第三章IC制造工艺.pptx

Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细 30 m1 m 1 m(晶体管的大小晶体管的大小)3050 m(皮肤细胞的大小皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系芯片制造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系第3章 IC制造工艺3.2.1 外延生长 3.2.2 掩膜制作 3.2.3 光刻 3.2.4 刻蚀3.2.5 掺杂 3.2.6 绝缘层形成3.2.7 金属层形成Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系集成电路制造工艺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Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系多晶硅放入坩埚内加热到多晶硅放入坩埚内加热到 1440熔化。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚内熔化。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚内被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度 99.7%的钨丝悬挂的钨丝悬挂“硅籽晶硅籽晶”探入熔融硅中，以探入熔融硅中，以 220转转/分钟的转速及分钟的转速及 310毫米毫米/分钟的速率从熔液中将单分钟的速率从熔液中将单晶硅棒缓慢拉出。这样就会得到一根纯度极高的单硅晶棒，理论上最大直径晶硅棒缓慢拉出。这样就会得到一根纯度极高的单硅晶棒，理论上最大直径可达可达45厘米，最大长度为厘米，最大长度为3米。米。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系Process Flow of Annealed WaferCrystalGrowthSlicingGraphite HeaterSi MeltSi CrystalPolishingWaferingHigh Temp.AnnealingFurnaceAnnealed WaferDefect FreeSurface byAnnealing(Surface Improvement）Surface DefectMapPolished Wafer晶圆退火工艺流程晶圆退火工艺流程晶体生长晶体生长晶圆制作晶圆制作硅晶体硅晶体熔硅熔硅切片切片抛光抛光抛光片抛光片高温退火高温退火退火后的晶圆退火后的晶圆退火炉退火炉（改善表面）（改善表面）利用退火消除缺陷利用退火消除缺陷石墨加热器Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3.2 集成电路加工过程简介集成电路加工过程简介硅片制备（切、磨、抛）硅片制备（切、磨、抛）*圆片（圆片（Wafer）尺寸与衬底厚度：）尺寸与衬底厚度：2 0.4mm 3 0.4mm 5 0.625mm 4 0.525mm 6 0.75mm 硅片的大部分用于机械支撑。硅片的大部分用于机械支撑。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3.2.1 3.2.1 外延生长外延生长(Epitaxy)外延生长的目的外延生长的目的半导体工艺流程中的基片是抛光过的晶圆基片,直经在50到200mm(2-8英寸)之间,厚度约几百微米。尽管有些器件和IC可以直接做在未外延的基片上,但大多数器件和IC都做在经过外延生长的衬底上。原因是未外延过的基片性能常常不能满足要求。外延的目的是在衬底材料上形成具有不同的掺杂种类及浓度,因而具有不同性能的单晶材料。可分为同质外延和异质外延。不同的外延工艺可制出不同的材料系统。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点：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、设备简单等一系列优点CVD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SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)常压化学汽相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积(PECVD)Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系SiSi基片的卤素生长外延基片的卤素生长外延在一个反应炉内 的 SiCl4/H2系统中实现：在水平的外延生长炉中，Si基片放在石英管中的石墨板上，SiCl4，H2及气态杂质原子通过反应管。在外延过程中，石墨板被石英管周围的射频线圈加热到1500-2000度，在高温作用下，发生SiCl4+2H2Si+4HCl 的反应，释放出的Si原子在基片表面形成单晶硅。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)二氧化硅二氧化硅二氧化硅的作用：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，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源 低温CVD氧化层：低于500中等温度淀积：500800高温淀积：900左右Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)多晶硅多晶硅多晶硅的作用：利用多晶硅替代金属铝作为MOS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栅极的MOS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MOS集成电路的集成度得到很大提高。