半导体集成电路第2章

oxide silicon substrate silicon substrate
oxide
2014-5-15
去胶
field oxide
oxide silicon substrate silicon substrate
定义：为获得器件的结构必须把光刻胶的图
形转移到光刻胶下面的各层材料上面去。 目的：刻蚀的主要内容就是把经曝光、显影 后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉， 即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。
虽然，光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺，但因为这两个 工艺只有连续进行，才能完成真正意义上的图形转移。在工 艺线上，这两个工艺是放在同一工序，因此，有时也将这两 个工艺步骤统称为光刻。

湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀 的方法。优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简 单、成本低。缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。 干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或 游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等 )与材料 发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。

几种常见的光刻方法
接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜
版和光刻胶膜的损伤。
接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小
的间隙(10～25m)，可以大大减小掩膜版的损 伤，分辨率较低
投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的
图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多 的曝光方式
刻蚀
刻蚀是用物理或者化学的方法有选择的从硅 片表面除去不需要的材料的过程
制成的硅锭要按电阻率和晶格完整度进行分 类，然后将尾部切除，再进行机械修整。 在硅锭上需要打磨出一条或多条平边，以指 示晶体方向和掺杂类型。 磨平后，用化学洗剂去除机械研磨造成的损 伤，再进行切割。 切割后，再用一系列步骤去除残留的机械损 伤，再用化学机械抛光等办法对晶圆进行抛 光。

光刻与刻蚀：雕塑集成电路的刻刀
集成电路如同城市，有复杂规则的内部结构 和形状。这些都是通过多次的光刻与刻蚀来 完成的。决定集成电路器件的主要因素是表 面图形（由光刻掩膜决定）和杂质浓度分布 （由掺杂工艺决定）。 在进行光刻与刻蚀前，必须在设计时设计好 每次光刻的掩膜版(Mask)。如同一幢大楼的 每一层的图纸。 每个典型的集成电路器件需要经过15-20次光 刻

作为集成电路的隔离介质材料 作为电容器的绝缘介质材料

作为多层金属互连层之间的介质材料 作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料氧化硅的形成方法
平面上的绝缘层可通过腐蚀和/或离子注入法制成。 垂直方向上的不同层之间的绝缘可以使用绝缘层。 绝缘层可用氧化及淀积法制成。在所有的 Si 工艺中， Si02被广泛用于制作绝缘层，其原因在于 Si02层可直接在Si表面用干法或湿法氧化制成
切割、测试、封装
集成电路的基本制造技术 CMOS工艺与器件结构 版图设计规则 双极型晶体管工艺与器件结构 BiCMOS工艺

源极(S) 栅极(G)
N沟MOS晶体管的基本结构
漏极(D)
栅极（金属）
源极
绝缘层（SiO2）
漏极
n+
n+
P型硅基板
半 导 体 基 板
MOS晶体管的动作
退

火

退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼 气氛中进行的热处理过程都可以称为退火 作用： 激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以 便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用 消除注入引起的损伤 退火方式： 炉退火 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相 干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备 等)
几个关键步骤
硅晶圆的制作 光刻(lithography)与刻蚀(etching) 扩散与离子注入 薄膜淀积-氧化 测试封装

最初：沙子

巴西、挪威出产的高纯度石英砂
硅的提成及硅锭的制作

将石英砂先脱氧，再以化学气相沉积（CVD） 法还原，得到高纯度硅。学名电子级硅 (EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有 一个杂质原子。再用提拉法得到硅锭(Ingot)。 也可以在这个过程中根据需要，掺入杂质元 素，得到N型或P型硅。
半导体集成电路
南京理工大学电光学院
第二章 寄生效应及集成电路的制造技术
集成电路的基本制造技术 CMOS工艺与器件结构 版图设计规则 双极型晶体管工艺与器件结构 BiCMOS工艺

集成电路的基本制造技术

简单地说，集成电路的制造过程可以大致分 为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版 印刷)、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、 互连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测 试、包装上市等诸多步骤，而且每一步里边 又包含更多细致的过程。
• •
•
•
•
• •
首先把待搀杂物质如B，P，As等离子化， 利用质量分离器(Mass Seperator)取出需要的杂质离子。分离 器中有磁体和屏蔽层。由于质量，电量的不同，不需要的离子 会被磁场分离，并且被屏蔽层吸收。 通过加速管，离子被加速到一个特定的能级，如10500keＶ。 通过四重透镜，聚成离子束，在扫描系统的控制下，离子束轰 击在注入室中的晶圆上。 在晶圆上没有被遮盖的区域里，离子直接射入衬底材料的晶体 中，注入的深度取决于离子的能量。 最后一次偏转(deflect)的作用是把中性分离出去 faraday cup的作用是用来吸收杂散的电子和离子．
正性胶与负性胶光刻图形的形 成
涂光刻胶的方法(见下图)：
光刻胶通过过滤器滴入晶圆中央，被真空吸盘吸牢的 晶圆以2000 8000转/分钟的高速旋转，从而使光刻胶
均匀地涂在晶圆表面。
光刻步骤二、三、四
二、曝光 : 光源可以是可见光 , 紫外线 , X 射线和电 子束。 光量，时间取决于光刻胶的型号，厚度 和成像深度。 三、显影 : 晶圆用真空吸盘吸牢，高速旋转，将显 影液喷射到晶圆上。显影后，用清洁液喷洗。 四、烘干: 将显影液和清洁液全部蒸发掉。

