微电子技术应用基础第二章集成电路的制造工艺.ppt

微电子技术应用基础第二章集成电路的制造工艺第二章第二章 集成电路的制造工艺集成电路的制造工艺 n n第九节第九节 淀积工艺淀积工艺 n n第十节第十节 外表钝化技术外表钝化技术 n n第十一节第十一节 隔离技术隔离技术 n n第十二节微电子技术的加工工艺环境第十二节微电子技术的加工工艺环境 n n第十三节第十三节 衬底材料衬底材料 n nn n第一节第一节 双极型集成电路的工艺流程双极型集成电路的工艺流程 P PN结隔离方法制造双极型集成电路的典型工艺流程。图结隔离方法制造双极型集成电路的典型工艺流程。图1 第二节第二节 MOS集成电路的工艺流程集成电路的工艺流程 N沟道铝栅沟道铝栅NMOS晶体管的制造工艺流程晶体管的制造工艺流程 图图1 CMOS集成电路工艺流程集成电路工艺流程 CMOS反相器反相器 图图2CMOS主要工艺流程图主要工艺流程图 图图3第三节第三节 外延工艺外延工艺 外延技术的采用主要有以下优点：外延技术的采用主要有以下优点：利用外延技术可以进步高频大功率晶体管利用外延技术可以进步高频大功率晶体管的频率和功率特性。的频率和功率特性。在双极型集成电路的制造工艺中，采用外在双极型集成电路的制造工艺中，采用外延技术容易实现隔离延技术容易实现隔离。利用外延技术可以根据需要方便地控制薄利用外延技术可以根据需要方便地控制薄层单晶的电阻率、电导类型、厚度及杂质分层单晶的电阻率、电导类型、厚度及杂质分布等参数。增大了工艺设计和器件制造的灵布等参数。增大了工艺设计和器件制造的灵敏性。敏性。外延生长的方法和原理 汽相外延生长的设备 图汽相外延生长的方法 汽相外延生长原理 其他外延技术 液相外延：液相外延是一种在溶液中生长晶体的方法。液相外延的优点是可以得到高纯度的外延层。分子束外延：分子束外延实际上是一种直接淀积技术。分子束外延的优点是：能准确控制外延层的化学配比，杂质分布和外延层厚度。第四节第四节 氧化工艺氧化工艺 1 1 二氧化硅的性质及其作用二氧化硅的性质及其作用(1)(1)二氧化硅的性质二氧化硅的性质 二氧化硅是理想的电绝缘材料，实验说明，二氧化硅是理想的电绝缘材料，实验说明，二氧化硅在室温附近相当宽的温度范围内性能稳二氧化硅在室温附近相当宽的温度范围内性能稳定，电阻率很高。定，电阻率很高。二氧化硅的化学特性非常稳定，二氧化硅的化学特性非常稳定，实验证明某些杂质在二氧化硅中的扩散系数实验证明某些杂质在二氧化硅中的扩散系数比在比在SiSi中的要小，因此可以用二氧化硅膜作扩散中的要小，因此可以用二氧化硅膜作扩散的掩蔽层。的掩蔽层。二氧化硅的电容性能是用介电常数表征的二氧化硅的电容性能是用介电常数表征的 。(2)(2)二氧化硅膜的作用二氧化硅膜的作用 在在MOSMOS集集成成电电路路中中，二二氧氧化化硅硅层层用用做做MOSFETMOSFET的的绝绝缘缘栅介质栅介质 二二氧氧化化硅硅层层可可以以用用做做掺掺杂杂时时的的掩掩蔽蔽层层 .可可以以作作为为注注入离子的阻挡层。入离子的阻挡层。二氧化硅膜对器件外表有保护和钝化作用二氧化硅膜对器件外表有保护和钝化作用 二氧化硅膜用做制作电容器的介质材料。二氧化硅膜用做制作电容器的介质材料。二二氧氧化化硅硅膜膜用用于于集集成成电电路路中中的的隔隔离离介介质质和和电电绝绝缘缘介介质质 2 2 二氧化硅层的热生长机理二氧化硅层的热生长机理 干氧氧化法。干氧氧化的氧化层生长机理是：处干氧氧化法。干氧氧化的氧化层生长机理是：处在高温状态的氧分子与硅片外表的硅原子接触产生在高温状态的氧分子与硅片外表的硅原子接触产生化学反响在硅外表形成二氧化硅层化学反响在硅外表形成二氧化硅层 硅的水汽氧化。