氮化硅的化学汽相淀积：中等温度(780820)的LPCVD或低温(300)PECVD方法淀积Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系物理气相淀积物理气相淀积(PVD)金属金属蒸发：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，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溅射：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，使靶原子逸出并被溅射到晶片上Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系蒸蒸发发原原理理图图Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系金属有机物化学气相沉积（金属有机物化学气相沉积（MOCVD:MOCVD:MetalOrganic Chemical Vapor Deposition）III-V V材料的MOCVD中，所需要生长的III，V族元素的源材料以气体混和物的形式进入反应炉中已加热的生长区里，在那里进行热分解与沉淀反应。MOCVD与其它CVD不同之处在于它是一种冷壁工艺，只要将衬底控制到一定温度就行了。GaAs采用MOCVD同质外延技术进行生长（衬底温度600800），GaN采用异质外延技术（衬底温度9001200）Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系Aixtron 2400G3HT MOCVD系统系统Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系分子束外延生长分子束外延生长(MBE:Molecular Beam Epitaxy)MBE在超真空中进行，基本工艺流程包含产生轰击衬底上生长区的III，V族元素的分子束等。MBE几乎可以在GaAs基片上生长无限多的外延层。这种技术可以控制GaAs，AlGaAs或InGaAs上的生长过程，还可以控制掺杂的深度和精度达纳米极。经过MBE法，衬底在垂直方向上的结构变化具有特殊的物理属性。MBE的不足之处在于产量低。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系英国VG Semicom公司型号为V80S-Si的MBE设备关键部分照片 Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3.2 3.2 掩膜掩膜(Mask)Mask)的制版工艺的制版工艺1.1.掩膜制造掩膜制造从物理上讲,任何半导体器件及IC都是一系列互相联系的基本单元的组合,如导体,半导体及在基片上不同层上形成的不同尺寸的隔离材料等.要制作出这些结构需要一套掩膜。一个光学掩膜通常是一块涂着特定图案铬薄层的石英玻璃片，一层掩模对应一块IC的一个工艺层。工艺流程中需要的一套掩膜必须在工艺流程开始之前制作出来。制作这套掩膜的数据来自电路设计工程师给出的版图。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系什么是掩膜？什么是掩膜？掩膜是用石英玻璃做成的均匀平坦的薄片，表面上涂一层600800厚的Cr层，使其表面光洁度更高。称之为铬板，Cr mask。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 整版及单片版掩膜整版及单片版掩膜整版按统一的放大率印制，因此称为1X掩膜。这种掩膜在一次曝光中，对应着一个芯片阵列的所有电路的图形都被映射到基片的光刻胶上。单片版通常把实际电路放大5或10倍，故称作5X或10X掩膜。这样的掩膜上的图案仅对应着基片上芯片阵列中的一个单元。上面的图案可通过步进曝光机映射到整个基片上。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系早期掩膜制作方法：早期掩膜制作方法：人们先把版图(layout)分层画在纸上,每一层mask一 种 图 案.画 得 很 大,5050 cm2 或100100cm2,贴在墙上,用照相机拍照.然后缩小 1020倍,变 为 552.5x2.5 cm2 或101055 cm2的精细底片.这叫初缩.将初缩版装入步进重复照相机,进一步缩小到22 cm2或3.53.5 cm2,一步一幅印到铬(Cr)板上,形成一个阵列.Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系IC、Mask&Wafer图3.3Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系整版和整版和接触式接触式曝曝光光在这种方法中,掩膜和晶圆是一样大小的.对应于3”8”晶圆,需要3”8”掩膜.不过晶圆是圆的,掩膜是方的这样制作的掩膜图案失真较大,因为版图画在纸上,热胀冷缩,受潮起皱,铺不平等初缩时,照相机有失真步进重复照相,同样有失真从mask到晶圆上成像,还有失真.Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系2.图案发生器方法：图案发生器方法：(PG:Pattern Generator)在PG法中,规定layout的基本图形为矩形.任何版图都将分解成一系列各种大小、不同位置和方向的矩形条的组合.每个矩形条用5个参数进行描述:(X,Y,A,W,H)图 3.4Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系图案发生器方法图案发生器方法(续续)利用这些数据控制下图所示的一套制版装置。图 3.5Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3.X3.X射线制版射线制版 由于X射线具有较短的波长。它可用来制作更高分辨率的掩膜版。X-ray掩膜版的衬底材料与光学版不同，要求对X射线透明，而不是可见光或紫外线，它们常为Si或Si的碳化物。而Au的沉淀薄层可使得掩膜版对X射线不透明。X射线可提高分辨率，但问题是要想控制好掩膜版上每一小块区域的扭曲度是很困难的。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系4.