集成电路工艺

集成电路制造工艺硅是自然界中蕴藏最丰富的元素之一，约占地壳的25%，仅次于氧；硅是目前人类研究最深入、了解最清楚的物质；硅是现在人类提取的最纯材料，也是人类制造的最大单晶。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.集成电路制造工艺介绍半导体材料工艺的发展是集成电路制造工艺发展的基础。1.1硅（Si）工艺生产技术（简称硅技术）a.硅技术在超大规模集成电路的生产中占据主要地位。b.在可预见的未来，迅速发展的硅技术将仍处主导地位。硅单晶——是最重要的集成电路衬底材料，是制作复杂微电子器件的基础。需要，在双极工艺与MOS工艺之间又衍生出BiCMOS工艺。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.1硅工艺生产技术（续1）c.以硅材料为基础的集成电路制造工艺划分在硅工艺下一般可分出两支：双极（Bipolar）工艺、MOS（金属-氧化物-半导体）场效应工艺。近年来为了适应高速大驱动和高密度低功耗ASIC与SoC设计的一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.1硅工艺生产技术（续2）d.Bipolar工艺——最早的集成电路生产工艺以有源晶体管为基础，以平面晶体管为基本单元。工艺电路的特点：-高速、高增益、低噪声、负载能力强和功耗大，-适合中、小规模集成电路和模拟集成电路（如运放、ADC和DAC等）；双极工艺在完善与发展中有最明显的两方面变化：-采用复合管的集成注入逻辑和集成肖特基逻辑结构改善了双极集成产品的密度性能比，进而提高了集成度；-在新型的BiCMOS工艺集成电路中，Bipolar工艺常依据其负载能力强的特性，用作电路或芯片的I/O部分电路。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.1硅工艺生产技术（续3）e.MOS工艺以有源场效应管（FET）为基础，以MOS开关电路和MOS放大电路为基本单元；工艺电路的特点：-结构简单、功耗低、电流电压适应范围大；-面积是对应Bipolar的1/5；-速度不快、负载能力不强和抗静电能力差等。MOS工艺自身需进一步发展和完善的地方：-在深亚微米工艺情况下的速度限制问题；-在单片集成密度达到1000万门后，功耗及封装限制问题；-提高抗静电能力等。-是MOS工艺中最常用的工艺。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.1硅工艺生产技术（续5）f.CMOS工艺——当今集成电路生产的主导工艺互补型CMOS工艺的出现，使集成电路工艺发展进入一个新时代。在CMOS电路中，P沟道MOS管作为负载器件，N沟道MOS管作为驱动器件。要求在同一个衬底上必须制造出PMOS管和NMOS管。CMOS工艺，具有一般MOS的优点，同时还具有：-超高速、高密度潜力和高增益；-低静态功耗、低噪声和低电流驱动；-宽的电源电压范围、宽的输出电压幅度（无阈值损失），可与TTL电路兼容；-适合各种规模数字集成电路和模拟集成电路；GaAs中载流子的迁移率远远高于硅中载流子的迁移率；-通常比掺杂硅要高出6倍。由于GaAs是一种化合物半导体材料，很容易将硅离子注入到GaAs中形成MFSFET的源区和漏区；从工艺上来讲，GaAs的大规模集成也比较容易实现。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.2砷化镓（GaAs）工艺a.砷化镓（GaAs）属于III-V类半导体GaAs工艺目前只用于超高速的场合，主要原因是它的工艺一致性差，使其制造的成品率远比硅材料工艺低。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍1.2砷化镓（GaAs）工艺（续1）b.以GaAs材料为基础的集成电路制造工艺划分在GaAs工艺下也可分出两支：-双极型GaAs器件，主要用于制造分离的GaAs管子和由互连形成ISL；-FETGaAs逻辑器件。c.GaAs工艺的特点基本单元的面积很小，寄生电容小，器件可直接隔离；工作速度高，适用于高速集成电路的制造；工艺一致性差，材料的缺陷密度大。数百个不同的工艺步骤，耗时约一、二个月的时间。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2．以硅工艺为基础的集成电路生产制造流程2.1集成电路生产制造基本流程集成电路的实际制作流程非常复杂，一般需经过一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤a.拉单晶硅锭半导体工业所用硅单晶80%~90%是由切克劳斯基（CZ）法制备的；对于硅来说，是一种从液体到固态的单元素晶体生长过程；晶体生长速率不同于拉晶速率，其与温度系数有密切关系。单晶硅生长炉拉单晶硅锭示意图拉单晶硅锭晶圆清洗（Cleaning）一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续1）b.硅圆晶片的形成硅是硬而脆的半导体材料，在Rockwell“A”硬度表上为72.6；对硅进行整形和切割的最合适材料是工业纯金刚石，但也有用SiC和Al2O3的；把硅锭加工成抛光好的大晶圆片，通常需要6步机械加工、2步化学加工和1~2步抛光。拉单晶硅锭切片（Slicing）晶圆研磨（Lapping）一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续2）b.硅圆晶片的形成（续1）在整个硅圆晶片的切割加工过程中约有1/3的单晶硅锭材料变成锯屑而损失掉了。晶圆拋光（Polishing）晶圆检查（Inspection）一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续3）c.氧化氧化膜（SiO2）的作用：-杂质扩散掩蔽膜。-器件表面保护或钝化膜-电路隔离介质或绝缘介质-电容介质材料-MOS管的绝缘栅材料在室温下，硅圆晶片只要在空气中一暴露，就会在表面形成各个原子层的氧化膜（SiO2）。氧化膜相当致密，能阻止更多氧原子通过它继续氧化。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续4）c.氧化（续1）氧化膜（SiO2）的重要特性——掩蔽性-由于B、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的扩散系数。-二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，除氢氟酸外，和别的酸不起作用。