硅的水汽氧化生长氧化层的机理硅的水汽氧化。硅的水汽氧化生长氧化层的机理是：高温下，水蒸气与硅材料外表接触时，水分子是：高温下，水蒸气与硅材料外表接触时，水分子与硅材料外表的硅原子发生反响生成二氧化硅层，与硅材料外表的硅原子发生反响生成二氧化硅层，湿氧氧化湿氧氧化 在实际的消费中，广泛采用的氧化方式是：干氧在实际的消费中，广泛采用的氧化方式是：干氧湿氧湿氧干氧的交替氧化生长二氧化硅的方式干氧的交替氧化生长二氧化硅的方式 3 3 二氧化硅膜的制备方法二氧化硅膜的制备方法 图图此外还有氢氧合成氧化及高压氧化等制备二氧化硅膜的方法。此外还有氢氧合成氧化及高压氧化等制备二氧化硅膜的方法。第五节第五节 化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)(CVD)方法方法 化学汽相淀积指的是通过气态物质的化学反响在化学汽相淀积指的是通过气态物质的化学反响在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。衬底上淀积一层薄膜材料的过程。化学汽相淀积技术特点是：淀积温度低，淀积薄化学汽相淀积技术特点是：淀积温度低，淀积薄膜的成分和厚度容易控制，均匀性和重复性好，膜的成分和厚度容易控制，均匀性和重复性好，适用范围宽，设备简单等诸多优点。适用范围宽，设备简单等诸多优点。1 1 化学汽相淀积二氧化硅膜化学汽相淀积二氧化硅膜 低温低温 高温高温 2 2 多晶硅膜的制备多晶硅膜的制备3 3 氮化硅膜的制备氮化硅膜的制备常用的方法是化学汽相淀积法。多用等离子体化常用的方法是化学汽相淀积法。多用等离子体化学汽相淀积学汽相淀积PECVDPECVD方法。方法。第六节第六节 掺杂技术掺杂技术 掺杂是指将需要的杂质掺入到半导体特定的区域掺杂是指将需要的杂质掺入到半导体特定的区域中的技术。目的是：改变半导体的电学性质，制中的技术。目的是：改变半导体的电学性质，制造造PNPN结二极管、结二极管、NPNNPN和和PNPPNP晶体管、电阻器等。在晶体管、电阻器等。在集成电路消费中扩散和离子注入掺杂是常用的两集成电路消费中扩散和离子注入掺杂是常用的两种掺杂技术。种掺杂技术。1 1 扩散原理扩散原理(1)(1)扩散的本质与扩散方法扩散的本质与扩散方法 在集成电路工艺中的扩散指的是在一定温度下，在集成电路工艺中的扩散指的是在一定温度下，族元素硼族元素硼B B或或V V族元素磷族元素磷P P、砷、砷ASAS等原子可以抑制阻力进入半导体硅中并缓慢等原子可以抑制阻力进入半导体硅中并缓慢地挪动。地挪动。进入半导体中的杂质原子有替位式扩散和间隙式进入半导体中的杂质原子有替位式扩散和间隙式扩散两种方式。扩散两种方式。(2)(2)两种外表源的扩散方程的解两种外表源的扩散方程的解 图图1 1 图图2 2(3)(3)扩散工艺的主要参数扩散工艺的主要参数 薄层电阻。图薄层电阻。图3 3 图图4 4 PN PN结结深结结深Xj Xj 磨角法磨角法 Xj=dsin Xj=dsin 图图滚槽法滚槽法 Xj=ab/2R Xj=ab/2R 图图(4)(4)杂质的横向扩散杂质的横向扩散在大规模集成电路制造工艺中应减小或防止杂质的横向扩散在大规模集成电路制造工艺中应减小或防止杂质的横向扩散 图图2 2 扩散工艺扩散工艺固态源扩散装置固态源扩散装置 图图工工艺艺过过程程为为：先先是是固固态态氮氮化化硼硼源源的的活活化化,活活化化后后的的氮氮化化硼硼源源与与硅硅片片间间隔隔等等间间隔隔 立立放放在在反反响响室室内内，加加热热到到960960扩扩散散,将将预预淀淀积积后后的的硅硅晶晶片片在在稀稀氢氢氟氟酸酸中中漂漂去去掺掺入入硼硼的的二二氧氧化化硅硅硼硼硅硅玻玻璃璃层层后，继续进展再分布扩散后，继续进展再分布扩散.3 3 离子注入掺杂技术离子注入掺杂技术 (1)(1)离子注入装置离子注入装置 图图(2)(2)离子源离子源 (3)(3)磁分析器磁分析器 (4)(4)加速器加速器 。