电子束扫描法电子束扫描法(E-Beam Scanning)采用电子束对抗蚀剂进行曝光，由于高速的电子具有较小的波长。分辨率极高。先进的电子束扫描装置精度50nm，这意味着电子束的步进距离为50nm，轰击点的大小也为50nmFundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系电子束光刻装置电子束光刻装置:LEICA EBPG5000+Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系电子束制版三部曲：电子束制版三部曲：1)涂抗蚀剂,抗蚀剂采用PMMA.2)电子束曝光,曝光可用精密扫描仪，电子束制版的一个重要参数是电子束的亮度，或电子的剂量。3)显影:用二甲苯。二甲苯是一种较柔和的有弱极性的显影剂，显像速率大约是MIBK/IPA的1/8，用IPA清洗可停止显像过程。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系电子束扫描法电子束扫描法(续续)电子束扫描装置的用途:制造掩膜和直写光刻。电子束制版的优点：高精度电子束制版的缺点：设备昂贵制版费用高Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3.2.3 光刻光刻(Lithography)在IC的制造过程中，光刻是多次应用的重要工序。其作用是把掩膜上的图型转换成晶圆上的器件结构。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系光刻光刻步骤步骤一、晶圆涂光刻胶：清洗晶圆，在200C温度下烘干1小时。目的是防止水汽引起光刻胶薄膜出现缺陷。待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶 负胶：分辨率差，适于加工线宽3m的线条 光刻胶对大部分可见光灵敏，对黄光不灵敏，可在黄光下操作。再烘晶圆再烘，将溶剂蒸发掉，准备曝光Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系正性胶与负性胶光刻图形的形成正性胶与负性胶光刻图形的形成Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系涂光刻胶的方法涂光刻胶的方法(见下图见下图)：光刻胶通过过滤器滴入晶圆中央，被真空吸盘吸牢的晶圆以2000 8000转/分钟的高速旋转，从而使光刻胶均匀地涂在晶圆表面。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系光刻光刻步骤二、三、四步骤二、三、四二、曝光:光源可以是可见光,紫外线,X射线和电子束。光量，时间取决于光刻胶的型号，厚度和成像深度。三、显影:晶圆用真空吸盘吸牢，高速旋转，将显影液喷射到晶圆上。显影后，用清洁液喷洗。四、烘干:将显影液和清洁液全部蒸发掉。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系几种常见的光刻方法接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低投影式曝光：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，目前用的最多的曝光方式Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系接触式光刻接触式光刻1.接触式曝光方式中，把掩膜以0.05 0.3ATM 的压力压在涂光刻胶的晶圆上，曝光光源的波长在0.4m左右。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系曝光系统曝光系统(下图下图):点光源产生的光经凹面镜反射点光源产生的光经凹面镜反射得得发散光束，再经透镜变成平行光束，经发散光束，再经透镜变成平行光束，经4545 折折射后投射到工作台上。射后投射到工作台上。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系掩膜和晶圆之间实现理想接触的制约因素掩膜和晶圆之间实现理想接触的制约因素掩膜本身不平坦，晶圆表面有轻微凸凹，掩膜和晶圆之间有灰尘。掩膜和晶圆每次接触产生磨损，使掩膜可使用次数受到限制。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系非接触式光刻非接触式光刻 接近式 接近式光刻系统中，掩膜和晶圆之间有2050m的间隙。这样，磨损问题可以解决。但分辨率下降，当时，无法工作。这是因为，根据惠更斯原理，如图所示，小孔成像，出现绕射，图形发生畸变。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系缩小投影缩小投影曝曝光系统光系统工作原理:水银灯光源通过聚光镜投射在掩膜上。掩膜比晶圆小，但比芯片大得多。在这个掩膜中，含有一个芯片或几个芯片的图案，称之为母版。光束通过掩膜后，进入一个缩小的透镜组，把母版上的图案，缩小510倍，在晶圆上成像。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系缩小投影缩小投影曝曝光系统光系统(示意图示意图)Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系缩小投影缩小投影曝曝光系统的特点光系统的特点由于一次曝光只有一个母版上的内容，也就是只有一个或几个芯片，生产量不高。由于一次曝光只有一个或几个芯片，要使全部晶圆面积曝光，就得步进。步进包括XY工作台的分别以芯片长度和宽度为步长的移动和母版内容的重复曝光。投影方式分辨率高，且基片与掩膜间距较大,不存在掩膜磨损问题。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 图形刻蚀技术(Etching Technology)虽虽然然，光光刻刻和和刻刻蚀蚀是是两两个个不不同同的的加加工工工工艺艺，但但因因为为这这两两个个工工艺艺只只有有连连续续进进行行，才才能能完完成成真真正正意意义义上上的的图图形形转转移移。在在工工艺艺线线上上，这这两两个个工工艺艺是是放放在在同同一一工工序序，因因此此，有有时时也也将将这这两两个工艺步骤统称为光刻。