第二章 CMOS集成电路制造工艺

CMOSCMOS集成电路制造技术集成电路制造技术第二章第二章CMOS集成电路制造技术2.1半导体材料—硅2.2集成电路制造工艺技术简介热氧化工艺；扩散工艺；淀积工艺；光刻工艺2.3CMOS集成电路制造过程晶圆处理；CMOS集成电路工艺（前部工序）；后部工序§§2.12.1半导体材料半导体材料——硅硅第二章第二章人类社会已经进入硅器时代！2.12.1半导体材料半导体材料——硅硅一、半导体材料-硅2.12.1半导体材料半导体材料——硅硅1、什么是半导体？固体材料：超导体:大于106(Ωcm)-1导体:106~104(Ωcm)-1半导体:104~10-10(Ωcm)-1绝缘体:小于10-10(Ωcm)-1从导电特性和从导电特性和机制来分：机制来分：不同电阻特性不同电阻特性不同输运机制不同输运机制●IC用的半导体材料为高纯度单晶体●半导体材料分为两类：半导体器件及IC98%以上用硅制造，地球上硅为25%二元化合物半导体材料—硅(Si)，锗(Ge)zzШШ--ⅤⅤ族族::GaAsGaAs、、InPInPzzⅣⅣ--ⅣⅣzzⅡⅡ--ⅥⅥ三元化合物化合物化合物半导体：半导体：元素半导体元素半导体2、半导体材料分类2.12.1半导体材料半导体材料——硅硅从沙子(硅)到晶圆地球上丰富度仅次于氧的硅是天然半导体，先拉成晶锭，后制作出晶圆沙子硅单晶棒硅片2.12.1半导体材料半导体材料——硅硅33、半导体硅特性、半导体硅特性1）纯净的硅电导率随温度的上升而指数增加（不同于金属）2.12.1半导体材料半导体材料——硅硅2）两种载流子参加导电3）硅中杂质的种类和数量决定它的电导率4）掺杂元素、光照、高能电子注入会使得纯净的硅导电能力显著增加5）在半导体材料中可以实现非均匀掺杂44、、硅的结构硅的结构硅共价键结构硅共价键结构金刚石结构2.12.1半导体材料半导体材料——硅硅5、P型硅和N型硅Ⅴ族元素：P、As、SbШШ族元素族元素::BB、、AlAl、、GaGa2.12.1半导体材料半导体材料——硅硅§§2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介第二章第二章一、芯片制造过程一、芯片制造过程2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介由氧化、淀积、离子注入或扩散等形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片带芯片的硅片用掩膜版重复20-30次2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介硅基集成电路:以硅单晶片为单位制作平面工艺，多层加工硅片(wafer)chip2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介Vsspoly栅Vdd布线通道参考孔有源区N+MOSMOS集成电路的内部单元集成电路的内部单元((俯视图俯视图))P+有源区2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介NMOSNMOS晶体管截面图晶体管截面图纵向：3层结构2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介横向：3个区4个电极，四端器件二、芯片具体工艺步骤氧化工艺：干氧氧化、湿氧氧化等淀积工艺：CVD（APCVD、LPCVD、PECVD）PVD（蒸发、溅射）z制膜:制作各种材料的薄膜。如SiO2、互连线z掺杂：改变材料的电阻率或杂质类型z图形转换：将掩膜版上的图形转移到半导体单晶片上光刻工艺：接触光刻、接近光刻、投影光刻刻蚀：刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀干法刻蚀、湿法刻蚀扩散工艺、离子注入、退火2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介‹不同掺杂区掺杂技术薄膜制备技术‹氧化层、多晶硅‹金属光刻与刻蚀/腐蚀技术‹不同区域§2.2.1热氧化工艺作用：在硅片表面生成二氧化硅膜（如栅氧、场氧的生长）方法：裸露的硅片放在1000℃左右的氧化气氛(如氧气)中生长氧化层一、氧化膜的生长方法siliconsubstratesiliconsubstrateSiOSiO222.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介1）理想的电绝缘材料：Eg大于8eV二、氧化膜的性质2）化学性质非常稳定3）室温下只与氢氟酸发生化学反应4）能很好地附在大多材料上5）可生长或淀积在硅圆片上2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介1）光刻掩蔽(选择扩散的掩蔽层，离子注入的阻挡层)三、氧化膜的用途2）MOS管的绝缘栅材料（gateoxide)3）电路隔离介质或绝缘介质，包括多层金属间的介质4）电容介质材料5）器件表面保护或钝化膜2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介1、干氧氧化：直接通氧气四、热氧化工艺2、湿氧氧化：同时有氧气和水蒸气，载体气体如氮或氯3、水汽氧化氧化剂：干燥氧气反应温度：900~1200℃22SiOOSi→+反应式：氧化剂：高纯水（95℃左右）+氧气氧化剂：高纯水反应温度：高温反应式22222HSiOOHSi+→+2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介z三种氧化法比较z实际生产：2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介——干氧氧化干氧氧化++湿氧氧化湿氧氧化++干氧氧化干氧氧化5分钟+（视厚度而定）+5分钟—常规三步热氧化模式既保证了SiO2表面和界面的质量，又解决了生长速率问题—干氧氧化：结构致密但氧化速率极低—湿氧氧化：氧化速率高但结构略粗糙，制备厚二氧化硅薄膜—水汽氧化：结构粗糙---不可取§2.2.2扩散工艺一、扩散工艺作用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型硅掺杂技术：2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介1）扩散扩散—高温过程（结较深，线条较粗）结较深，线条较粗）2）离子注入—常温下进行，注入后需要高温退火处理（结浅，线条细）结浅，线条细）11、扩散法、扩散法2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介z替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位z间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙–Ⅲ、Ⅴ族元素–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–Na、K、Fe、Cu、Au等元素–扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级替位式扩散间隙式扩散2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介杂质横向扩散示意图2