集成电路制造工艺 (2)
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二氧化硅能有效抑制大部分施主和受主杂质的扩散， 可以选择性地进行扩散，得到不同的P(N)区域
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第三6 章
晶片（Wafer）：衬底硅片，也称为晶圆
芯片（Chip）：在晶片上经制备出的晶体管或电路。同一 晶片上可制备出成千上万个结构相同的芯片
晶片尺寸越大技术难度就越高 目前晶片尺寸在150 ~ 300 mm ( 6~ 12 inch ) 相应的生产线为6、12 in编c辑hpp。t
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第1三2 章
SiO2 的基本性质
晶体结构： 结晶型(石英玻璃) 非晶态
半导体器件生产所用的SiO2 薄膜属于非晶态结构。
物理性质 惰性材料，在室温相当宽的范围内，性能十分稳定；
电阻率非常高，热氧化的SiO2 薄膜为 10 15 欧姆·厘米， 是很好的绝缘材料，高介电常数。
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第1三3 章
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第1三7 章
干法氧化 将硅片置于通有氧气的高温环境内，通过到达硅表
面的氧原子与硅的作用发生反应形成SiO2。
Si（固体）+ O2 → SiO2（固体）
❖ 干 氧 生 成 的 SiO2 结 构 致 密 、 干燥、均匀性和重复性好，掩 蔽能力强，与光刻胶粘附好等 优点 ❖ 干氧化速率慢，由于已生长 的SiO2对氧有阻碍作用，氧化 的速度会逐渐降低，
氧化速度快，避免湿法氧化中水蒸气对器件带来的污染，
薄膜质量好，纯度高。
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第2三1 章
高压氧化
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第2三2 章
化学汽相沉积法 CVD
把一种(几种)元素的气体共给基片，利用某种方式激活后， 在衬底表面处发生化学反应，沉积所需的固体薄膜。
激活方式：加热、等离子体、紫外光、激光等产生高温 多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多种无机薄膜
第三7 章
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第三8 章
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第三9 章
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第1三0 章
§ 3.2 氧化工艺
1957年，发现SiO2层具有阻止施主或受主杂质向硅内扩散 的作用，掩蔽作用。
氧化是平面工艺中最核心的技术之一。
选择性扩散前均要进行氧化，在晶片的表面生长二氧化硅薄膜。 把不需扩散的区域用一定厚度的SiO2 保护起来
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第2三3 章
制备氧化硅时：
硅烷与氧的反应
S4 i2 O H 2 S2 i2 H O 2 O
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第2三4 章
800-1000℃
102 Pa 产量大，膜厚均匀 600-700℃
射频电场，200-400℃
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第2三5 章
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第2三6 章
3. SiO2薄膜的要求和检测方法
第三2 章
半导体器件生产工艺的基本原理
• 集成电路的核心是半导体器件 • 包括：电阻 电容 电感 二极管 三极管 结型场
效应晶体管 MOS场效应晶体管.......
不同类型的半导体区域和它们之间一个或多个PN 结组成
根据电路设计要求，在半导体材料不同区域形成不 同导电区域(P型以及N型)进而形成一个或多个PN结
SiO2薄膜的要求 表面：表面厚度均匀、表面致密、无斑点、无白雾
SiO2薄膜的厚度测量 表面观察法(TEM)、干涉法、椭圆激光偏振法等。 最常用的是干涉条纹法。
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第2三7 章
4. 氧化技术的发展趋势和面临问题
❖ 随着集成电路的集成度的不断提高，器件尺寸的不断减小， 使MOS器件的栅氧化层厚度的不断减小。 栅氧化层厚度从100 nm（1975年）减小到目前的 5nm。
第三章
集成电路制造工艺
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第三1 章
主要内容
§ 3.1 硅平面工艺 § 3.2 氧化绝缘层工艺 § 3.3 扩散掺杂工艺 § 3.4 光刻工艺 § 3.5 掩模制版技术 § 3.6 外延生长工艺 § 3.7 金属层制备工艺 § 3.8 隔离工艺技术 § 3.9 CMOS集成电路工艺流程
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第三3 章
半导体器件工艺技术发展的三个阶段
1950年，合金法制备的晶体管即合金管或台面 管
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第三4 章
为了能够精确控制PN结的位置以及宽度等 1955年，发明扩散技术，扩散能够精确控制
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第三5 章
1960年，硅平面工艺是半导体器件制造技术最重 要的里程碑。
综合了扩散技术和二氧化硅掩膜技术
或空穴）从高浓度处向低浓度处逐渐
运动的过程
扩散
目的 通过掺杂或补偿，编制辑ppt作N型或P型区域 第2三9 章
硅片
湿O2
石英舟 95度的去 离子水
高纯水
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第1三9 章
干法氧化 湿法氧化 干法氧化
硅
实际氧化工艺：干氧化 湿氧化 干氧化