个工艺步骤统称为光刻。湿湿法法刻刻蚀蚀：利利用用液液态态化化学学试试剂剂或或溶溶液液通通过过化化学学反反应应进进行行刻刻蚀蚀的方法。的方法。干干法法刻刻蚀蚀：主主要要指指利利用用低低压压放放电电产产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基(处处于于激激发发态态的的分分子子、原原子子及及各各种种原原子子基基团团等等)与与材材料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。发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系湿法刻蚀湿法刻蚀首先要用适当(包含有可以分解表面薄层的反应物)的溶液浸润刻蚀面，然后清除被分解的材料。如SiO2在室温下可被HF酸刻蚀。湿法刻蚀: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、腐蚀优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系干法刻蚀干法刻蚀溅射与离子束刻蚀：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，但选择性较差等离子刻蚀(Plasma Etching)：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。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)：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优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系干法刻蚀干法刻蚀反应离子刻蚀反应离子刻蚀RIERIE RIE发生在反应炉中，基片(晶圆)被放在一个已被用氮气清洗过的托盘上，然后，托盘被送进刻蚀室中，在那里托盘被接在下方的电极上。刻蚀气体通过左方的喷口进入刻蚀室。RIE的基板是带负电的。正离子受带负电的基板吸引，最终以近乎垂直的方向射入晶体，从而使刻蚀具有良好的方向性。图 3.12Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系台湾台湾AST Cirie-200等离子体刻蚀设备等离子体刻蚀设备Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3.2.4 3.2.4 掺杂掺杂掺杂目的、原理和过程掺杂目的、原理和过程掺杂的目的是以形成特定导电能力的材料区域,包括N型或P型半导体层和绝缘层。是制作各种半导体器件和IC的基本工艺。经过掺杂，原材料的部分原子被杂质原子代替,材料的导电类型决定于杂质的种类。掺杂可与外延生长同时进行，也可在其后，例如，双极性硅IC的掺杂过程主要在外延之后，而大多数GaAs及InP器件和IC的掺杂与外延同时进行。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系热扩散掺杂热扩散掺杂 热扩散是最早也是最简单的掺杂工艺，主要用于Si工艺。施主杂质用P，As，Sb，受主杂质可用B，Al。要减少少数载流子的寿命，也可掺杂少量的金 一般要在很高的温度(9501280)下进行,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扩散的掩蔽层 扩散过程中，温度与时间是两个关键参数。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系离子注入法离子注入法 离子注入技术是20世纪50年代开始研究，70年代进入工业应用阶段的。随着VLSI超精细加工技术的进展，现已成为各种半导体搀杂和注入隔离的主流技术。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系 离子注入机包含离子源，分离单元，加速器，偏向系统，注入室等。离子注入机离子注入机图 3.8Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系离子注入机工作原理离子注入机工作原理首先把待搀杂物质如B，P，As等离子化，利用质量分离器(Mass Seperator)取出需要的杂质离子。分离器中有磁体和屏蔽层。由于质量，电量的不同，不需要的离子会被磁场分离，并且被屏蔽层吸收。通过加速管，离子被加速到一个特定的能级，如10500ke。通过四重透镜，聚成离子束，在扫描系统的控制下，离子束轰击在注入室中的晶圆上。在晶圆上没有被遮盖的区域里，离子直接射入衬底材料的晶体中，注入的深度取决于离子的能量。最后一次偏转(deflect)的作用是把中性分离出去faraday cup的作用是用来吸收杂散的电子和离子Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系注入法的优缺点注入法的优缺点优点：掺杂的过程可通过调整杂质剂量及能量来精确的控制，杂质分布的均匀。可进行小剂量的掺杂。可进行极小深度的掺杂。较低的工艺温度，故光刻胶可用作掩膜。可供掺杂的离子种类较多，离子注入法也可用于制作隔离岛。在这种工艺中，器件表面的导电层被注入的离子（如+）破坏，形成了绝缘区。缺点：费用高昂在大剂量注入时半导体晶格会被严重破坏并很难恢复Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系退退 火火退火：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作用：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，起到杂质的作用消除注入引起的损伤退火方式：炉退火快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3.6 3.6 绝缘层形成绝缘层形成 在整个电子工程中，导体与绝缘体是互补而又相对的。在器件与IC工艺里也如此。在制作器件时，必须同时制作器件之间，工作层及导线层之间的绝缘层。