集成电路-基本知识

1、l工序类型前工序后工序辅助工序l主要制造工艺光刻工艺氧化工艺掺杂工艺金属化工艺lIC工艺技术双极型(Bipolar)工艺技术MOS工艺技术lMOSlCMOSBi-CMOS工艺技术l前工序：包括从原始晶片开始加工直到中测之前的所有工序。前工序加工之后形成了互连好的集成元器件的核心部分-管芯。前工序包括三类主要工艺：薄膜制备工艺：包括外延、氧化、化学气相淀积、蒸发和溅射； 掺杂工艺：包括离子注入和扩散。 图形转移技术：包括制版和光刻，制版是将设计的芯片版图图形转移到工作掩膜上，光刻是将掩膜图形转移到半导体片上。l后工序：后工序指中测开始直到集成元器件完成的所 有工序包括中间测试、划片、贴片、键合、

2、封装、筛选和成品测试等。l辅助工序：辅助工序指除了IC工艺流程直接涉及的工序(前、后工序)以外的辅助工作，它们对于保证IC制造的完成也是必需的。辅助工序包括如下几个方面：(1) 基体材料准备：制备单晶、切片、磨片和抛光，制成符合要求的单晶圆片。(2)掩膜版制备：即图形转移用的光刻掩膜版。(3) 高纯水、气制备：IC生产用水必须是去离子、去中性原子团和细菌，绝缘电阻率高达15Mcm (25)以上的电子级纯水。各种工艺所用气体必须高纯(99.999以上)，化学试剂必须是专业厂家生产的电子级高纯试剂(不溶性杂质、金属杂质含量10-9量级)。(4) 超净环境：IC特别是VLSI，必须在经过严密过滤的净

3、化空气环境中生产，如光刻工序洁净度要高于10级(1ft3空间中，直径不小于0.5 m的尘粒数不多于10个，直径0.1m的尘粒数不多于350个)。la. 氧化、光刻有源区lb. 场氧化、刻栅氧化窗口lc. 栅氧化ld. 淀积多晶硅、刻多晶硅le. N掺杂（离子注入并扩散）lf. 淀积SiO2、刻接触孔lg. 蒸发栅铝层、刻铝电极和互连la. 氧化层lb.埋层、外延、沉积SiO2 lc. 掺杂隔离ld. 光刻、腐蚀开窗、基区掺杂le.光刻、腐蚀开窗、发射区集电区惨杂草）lf. 电极引出l借助于掩膜版利用光敏的抗蚀涂层发生光化学反应，结合刻蚀方法在各种薄膜(如Sia，Si，N4等绝缘膜以及多晶硅和金

4、属膜)上刻出合乎要求的图形。l完成掩膜版图形到硅表面材料层上图形的转移，以实现选择掺杂、选择生长、形成金属电极和互连等目的。生产过程中光刻要反复进行多次。光刻操作要求最高净化等级环境。其能刻的最细线条表征了生产线的工艺水平，如最细线条能刻到018ltm宽度的工艺设施称018Pm工艺线。光刻工艺过程(负性胶)(a)氧化硅片；(b)涂光刻胶(负性)；(c)前烘(80C100C)；(d)曝紫外光；(e)显影；(f)坚膜(180)；(g)腐蚀；(h)去胶l常规光刻工艺过程包括：(1) 涂胶(匀胶): 在硅表面Si02层上涂上一层均匀且厚度一定的光敏材料-光致抗蚀剂(由光敏化合物、树脂和有机溶剂组成，有

5、正胶和负胶之分)；(2)前烘: 8012100C的恒温箱中烘5min10min，让胶中溶剂挥发掉，使之干燥；(3)对准与曝光: 对准与曝光是关键工序，在高精度光刻机上进行。将掩膜版放在硅片表面的胶层上并在紫外线下曝光，使光刻胶发生光化学反应。(4)显影: 经曝光并产生光化学反应的胶在显影液中的溶解度发生变化，如负性胶光致抗蚀(正性胶则相反)，而未受光照的胶被显影液溶解掉，在表面形成胶的光刻窗口。实现了图形从掩膜版到硅表面抗蚀剂上的转移；(5)坚膜(后烘): 显影后硅片置于150一22012温度下恒温，保持20min40min，去除残留溶剂，使胶膜变硬，保证胶与SiQ层的粘附质量，增强在后工序腐

