集成电路工艺简介.ppt

集成电路制造工艺简介 王武汉2012 12 20 主要内容 1 电路和集成电路2 半导体材料及其特性3 半导体芯片制作4 半导体芯片制作工艺A氧化 扩散B光刻C金属化 布线 D钝化 1 电路和集成电路 电路 由金属导线和电子部件组成的导电回路 称其为电路 1 电路和集成电路 集成电路 是一种微型电子器件或部件 采用一定的工艺 把一个电路中所需的晶体管 二极管 电阻 电容和电感等元件及布线互连一起 成为具有所需电路功能的微型结构 2 半导体材料及其特性 导体 容易导电的物体 叫导体 如 各种金属 酸碱盐的水溶液 大地 人体等 绝缘体 不容易导电的物体 叫绝缘体 如 玻璃 陶瓷 橡胶 塑料等 半导体电导率介于金属与绝缘体之间的材料 叫半导体 2 半导体材料及其特性 纯度很高的半导体材料称为本征半导体 常温下其电阻率很高 是电的不良导体 半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感 可以通过掺杂改变其导电性 杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体 靠价带空穴导电的称P型半导体 N型半导体和P型半导体结合形成PN结 2 半导体材料及其特性 PN结具有单向导电性 若外加电压使电流从P区流到N区 PN结呈低阻性 所以电流大 反之是高阻性 电流小 3 半导体芯片制作 利用半导体材料的特性 采用选择性掺杂的方法 制作电路中所需的晶体管 二极管 电阻 电容和电感等元件 再布线互连一起 成为具有所需功能的电路 9 SiO2 SiO2 SiO2 P N N N P 光刻 形成扩散窗口 扩散 形成P区 SiO2 氧化 形成SiO2薄膜 屏蔽 光刻 扩散 形成n区 二极管和三极管制作流程 N N N 10 芯片加工 衬底硅片 薄膜形成 图形形成 掺杂 氧化 光刻 离子注入扩散 金属化 芯片制造流程 4 半导体芯片制作工艺 A氧化 扩散B光刻C金属化 布线 D钝化 12 A氧化 氧化工艺是半导体器件和集成电路制造中的最基本工艺 它的主要目的和用途是 杂质扩散或离子注入的掩蔽膜 选择性扩散 SiO2 13 定义 所谓氧化是指Si原子与O原子结合形成SiO2的过程 为满足半导体和集成电路生长的要求 出现了制备膜的多种方法 Si O2 SiO2Si H2O SiO2 2H2 机理 硅的热氧化经过了以下几个过程 氧气 O2 或水 H2O 等氧化剂 被吸附在SiO2表面 扩散或吸附 氧化剂以扩散形式穿过SiO2达到SiO2 Si界面 扩散 氧化剂在界面处与Si反应形成SiO2 反应 Si SiO2 气体O2或H2O 吸附 扩散 反应 Si Si Si SiO2 氧化前 氧化后 氧化膜刻蚀 特点 热氧化膜生长时 并不是堆积在硅表面 而且要 吃掉 部分硅 这是热氧化工艺与CVD工艺的主要区别 h 热氧化的基本装置 15 A扩散 掺杂 技术 掺杂是指用人为的方法 将所需杂质按照要求的浓度与分布掺入到半导体等材料中 以达到改变材料电学性质 形成半导体器件的目的 利用掺杂技术可以制备p n结 电阻器 欧姆接触和互连线等等 16 离子注入 离子注入是把掺杂原子离化 然后带电离子被加速 以较高的能量注入到半导体中 经高温退火后 注入的离子活化引起施主或受主的作用 使注入离子激活即运动到晶格位置起到电活性掺杂作用 并使材料恢复晶体状态 因为剂量很高时可以使硅单晶严重损伤以至于变成无定形硅 