半导体器件物理 Chapter4 集成电路制造工艺

1、第四章集成电路制造工艺第四章集成电路制造工艺芯片制造过程芯片制造过程 图形转换：将设计在掩膜版图形转换：将设计在掩膜版( (类似于照相底类似于照相底片片) )上的图形转移到衬底上。上的图形转移到衬底上。 掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂掺杂：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。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。制膜：制作各种材料的薄膜。基本步骤：基本步骤：硅片准备、硅片准备、 外延、外延、 氧化、氧化、 掺杂、掺杂、 淀积、淀积、 刻蚀、刻蚀、 光刻光刻硅片准备硅片准备光刻光刻 （LithographyLithography） 图

2、形转移：将设计在图形转移：将设计在掩膜版掩膜版( (类似于照相类似于照相底片底片) )上的图形转移上的图形转移到半导体单晶片上。到半导体单晶片上。光刻的基本原理：利用光敏抗蚀涂层（光刻胶）发生光化学反光刻的基本原理：利用光敏抗蚀涂层（光刻胶）发生光化学反应，结合刻蚀方法在各种薄膜上生成合乎要求的图形，以实现、应，结合刻蚀方法在各种薄膜上生成合乎要求的图形，以实现、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。形成金属电极和布线或表面钝化的目的。光刻工艺流程光刻工艺流程q光刻三要素：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶、掩膜版和光刻机 光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是

3、由光敏化合物、 基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体。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。解特性改变。q正胶（曝光后可溶）：分辨率高，在超大规模集成正胶（曝光后可溶）：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶。电路工艺中，一般只采用正胶。q负胶（曝光后不可溶）负胶（曝光后不可溶） ：分辨率差，适于加工线：分辨率差，适于加工线宽宽3 3 m m的的线条。线条。 插图fig.4.6正胶：曝光后可溶正胶：

4、曝光后可溶负胶：曝光后不可溶负胶：曝光后不可溶亮场版和暗场版亮场版和暗场版曝光的几种方法曝光的几种方法q接触式光刻：分辨率较高，接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。胶膜的损伤。q接近式曝光：在硅片和掩膜接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙版之间有一个很小的间隙(10(1025mm)25mm)，可以大大减小，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低。掩膜版的损伤，分辨率较低。q投影式曝光：利用透镜或反投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前到衬底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式。（用

5、的最多的曝光方式。（特特征尺寸：征尺寸：0.250.25 m m) )超细线条光刻技术超细线条光刻技术（特征尺寸：特征尺寸：0.100.10 m m) )v甚远紫外线甚远紫外线(EUV)(EUV)v电子束光刻电子束光刻vX X射线射线v离子束光刻离子束光刻特征尺寸特征尺寸工艺水平的标工艺水平的标志：在保证一定成品率的志：在保证一定成品率的最细光刻线条。最细光刻线条。图4.7图形转移：刻蚀技术图形转移：刻蚀技术 湿法刻蚀湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。进行刻蚀的方法。v湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨湿法化学刻蚀在半导体工艺

6、中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀。片、抛光、清洗、腐蚀。v优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低。简单、成本低。v缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。湿法刻蚀一般都是各向同性的，即横向和纵向的腐湿法刻蚀一般都是各向同性的，即横向和纵向的腐蚀速率相同。蚀速率相同。 干法刻蚀干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基离子或游离基( (处于激发态的分子、原子及各种原子处于激发态的分子、原子及各种原子基团等基团等) )与材料发生化学反应或通过轰击等物

7、理作用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。而达到刻蚀的目的。v溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击溅射与离子束铣蚀：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。作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差。v等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)(Plasma Etching)：利用放电产生的游离：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择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。性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差。v反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive I

8、on Etching(Reactive Ion Etching，简称为，简称为RIE)RIE)：过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。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优点，同时兼有各向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，异性和选择性好的优点。目前，RIERIE已成为已成为VLSIVLSI工艺中工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。应用最广泛的主流刻蚀技术。掺杂工艺（掺杂工艺（DopingDoping）q掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域掺杂：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

9、性质，形成中，以达到改变半导体电学性质，形成PNPN结、结、电阻、欧姆接触。电阻、欧姆接触。q掺入的杂质主要是：掺入的杂质主要是： 磷磷(P)(P)、砷、砷(As) (As) N N型硅型硅 硼硼(B) (B) P P型硅型硅q掺杂工艺主要包括：扩散（掺杂工艺主要包括：扩散（diffusion)diffusion)、离、离子注入子注入(ion implantation)(ion implantation)。扩散扩散q扩散由杂质、温度物质决定的扩散系数来决定。扩散由杂质、温度物质决定的扩散系数来决定。q替位式扩散：温度高，扩散系数低。替位式扩散：温度高，扩散系数低。 间隙式扩散：温度低，扩散系数