6、蚀时的耐蚀能力。(6)腐蚀: 采用特定腐蚀液(湿法)或在等离子体中(干法)将无胶膜保护的SiQ层去除。在SiO2上刻蚀出需要的图案.被刻薄膜也可以是Si，N4、多晶硅、硅化物、铝或其它多元金属薄膜.l1)湿法腐蚀: 根据被蚀材料的不同配制特定缓冲的腐蚀溶液，在恒温条件下控制蚀通时间。湿法设备简单，但有侧向腐蚀、残留底膜和蚀液的危害性等缺点。l 2)干法腐蚀: 主要分为等离子刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)和离子铣等。等离子体腐蚀利用高频辉光放电形成的化学活性游离基与被刻蚀层材料发生化学反应形成挥发物，完成选择性腐蚀;l干法腐蚀分辨率较好、各向异性腐蚀能力强、均匀、重复性较好。腐蚀后可随即在同一设备

7、上引入氧气，形成氧等离子体实现去胶。干法腐蚀已成为VLSI工艺的标准腐蚀技术。(7)去胶: 非金属膜上的胶层可用硫酸煮沸去除，金属膜胶层采用不腐蚀金属的特制有机去胶剂，统称湿法去胶。而干法去胶与干法腐蚀相似，仅工作的气体腐蚀剂为氧气。l 随着VLSI的发展，对光刻分辨率提出了越来越精细的要求，目前可用于研究和生产的亚微米曝光方法主要有紫外、电子束、离子束和X射线等四种。预计其中的远紫外线曝光和软X射线的接近和投影曝光技术进入规模生产，获得推广应用的前景较大。l光刻版质量要求集成电路生产过程要多次光刻，需要使用供光刻的掩膜版。制版即完成所需掩膜版的制备，光刻成品率首先取决于版的质量。例如，我们假

8、设每块版的图形完好率为90时，某产品套版共有8块，则芯片图形成品率为(90)8=43，若一套版有14块时，则光刻成品率降为23，使得产品无法正常投产。因此，必须确保掩膜版质量。对掩膜版的基本要求是基板平整坚固、热胀系数小、缺陷(针孔、黑点)少、图形尺寸准确无畸变和各层版间能互相套准。l光刻掩膜版的质量控制光刻掩膜版是将设计图形转移到硅片上以对其进行各种相应加工的工具，其准确与否是影响成品率的首要因素。使用前必须通过严格的检查和验收。(1)尺寸校验： 用光电检测方法将掩膜上的图形变换为电信号，检查图形尺寸的精度是否达标。(2)套刻精度测量： 检查图形重复精度，即整套版中的各块版能否一一套准。一般

9、要求套刻误差小于最细线条宽度的1/10。 (3)缺陷检查：用显微镜镜检。掩膜图形不应畸变，透光部分应无黑点、小岛，不透明部分应无针孔，图形边缘应光洁、无毛刺、过渡区要小，即黑区应尽可能陡直地过渡到“透明”区，图形黑白区域之间反差要高，一般要求反差度在2.5以上。 l掩膜版制作工艺步骤由于掩膜版的精密度要求极高，必须在净化级别最高的超净室内制作。传统的刻分层图和初缩两步目前计算机辅助制版主要采取了如下技术：l (1)版图数据处理技术： 用交互式图形编辑方式设计好版图，将设计好的版图用规定的方法送入计算机并分层，得到各层图形的坐标数据，生成满足一定格式的数据带去控制图形发生器制版。l(2)图形发生

