入元素通過質(zhì)量分析器選取，純度高，能量單一；低溫過程（因此可用多種材料作掩膜，如金屬、光刻膠、介質(zhì)）；避免了高溫過程引起的熱擴(kuò)散；易于實(shí)現(xiàn)對化合物半導(dǎo)體的摻雜；橫向效應(yīng)比氣固相擴(kuò)散小得多，有利于器件尺寸的縮??；可防止玷污，自由度大；會(huì)產(chǎn)生缺陷，甚至非晶化，必須經(jīng)高溫退火加以改進(jìn)；設(shè)備相對復(fù)雜、相對昂貴（尤其是超低能量離子注入機(jī)）；有不安全因素，如高壓、有毒氣體。

離子注入和熱擴(kuò)散的不同之處是，離子注入還需進(jìn)行退火處理，因?yàn)檫M(jìn)行了離子注入時(shí)可能將排列合理的原子給替換或是排擠的不在其原來的位置了，所以

必須進(jìn)行退火來進(jìn)行恢復(fù)。在某一高溫下保持一段時(shí)間，使雜質(zhì)通過擴(kuò)散進(jìn)入替位，有電活性；并使晶體損傷區(qū)域“外延生長”為晶體，恢復(fù)或部分恢復(fù)硅的遷移率，少子壽命。退火效果(q/NA,μ,τ)，與溫度，時(shí)間有關(guān)。一般溫度越高、時(shí)間越長退火效果越好。退火后出現(xiàn)靶的雜質(zhì)再分布。

退火條件：依據(jù)損傷情況定，目的是激活雜質(zhì)，恢復(fù)電學(xué)特性；注入雜質(zhì)的質(zhì)量，劑量、劑量率，能量；靶溫。退火方法：高溫退火；快速退火：激光、寬帶非相關(guān)光、電子束退火。

化學(xué)氣相淀積(ChemicalVaporDeposition,CVD)是把構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣以合理的流速引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在襯底上淀積薄膜的工藝方法。淀積的薄膜是非晶或多晶態(tài)，襯底不要求是單晶，只要是具有一定平整度，能經(jīng)受淀積溫度即可。

相比化學(xué)汽相淀積還有物理汽相淀積法，物理氣相淀積（Physicalvapordeposition，PVD）是利用某種物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，將原子或分子由（靶）源氣相轉(zhuǎn)移到襯底表面形成薄膜的過程。

完成了以上工作步驟之后還要進(jìn)行光刻，光刻(photolithography)就是將掩模版（光刻版）上的幾何圖形轉(zhuǎn)移到覆蓋在半導(dǎo)體襯底表面的對光輻照敏感薄膜材料（光刻膠）上去的工藝過程。光刻系統(tǒng)的主要指標(biāo)包括分辨率、焦深、對比度、特征線寬控制、對準(zhǔn)和套刻精度、產(chǎn)率以及價(jià)格。一般的光刻工藝要經(jīng)歷底膜處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕、去膠、檢驗(yàn)工序。

光刻技術(shù)中一般存在以下的問題：半導(dǎo)體器件和集成電路的制造對光刻質(zhì)量有如下要求：一是刻蝕的圖形完整，尺寸準(zhǔn)確，邊緣整齊陡直；二是圖形內(nèi)沒有針孔；三是圖形外沒有殘留的被腐蝕物質(zhì)。同時(shí)要求圖形套刻準(zhǔn)確，無污染等等。但在光刻過程中，常出現(xiàn)浮膠、毛刺、鉆蝕、針孔和小島等缺陷。

廣義而言，刻蝕技術(shù)包含了所有將材質(zhì)表面均勻移除或是有選擇性地部分去除的技術(shù)，可大體分為濕法刻蝕（WetEtching）和干法刻蝕（DryEtching）兩種方式。

影響刻蝕工藝的因素分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素主要包括設(shè)備硬件的配置以及環(huán)境的溫度、濕度影響，對于操作人員來說，外部因素只能記錄，很難改變，要做好的就是優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)比較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。內(nèi)部因素就是

在設(shè)備穩(wěn)定的情況下對工藝結(jié)果起到?jīng)Q定性作用。

集成電路對互連布線有以下要求：①布線材料有低的電阻率和良好的穩(wěn)定性；②布線應(yīng)具有強(qiáng)的抗電遷移能力；③布線材料可被精細(xì)刻蝕，并具有抗環(huán)境侵蝕的能力；④布線材料易于淀積成膜，粘附性要好，臺(tái)階覆蓋要好，并有良好的可焊性。

多層互連，一方面可以使單位芯片面積上可用的互連布線面積成倍增加，允許可有更多的互連線；另一方面使用多層互連系統(tǒng)能降低因互連線過長導(dǎo)致的延遲時(shí)間的過長。因此，多層互連技術(shù)成為集成電路發(fā)展的必然。多層互連系統(tǒng)主要由金屬導(dǎo)電層和絕緣介質(zhì)層組成。因此可從金屬導(dǎo)電層和絕緣介質(zhì)層的材料特性，工藝特性，以及互連延遲時(shí)間等多個(gè)方面來分析ULSI對多層互連系統(tǒng)的要求。

微電子芯片封裝在滿足器件的電、熱、光、機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，主要應(yīng)實(shí)現(xiàn)芯片與外電路的互連，并應(yīng)對器件和系統(tǒng)的小型化、高可靠性、高性價(jià)比也起到關(guān)鍵作用。微電子封裝通常有五種作用，即電源分配、信號分配、散熱通道、機(jī)械支撐和環(huán)境保護(hù)。器件封裝在國際上已成為