第四章 集成电路制造工艺课件

1、4.1 双极集成电路工艺流程4.2 MOS集成电路工艺流程4.3 光刻与刻蚀技术4.4 氧化4.5 扩散与离子注入4.6 化学气相沉积（CVD）4.7 接触与互连4.8 隔离技术4.9 封装技术集成电路制造工艺 图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等 制膜：制作各种材料的薄膜4.3.1 光刻工艺简介 光刻三要素：光刻三要素：光刻胶；掩膜版；光刻机光刻胶；掩膜版；光刻机 光刻胶又叫光致抗蚀剂、光阻材料，它是由光敏化光刻胶又叫光致抗蚀剂、光阻材料，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的

2、胶状液体合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体 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构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变性改变 正胶正胶（曝光后可溶）（曝光后可溶）：分辨率高，在超大规模集成电分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶路工艺中，一般只采用正胶 负胶负胶（曝光后不可溶）（曝光后不可溶）：分辨率差，适于加工线宽分辨率差，适于加工线宽3 m的线条的线条 掩膜版：掩膜版：在石英片上镀铬、氧化铬、氧化铁在石英片上镀铬、氧化铬、氧化铁等吸收紫外线的膜。等吸收紫外线的膜

3、。4.3 光刻与刻蚀技术正胶：曝光后正胶：曝光后可溶可溶负胶：曝光后负胶：曝光后 不可溶不可溶三种光刻方式三种光刻方式4.3.2 几种常见的光刻方法三种光刻方法的特点： 接触式光刻：接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜分辨率较高，但是容易造成掩膜 版和光刻胶膜的损伤。版和光刻胶膜的损伤。 接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小在硅片和掩膜版之间有一个很小 的间隙的间隙(1025 m)，可以大大减可以大大减 小掩膜版的损伤，分辨率较低。小掩膜版的损伤，分辨率较低。 投影式曝光投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的利用透镜或反射镜将掩膜版上的 图形投影到衬底上的曝光方法，图形投

4、影到衬底上的曝光方法， 是目前用的最多的曝光方式。是目前用的最多的曝光方式。4.3.3 超细线条光刻技术甚远紫外线(EUV) 电子束光刻 X射线离子束光刻4.3.4 刻蚀技术 湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法2) 干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的 湿法腐蚀：湿法腐蚀： 湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用： 磨片、抛光、清洗、腐蚀磨片、抛光、清洗、腐蚀 优点：优点：选择性好、重复性好、生产效率高、选择性好、

5、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低设备简单、成本低 缺点：缺点：钻蚀严重、对图形的控制性较差钻蚀严重、对图形的控制性较差干法刻蚀 溅射与离子束铣蚀：溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差 等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差 反应离子刻蚀反应离子刻蚀(React

6、ive Ion Etching，简称为简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术4.4 氧化工艺氧化工艺 氧化：制备氧化：制备SiO2层层4.4.1 SiO2的性质及其作用的性质及其作用 SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，其电阻率是一种十分理想的电绝缘材料，其电阻率高达高达1016

7、cm；耐击穿能力较强。耐击穿能力较强。 它的化学性质非常稳定，室温下它只与它的化学性质非常稳定，室温下它只与HF酸发酸发生化学反应。生化学反应。氧化硅层的主要作用氧化硅层的主要作用 在在MOS电路中作为电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的绝缘栅介质，器件的组成部分；器件的组成部分； 扩散时的掩蔽层，离子注入的阻挡层扩散时的掩蔽层，离子注入的阻挡层(有时与有时与光刻胶、光刻胶、Si3N4层一起使用层一起使用)； 作为集成电路的隔离介质材料；作为集成电路的隔离介质材料； 作为电容器的绝缘介质材料；作为电容器的绝缘介质材料； 作为多层金属互连层之间的介质材料；作为多层金属互连层之间的介质材料；

8、作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料。作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料。4.4.2 热氧化形成热氧化形成SiO2的机理的机理 1）反应方程式：）反应方程式： Si（固体）固体）O2 SiO2（固体）固体） Si（固体）固体）2H2O SiO2（固体）固体）2H22）反应所经过的三个步骤：）反应所经过的三个步骤： （1）氧化剂从气体内部被传输到气体）氧化剂从气体内部被传输到气体/SiO2界面；界面； （2）通过扩散穿过已经形成的）通过扩散穿过已经形成的SiO2层；层； （3）在）在SiO2/Si界面处发生化学反应。界面处发生化学反应。生长的生长的SiO2层厚度为层厚度为d时，所消耗的时，所消