氢氟酸腐蚀原理如下：6442SiFSiO2HFH2SiF4HFSiF2H2O-SiF6于水。利用这一性质可将氧化膜作为掩蔽膜，光刻出IC制造中的各种窗口。方法速度均匀重复性结构掩蔽性水温干氧慢好致密好湿氧快较好中基本满足95℃水汽最快差疏松较差102℃一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续5）c.氧化（续2）由于天然形成的氧化层（SiO2）只有40埃左右。无法达到掩蔽、绝缘、保护和隔离等功能，为此需进行氧化处理工作。氧化膜（SiO2）的制备方法-目前氧化膜（SiO2）的制备方法很多，如：热分解沉积法、溅射法、阳极氧化法、等离子氧化法和热氧化法等。-唯独热氧化法制备的二氧化硅膜质量最好。常用热氧化方法注：实际采用是“干氧－－湿氧－－干氧”方法。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续6）c.氧化（续3）热氧化工艺流程清洗氧化炉检查氧气输入孔晶圆电加热一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续7）c.掺杂扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的杂质如P或B的源放入炉管内。扩散分为两步：-预淀积：将浓度很高的一种杂质元素P或B淀积在硅片表面。-推进：在高温、高压下，使硅片表面的杂质扩散到硅片内部。*在衬底材料上掺入五价磷或三价硼，以改变半导体材料的电性能。*掺杂过程是由硅的表面向体内作用的。*目前，有两种掺杂方式：扩散和离子注入。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续8）c.掺杂（续1）什么是离子注入？-将某种元素的原子经离化变成带电的离子；-在强电场中加速，获得较高的动能；-射入材料表层（靶）；-以改变这种材料表层的物理或化学性质。离子注入技术是上世纪60年代开始发展起来的一种在很多方面都优于扩散方法的掺杂工艺。确的控制离子的注入深度。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续9）c.掺杂（续2）离子注入系统一般采用气体源，如BF3、BCl3、PH3、ASH3等。-从离子源引出的离子经过加速管的加速使离子获得很高的能量；-然后进入磁分析器使离子纯化，分析后的离子可再加速以提高离子的能量；-再经过两维偏转扫描器使离子束均匀的注入到材料表面；-用电荷积分仪可精确的测量注入离子的数量，调节注入离子的能量，可精一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续10）c.掺杂（续3）离子注入过程演示*离子注入过程是一个非平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，一部分不在晶格上，因而没有电活性。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续11）c.掺杂（续4）离子注入的优点：-各种杂质浓度分布与注入浓度可通过控制掺杂剂量(1011-1016cm-2)和能量(10-200KeV)来达到；-横向分布非常均匀(1%variationacross8’’wafer)；-表面浓度不受固溶度限制，可做到浅结低浓度或深结高浓度；-注入元素可以非常纯，杂质单一性；-可用多种材料作掩膜(如金属/光刻胶/介质)，可防止沾污，自由度大；-低温过程（因此可用光刻胶作掩膜），避免高温过程引起的热扩散。离子注入的局限：-会产生缺陷，甚至非晶层，必须经高温退火加以改进；-产量不高、设备复杂；-有不安全因素(如高压、有毒气体)。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续12）d.沉积薄膜沉积技术从早期的蒸镀技术开始至今，已发展为2个主要方向。-物理气相沉积（PhysicalVaporDepositionPVD）其以物理方式进行薄膜沉积，但已不大适用于超大规模集成电路的制造。-化学气相沉积（ChemicalVaporDepositionCVD）其以化学反应进行薄膜沉积，适用于超大规模集成电路的制造。集成电路是由数层材质厚度不同的薄膜组成。而将这些薄膜置于硅圆晶片上所需要的技术，便是所谓的薄膜沉积及薄膜成长等技术。化学气相沉积是目前主要的薄膜沉积技术。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续13）d.沉积（续1）薄膜沉积工艺主要用于在硅片表面上淀积一层材料，如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃PSG等。在薄膜形成过程中，并不消耗晶片或底材的材质。化学气相沉积SiO2工艺一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续14）e.光刻光刻的目的-在SiO2或金属薄膜上刻蚀出与掩膜版完全对应的几何窗口图形。-实现选择性掺杂和金属薄膜布线等目的。光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。-刻蚀的图形完整性好，尺寸准确，边缘整齐，线条陡直；-图形内无针孔，图形外无小岛，不染色；-硅片表面清洁，无底膜;-图形套刻准确。光刻的质量要求一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续15）e.光刻（续1）掩膜扳和光刻胶。-掩膜板：亮板和暗板。-光刻胶：正胶和负胶。*正胶：曝光前不可溶，曝光后可溶（邻位醌叠氮基化合物）*负胶：曝光前可溶，曝光后不可溶（聚乙烯醇肉桂酸酯）在单片晶圆上可制作成百上千个芯片一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续16）e.光刻（续2）基于负胶的光刻步骤。-曝光：*以紫外光为光源的光学曝光就可分为接触式、接近式和投影式；*其他曝光方式还有X射线曝光、电子束曝光、直接分步重复曝光、深紫外线曝光等；*在曝光时，曝光时间、氮气释放、氧气、驻波和光线平行度等因素将影响曝光质量。-刻蚀——利用化学或物理方式对氧化硅膜、氮化膜和金属膜等上的有关区域进行腐蚀加工。一般有两种刻蚀方法：*采用图形内无针孔，图形外无小岛，不染色，腐蚀液湿法刻蚀；*采用原子游离基、分子游离基以及离子等的干法刻蚀。一、集成电路制造工艺与制造流程介绍2.2集成电路生产的各制造工艺步骤（续17）f.测