10、器子系统： 根据分层图形数据，图形发生器直接对底版曝光，做成掩膜初缩版。按图形发生器中光源的不同，常用光学图形发生器和电子束图形发生器两种制版设备。 完成了初缩版再进行精缩及分布重复。首先将初缩版图形缩小到实际需要的大小，在精缩机上进行分布重复，得到可用于光刻的正式掩膜版，称为母版。由于光刻掩膜版在使用中磨损较快，用几次就需要更换，所以将母版复制成多块副版备用，此即复印。复印版通常采用铬版，而母版是超微粒干版。这些版的基版都由极其平整透明的优质玻璃片(用于微米线条图形)或石英玻璃片(用于亚微米以下线条图形)抛光制成。l生长SiO2氧化膜的方法主要有热氧化和化学气相淀积两种。热氧化又有干氧和湿氧

11、之分，其中干氧生成的SiO2膜质量最好，湿氧次之。各种结构和硅集成电路的制造工艺依靠氧化硅的特性。氧化是一项重要的基础工艺。lSiO2在集成电路工艺中的作用:(1)杂质扩散的掩膜：由于硼、磷、砷、锑等杂质原子在SiO2中扩散系数比在硅中小得多，所以可以通过在SiO2上光刻出窗口进行选择掺杂，为使掩蔽有效，需要一定厚度的SiO2膜。 (2)作为MOS器件的绝缘栅材料。 (3)用作器件乃至整个芯片表面的保护(钝化)。 (4)集成电路中的绝缘介质和隔离介质，如用作极间隔离、层间隔离、介质隔离以及电容器介质等材料。l热氧化原理:硅在高温下与含氧物质(干氧或含水汽氧)反应而成。氧化过程分两步，第一步含氧

12、物质通过扩散方式穿过硅表面已生成的SiO2膜到达SiO2-Si界面；第二步在界面处与Si反应生成新的SiO2层，使SiO2膜不断增厚。氧化使总厚度增加，其中被消耗掉的硅层厚度约占氧化膜厚度的47。l热氧化方法: (1) 常压氧气氧化分为干氧和湿氧。氧化在高温下(1000一2000)进行。l干氧为氧气气氛；干氧生成的SiO2结构致密，与光刻胶贴附好，但生长速率低l湿氧是氧气中携带水汽，氧和水汽与硅的反应并存。湿氧生长快，但质量稍差。所以一般取干氧湿氧交替生长，而栅氧常用干氧生成 .(2) 氢氧合成氧化(常压下通人，高温气化与硅反应而成。生成膜纯度高、质量好)。(3) 高压氧化(氧化气氛处于高压状

13、态，也分干、湿两种。优点是生长快、温度低及膜质 l化学气相淀积SiO2(CVD)一种或几种物质的气体以某种方式激活后在衬底表面处发生化学反应，在衬底上淀积一层所需要的固体薄膜。如用硅烷(SiH4)与氧反应或用烷氧基硅烷分解生成并淀积SiO2到基片上。常用的CVD方法有常压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子体化学气相淀积(PECVD)三种。对氧化膜的质量要求是厚度均匀性、致密性好、减少膜中电荷密度和避免针孔等。l集成电路制造过程中对半导体基片采用掺杂方法，通过补偿原理达到要求的杂质浓度和分布，形成不同类型的半导体层，制造出所需要的各种集成器件。掺杂工艺也是一项主要

14、的基础工艺，实现掺杂的方法主要有扩散法和离子注入法两种扩散技术l为了求得平衡，物质具有从浓度高处向浓度低处运动的扩散特性，在一定温度下，杂质原子具有一定的能量进入半导体(如硅)作迁移运动，替代硅原子位置或处于晶格间隙中，故扩散有替位式和间隙式两种方式。扩散系数D是描述杂质扩散运动快慢的物理量，l它与温度、杂质种类、掺杂浓度、扩散气氛、衬底杂质浓度和晶向等多种因素有关。扩散一般在高温(1000C2 000)下进行，杂质扩散很快，待达到所要求的分布和深度时，迅速降至室温，此时D已变得很小，相当于使高温下形成的结果被“冻结”而固定下来，此即扩散的基本原理。l扩散条件在不同的扩散条件下，扩散后杂质分布