9、耗的Si层厚度为层厚度为0.44d 3）影响）影响Si表面氧化速率的三个关键因素：表面氧化速率的三个关键因素：（1）温度：）温度：温度高，反应快。温度高，反应快。 （2）氧化剂的有效性：）氧化剂的有效性： 扩散系数：扩散系数：H2O在在SiO2中的扩散系数远大于中的扩散系数远大于O2。 溶溶 解解 度：在度：在SiO2层中，层中，H2O的溶解度比的溶解度比O2高约高约 600倍。倍。（3）Si层表面势或表面能量：层表面势或表面能量： 与与Si的晶向、掺杂浓度及氧化前的表面处理有关。的晶向、掺杂浓度及氧化前的表面处理有关。4.4.3 SiO2的制备方法的制备方法 热氧化法热氧化法 干氧氧化：干氧

10、氧化： 氧化速度慢氧化速度慢 水蒸汽氧化：水蒸汽氧化：氧化速度快，但氧化层疏松，缺陷多氧化速度快，但氧化层疏松，缺陷多 湿氧氧化：湿氧氧化： 与光刻胶的附着性不是很好与光刻胶的附着性不是很好 干氧湿氧干氧干氧湿氧干氧(简称干湿干简称干湿干)氧化法氧化法 氢氧合成氧化：氢氧合成氧化：生长速度高；质量好；均匀性和重复性好生长速度高；质量好；均匀性和重复性好 化学气相沉积法化学气相沉积法 热分解沉积法热分解沉积法 溅射法溅射法进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图杂质掺杂 掺杂：掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域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

11、质，形成中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、结、电阻、欧姆接触。电阻、欧姆接触。 磷磷(P)、砷砷(As) N型硅型硅 硼硼(B) P型硅型硅 掺杂工艺：掺杂工艺：扩散、离子注入扩散、离子注入4.5 扩散与离子注入扩散与离子注入4.5.1 扩扩 散散 替位式扩散：替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位置：杂质离子占据硅原子的位置：1）、族元素族元素2）一般要在很高的温度（）一般要在很高的温度（9501280）下进行）下进行3）磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小）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于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为杂

12、质扩散的掩蔽层扩散的掩蔽层 间隙式扩散：间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：杂质离子位于晶格间隙：1）Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素（对器件危害严重）（对器件危害严重）2）扩散系数要比替位式扩散大）扩散系数要比替位式扩散大67个数量级个数量级杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图杂质除了纵向扩散，还有横向扩散1）固态源扩散：如）固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等等4.5.2 扩散工艺扩散工艺2） 利用液态源进行扩散利用液态源进行扩散液态源：液态源： 硅：四乙氧基硅烷（硅：四乙氧基硅烷（TEOS），）， 分子式分子式 Si(OC2H5)4 磷：三氯氧磷，磷：三氯氧磷， 分子式分子式

13、POCl3 硼：硼酸三丙脂，硼：硼酸三丙脂， 分子式分子式 B(CH3CH2CH2O3)4.5.3 离子注入 离子注入：离子注入：将具有很高能量的杂质离子射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，掺杂深度由注入杂半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目质离子的数目(剂量剂量)决定决定 掺杂的均匀性好掺杂的均匀性好 温度低：小于温度低：小于600 可以精确控制杂质分布可以精确控制杂质分布 可以注入各种各样的元素可以注入各种各样的元素 横向扩展比扩散要小得多。横向扩展比扩散要小得多。 可以对化

14、合物半导体进行掺杂可以对化合物半导体进行掺杂 离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图 离子束与晶体主轴偏离离子束与晶体主轴偏离7 10 （类似于非晶靶），（类似于非晶靶）， 以减少沟道离子的数目以减少沟道离子的数目离子注入到无定形靶中的高斯分布情况离子注入到无定形靶中的高斯分布情况4.5.5 退火 退火：退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等也叫热处理，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不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火退火的作用：退火的作用：1）激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位）激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶

15、格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用作用2）消除损伤）消除损伤 退火方式：退火方式：1） 炉退火炉退火2）快速退火：）快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等热器、红外设备等)4.6 化学气相沉积化学气相沉积(CVD) 化学气相沉积化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)： 通过气态物质的化学反应在衬底上沉积一层通过气态物质的化学反应在衬底上沉积一层薄膜材料的过程薄膜

16、材料的过程 CVD技术特点：技术特点：1）具有沉积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、）具有沉积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点广、设备简单等一系列优点2）CVD方法几乎可以沉积集成电路工艺中所需方法几乎可以沉积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等化学气相沉积的分类： 常压化学气相沉积(APCVD) 低压化学气相沉积(LPCVD) 等离子增强化学气相沉积(PECVD

17、)APCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图 LPCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图平行板型平行板型PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图4.6.2 单晶硅的化学气相沉积单晶硅的化学气相沉积(外延外延) 一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片。艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片。外延技术主要有：外延技术主要有：1）液相外延）液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE ）2）气相外延）气相外延（ Vapor Phase Epitaxy ，VPE） 卤化物气相外延（卤化物气相

18、外延（Hyride Vapor Phase Epitaxy ， HVPE）：）： SiCl42H2Si4HCl 金属有机物化学气相外延（金属有机物化学气相外延（MOVPE，或称为或称为MOCVD）3）分子束外延（）分子束外延（MBE）气相外延用掺杂源：气相外延用掺杂源： 砷烷（砷烷（AsH3）、）、磷烷（磷烷（PH3）等等 乙硼烷（乙硼烷（B2H6）（沸点：沸点：92.5；火箭推进剂）；火箭推进剂）4.6.3 二氧化硅的化学气相沉积二氧化硅的化学气相沉积 可以作为金属化时的介质层，而且还可以可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将作为离子注入或扩散的掩蔽膜，

19、甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源 低温低温CVD氧化层：低于氧化层：低于500 反应源：硅烷和氧气反应源：硅烷和氧气 SiH4O2SiO2H2 中等温度沉积：中等温度沉积：500800 反应源反应源: 四乙氧基硅烷四乙氧基硅烷 （又称正硅酸乙酯，缩写：（又称正硅酸乙酯，缩写：TEOS） Si(OC2H5)4 SiO2副产物副产物 高温沉积：高温沉积：900左右左右 反应源反应源: 二氯硅烷和笑气二氯硅烷和笑气 SiCl2H22N2OSiO22N22HCl4.6.4 多晶硅的化学气相沉积多晶硅的化学气相沉积 利用多晶硅替代金属铝作为利用多晶硅替代金属铝作为

20、MOS器件的栅极是器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。集成电路的集成度得到很大提高。 多晶硅的化学气相沉积：多晶硅的化学气相沉积：中等温度中等温度(780820)的的LPCVD或低温或低温(300) PECVD方法沉积方法沉积多晶硅的 ECR-PECVD5的高纯SiH4（Ar气稀释）和高纯H2PECVD的主要优点：沉积温度

21、低；成膜质量高。4.6.5 氮化硅的化学气相沉积1）LPCVD方法：方法： SiCl2H2 4NH3 Si3N46H2 6HCl 2）PECVD方法：方法： SiH4 NH3 SiNH3H2 2SiH4 N2 2SiNH3H2 PECVD生长的氮化硅有阻挡水和钠离子扩散生长的氮化硅有阻挡水和钠离子扩散的功能，且抗划伤。的功能，且抗划伤。 氮化硅主要用作局域氧化的掩蔽层4.7 接触与互连接触与互连 Al是目前集成电路工艺中最常用的金是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料属互连材料, 但但Al连线也存在一些比较连线也存在一些比较严重的问题严重的问题 电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等电迁移严重、

22、电阻率偏高、浅结穿透等 Cu连线工艺有望从根本上解决该问题连线工艺有望从根本上解决该问题 IBM、Motorola等已经开发成功等已经开发成功 目前，互连线已经占到芯片总面积的目前，互连线已经占到芯片总面积的7080%；且连线的宽度越来越窄，；且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加电流密度迅速增加特性特性AlAu AgCu电阻率电阻率（cm）2.42.351.591.71熔点（熔点（）66010639601083热导率（热导率（w/cm)2.383.154.253.98抗电迁移性抗电迁移性低低高高很低很低高高抗腐蚀性抗腐蚀性高高很高很高低低低低金银铜铝的特性比较：金银铜铝的特性比较：Cu的的双