(5)(5)聚焦和扫描器。聚焦和扫描器。(6)(6)靶室和偏束板。靶室和偏束板。(7)(7)真空排气系统和电气控制器真空排气系统和电气控制器。(8)(2)(2)离子注入的原理离子注入的原理 图图(3)(3)离子注入的杂质分布离子注入的杂质分布 (4)(4)离子注入掺杂技术的特点离子注入掺杂技术的特点 被注入的杂质离子是经过质量分析器挑选出来的，被选中的离子纯被注入的杂质离子是经过质量分析器挑选出来的，被选中的离子纯度高、能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。度高、能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。离子注入可以在较低温度离子注入可以在较低温度(400)(400)下进展，所以可以防止热扩散所下进展，所以可以防止热扩散所引入的晶体缺陷。引入的晶体缺陷。离子注入掺杂的均匀性好，可以在较大面积上形成既薄又均匀的掺离子注入掺杂的均匀性好，可以在较大面积上形成既薄又均匀的掺杂层，而且横向扩散比热扩散小得多。杂层，而且横向扩散比热扩散小得多。离子注入技术对于注入离子的能量和剂量可以分别独立地控制，因离子注入技术对于注入离子的能量和剂量可以分别独立地控制，因此可以准确控制掺杂的浓度和掺杂深度。此可以准确控制掺杂的浓度和掺杂深度。第七节第七节 光刻工艺光刻工艺1 1 光刻工艺步骤光刻工艺步骤在二氧化硅薄膜上开窗口的光刻工艺步骤在二氧化硅薄膜上开窗口的光刻工艺步骤 图图 光光刻刻工工艺艺流流程程 (1)(1)清清洗洗后后的的硅硅片片；(2)(2)涂涂感感光光胶胶；(3)(3)前前烘烘；(4)(4)曝光；曝光；(5)(5)显影；显影；(6)(6)坚膜及腐蚀；坚膜及腐蚀；(7)(7)去胶去胶 光刻的流程光刻的流程 清清洁洁处处理理。涂涂感感光光胶胶。前前烘烘。曝曝光光。显显影影。坚膜。坚膜。腐蚀。腐蚀。去胶。去胶。清洗。清洗。2 2常见的几种光刻方法常见的几种光刻方法常常用用的的光光刻刻方方法法有有接接触触式式光光刻刻、接接近近式式光光刻刻和和投投影影式式光光刻刻三三种种 .图图3 3 超细线条曝光技术超细线条曝光技术 远紫外线曝光技术。远紫外线曝光技术。电子束曝光技术。电子束曝光技术。离子束曝光技术。离子束曝光技术。X X射线曝光技术。射线曝光技术。第八节第八节 刻蚀技术刻蚀技术 1 1 湿法腐蚀湿法腐蚀湿法腐蚀就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进湿法腐蚀就是将晶片置于液态的化学腐蚀液中进展腐蚀。根据被腐蚀膜层材料的不同，配制不同展腐蚀。根据被腐蚀膜层材料的不同，配制不同的腐蚀液进展腐蚀。的腐蚀液进展腐蚀。二氧化硅的腐蚀二氧化硅的腐蚀 铝的腐蚀铝的腐蚀 2 2 干法腐蚀干法腐蚀 干法腐蚀是使腐蚀剂处于干法腐蚀是使腐蚀剂处于“活性气态情况下，活性气态情况下，与被腐蚀的晶片外表接触而实现腐蚀的。干法腐与被腐蚀的晶片外表接触而实现腐蚀的。干法腐蚀分为等离子体腐蚀、物理腐蚀和反响离子腐蚀蚀分为等离子体腐蚀、物理腐蚀和反响离子腐蚀三类。三类。淀积工艺淀积工艺 在在集集成成电电路路制制造造工工艺艺中中，金金属属电电极极膜膜的的淀淀积积方方法法常常用用的的有有真真空空蒸发法和溅射法，这两种方法都属于物理汽相淀积技术。蒸发法和溅射法，这两种方法都属于物理汽相淀积技术。