离子注入离子注入是把具有一定能量的带电粒子掺入到硅等衬底中 典型的离子能量是30 300keV 典型的注入剂量是1011 1016离子数 cm2 离子注入的主要优点在于杂质掺入量可以更加精确控制并且重复性好 以及加工温度比扩散工艺低 18 扩散原理 扩散运动是微观粒子 原子或分子 热运动的统计结果 在一定温度下杂质原子具有一定的能量 能够克服某种阻力进入半导体 并在其中作缓慢的迁移运动 这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体的间隙中 因此扩散也就有替位式扩散和间隙式扩散两种方式 扩散运动总从浓度高的地方向浓度低的地方移动 从宏观上看 好象有一个力使原子沿着浓度下降的方向运动 运动的快慢与温度 浓度梯度有关 TMX9000氢氧合成炉NV10 160大束流离子注入机 B光刻概述1 光刻是一种表面加工技术 2 光刻是复印图象和化学腐蚀相结合的综合性技术 1 涂胶 前烘 2 曝光 3 显影 坚膜 4 腐蚀 5 去胶 光刻工艺流程 23 光刻流程 1 涂胶 涂布 2 对准 曝光 3 显影 现像 正胶为例 光源 透镜 透镜 光刻版 光刻胶 硅片 光刻胶 硅片 SiO2 光刻胶 硅片 SiO2 光刻胶 硅片 SiO2 掩模版 涂胶设备 光刻机 C金属化概述一 金属化工艺的作用金属化工艺是根据集成电路的设计要求 将各种晶体管 二极管 电阻 电容等元器件用金属薄膜线条 互连线 连接起来 形成一个完整的电路与系统 并提供与电源等外电路相连接的接点 金属化系统和金属化工艺的优劣将影响整个电路的电特性和可靠性 为提高电路速度与集成度 应尽可能缩短互连线 或采用多层金属化系统 对金属化系统的要求1 电导率高 能提供低阻的互连引线 2 与N 硅 P 硅或高掺杂多晶硅能形成低阻的欧姆接触 3 与硅 SiO2的粘附能力强 4 抗电迁移能力强 5 抗电化学腐蚀能力强 6 易于淀积和刻蚀 7 便于超声或热压键合 且键合点能经受长期工作 8 多层互连时 层与层之间不互相渗透和扩散 符合上述要求的最佳金属材料是铝 Al 缺点主要电迁移问题 硅在铝中扩散以引起铝在Al Si界面向硅中楔进和耐腐蚀性等问题 解决办法 采取Al Si Al Si Cu合金 Pt Si Pb Si TiW TiN等 三 金属化互连系统中的失效及改进措施1 铝尖楔现象 结穿刺现象 这是由于硅溶解到铝中 特别是在几个点上大量溶解形成的 它使铝像尖钉一样刺入硅中 造成PN结的短路失效 互连线在接触孔处的纵向结构 硅集成电路的金属化系统 金属化互连技术金属化系统金属化互连线分为两大类 1 以铝为主的金属化系统 可以不加接触层 粘附层和阻挡层等 工艺简单 容易与铝丝键合 产品价格低廉 因而获得了广泛的使用 但抗电迁移能力差 2 以金为主的金属化互连 抗电迁移能力强 特别是采用金丝球形热压键合 键合点特别牢固 适于特殊要求的高可靠集成电路 金属化薄膜的制备真空蒸发镀膜真空蒸发技术是对淀积薄膜的源材料施加热能或动能 使之分解为原子或原子的集合体 并输运到硅片表面后结合或凝聚在硅片表面而形成薄膜 蒸发过程 1 被蒸发物质由凝聚相 固体或液体 转化为汽相 2 汽相原子或分子在真空系统中输运 3 汽相原子或分子在衬底上淀积 成核和生长 电子束蒸发原理电子束蒸发是利用阴极电子枪发射出电子 电子束在电场作用下穿过加速极阳极进入磁场空间 通过调节磁场强度控制电子束的偏转半径 准确地打到坩埚内的蒸发源上 Al或Ti等 将电子的动能转变为热能 使金属熔化并蒸发到硅片表面上 形