23、双镶镶嵌嵌工工艺艺镶嵌：damascene 铜布线取代铝作为铜布线取代铝作为IC互连的困难：互连的困难：1）铜难以刻蚀；铜难以刻蚀； 解决办法：化学机械抛光（解决办法：化学机械抛光（CMP） 抛光剂抛光剂: 二氧化硅悬浮颗粒氢氧化钾溶液二氧化硅悬浮颗粒氢氧化钾溶液2）铜是快扩散杂质，铜原子不但很容易扩散进入氧）铜是快扩散杂质，铜原子不但很容易扩散进入氧化物或介质材料，形成互连线的低击穿，而且铜快扩化物或介质材料，形成互连线的低击穿，而且铜快扩散到硅中形成深能级陷阱，或与硅在较低温度下散到硅中形成深能级陷阱，或与硅在较低温度下(200)反应生成反应生成Cu3Si，导致对有源区的沾污而引起导致对有

24、源区的沾污而引起结漏电和阈值电压结漏电和阈值电压VT漂移。漂移。 解决办法：在铜与氧化物及介质材料之间加入一解决办法：在铜与氧化物及介质材料之间加入一层阻挡层。层阻挡层。 合适的阻挡层材料必需具备以下条件：合适的阻挡层材料必需具备以下条件：1）能够阻挡铜原子的扩散；）能够阻挡铜原子的扩散；2）具有低的薄层电阻；）具有低的薄层电阻；3）具有很好的热稳定性，能经受器件制造过程中高温的影响；）具有很好的热稳定性，能经受器件制造过程中高温的影响；4）与铜和其他介质层都有很好的界面接触，并且不与铜和介质材）与铜和其他介质层都有很好的界面接触，并且不与铜和介质材料起反应；料起反应；5）必须与化学机械抛光工

25、艺兼容。）必须与化学机械抛光工艺兼容。 其中过渡金属元素及其氮化物引起广泛关注，主要包括其中过渡金属元素及其氮化物引起广泛关注，主要包括W、WN、Ta、Nb、TaN、TiN、TaSiN和和TiNx等。等。 因为过渡金属及其氮化物都有很强的导电性、较高的熔点和对因为过渡金属及其氮化物都有很强的导电性、较高的熔点和对铜原子的阻挡特性。其中铜原子的阻挡特性。其中TiN已在铝的金属化工艺中得到了应用。已在铝的金属化工艺中得到了应用。 在实际的铜在实际的铜/阻挡层结构中，阻挡层的厚度阻挡层结构中，阻挡层的厚度应控制在应控制在100nm以下。以下。 有数据表明，对于亚微米超大规模集成电有数据表明，对于亚微

26、米超大规模集成电路而言，其阻挡层不超过路而言，其阻挡层不超过10nm，在在600条件条件下，下，30分钟内不会发生铜扩散穿过该阻挡层的分钟内不会发生铜扩散穿过该阻挡层的现象。现象。4.7.1 金属膜的形成方法金属膜的形成方法 物理气相沉积（物理气相沉积（PVD）蒸发：蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，沉积在晶片可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，沉积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种。蒸发两种。溅射：溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压

27、电场作用下，真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上。靶原子逸出并被溅射到晶片上。蒸蒸发发原原理理图图4.7.2 难熔金属硅化物栅及其复合结构难熔金属硅化物栅及其复合结构 为了提高速度和集成度，可按比例缩小器件的特征尺寸，为了提高速度和集成度，可按比例缩小器件的特征尺寸，当特征线宽小于当特征线宽小于1.5m时，多晶硅栅遇到问题：时，多晶硅栅遇到问题： 作为栅和局域互连材料的多晶硅的电阻率较高（大于作为栅和局域互连材料的多晶硅的电阻率较高（大于500 cm），），其寄生电阻限制