1 1 真空蒸发方法真空蒸发方法 电阻加热蒸发电阻加热蒸发 图图 电子束蒸发电子束蒸发 2 2 溅射技术溅射技术外表钝化技术外表钝化技术 为了进步器件稳定性和可靠性，主要采取的措施有为了进步器件稳定性和可靠性，主要采取的措施有 掺氯氧化。掺氯氧化。掺磷氧化。掺磷氧化。氮化硅氮化硅Si3N4Si3N4钝化膜。钝化膜。三氧化二铝钝化膜。三氧化二铝钝化膜。隔离技术隔离技术 1 1 双极型集成电路中的隔离技术双极型集成电路中的隔离技术(1)PN(1)PN结隔离结隔离图图PNPN结隔离工艺的优点是方法简单、易于制造、无需结隔离工艺的优点是方法简单、易于制造、无需特殊技术和设备。但其缺点是：特殊技术和设备。但其缺点是：由于由于PNPN结漏电流的存在，隔离性能欠理想。结漏电流的存在，隔离性能欠理想。由于隔离扩散时的横向扩散，因此要占用较多由于隔离扩散时的横向扩散，因此要占用较多芯片面积，这对进步集成度不利。芯片面积，这对进步集成度不利。隔离结面积大，由于隔离结面积大，由于PNPN结的电容效应，会影响结的电容效应，会影响高频放大器的频率响应和高速数字电路的速度。高频放大器的频率响应和高速数字电路的速度。PN PN结隔离的抗辐照才能差，受温度影响大。这结隔离的抗辐照才能差，受温度影响大。这是因为是因为PNPN结的电特性对温度和辐射影响灵敏的缘故。结的电特性对温度和辐射影响灵敏的缘故。(2)PN(2)PN结对通隔离结对通隔离 对通隔离工艺示意图对通隔离工艺示意图 图图(3)(3)集电极隔离扩散集电极隔离扩散 集电极隔离扩散工艺示意图集电极隔离扩散工艺示意图 图图(4)(4)双极型集成电路中的介质隔离双极型集成电路中的介质隔离 介质隔离工艺示意图介质隔离工艺示意图 图图氧化；氧化；b b 光刻；光刻；c c 腐蚀；腐蚀；d d 生成氧化硅；生成氧化硅；e e 生生成多晶硅；成多晶硅；f f 形成形成N N型硅型硅(5)(5)双极型集成电路中的双极型集成电路中的PNPN结介质隔离结介质隔离 PNPN结结-介质混合隔离工艺介质混合隔离工艺 图图(a(a N N+埋层扩散；埋层扩散；b b 扩散保护环；扩散保护环；c c 外延外延N N型层；型层；d d 开槽；开槽；e e 隔离氧化隔离氧化 2 2 MOS MOS集成电路中的隔离技术集成电路中的隔离技术 图图(a)NMOS;(b)PMOS;(c)P(a)NMOS;(b)PMOS;(c)P阱阱CMOS;(d)NCMOS;(d)N阱阱CMOSCMOSe e 双阱双阱场寄生场寄生MOSFETMOSFET 图图(1)(1)标准场氧化隔离标准场氧化隔离图图(2)(2)部分氧化隔离部分氧化隔离 图图微电子技术的加工工艺环境微电子技术的加工工艺环境 1 1 超净空间环境超净空间环境 污染来源。污染来源。净化标准。净化标准。2 2 超纯水超纯水超纯水的制备方法有：离子交换法、电渗析法和反超纯水的制备方法有：离子交换法、电渗析法和反浸透法。浸透法。3 3 超纯气体和化学试剂超纯气体和化学试剂(1)(1)气体纯度要求气体纯度要求 (2)(2)化学试剂纯度要求化学试剂纯度要求 衬底材料衬底材料 加加工工微微电电子子器器件件对对单单晶晶衬衬底底材材料料的的要要求求主主要要有有以以下下几点：几点：导电类型。导电类型。电阻率。电阻率。寿命。寿命。晶体完好性。晶体完好性。晶向。晶向。晶向标记。晶向标记。单晶直径尽可能大。单晶直径尽可能大。返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回(a)(a)生长二氧化硅膜；生长二氧化硅膜；(b)(b)淀积氮化硅膜；淀积氮化硅膜；(c)光刻场区氧化窗口；光刻场区氧化窗口；(d)场区氧化；场区氧化；(e)刻蚀掉氮化硅刻蚀掉氮化硅