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第2三0 章
氢氧合成氧化
H 2 ( 9 .9 9 % 9 O 9 2 ( 9 ) .9 9 % 9 9 H 2 O )
Si（固体）+ 2H2O → SiO2（固体）+ 2H2
二.SiO2薄膜的生长方法
工艺：
氧气氧化
氧化
Fra Baidu bibliotek
热氧化
氢氧合成氧化
高压氧化
化学气相沉积
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第1三4 章
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第1三5 章
热氧化过程
dox SiO2
0.44 dox
Si
氧化
Si
(a)氧氧化化前的前硅片
(b氧) 氧化化后的后硅片
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第1三6 章
按照氧气的情况
氧气法氧化
干法氧化 湿法氧化
加热器
石
英
管
O2
硅片
石英舟
将石英管高温加热至1000℃以上， 通入氧气。
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第1三8 章
湿法氧化
高温下，硅与水汽和氧气发生如下反应：
Si（固体）+ 2H2O → SiO2（固体）+ 2H2
加热器
石英管
湿氧氧化速率快，水的扩 散系数大于氧气。但致密 度较差，对P的掩蔽能力 差，于光刻胶的接触不良。
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第1三1 章
一. SiO2 薄膜在集成电路中的作用 ➢ 对扩散杂质起掩蔽作用
➢ 可作为MOS器件的绝缘层，栅极氧化层
➢ 用作集成电路中的隔离介质和绝缘介质。
➢ 作为集成电路中的电容器介质。
➢ 对器件表面起保护钝化作用。因半导体表面态对器 件的影响非常大，采用氧化层保护可防止环境对器 件的污染。
❖ 栅氧化层厚度越薄，则漏电和击穿问题越严重，所以需要 开发高介质的栅氧化层材料。
❖ 随着集成电路尺寸的不断减小，布线间距缩小电容明显增 大，使得器件的延迟增大速度变慢。减小布线电容的有效 方法就是采用低介质常数的材料作层间绝缘。
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第2三8 章
§ 3.3 扩散掺杂工艺
1、扩散定律
由于浓度不均匀而导致载流子（电子
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第三6 章
晶片（Wafer）：衬底硅片，也称为晶圆
芯片（Chip）：在晶片上经制备出的晶体管或电路。同一 晶片上可制备出成千上万个结构相同的芯片
晶片尺寸越大技术难度就越高 目前晶片尺寸在150 ~ 300 mm ( 6~ 12 inch ) 相应的生产线为6、12 in编c辑hpp。t
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第1三2 章
SiO2 的基本性质
晶体结构： 结晶型(石英玻璃) 非晶态
半导体器件生产所用的SiO2 薄膜属于非晶态结构。
物理性质 惰性材料，在室温相当宽的范围内，性能十分稳定；
电阻率非常高，热氧化的SiO2 薄膜为 10 15 欧姆·厘米， 是很好的绝缘材料，高介电常数。
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第1三3 章
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第1三7 章
干法氧化 将硅片置于通有氧气的高温环境内，通过到达硅表
面的氧原子与硅的作用发生反应形成SiO2。
Si（固体）+ O2 → SiO2（固体）
❖ 干 氧 生 成 的 SiO2 结 构 致 密 、 干燥、均匀性和重复性好，掩 蔽能力强，与光刻胶粘附好等 优点 ❖ 干氧化速率慢，由于已生长 的SiO2对氧有阻碍作用，氧化 的速度会逐渐降低，
氧化速度快，避免湿法氧化中水蒸气对器件带来的污染，
薄膜质量好，纯度高。
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第2三1 章
高压氧化
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第2三2 章
化学汽相沉积法 CVD
把一种(几种)元素的气体共给基片，利用某种方式激活后， 在衬底表面处发生化学反应，沉积所需的固体薄膜。
激活方式：加热、等离子体、紫外光、激光等产生高温 多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多种无机薄膜
第三7 章
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第三8 章
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第三9 章
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第1三0 章
§ 3.2 氧化工艺
1957年，发现SiO2层具有阻止施主或受主杂质向硅内扩散 的作用，掩蔽作用。
氧化是平面工艺中最核心的技术之一。
选择性扩散前均要进行氧化，在晶片的表面生长二氧化硅薄膜。 把不需扩散的区域用一定厚度的SiO2 保护起来
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第2三3 章
制备氧化硅时：
硅烷与氧的反应
S4 i2 O H 2 S2 i2 H O 2 O
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第2三4 章
800-1000℃
102 Pa 产量大，膜厚均匀 600-700℃
射频电场，200-400℃
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第2三5 章
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第2三6 章
3. SiO2薄膜的要求和检测方法
第三2 章
半导体器件生产工艺的基本原理
• 集成电路的核心是半导体器件 • 包括：电阻 电容 电感 二极管 三极管 结型场
效应晶体管 MOS场效应晶体管.......