28、了集成电路速度。其寄生电阻限制了集成电路速度。 作为替代多晶硅的材料，要求具有电阻率低、高温稳定性作为替代多晶硅的材料，要求具有电阻率低、高温稳定性好，与集成电路工艺兼容等特点。好，与集成电路工艺兼容等特点。 Al 电阻率低，但熔点太低（电阻率低，但熔点太低（660）。）。 W、Mo 熔点高，但它们与硅栅刻蚀后的工艺不兼容。熔点高，但它们与硅栅刻蚀后的工艺不兼容。 实验发现难熔金属硅化物如实验发现难熔金属硅化物如TiSi2、CoSi2、TaSi2、MoSi2、WSi2等是替代多晶硅的理想材料。等是替代多晶硅的理想材料。 几个概念几个概念场区：场区：硅片上不制作器件的区域（除栅区和有硅片上不制作

29、器件的区域（除栅区和有 源区之外的区域）源区之外的区域）栅区：栅区：栅极下方形成导电沟道的区域栅极下方形成导电沟道的区域有源区：有源区：直接从外部接收和向外部送出电信号直接从外部接收和向外部送出电信号 的区域（指的区域（指MOS管的源区和漏区）管的源区和漏区） 栅结构材料栅结构材料 Al-二氧化硅结构二氧化硅结构 多晶硅多晶硅-二氧化硅结构二氧化硅结构 难熔金属硅化物难熔金属硅化物/多晶硅多晶硅-二氧化硅结构二氧化硅结构 自对准金属硅化自对准金属硅化物物(Salicide)工艺工艺 沉积多晶硅、刻蚀沉积多晶硅、刻蚀并形成侧壁氧化层；并形成侧壁氧化层； 沉积沉积Ti或或Co等难熔等难熔金属金属

30、快速热处理（快速热处理（RTP）并选择腐蚀侧壁氧并选择腐蚀侧壁氧化层上的金属；化层上的金属； 最后形成最后形成Salicide结结构构SOI: 绝缘衬底上的硅绝缘衬底上的硅4.8 隔离技术隔离技术 PN结隔离结隔离 场区隔离场区隔离 绝缘介质隔离绝缘介质隔离 沟槽隔离沟槽隔离 SBC在双极模拟电路和电压为在双极模拟电路和电压为1530V的电源的电源电路中广泛应用。电路中广泛应用。 缺点缺点： （1）隔离区宽，集成度低；）隔离区宽，集成度低； （2）集电极与衬底及基极间的）集电极与衬底及基极间的PN结寄生电容较结寄生电容较大，电路速度受限。大，电路速度受限。4.8.1 双极集成电路的隔离工艺双极

31、集成电路的隔离工艺1）标准隐埋集电极隔离工艺（）标准隐埋集电极隔离工艺（SBC）2）集电极扩散隔离工艺（）集电极扩散隔离工艺（CDI）优点优点：（：（1）隔离面积小；（）隔离面积小；（2）比）比SBC工艺简单。工艺简单。缺点缺点： （1）集电极与衬底及基极间的）集电极与衬底及基极间的PN结寄生电容较结寄生电容较大，电路速度受限；大，电路速度受限； （2）集电极基极结的击穿电压低，只能在小）集电极基极结的击穿电压低，只能在小电源电压的器件中使用。电源电压的器件中使用。3）介质隔离）介质隔离（DI）优点：隔离效果好。优点：隔离效果好。缺点缺点：（：（1）研磨背面时要求精确机械定位；）研磨背面时要求

32、精确机械定位； （2）沉积多晶硅时，硅片容易翘曲。）沉积多晶硅时，硅片容易翘曲。4）等平面氧化物隔离工艺）等平面氧化物隔离工艺 半等平面氧化物隔离工艺半等平面氧化物隔离工艺 在等平面工艺中，增加刻蚀在等平面工艺中，增加刻蚀Si的工艺的工艺（刻蚀掉的（刻蚀掉的Si层厚度是氧化层厚度的层厚度是氧化层厚度的0.56倍）倍） 横向是氧化物隔离；纵向是横向是氧化物隔离；纵向是PN结隔离结隔离 优点：优点：寄生电容小；隔离面积小；适于制作高寄生电容小；隔离面积小；适于制作高速、高集成度的集成电路，是双极集成电路的最佳速、高集成度的集成电路，是双极集成电路的最佳隔离方案之一。隔离方案之一。目的：防止场寄生晶