15、形式通常有两类：l1)恒定表面源扩散 扩散过程中半导体片处于恒定杂质源气氛中，即硅片表面处杂质浓度恒定。恒定源扩散决定了片内杂质总量和分布，其中的掺杂为余误差函数分布。它与表面杂质浓度、扩散温度下的D和扩散时间有关。这一步工序常称为预淀积。l2)有限表面源扩散 扩散过程中没有外来杂质(扩散气体不携带杂质源)仅限于原先积聚在硅表面薄层内的杂质总量向体内扩散。有限的表面源将随着扩散时间不断地向体内扩展，结深前推，表面处浓度不断减少，最终的掺杂分布为高斯分布。它与预淀积杂质总量、杂质扩散系数和扩散时间有关。这一步工序也称为再分布或扩散杂质推进。 l扩散方法 1)液态源扩散：保护气体(N2)通过液态杂

16、质源，携带杂质蒸气进入处于扩散炉内的石英管中，高温下杂质分解与硅反应生成杂质原子，在硅片周围形成饱和蒸气压经硅片表面向内部扩散。需要控制的工艺条件是扩散温度、时间、气体(携带杂质气和稀释、保护气)，如POCl3液态源作为磷扩散源、B(CH3O3)，液态源作为硼扩散源。 2)片状源扩散: 含杂的圆片固体扩散源，如BN片，PWB片作为硼杂质源可以和硅片相间插放于扩散舟中。高温下源片表面挥发出杂质化合物，杂质蒸气借助于浓度梯度气相转移到硅片表面，经过相互反应生成杂质原子并向体内扩散，此为预淀积过程。去掉源片后，再在较高温度下进行再扩散，完成最终的浓度分布和结深。3)固-固扩散: 低温下在硅衬底上用化

17、学气相淀积等方法生长一层掺杂薄膜，再在高温下将杂质从薄层扩散到衬底中。掺杂薄膜可以是掺杂氧化物、氮化物或掺杂多晶硅等。 4)涂层扩散: 含杂化合物溶液涂于待扩散硅表面，在保护气氛下进行高温扩散。液态源扩散固态源扩散气态源扩散l离子注入技术杂质元素的原子经离子化后变成带电的杂质离子，使其在强电场下加速，以高能量轰击并注入硅片中，再经退火，使杂质激活，并在片内实现要求的杂质分布。其特点是注入温度低(400)，可精确控制掺杂的浓度和结深，浓度不受固溶度限制，可实现高纯度、大面积均匀掺訾杂，可以有效地注人多种原子且横向扩散很小，而成为CMOS主导工艺。但要求高浓度和深结时仍采取扩散技;由于高能注入离子

18、与原子的碰撞，造成硅晶格的损伤，因此，注入后必须经过退火处理，以激活注入离子并使衬底晶格复位。理论分析表明无定形硅基片中注入的杂质分布服从对称高斯分布机lMOSNMOSFET：n沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管，电子导电PMOSFET：n沟道金属-氧化物-半导体场效应晶体管，空穴导电CMOS：一个NMOS 和一个PMOS构成lBipolar电阻二极管三极管lBiCMOS非门 与非门 或非门三极管的剖面示意图片三极管的剖面显微照片NMOS 工艺流程与剖面图NMOS剖面图工艺与顶视平面图（窄沟道）NMOS的平面和截面示意图NMOS的平面和截面示意图NMOS剖面图工艺与顶视平面图（宽沟道）NMOS的平面和截面示意图MOS电路中扩散层、多晶硅层和铝电极层CMOS反向器（非门）的结构剖面图P阱工艺 N阱工艺 双阱工艺 典型N阱CMOS工艺流程 N阱CMOS剖面图工艺工艺流程 双阱工艺CMOS结构剖面图三输入NMOS NOR 门三种器件内连接技术（多晶硅与n+扩散层）常规铝连接（Normal Al link)重掺杂导电埋层连接（Buried contact)底部连接（Butted-contact str