10、高（比替位式扩散大间隙式扩散：温度低，扩散系数高（比替位式扩散大67个数量级），必须严防间隙杂质进入扩散、氧化、个数量级），必须严防间隙杂质进入扩散、氧化、退火系统。退火系统。q选择性扩散：用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层。选择性扩散：用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层。q纵向扩散的同时，存在横向扩散。（纵向扩散的同时，存在横向扩散。（0.8xj)q扩散方法主要有固态源扩散和液态源扩散。扩散方法主要有固态源扩散和液态源扩散。q两步扩散法：两步扩散法：事先进行预扩散（预淀积），事先进行预扩散（预淀积），再扩散使扩散层推进到预期的深度（再扩散）。再扩散使扩散层推进到预期的深度（再扩散）。q扩散适于结较深（扩

11、散适于结较深（ 0.3 m)、线条较粗、线条较粗（ 3 m)器件。器件。 插fig. 13, fig.14, fig2.8扩散方法。液态源扩散液态源扩散固态源扩散固态源扩散q离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体离子注入：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，掺杂深度由注入杂质离子的能衬底中的掺杂技术，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数目量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目( (剂剂量量) )决定。决定。q离子注入的深度由注入离子的能量和离子的质量决离子注入的深度由注入离子的能量和离子的质量决定，可以得到精确结深，尤其是浅结。定，可以得

12、到精确结深，尤其是浅结。q低温（低温（ 600 600 o oC C）、掺杂均匀性好、离子注入剂量可）、掺杂均匀性好、离子注入剂量可精确控制，重复性好、横向扩散比纵向扩散小得多。精确控制，重复性好、横向扩散比纵向扩散小得多。q可以注入各种各样的元素并可以对化合物半导体进可以注入各种各样的元素并可以对化合物半导体进行掺杂。行掺杂。q多数注入离子停留在与硅晶格位置不一致的位置上，多数注入离子停留在与硅晶格位置不一致的位置上，不具有电活性，需要退火处理，激发电活性。不具有电活性，需要退火处理，激发电活性。离子注入离子注入退火（Annealing）v退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮退火：也叫

13、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气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。退火。 激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格激活杂质：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，起到位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用。杂质的作用。 消除损伤消除损伤v退火方式：退火方式： 炉退火炉退火 快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源光、非相干宽带频光源( (如卤光灯、电弧灯、石墨如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等加热器、红外设备等) )。氧化

14、（氧化（OxidationOxidation）v氧化：制备氧化：制备SiOSiO2 2层层vSiOSiO2 2是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应v热氧化法热氧化法干氧氧化干氧氧化水蒸汽氧化水蒸汽氧化湿氧氧化湿氧氧化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v化学气相淀积法化学气相淀积法v溅射法溅射法氧化硅层的主要作用氧化硅层的主要作用 在在MOSMOS电路中作为电路中作为MOSMOS器件的绝缘栅介质，器件的组器件的绝缘栅

15、介质，器件的组成部分。成部分。 扩散时的掩蔽层，离子注入的扩散时的掩蔽层，离子注入的( (有时与光刻胶、有时与光刻胶、SiSi3 3N N4 4层一起使用层一起使用) )阻挡层。阻挡层。 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。 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。化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)(CVD) 化学汽相淀积化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)(Chemical Vapor

16、 Deposition)：通过：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。过程。 CVDCVD技术特点：技术特点： 具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均具有淀积温度低、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、适用范围广、设匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。备简单等一系列优点。 CVDCVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的方法几乎可以淀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各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2SiO2、多晶硅、非、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属晶硅、氮化

17、硅、金属( (钨、钼钨、钼) )等。等。常压化学汽相淀积常压化学汽相淀积(APCVD)(APCVD)低压化学汽相淀积低压化学汽相淀积(LPCVD)(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积等离子增强化学汽相淀积(PECVD)(PECVD)物理气相淀积物理气相淀积(PVD)(PVD) 蒸发（蒸发（EvaporationEvaporation）：在真空系统中，金属原子）：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，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种。有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种。 溅射（溅射（SputteringSputtering）：真空系统中充入惰性气）：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，使靶原子逸出并被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上。被溅射到晶片上。图形转移：图形转移： 光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻 刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀刻蚀：干法