微电子学概论第四章工艺技术

第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术§4.2制造工艺概况§4.3硅片制备与控制§4.4氧化、淀积和金属化§4.5光刻、刻蚀和离子注入IntroductiontoMicroelectronics§4.6化学机械抛光和背面工艺第四章工艺技术Æ半导体制造技术的出现可以追溯到世界上发明一个晶体管，半导体集成电路的诞生是半导体技术发展的重大里程碑。50多年来，半导体工艺技术水平不断提高，新工艺层出不穷，推动着器件特征尺寸不断缩小，集成度呈指数增长，促进了产品的性能提高、更新换代和成本降低。Æ制造微电子器件和集成电路的基本半导体材料是圆形单晶薄片，简称圆片（wafer，晶圆）。硅和砷化镓是目前最常用也是最重要的半导体材料。具有特定功能的器件或电路以单元重复分布制作在圆片上，这些单元称为芯片。完成微电子器件和集成电路的制作需要在圆片上执行一系列复杂的化学或物理操作，这些具有特定目的的操作称为工艺。Æ所谓工艺集成技术，就是如何利用基本的工艺操作制造各种器件和集成电路。目前单个芯片上可集成晶体管数达17亿只以上，圆片上可形成10~20个图形层，每一个图形层的制作都会经过薄膜生长或淀积、光刻、刻蚀、去胶等工艺步骤，完成一个芯片的制造可能花费几周时间和经历数百道工序，其复杂程度可想而知。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X半导体产业¦半导体产业实际上是一个复杂而庞大的系统。半导体工艺技术最为重要的物质条件是各种专用加工设备和化学材料及洁净的加工环境。建立一条生产线需要重大的资金投入。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X集成电路芯片¦可以在一个硅片上同时制作几十个甚至上百个特定的芯片。芯片也称为管芯，而硅片通常称为衬底。硅片的直径多年来一直在增大。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X集成电路制造步骤¦芯片制作涉及5大阶段：硅片制备、硅片制造、硅片测试/拣选、装配与封装、终测。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X硅片制备¦在第一阶段，将硅从矿砂中提炼并纯化。经过特殊工艺产生适当直径的硅锭，然后将硅锭切割成用于制造微芯片的薄硅片。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X硅片制造¦自硅片开始的微芯片制作是第二阶段，称为硅片制造。硅片经过各种清洗、成膜、光刻、刻蚀和掺杂步骤，加工完的硅片具有永久刻蚀在硅片上的一整套集成电路。硅片制造也称微芯片制造或芯片制造。¦上世纪80年代以来，设计公司从半导体制造工厂中分离出来（fablesscompany)，出现了代工厂（foundry）模式，这是集成电路产业分工更加专业化的结果。X硅片测试/拣选¦硅片制造完成后，硅片被送到测试/拣选区，在那里进行单个芯片的探测和电学测试。然后拣选出来可接受和不可接受的芯片，并为有缺陷的芯片做标记。X装配与封装¦硅片测试/拣选后，进入装配和封装步骤，以便把单个芯片包装在一个保护管壳内。在装配厂，好的芯片被压焊或抽空形成装配包；稍后，将芯片蜜蜂在塑料或陶瓷壳内。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X终测¦为确保芯片性能，要对每一个被封装的集成电路进行测试，以满足制造商的电学和环境特性要求。终测后，芯片被发给客户装配到专用场合。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X在半导体制造业中的职业¦半导体制造业中的职业分成三个主要方面：技师、工程师和管理人员。专门职业途径的选择通常取决于个人的技术知识、教育背景和本人的目标。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X硅片制造厂生产率的测量¦每一个生产步骤都必须由技师、工程师和管理人员协作以保证生产效率。