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介利用液态源进行扩散的装置示意图2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介1)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2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介22、、离子注入法掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定—掺杂的均匀性好掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定—温度低：小于600℃,二氧化硅、氮化硅、光刻胶、铝作为掩蔽层—可以精确控制杂质分布—可以注入各种各样的元素,横向扩展比扩散要小得多—可以对化合物半导体进行掺杂2)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2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介z退火方式：—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—消除损伤—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)2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介离子注入系统的原理示意图离子源90O偏转磁铁加速器分析孔中性束流陷阱及偏束板聚焦Y-向扫描X-向扫描工作室中的硅片真空系统σpσp0深度X硼原子数0X∞NmaxRp离子注入到无定形靶中的高斯分布2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介§2.2.3淀积工艺淀积工艺用在薄膜制备技术，形成绝缘薄膜、半导体薄膜、金属薄膜等，淀积法有：1、化学气相淀积(CVD)：外延生长法、热CVD法、等离子CVD2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介2、物理气相淀积(PVD)：蒸发、溅射1、化学气相淀积2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介LPCVD：均匀性、台阶覆盖好、装片量大；速度慢—优点缺点比较：一将气态物质蒸气引入反应室，通过化学反应在衬底上淀积层薄膜材料的过程—化学气相淀积CVD：PECVD：在热能的基础上增加等离子体离子能量，温度低1）常压化学气相淀积（APCVD）2）低压化学气相淀积（LPCVD）3）等离子增强化学气相淀积（PECVD）1）常压化学气相淀积(APCVD)2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介2）LPCVD反应器（热壁CVD）的结构示意图石英舟2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介垂直插在石英舟上的硅片2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介3）平行板型PECVD反应器的结构示意图2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介2、物理气相淀积(PVD)‹利用物理过程实现物质转移，原子或分子由源转移到衬底表面，淀积成薄膜2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介‹作用‹方法2）溅射：惰性气体放电形成的离子被高压强电场加速轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上1）蒸发：灯丝加热蒸发和电子束蒸发（能量来源）—其他薄膜：包括化合物薄膜—金属：Al连线蒸发原理图2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介溅射2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介§2.2.4光刻工艺一、光刻机1)光刻的作用光刻与刻蚀：将掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上（包括光刻和刻蚀）2)光刻三要素：光刻胶、掩膜版、光刻机2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介—光刻胶又叫光致抗蚀剂，是由光敏化合物、增感剂和溶剂等按一定比例配制而成的胶状液体—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—光刻胶可以作为刻蚀或离子注入的保护层光刻示意图wafermask光源2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介接触式（contactAligner）接近式（proximityAligner)投影式（projectionAligner)3)光刻的方法2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介5)光刻胶有两种：正胶和负胶2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介负胶正胶正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶负胶：分辨率差，适于加工线宽≥3μm正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般都采用正胶二、掩膜版的制备1)什么是腌膜版（Crmask）?掩膜版（铬板）：用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层600∼800Å厚的Cr层，使表面光洁度更高。2)整版及单片版掩膜—单片版：把实际电路放大5或10倍，称作5X或10X掩膜。掩膜上的图案仅对应着基片上芯片阵列中的一个单元。上面的图案可通过步进曝光机映射到整个基片上。—整版：按统一的放大率印制，称为1X掩膜。在一次曝光中，对应着一个芯片阵列的所有电路的图形都被映射到基片的光刻胶上。2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介光学掩模版3)制版方法早期掩膜制作方法、图案发生器方法、X射线制版、电子束扫描法(E-BeamScanning)①图案发生器方法(PG:PatternGenerator)—PG法：规定layout的基本图形为矩形.任何版图都将分解成一系列各种大小、不同位置和方向的矩形条的组合.每个矩形条用5个参数进行描述:(X,Y,A,W,H)2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介—利用这些数据控制下图所示的一套制版装置2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介三、光刻过程2.22.2集成电路制造技术简介集成电路制造技术简介氧化光学腌膜版曝光光刻胶处理匀胶去胶下