33、体管开启目的：防止场寄生晶体管开启（1）增大场氧化层厚度；）增大场氧化层厚度；（2）沟阻注入：提高场氧化层下面硅层的表面掺杂沟阻注入：提高场氧化层下面硅层的表面掺杂 浓度。从而提高寄生浓度。从而提高寄生MOSFET的阈的阈 值电压。值电压。4.8.2 MOS集成电路隔离工艺集成电路隔离工艺1）标准场氧化隔离）标准场氧化隔离场氧化层厚度是栅氧化层的场氧化层厚度是栅氧化层的710倍。倍。缺点：场氧化层厚；台阶覆盖不好。缺点：场氧化层厚；台阶覆盖不好。2）局域氧化隔离）局域氧化隔离(LOCOS)工艺工艺优点：优点：(1)台阶覆盖好；台阶覆盖好；(2)自对准沟阻注入，自对准沟阻注入， 可可 节省隔离区

34、面积；节省隔离区面积；(3)漏、源与衬底漏、源与衬底PN结间结间 的寄生电容小，工作的寄生电容小，工作 速度高。速度高。3）开槽回填隔离沟槽隔离工艺）开槽回填隔离沟槽隔离工艺4.9 封装技术基本功能：基本功能：1）为芯片提供机械支撑和环境保护；）为芯片提供机械支撑和环境保护；2）接通芯片的电流通路；）接通芯片的电流通路；3）提供信号的输入）提供信号的输入/输出通路；输出通路；4）提供热通路，散热作用。提供热通路，散热作用。集成电路封装工艺流程封装级别：封装级别：0级封装：芯片上器件本体的互连级封装：芯片上器件本体的互连1级封装：芯片上的输入级封装：芯片上的输入/输出与基板互连输出与基板互连2级

35、封装：将封装好的元器件或多芯片组件用多层级封装：将封装好的元器件或多芯片组件用多层 互连布线板组装成部件、插件或小整机互连布线板组装成部件、插件或小整机3级封装：用插件或小整机组装成机柜整机级封装：用插件或小整机组装成机柜整机各种封装类型示意图4.1 双极集成电路制造工艺 制作埋层 初始氧化，热生长厚度约为5001000nm的氧化层（做砷注入的阻挡层） 光刻1#版(埋层版)，利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氧化层刻蚀掉（露出埋层区），并去掉光刻胶 进行大剂量As+注入并退火，形成n+埋层双极集成电路工艺 生长生长n型外延层型外延层 利用利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层腐蚀掉硅片表面的氧化层 将

36、硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚将硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚度和掺杂浓度一般由器件的用途决定度和掺杂浓度一般由器件的用途决定 形成横向氧化物隔离区形成横向氧化物隔离区 热生长一层薄氧化层，厚度约热生长一层薄氧化层，厚度约50nm（做氮化硅的缓冲层）做氮化硅的缓冲层） 沉积一层氮化硅，厚度约沉积一层氮化硅，厚度约100nm（做氧化时的掩蔽层）做氧化时的掩蔽层） 光刻光刻2#版版(场区隔离版场区隔离版) 形成横向氧化物隔离区形成横向氧化物隔离区 利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氮化利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氮化硅层硅层-氧化层以及一半的外延硅层刻蚀掉氧化层以及一半的外延硅层

37、刻蚀掉 进行硼离子注入进行硼离子注入（形成沟道隔断区）（形成沟道隔断区） 形成横向氧化物隔离区形成横向氧化物隔离区 去掉光刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成去掉光刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成厚的场氧化层隔离区厚的场氧化层隔离区 去掉氮化硅层去掉氮化硅层 形成基区形成基区 光刻光刻3#版版(基区版基区版)，利用光刻胶将收集区遮，利用光刻胶将收集区遮挡住，暴露出基区挡住，暴露出基区 基区离子注入硼基区离子注入硼（形成（形成p型基区）型基区） 形成接触孔：形成接触孔： 光刻光刻4#版版(基区接触孔版基区接触孔版) 进行大剂量硼离子注入进行大剂量硼离子注入（形成（形成p区，便于做欧姆接触）区，便于做