第四章工艺技术§4.1集成电路制造技术X技师¦技师具有在生产环境操作、诊断错误和维护用于制造微芯片的先进设备的专门技术。第四章工艺技术§4.2制造工艺概况¦典型的集成电路制造过程可能要花费六到八周的时间，包括350或更多步骤来完成所有制造工艺。¦众所周知，大多数半导体流程都发生在硅片顶层的几个微米以内，这一有源区对应于工艺流程的前端工艺。工艺流程是在不同工艺中循环，这些不同的工艺其实只分为有限的几种：氧化、光刻、刻蚀、扩散、离子注入、外延、抛光等。Æ下面介绍的是0.18μm的CMOS集成电路工艺的主要步骤。¦集成电路制造就是在硅片上执行一系列的化学或物理操作。简而言之，这些操作分为四大基本类型：薄膜制作、刻印、刻蚀和掺杂。第四章工艺技术§4.2制造工艺概况XCMOS工艺流程第四章工艺技术§4.2制造工艺概况X硅片制造工厂分区简介¦集成电路是在硅片制造厂中制造完成的。硅片制造厂可分为六个独立的生产区：扩散（包括氧化、膜淀积和掺杂工艺）、光刻、刻蚀、薄膜、离子注入和抛光。这六个主要的生产区和相关测量都是在硅片厂的超净间中。在亚微米CMOSIC制造厂中典型的硅片流程模型第四章工艺技术§4.2制造工艺概况X硅片制造工厂分区简介¦扩散：扩散区是进行高温工艺及薄膜淀积的区域，主要设备是高温扩散炉和湿法清洗设备。高温炉示意图第四章工艺技术§4.2制造工艺概况X硅片制造工厂分区简介¦光刻：光刻的目的是将电路图形转移到覆盖与硅片表面的光刻胶上。光刻工艺流程示意图第四章工艺技术§4.2制造工艺概况X硅片制造工厂分区简介¦刻蚀：刻蚀工艺是在硅片上没有光刻胶保护的地方留下永久的图形。刻蚀最常用的工具是等离子体刻蚀机。干法等离子体刻蚀机示意图第四章工艺技术§4.2制造工艺概况X硅片制造工厂分区简介¦离子注入：离子注入机是亚微米工艺中最常见的掺杂工具。气体带着要掺的杂质（As、P、B等）在注入机中离化，采用高电压和磁场控制并加速离子，高能杂质离子穿透了涂胶硅片的表面。干法等离子体刻蚀机示意图第四章工艺技术§4.2制造工艺概况X硅片制造工厂分区简介¦薄膜生长：薄膜区主要负责生产各个步骤中的介质层与金属层的淀积。CVD多腔集成设备和工艺腔示意图第四章工艺技术§4.2制造工艺概况X硅片制造工厂分区简介¦抛光：CMP（化学机械平坦化）工艺的目的是使硅片表面平坦化，通过将硅片表面的突出部分减薄到下凹部分的高度来实现的。亚微米制造工厂中的抛光区第四章工艺技术§4.3工艺原理之一：硅片加工X单晶硅生长¦CZ法生长单晶硅把熔化了的半导体级硅液体变为有正确晶向并且被掺杂成n型或p型的固体硅锭。85%的单晶硅是用CZ法生长出来的。Æ晶体生长势把半导体级硅的多晶硅转换成一块大的单晶硅，生长后的单晶硅称为硅锭。现在生产中用于硅片制备的单晶硅锭最普遍的技术是Czochralski（CZ)法。这是按照20世纪90年代初期它的发明者的名字来命名的。¦首先用一块具有所需要晶向的单晶硅作为籽晶来生长硅锭，生长的单晶硅锭就像籽晶的复制品。¦为了生长硅锭，许多块半导体级硅被放在装有熔凝的硅石（非晶石英）坩埚。坩埚很大，要制备300mm的硅片，它的直径要达到32英寸或更大，这些坩埚必须能装下150到300kg的硅。制备大直径硅片的另一种可选方法是在坩埚中使用粒状的多晶硅。坩埚放置在拉晶炉中，硅锭就是在那里生长的。第四章工艺技术§4.3工艺原理之一：硅片加工X单晶硅生长12英寸直拉硅单晶（1m多长）照片CZ拉单晶炉¦坩埚中的硅被加热时，它变成液体（熔体）。一个完美的籽晶硅接触到熔体表面并在旋转过程中缓慢拉起，它的旋转方向和坩埚的旋转方向相反。硅锭的生长直径和拉伸速率有直接关系。第四章工艺技术§4.3工艺原理之一：硅片加工X硅片制备Æ圆柱形的单晶硅锭要经过一系列的处理过程，最后形成硅片，才能达到半导体制造的严格要求。硅片的制备步骤包括机械加工、化学处理、表面抛光和质量检测。硅片制备的基本工艺步骤第四章工艺技术§4.3工艺原理之一：硅片加工X硅片制备¦半导体业界传统上在硅锭上做一个定位边来标明晶体结构和硅片的晶向。200mm以上的硅片使用定位槽，晶片的有关信息用激光刻印于槽附近的背面区域。