在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘更是必不可少的。绝缘层与隔离岛的另一些功能包括：充当离子注入及热扩散的掩膜作为生成器件表面的钝化层，以保护器件不受外界影响。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系氧化硅的形成方法氧化硅的形成方法平面上的绝缘层可通过腐蚀和/或离子注入法制成。垂直方向上的不同层之间的绝缘可以使用绝缘层。绝缘层可用氧化及淀积法制成。在所有的Si工艺中，Si02被广泛用于制作绝缘层，其原因在于Si02层可直接在Si表面用干法或湿法氧化制成Si02层可用作阻止离子注入及热扩散的掩模。SiO2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。Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系氧化硅层的主要作用氧化硅层的主要作用在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的组成部分扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层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Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系IC工艺工艺3.3 BJT工艺工艺3.4 MOS工艺工艺3.5 BiMOS工艺工艺3.6 MESFET工艺与工艺与HEMT工艺工艺3.3 BJT工艺工艺Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系1.二极管二极管 （PN结）结）电路符号：电路符号：+-有电流流过有电流流过没有电流流过没有电流流过P-SiN-Si+-双极集成电路的基本元素双极集成电路的基本元素1.二极管二极管 （PN结）结）Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系1.二极管二极管 （PN结）结）np双极集成电路的基本元素双极集成电路的基本元素Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系2.双极型双极型 晶体管晶体管pnpB端端E端端C端端ECBnpnB端端E端端C端端CBENPNBECPNPBEC双极集成电路的基本元素双极集成电路的基本元素Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系CBENPNBEC?BECnpN+BECFundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系3.3 3.3 双极集成电路中元件的隔离双极集成电路中元件的隔离BECnpnBECnpnCBECBEEBEBCFundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系BECpnBECpnnn双极集成电路中元件的隔离双极集成电路中元件的隔离介质隔离介质隔离PN隔离隔离BECpn+nBECpnn+n+n+n+n+P-SiP+P+P+SFundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系1.1.2 1.1.2 双极集成电路元件的形成过程、结构和寄生效应双极集成电路元件的形成过程、结构和寄生效应BECpn+n-epin+P-SiP+P+S四层三结结构的双极晶体管四层三结结构的双极晶体管发射区发射区(N+型型)基区基区(P型型)集电区集电区(N型外延层型外延层)衬底衬底(P型型)双极集成电路元件断面图双极集成电路元件断面图n+-BLFundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系双极集成电路等效电路双极集成电路等效电路CBEpn+n-epin+n+-BLP-SiP+P+SC(n)B(p)E(n+)npnpnpS(p)等效电路等效电路隐埋层作用：隐埋层作用：1.减小寄生减小寄生pnp管的影响管的影响 2.减小集电极串联电阻减小集电极串联电阻衬底接最低电位衬底接最低电位Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系典型典型PNPN结隔离双极集成电路中元件的形成过程结隔离双极集成电路中元件的形成过程1:1:衬底选择衬底选择 确定衬底材料类型确定衬底材料类型CBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BLP型硅型硅(p-Si)确定衬底材料电阻率确定衬底材料电阻率1010.cm.cm 确定衬底材料晶向确定衬底材料晶向（111）偏离）偏离250Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系典型典型PNPN结隔离双极集成电路中元件的形成过程结隔离双极集成电路中元件的形成过程2:2:第一次光刻第一次光刻-N+-N+隐埋层扩散孔光刻隐埋层扩散孔光刻CBEpn+n-epin+P-SiP+P+Sn+-BL P-Si衬底衬底N+隐埋层隐埋层Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系具体步骤如下：1生长二氧化硅（湿法氧化）：Si(固体固体)+2H2O SiO2（固体）（固体）+2H2 Si-衬底 SiO2Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系2隐埋层光刻：隐埋层光刻：涂胶涂胶涂胶涂胶腌膜对准腌膜对准腌膜对准腌膜对准曝光曝光曝光曝光光源光源显影显影显影显影Fundamentals of IC Analysis and Design(3)材料与能源学院微电子材料与工程系材料与能源学院微电子材料与工程系AsAs掺杂（离子注入）掺杂（离子注入）掺杂（离子注入）掺杂（离子注入）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）刻蚀（等离子体刻蚀）去胶去胶去胶去胶N+去除氧化