掺杂
掺杂目的、原理和过程 掺杂的目的是以形成特定导电能力的材料区域, 包括 N 型或 P 型半导体层和绝缘层。是制作各种 半导体器件和IC的基本工艺。

经过掺杂，原材料的部分原子被杂质原子代替, 材料的导电类型决定于杂质的种类。

掺杂可与外延生长同时进行，也可在其后，例 如，双极性硅 IC 的掺杂过程主要在外延之后， 而大多数GaAs及InP器件和IC的掺杂与外延同时 进行。
硅晶圆的制作 光刻(lithography)与刻蚀(etching) 扩散与离子注入 薄膜淀积-氧化 测试封装

薄膜淀积
在集成电路里可以采用多种不同的薄膜。这 些薄膜分为五大类：热氧化膜、电介质层， 外延层，多晶硅，以及金属薄膜。 分为化学气相淀积(CVD)和分子束外延 (MBE)等。 多晶硅淀积。用多晶硅作为MOS器件的栅 极是一个重大发展，主要原因是多晶硅在电 极可靠性性能方面优于铝。

SiH4=Si+2H2
薄膜积淀-绝缘层形成
在整个电子工程中，导体与绝缘体是互补而又 相对的。在器件与IC工艺里也如此。在制作器件时， 必须同时制作器件之间，工作层及导线层之间的绝 缘层。在 MOS 器件里，栅极与沟道之间的绝缘更是 必不可少的。
氧化硅层的主要作用
在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质， 器件的组成部分 扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、 Si3N4层一起使用)阻挡层
field oxide
oxide
source
gate drain
oxide gate oxide
silicon substrate
2014-5-15
在硅衬底上制作MOS晶体管
silicon substrate
2014-5-15
field oxide
oxide
silicon substrate
2014-5-15
注入法的优缺点


优点： 掺杂的过程可通过调整杂质剂量及能量来精确的控制，杂 质分布的均匀。 可进行小剂量的掺杂。 可进行极小深度的掺杂。 较低的工艺温度，故光刻胶可用作掩膜。 可供掺杂的离子种类较多，离子注入法也可用于制作隔离 岛。在这种工艺中，器件表面的导电层被注入的离子（如 Ｏ+）破坏，形成了绝缘区。 缺点： 费用高昂 在大剂量注入时半导体晶格会被严重破坏并很难恢复
热扩散掺杂
热扩散是最早也是最简单的掺杂工艺，主要用于Si 工艺。

施主杂质用P，As，Sb，受主杂质可用B，Al。要减 少少数载流子的寿命，也可掺杂少量的金

一般要在很高的温度(950～1280℃)下进行, 磷、 硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中 的扩散系数，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层

扩散过程中，温度与时间是两个关键参数。
离子注入法
离子注入技术是20世纪50年代开始研究，70年 代进入工业应用阶段的。随着VLSI超精细加工技术 的进展，现已成为各种半导体搀杂和注入隔离的主 流技术。
离子注入机
离子注入机包含离子源，分离单元，加速器， 偏向系统，注入室等。
图 3.8
离子注入机工作原理
湿氧化：Si+2H2O=SiO2+2H2，这个方法比较快速。 干氧化：Si+O2=SiO2。这个方法比较慢。 氧化的过程会消耗硅晶圆，体积增长约一倍。
Si02层可用作阻止离子注入及热扩散的掩模。

SiO2 是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质 非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应。
silicon substrate
2014-5-15
感光区域 非感光区域
photoresist oxide
silicon substrate
2014-5-15
显影
photoresist photoresist
oxide silicon substrate
2014-5-15
腐蚀
photoresist

图形曝光（光刻，Photolithography） 图形加工 图形转移（刻蚀，Etching）
光刻工艺的重要性：

IC设计流程图，光刻图案用来定义IC中各种不同的区域， 如：离子注入区、接触窗、有源区、栅极、压焊点、引线 孔等 主流微电子制造过程中，光刻是最复杂，昂贵和关键的工 艺，占总成本的1/3，一个典型的硅工艺需要15-20块掩膜， 光刻工艺决定着整个IC工艺的特征尺寸，代表着工艺技术 发展水平。
Photoresist 光刻胶 oxide silicon substrate
2014-5-15
Ultraviolet Light 紫外线 Chrome plated glass mask铬镀金 的玻璃屏 Shadow on photoresist
Exposed area of photoresist photoresist oxide

光刻工艺流程
涂胶
前烘
曝光
显影
后烘
刻蚀
去胶
硅片清洗
预烘及涂增强剂
涂胶
前烘
掩模版对准
曝光
曝光后烘培
显影
后烘及图形检测
刻蚀
刻蚀完成
去胶
台湾AST Cirie-200等离子体刻蚀设备
硅晶圆的制作 光刻(lithography)与刻蚀(etching) 扩散与离子注入 薄膜淀积-氧化 测试封装

具体的说，光刻是在 硅片表面匀胶，然后 将掩模版上的图形转 移到光刻胶上的过程。 是将器件或电路结构 临时“复制”到硅片 上的过程。
光刻步骤
一、晶圆涂光刻胶：
• •
•
清洗晶圆，在200C温度下烘干 1小时。目的是防 止水汽引起光刻胶薄膜出现缺陷。 待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。 正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中， 一般只采用正胶 负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条 光刻胶对大部分可见光灵敏，对黄光不灵敏，可 在黄光下操作。 再烘晶圆再烘，将溶剂蒸发掉，准备曝光
2014-5-15
MOS晶体管实质上是一种使 电流时而流过，时而切断的开关
MOS晶体管的立体结构
polysilicon gate多晶硅栅 top nitride氮化物 metal connection to source metal connection to gate doped silicon掺杂硅 metal connection to drain