内圆切割机硅片标识定位边硅片定位槽和激光刻印第四章工艺技术§4.3工艺原理之一：硅片加工X硅片制备300mm晶元和Pentium4芯片第四章工艺技术§4.4工艺原理之二：氧化、淀积和金属化¦保护器件免划伤和隔离玷污；Æ由于氧化物制备容易并且与硅衬底有着优良的界面，使其对于硅基半导体工艺很重要，同时也成为最普遍的膜材料。氧化层在制造微芯片中的应用有以下几方面：¦限制带电载流子场区隔离（表面钝化）；¦栅氧或存储器单元结构中的介质材料；¦掺杂中的注入掩蔽；¦金属导电层间的介质层。X氧化膜的用途场氧化层栅氧化介质氧化层杂质阻挡层第四章工艺技术§4.4工艺原理之二：氧化、淀积和金属化X热氧化¦热氧化是利用高纯的氧气或水蒸气在热的硅片表面生长二氧化硅的过程。热氧化设备通常是高温炉，也可以使用RTP（快速热处理）系统。RTP氧化可以在合适的高温下和较短的时间内生长高质量的氧化层。¦热氧化工艺的基本过程是气体源氧气送入工艺腔，在高温下与圆片表面的硅发生化学反应，生成二氧化硅。热氧化过程需要消耗半导体基质内的Si原子。氧化反应从圆片表面开始逐层向内部推进。生长温度通常为900~1200℃之间。¦影响热氧化生长速率的有温度、水蒸气分压、工艺腔气压、晶体取向、掺杂物等因素。热氧化方法根据系统工艺腔的气压分为常压氧化和高压氧化；根据氧化剂的类型又分为干氧氧化和湿氧氧化。热氧化流程第四章工艺技术§4.4工艺原理之二：氧化、淀积和金属化X外延¦外延技术可以实现对薄膜层掺入的杂质类型和浓度的精确控制。外延层可以是n型或p型的，可以在重掺杂的低阻衬底上生长轻掺杂的高阻外延层。目前的外延技术在层厚控制方面可达到原子层级水平。Æ在圆片上面生长单层或多层半导体单晶薄膜的工艺过程称为外延。半导体工艺流程大多数是从在圆片上生长外延层开始，然后在这层薄膜的基础上制造器件。¦外延分为同质外延和异质外延。同质外延指外延薄膜和衬底是相同组分材料的生长工艺，例如在硅上生长硅。异质外延指外延薄膜与衬底是不同组分材料的生长，例如在InP上生长InxGa1-xAs，在SiC上生长GaN等。¦目前常用的外延方法是气相外延（VPE）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）和分子束外延（MBE）。这些方法可以在工艺中精确地控制外延层的组分、厚度、掺杂浓度和分布等材料参数，同时获得最低缺陷密度和良好重复性、均匀性的薄膜层。第四章工艺技术§4.4工艺原理之二：氧化、淀积和金属化Æ半导体集成电路由若干具有特定图形的薄膜层在垂直于芯片表面的方向上堆叠构成。在堆叠结构的底部是半导体有源器件，上面是多层金属布线。多层金属布线是金属层和介质层相间的结构，两层金属层之间的介质层起电绝缘作用，相邻金属层的互连通过在介质层上开孔并填充金属（通孔）来连接。X多层金属布线多层金属布线示意图第四章工艺技术§4.4工艺原理之二：氧化、淀积和金属化X介质薄膜生长Æ薄膜淀积工艺可以分为基于化学反应和基于物理过程两大类：化学气相淀积（CVD）和物理淀积。¦物理淀积有蒸发和溅射，多用于金属薄膜淀积。溅射方法有时也用于介质薄膜淀积。化学气相淀积（CVD）用于半导体薄膜和介质薄膜以及金属薄膜的淀积。¦薄膜的特性与淀积工艺相关，除了薄膜的均匀性、致密度和纯净度、结构完整性外，薄膜具有良好的台阶覆盖能力和对于高宽深比间隙的填充能力是非常重要的。薄膜台阶覆盖能力示意图第四章工艺技术§4.4工艺原理之二：氧化、淀积和金属化X金属化Æ金属化是指在圆片上淀积导电金属以及随后以它为基础形成独立的多层导体材料图形的工艺过程，目的是通过这些金属化系统实现芯片上各个元件之间的连接。¦金属化工艺技术的基本工艺包括金属薄膜淀积、光刻、刻蚀或剥离、退火合金等。光刻和刻蚀的目的是形成金属化图形，退火处理也是为了获得金属化系统的理想导电性能。¦对金属化系统的性能要求包括：低电阻率和良好的电流负载能力、与底层薄膜表面粘附性好、易淀积和易进行图形加工、能够接受后续工艺处理、抗腐蚀性好、抗电迁移特性和抗应力迁移特性好等。合金或多层金属结构是大多数金属化系统的选择，因为单一金属往往不能满足上述要求。¦应用于芯片上的金属化系统大体上可分为接触、互连两大类型。接触是指在芯片内半导体器件或元件的引出端制作的金属化系统，用于与元件外部进行有效连接，常称之