半导体工艺技术

半导体制造工艺微电子学：Microelectronics微电子学——微型电子学核心——半导体器件半导体器件设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试物理原理—制造业—芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层曝光刻蚀硅片测试和封装用掩膜版重复20-30次沟道长度为0.15微米的晶体管栅长为90纳米的栅图形照片50m100m头发丝粗细30m1m1m(晶体管的大小)30~50m(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类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较N沟道MOS晶体管CMOS集成电路(互补型MOS集成电路)：目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的95%以上。半导体制造工艺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图形转换：光刻光刻三要素：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、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光刻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≥3m的线条正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶图形转换：光刻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(10～25m)，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三种光刻方式掩膜版光学系统光源光刻胶硅片接触式接近式投影式图形转换：光刻超细线条光刻技术甚远紫外线(EUV)电子束光刻X射线离子束光刻图形转换：刻蚀技术湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)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图形转换：刻蚀技术湿法腐蚀：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干法刻蚀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等离子刻蚀(PlasmaEtching)：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(ReactiveIonEtching，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杂质掺杂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性质，形成PN结、电阻、欧姆接触磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅掺杂工艺：扩散、离子注入扩散替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的温度(950～1280℃)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间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：Na、K、Fe、Cu、Au等元素扩散系数要比替位式扩散大6～7个数量级杂质横向扩散示意图固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等利用液态源进行扩散的装置示意图离子注入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量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定掺杂的均匀性好温度低：小于600℃可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多。可以对化合物半导体进行掺杂离子注入系统的原理示意图离子注入到无定形靶中的高斯分布情况退火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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)氧化工艺氧化：制备SiO2层SiO2的性质及其作用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SiO2的制备方法热氧化法干氧氧化水蒸汽氧化湿氧氧化干氧－湿氧－干氧(简称干湿干)氧化法氢氧合成氧化化学气相淀积法热分解淀积法溅射法进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积(ChemicalVaporDeposition)：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)APCVD反应器的结构示意图LPCVD反应器的结构示意图平行板型PECVD反应器的结构示意图化学汽相淀积(CVD)单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀积：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：500～800℃高温淀积：900℃左右化学汽相淀积(CVD)多晶硅的化学汽相淀积：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(780～820℃)的LPCVD或低温(300℃)PECVD方法淀积物理气相淀积(PVD)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蒸发原理图半导体工艺图形转换：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掺杂：离子注入退火扩散制膜：氧化：干氧氧化、湿氧氧化等CVD：APCVD、LPCVD、PECVDPVD：蒸发、溅射集成电路制造工艺20世纪60年代的典型工艺20世纪70年代的典型工艺20世纪80年代的典型工艺N-wellCMOS工艺热氧化生成SiO2；第一次光刻：打开N阱离子注入窗口；进行N阱的离子注入与二次扩散；刻蚀氧化物；1热氧化生成SiO2缓冲层；CVD淀积Si3N4；第二次光刻：定义有效沟道区域；氮化硅刻蚀；氧化层刻蚀；2热氧化生成场氧；氮化硅刻蚀；缓冲层刻蚀；清洗表面；阈值电压调整的离子注入；栅氧生长；3CVD淀积N+多晶硅栅；第三次光刻：形成多晶硅图形，定义栅极；4第四次光刻：打开N+区的离子注入窗口；磷注入；5光刻胶掩蔽条；第五次光刻：P+区离子注入；5光刻胶掩蔽条；CVD淀积SiO2；离子注入退火；6第六次光刻：接触孔刻蚀；7金属Al淀积；第七次光刻：生成金属化图形；8课程设计作业一课程设计作业一形成N阱初始氧化淀积氮化硅层光刻1版，定义出N阱反应离子刻蚀氮化硅层N阱离子注入，注磷形成P阱去掉光刻胶在N阱区生长厚氧化层，其它区域被氮化硅层保护而不会被氧化去掉氮化硅层P阱离子注入，注硼推阱去掉N阱区的氧化层退火驱入形成场隔离区生长一层薄氧化层淀积一层氮化硅光刻场隔离区，非隔离区被光刻胶保护起来反应离子刻蚀氮化硅场区离子注入热生长厚的场氧化层去掉氮化硅层形成多晶硅栅生长栅氧化层淀积多晶硅光刻多晶硅栅刻蚀多晶硅栅Salicide工艺淀积多晶硅、刻蚀并形成侧壁氧化层；淀积Ti或Co等难熔金属RTP并选择腐蚀侧壁氧化层上的金属；最后形成Salicide结构形成硅化物淀积氧化层反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层淀积难熔金属Ti或Co等低温退火，形成C-47相的TiSi2或CoSi去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或Co高温退火，形成低阻稳定的TiSi2或CoSi2形成N管源漏区光刻，利用光刻胶将PMOS区保护起来离子注入磷或砷，形成N管源漏区形成P管源漏区光刻，利用光刻胶将NMOS区保护起来离子注入硼，形成P管源漏区形成接触孔化学气相淀积磷硅玻璃层退火和致密光刻接触孔版反应离子刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔形成第一层金属淀积金属钨(W)，形成钨塞形成第一层金属淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等光刻第一层金属版，定义出连线图形反应离子刻蚀金属层，形成互连图形形成穿通接触孔化学气相淀积PETEOS通过化学机械抛光进行平坦化光刻穿通接触孔版反应离子刻蚀绝缘层，形成穿通接触孔形成第二层金属淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等光刻第二层金属版，定义出连线图形反应离子刻蚀，形成第二层金属互连图形合金形成钝化层在低温条件下(小于300℃)淀积氮化硅光刻钝化版刻蚀氮化硅，形成钝化图形测试、封装，完成集成电路的制造工艺CMOS集成电路一般采用(100)晶向的硅材料AA双极集成电路制造工艺制作埋层初始氧化，热生长厚度约为500～1000nm的氧化层光刻1#版(埋层版)，利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氧化层刻蚀掉，并去掉光刻胶进行大剂量As+注入并退火，形成n+埋层双极集成电路工艺生长n型外延层利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层将硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚度和掺杂浓度一般由器件的用途决定形成横向氧化物隔离区热生长一层薄氧化层，厚度约50nm淀积一层氮化硅，厚度约100nm光刻2#版(场区隔离版形成横向氧化物隔离区利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氮化硅层-氧化层以及一半的场氧化层刻蚀掉进行硼离子注入形成横向氧化物隔离区去掉光刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成厚的场氧化层隔离区去掉氮化硅层形成基区光刻3#版(基区版)，利用光刻胶将收集区遮挡住，暴露出基区基区离子注入硼形成接触孔：光刻4#版(基区接触孔版)进行大剂量硼离子注入刻蚀掉接触孔中的氧化层形成发射区光刻5#版(发射区版)，利用光刻胶将基极接触孔保护起来，暴露出发射极和集电极接触孔进行低能量、高剂量的砷离子注入，形成发射区和集电区金属化淀积金属，一般是铝或Al-Si、Pt-Si合金等光刻6#版(连线版)，形成金属互连线合金：使Al与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触，一般是在450℃、N2-H2气氛下处理20～30分钟形成钝化层在低温条件下(小于300℃)淀积氮化硅