集成电路制造原理- wafer

集成电路制造原理 上海华虹NEC电子有限公司 点沙成金 集成电路创造奇迹 发展简史 1956年晶体管发明1965年集成电路诞生1970年易于集成和制造的MOS晶体管面市 70年代中小规模IC80年代MOS 超 大规模IC90年代1000万MOS晶体管的IC1 3亿元件的DRAM2000年单片系统集成SOC SystemOnChip 硅与半导体 纯净的晶体硅 不导电加入十亿分之一至万分之一杂质的硅可具有不同的导电能力可使硅具有导电能力的杂质 磷 P 砷 As 提供负电荷 电子 导电 N型半导体硼 B 提供正电荷 空穴 导电 P型半导体集成电路的载体 硅圆片 Wafer 直径8英寸 200mm 厚约0 72mm PN结 晶体管的基础 P型半导体和N型半导体紧密接触时 产生出一种独特的电学现象 单向导电 电子开关 P型一侧电压高于N型一侧时 阻抗很小 电流可顺利流通并容易被控制 P型一侧电压低于N型一侧时 阻抗很大 电流几乎不能流通 利用这种称之为PN结的特性 人们发明了各种晶体管 集成电路 晶体管的大集合 单个的晶体管至今仍在发挥不可缺少的作用 将多个晶体管和一些电阻电容等元件集中制造在同一个硅圆片上 使之能完成一定的电子功能 这就是集成电路芯片 如今在8英寸硅片上已可容纳数百个集成了数亿个元件的芯片 集成电路发展成为现代高科技产业的基础 被广泛应用于各行各业 由于某种需要 一些绝缘薄膜或金属薄膜被均匀地生成在硅片上 为了将具有特定几何形状的电极图案复制到硅片上 首先要涂布一层光刻胶 将含有数亿个电极图案的光刻版精确地定位在硅片上方 电极图案处是不透光的 在能量受到精确控制的紫外光照射下 被光照部分的光刻胶发生光化学反应 光化学反应充分后 硅片被送去显影 激光照射过的胶被显影除去 光刻版上的电极图案成功地被转移到了硅片上 在高真空的反应腔室内导入氟化物气体 SF6 CF4等 和一些惰性气体 氦 氩等 在射频电场作用下 气体被离化 产生大量的离子 中性自由基和电子 离子在高电场作用下 以很高的能量碰撞衬地 将衬底材料逐步刻蚀除去 同时部分离子和中性自由基与衬底材料发生化学反应 对材料进行刻蚀 物理和化学的共同作用 将不需要的衬底材料刻蚀除去 留下需要的电极图案 离子注入前 一般要在硅片表面生成300埃左右的热氧化保护薄膜 通过特定的方法 用某种薄膜屏蔽住不需要掺杂的区域 阻挡离子注入 硼 磷 砷等被离化的离子在加速器作用下 以选定的能量和剂量被注入硅体内 注入的杂质分布在一定的深度内 或改变硅的导电性 或形成晶体管的PN结 在800 1100 高温下 在系统中通入纯净的氧气可在硅片表面生成二氧化硅薄膜 氧气分子扩散到达硅片表面 与硅原子发生化学反应 生成二氧化硅 SiO2 生成SiO2时需要消耗硅 因此氧化层是从硅片表面向硅片内外两个方向生长的 热氧化法生成的SiO2薄膜结构致密 绝缘性好 用于晶体管的电极和隔离介质 化学气相淀积 CVD 有常压 低压和等离子增强等方法 温度在400 700 之间 以低压生长氮化硅为例 10 3乇低压下 将硅烷和氨气导入低压CVD系统中 700 高温下 硅烷和氨气之间发生化学反应 生成氮化硅 吸附在硅片表面 氮化硅成核形成微粒 逐渐生长形成氮化硅薄膜 可见CVD薄膜是从硅片表面向外生长的 低压CVD膜致密 但生长缓慢 等离子CVD生长温度低 薄膜致密 但系统复杂 常压CVD生长快 但膜质疏松CVD被广泛用于绝缘膜 SiO2 Si3N4 多晶硅膜和钨等金属薄膜的生长 集成电路中通常使用铝等金属作为元器件的联线 金属薄膜的制备采用溅射法 在硅片的上方 置有待制备的金属靶材 例如铝 钛等 靶材被作为电场阴极 在10 8乇超高真空中 导入极少量的惰性气体氩气 并用高电场将氩电离成离子 氩离子被高电场加速 以极大的能量轰击金属靶 将金属粒子从靶材中撞击出 被撞击出的金属粒子溅落在硅片表面 逐渐淀积加厚形成金属薄膜 首先在硅片上热氧化生长一层二氧化硅 接着LPCVD生长一层氮化硅 用光刻和刻蚀将部分氮化硅和二氧化硅去除 热氧化生长一层厚的隔离氧化层 氮化硅是抗氧化的 用热磷酸将氮化硅除去 露出制作晶体管的扩散区 通过光刻屏蔽 对选定区域分别注入磷和硼 将衬底改造成需要的N型或P型 阱形成后 在扩散区上生长约100埃 0 1um 的热SiO2和约2000埃的多晶硅 多晶硅被掺杂成为强N型 并通过光刻和刻蚀制作出晶体管的控制极 栅电极 通过光刻用光刻胶将P阱屏蔽 注入大剂量的硼 形成P型晶体管的源和漏电极 同样 用光刻胶将N阱屏蔽 注入大剂量的磷 形成N型晶体管的另两个电极 可在制作栅电极的同时制作出多晶硅电阻 或者用另一层多晶硅制作出电容 其后用CVD方法生长多种SiO2膜 并用化学机械抛光方法使表面平坦化 为了实现原器件间的连接 先用光刻并刻蚀出接触孔 并用金属钨填充这些孔 接着采用溅射方法生长一层铝铜薄膜 光刻并刻蚀