不同类型的半导体区域和它们之间一个或多个PN 结组成
根据电路设计要求，在半导体材料不同区域形成不 同导电区域(P型以及N型)进而形成一个或多个PN结
SiO2薄膜的要求 表面：表面厚度均匀、表面致密、无斑点、无白雾
SiO2薄膜的厚度测量 表面观察法(TEM)、干涉法、椭圆激光偏振法等。 最常用的是干涉条纹法。
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第2三7 章
4. 氧化技术的发展趋势和面临问题
❖ 随着集成电路的集成度的不断提高，器件尺寸的不断减小， 使MOS器件的栅氧化层厚度的不断减小。 栅氧化层厚度从100 nm（1975年）减小到目前的 5nm。
第三章
集成电路制造工艺
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第三1 章
主要内容
§ 3.1 硅平面工艺 § 3.2 氧化绝缘层工艺 § 3.3 扩散掺杂工艺 § 3.4 光刻工艺 § 3.5 掩模制版技术 § 3.6 外延生长工艺 § 3.7 金属层制备工艺 § 3.8 隔离工艺技术 § 3.9 CMOS集成电路工艺流程
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第三3 章
半导体器件工艺技术发展的三个阶段
1950年，合金法制备的晶体管即合金管或台面 管
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第三4 章
为了能够精确控制PN结的位置以及宽度等 1955年，发明扩散技术，扩散能够精确控制
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第三5 章
1960年，硅平面工艺是半导体器件制造技术最重 要的里程碑。
综合了扩散技术和二氧化硅掩膜技术
或空穴）从高浓度处向低浓度处逐渐
运动的过程
扩散
目的 通过掺杂或补偿，编制辑ppt作N型或P型区域 第2三9 章
硅片
湿O2
石英舟 95度的去 离子水
高纯水
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第1三9 章
干法氧化 湿法氧化 干法氧化
硅
实际氧化工艺：干氧化 湿氧化 干氧化
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第2三0 章
氢氧合成氧化
H 2 ( 9 .9 9 % 9 O 9 2 ( 9 ) .9 9 % 9 9 H 2 O )
Si（固体）+ 2H2O → SiO2（固体）+ 2H2
二.SiO2薄膜的生长方法
工艺：
氧气氧化
氧化
Fra Baidu bibliotek
热氧化
氢氧合成氧化
高压氧化
化学气相沉积
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第1三4 章
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第1三5 章
热氧化过程
dox SiO2
0.44 dox
Si
氧化
Si
(a)氧氧化化前的前硅片
(b氧) 氧化化后的后硅片
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第1三6 章
按照氧气的情况
氧气法氧化
干法氧化 湿法氧化
加热器
石
英
管
O2
硅片
石英舟
将石英管高温加热至1000℃以上， 通入氧气。
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第1三8 章
湿法氧化
高温下，硅与水汽和氧气发生如下反应：
Si（固体）+ 2H2O → SiO2（固体）+ 2H2
加热器
石英管
湿氧氧化速率快，水的扩 散系数大于氧气。但致密 度较差，对P的掩蔽能力 差，于光刻胶的接触不良。
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第1三1 章
一. SiO2 薄膜在集成电路中的作用 ➢ 对扩散杂质起掩蔽作用
➢ 可作为MOS器件的绝缘层，栅极氧化层
➢ 用作集成电路中的隔离介质和绝缘介质。
➢ 作为集成电路中的电容器介质。
➢ 对器件表面起保护钝化作用。因半导体表面态对器 件的影响非常大，采用氧化层保护可防止环境对器 件的污染。
❖ 栅氧化层厚度越薄，则漏电和击穿问题越严重，所以需要 开发高介质的栅氧化层材料。
❖ 随着集成电路尺寸的不断减小，布线间距缩小电容明显增 大，使得器件的延迟增大速度变慢。减小布线电容的有效 方法就是采用低介质常数的材料作层间绝缘。
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第2三8 章
§ 3.3 扩散掺杂工艺
1、扩散定律
由于浓度不均匀而导致载流子（电子