《微电子学概论》ch4集成电路制造工艺1

消除损伤
退火方式：
炉退火 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束等
离子注入视频
上一页 下一页
OUTLINE
Pattern Transfer
•Lithography •Etching
Doping
•Diffusion •Ion Implantation
Film Preparation
•Oxidation •Chemical Vapor Deposition
上一页 下一页
扩散系统结构图
上一页 下一页
固态源扩散系统
固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等
上一页 下一页
液态源扩散系统
上一页 下一页
气态源扩散系统
扩散视频
上一页 下一页
掺杂技术：离子注入
离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导
体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子
的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的
Example：
Thin Oxide & Polysilicon Gate
Deposit the Poly (by CVD (Chemical Vapor Deposition)
Deposit a layer of thin oxide
Pattern the poly gate
刻蚀视频
上一页 下一页
上一页 下一页
溅射与离子束铣蚀(Sputtering and Ion Beam Milling)：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻
蚀，各向异性性好，但选择性较差
等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的
游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。 选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差
干氧－湿氧－干氧(简称干湿干)氧化法
氢氧合成氧化
将高纯度的氧气和氢气
化学气相淀积法：
通入氧化炉中，反应生 成水，并汽化。
金属化的介质层和扩散掩蔽层等。
上一页 下一页
进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图
上一页 下一页
氧化技术的发展
随着VLSI集成度的提高，MOS器件的栅氧 化层厚度也随之减小。
缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差
湿法化学刻蚀，一般都是 各向同性，横向和纵向的 刻蚀速度相同，因此，湿 法刻蚀得到的图形的横向 钻蚀比较严重。
上一页 下一页
刻蚀技术：干法刻蚀
为了适应集成电路特征尺寸的减小 提高刻蚀的各向异性。
溅射与离子束铣蚀 等离子刻蚀 反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)
上一页 下一页
集成电路设计与制造的主要流程框架
系 统 需 求 设计
掩膜版
芯片制 造过程
芯片检测 封装 测试
单晶、外 延材料
上一页 下一页
集成电路的设计过程： 设计创意
+ 仿真验证
功能要求 行为设计（VHDL）
行为仿真 是
综合、优化——网表
时序仿真 是
布局布线——版图
—设计业—
后仿真 是
否 否
否
上一页 下一页
反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)：
通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用 刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时 兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为 VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术
上一页 下一页
干法刻蚀 VS. 湿法刻蚀
上一页 下一页
P阱
N 衬底
上一页 下一页
离子注入的特点
掺杂纯度不受杂质源纯度的影响 可以精确控制注入杂质的数目：剂量和能量 可以注入各种各样的元素 温度低：小于600℃，二氧化硅、氮化硅、光
刻胶、铝作为掩蔽层 横向扩展比扩散要小得多：几乎垂直射入 可以对化合物半导体进行掺杂
光刻胶
有效掩蔽层
不有效掩蔽层
Insulation Packaging
上一页 下一页
掺杂技术
掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区 域中，以达到改变半导体电学性质，形成 PN结、电阻、欧姆接触
磷(P)、砷(As) —— N型硅 硼(B) —— P型硅
掺杂
P＋
上一页 下一页
电阻
上一页 下一页
Al
Al
P＋ N+
N+
P＋
数目(剂量)决定
掺杂的均匀性好 温度低：小于600℃
高能离子注入改变晶格结构 设备昂贵
可以精确控制杂质分布
可以注入各种各样的元素
B＋
横向扩展比扩散要小得多。
P＋
可以对化合物半导体进行掺杂
上一页 下一页
离子注入系统的原理示意图
上一页 下一页
注入时，表面有氧化层等薄膜,做掩蔽层。
光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化 学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中 的溶解特性改变。
正胶：曝光后可溶，分辨率高
负胶：曝光后可溶，分辨率差，适于加工
线宽≥3m的线条
Mask 掩膜版 - defines the pattern Lithography 光刻- to pattern silicon dioxide
OUTLINE
Pattern Transfer
•Lithography •Etching
Doping
•Diffusion •Ion Implantation
Film Preparation
•Oxidation •Chemical Vapor Deposition
•Physical Vapor Deposition
光刻录像
上一页 下一页
图形转换：刻蚀技术
目的：
通过光刻的方法在光刻胶上得到的图形 是临时图形，必须将光刻胶上的图形转移 到硅片上，即将未被光刻胶掩蔽的部分通 过选择性腐蚀去掉，从而得到集成电路真 正的图形。
上一页 下一页
刻蚀技术
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
关键：选择性。