38、欧姆接触） 刻蚀掉接触孔中的氧化层刻蚀掉接触孔中的氧化层（氮化硅的缓冲层，约（氮化硅的缓冲层，约50nm厚）厚） 形成发射区形成发射区 光刻光刻5#版版(发射区版发射区版)，利用光刻胶将基极接触，利用光刻胶将基极接触孔保护起来，暴露出发射极和集电极接触孔孔保护起来，暴露出发射极和集电极接触孔 进行低能量、高剂量的砷离子注入，形成进行低能量、高剂量的砷离子注入，形成n型发型发射区和集电区射区和集电区 金属化 沉积金属，一般是铝或Al-Si、Pt-Si合金等 光刻6#版(连线版)，形成金属互连线 合金：使Al与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触，一般是在450、N2-H2气氛下处理2030分钟 形成钝

39、化层 在低温条件下(小于300)沉积氮化硅 光刻7#版(钝化版) 刻蚀氮化硅，形成钝化图形4.2 CMOS集成电路制造工艺 形成形成N阱阱 初始氧化初始氧化（形成氮化硅的缓冲层）（形成氮化硅的缓冲层） 沉积氮化硅层沉积氮化硅层（做砷或磷离子注入的掩蔽层）（做砷或磷离子注入的掩蔽层） 光刻光刻1版，定义出版，定义出N阱阱 反应离子刻蚀氮化硅层反应离子刻蚀氮化硅层（露出（露出N阱区）阱区） N阱离子注入，注入磷或砷离子阱离子注入，注入磷或砷离子 形成P阱 去掉光刻胶去掉光刻胶 在在N阱区生长厚氧化层阱区生长厚氧化层（硼注入时的掩蔽层）（硼注入时的掩蔽层），其它区域被氮化硅层保护而不会被氧化其它区域

40、被氮化硅层保护而不会被氧化 去掉氮化硅层去掉氮化硅层（露出（露出p阱区）阱区） P阱离子注入，注硼阱离子注入，注硼 推阱推阱 退火驱入退火驱入 去掉去掉N阱区的氧化层阱区的氧化层 形成场隔离区 生长一层薄氧化层缓冲层生长一层薄氧化层缓冲层 沉积一层氮化硅沉积一层氮化硅 光刻场隔离区，非隔离区光刻场隔离区，非隔离区被光刻胶保护起来被光刻胶保护起来 反应离子刻蚀氮化硅反应离子刻蚀氮化硅 场区离子注入场区离子注入（沟阻注入）（沟阻注入） 热生长厚的场氧化层热生长厚的场氧化层 去掉氮化硅层去掉氮化硅层 形成多晶硅栅 生长栅氧化层生长栅氧化层 沉积多晶硅沉积多晶硅 光刻多晶硅栅光刻多晶硅栅 刻蚀多晶硅栅

41、刻蚀多晶硅栅 形成硅化物形成硅化物 沉积氧化层沉积氧化层 反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层 沉积难熔金属沉积难熔金属Ti或或Co等等 低温退火，形成低温退火，形成C-47相的相的TiSi2或或CoSi2 去掉氧化层上的没有发生化学反应的去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或或Co 高温退火，形成低阻稳定的高温退火，形成低阻稳定的TiSi2或或CoSi2 形成形成N管源漏区管源漏区 光刻，利用光刻胶将光刻，利用光刻胶将PMOS区保护起来区保护起来 离子注入磷或砷，形成离子注入磷或砷，形成N管源漏区管源漏区 形成形成P管源漏区管源漏区 光刻，利用光刻胶将光刻，利用光刻胶将NMOS区保护起来区保护起来 离子注入硼，形成离子注入硼，形成P管源漏区管源漏区 形成接触孔形成接触孔 化学气相沉积硼磷硅玻璃层（化学气相沉积硼磷硅玻璃层（BPTEOS） 硼磷硅玻璃在高温条件下某种程度上具有像液体一样的硼磷硅玻璃在高温条件下某种程度上具有像液体一样的流动能力（回流：流动能力（回流：Reflow）。）。因此硼磷硅玻璃薄膜具有卓越因此硼磷硅玻璃薄膜具有卓越的填孔能力，并且能够提高整个硅片表面的平坦化，从而为的填孔能力，并且能够提高整个硅片表面的平坦化，从而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围。光刻及后道工艺