上一页 下一页
•曝光
受光照射的光刻胶发生光化学反应。
确定图案的形状和尺寸；掩膜版
•显影
已曝光的芯片侵入显影液中，通过溶解部分光 刻胶的方法，使胶膜中的潜影显出。
•后烘（坚膜）
使显影后的图形牢固粘附在硅片上。
方法：热垫板等。
上一页 下一页
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。
集成电路制造工艺
上一页 下一页
芯片制造过程
硅片
—制造业—
用掩膜版 重复
20-30次
由氧化、淀积、离子注入或蒸 发形成新的薄膜或膜层
曝光 刻蚀
测试和封装
上一页 下一页
需要集成的内容
有源器件－制备在同一衬底上，相互隔离
（二极管、双极晶体管、MOSFET）
Al
Al
N+
P＋
N+
P＋
P
无源器件（电阻、电容等） 互连引线
•Oxidation •Chemical Vapor Deposition
•Physical Vapor Deposition
Insulation Packaging
上一页 下一页
图形转换：光刻技术
wafer
光源 mask
上一页 下一页
光刻技术
光刻胶、掩膜版
光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、 基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。
上一页 下一页
扩散 VS. 离子注入
上一页 下一页
链接：硅栅MOS结构和自对准技术
问题的提出：
栅氧化层
？ 铝栅MOS结构
Al
沟道无法和源漏连上
N+
N+
P
考虑到光刻的对准误差，要求栅氧化层和栅金属电极均 要与源漏有部分交叠。
Al
寄生电容
N+
N+
P
上一页 下一页
解决方法：硅栅自对准离子注入
采用多晶硅作为栅电极材料，在形成源漏区进
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
关键：对图形的控制性。
上一页 下一页
刻蚀技术：湿法刻蚀
湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应 用：磨片、抛光、清洗、腐蚀
优点是选择性好、重复性好、生产效率高、 设备简单、成本低
集成电路制造工艺
•前工序：（重点）
形成半导体器件的核心部分，管芯。
•后工序：
封装，测试等。
•辅助工序：
超静卫生环境，高纯水气设备，掩膜版的 制备和材料准备等。
上一页 下一页
集成电路制造工艺
图形转换技术：将设计在掩膜版(类似于照相底
片)上的图形转移到半导体单晶片上
掺杂技术：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在
超薄栅氧化层质量的保证
氧化层越薄，漏电和栅氧击穿问题越严重。
高介电常数（High－K）栅材料的开发
栅极漏电随着栅氧厚度的减少而指数增加，需 采用高介电常数的栅材料。
P
MOSFET
上一页 下一页
杂质浓度和分布：影响器件的阈值电压、器 件的电流－电压特性、击穿电压等
杂质浓度：cm-3 杂质分布：结深 N 结深
Al
N+
Al
N+
P
掺杂技术
扩散（结较深、线条较粗） 离子注入（浅结、细线条）
上一页 下一页
掺杂技术：扩散
替位式扩散：
Ⅲ、Ⅴ族元素 杂质原子边有空位，杂质本身有足
集成电路芯片的显微照片
上一页 下一页
集成电路工艺
双极工艺 CMOS工艺
双极集成电路 CMOS集成电路
上一页 下一页
NPN晶体管
上一页 下一页
N沟道MOS晶体管
上一页 下一页
CMOS集成电路(互补型MOS集成电路)： 目前应用最为广泛的一种集成电路，约占 集成电路总数的95%以上。
上一页 下一页
SiO2的制备方法
热氧化法：栅氧化层、场氧化层
干氧氧化： 水蒸汽氧化：
高温下，直接通入氧气。结构 致与密高，温均水匀蒸性气、发重生复反性应好，、氧对 杂化氧质速化扩度剂散快包的，含掩结氧蔽构气能疏和力松水强，汽、含，钝水光化
湿氧氧化：
效量刻果大胶好，的，掩附蔽着与能性光力不刻差是胶很附好着。好
需要的位置上，形成晶体管、接触等
薄膜制备技术：制作各种材料的薄膜 隔离技术 封装技术
上一页 下一页
OUTLINE
Pattern Transfer
•Lithography •Etching
Doping
•Diffusion •Ion Implantt 光刻胶 - acid-resistant material
before UV-light, but soluble after
上一页 下一页
正胶：曝光 后可溶
负胶：曝光 后不可 溶
上一页 下一页
光刻的主要步骤
•涂胶 在洁净干燥的硅片表面均匀涂一层光刻胶 方法：胶滴在硅片上，硅片高速旋转 •前烘 使光刻胶中的溶剂挥发，胶层成为固态的 薄膜，附着力增加；从而使曝光和未曝光 的部分选择性好。 方法：热垫板等。
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
作为集成电路的隔离和绝缘介质材料 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
上一页 下一页
接近式光刻：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。
投影式光刻：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。
上一页 下一页
超细线条光刻技术
甚远紫外线(EUV) 电子束光刻(EBL, Electron Beam Lithography) X射线 离子束光刻
够能量克服晶格势垒 一般要在很高的温度(950～1280℃)
下进行
间隙式扩散：间隙
Na、K、Fe、Cu、Au 等元素 扩散系数要比替位式扩散大6～7个
数量级，扩散温度较低
硅原子 空位
上一页 下一页
选区扩散
不能用光刻胶作掩蔽 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，可利用氧化层作为杂 质扩散的掩蔽层
行扩散或离子注入时栅材料起到掩膜的作用，自动
地保证了栅金属与源漏区对准问题，此技术称为自
对准工艺
上一页 下一页
对晶格的影响
离子与原子核碰撞——级联碰撞——晶格 损伤
离子
损伤区
上一页 下一页
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。
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
•Physical Vapor Deposition
Insulation Packaging
上一页 下一页
薄膜制备：氧化工艺
目的：在硅及其他衬底上制备SiO2 层
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
SiO2
硅衬底
上一页 下一页
氧化硅层的主要作用