第一章《常规集成平面工艺》

第一章常规集成平面工艺§1-1半导体材料及半导体材料的特性硅是自然界中蕴含最丰富的元素之一，约占地壳重量的25％。硅是电子工业中最重要的半导体材料，在自然界中以硅土和硅酸盐的形态出现，它是元素周期表中被研究得最多的元素之一。按重量计算，硅土约占地壳的25％，它的丰富程度仅次于氧。自然界中的固态物质，可分为晶体和非晶体两大类。晶体和非晶体在内部结构、物理性质和化学性质上都存在着明显的差别。§1-1-1半导体材料的特征与属性我们知道，若以电阻率（ρ）来度量自然界物质的导电能力，可划分为三类：一类是易于导电的物质，即导体，其电阻率范围在1×10-6Ω·CM至1×10-3Ω·CM之间；一类是不易导电的物质，即绝缘体，其电阻率范围在1×108Ω·CM至1×1020Ω·CM之间；一类则是半导体，其电阻率范围在1×10-3Ω·CM至1×108Ω·CM之间。半导体器件是以半导体材料为基本原材料，利用半导体材料的某些特性制造而成的，特别是半导体的掺杂特性。图1-1硅111向提取的六棱柱晶胞图1-2六棱柱晶胞原子排列的方式§1-2半导体材料的冶炼及单晶制备图1-3硅材料的冶炼及单晶材料的加工、制备流程图1-4大直径硅单晶图1-5硅单晶材料成品表1-1半导体材料水平与集成电路特征指标关系览表年代圆片直径（mm）圆片厚度（μm）平整度(μm)芯片规模DRAM特征尺寸(μm)19685025015-201K(LSI)8-1019727538010-154K(LSI)5-7197675-100380-5256-1016K(LSI)3-51980100-125525-6254-664K(VLSI)2-31984150625-6751.5-2256K(VLSI)1.5-21988200725-7751-1.51M(ULSI)1.0-1.5图1-6硅单晶晶棒成品由表1-1可见，随着硅圆片表征参数指标的不断提高，“集成度”的规模增长十分明显。同时，对于同等面积的管芯芯片来讲，以16兆位动态存储器为例，采用6英寸的硅圆片可以得到100个电路管芯，而采用8英寸的硅圆片可以得到200个电路管芯。§1-3半导体材料的提纯技术我们已经讨论了半导体硅材料及硅衬底晶片的制备和加工过程。我们知道，由冶炼硅材料的原料（石英石-SiO2）经过1600℃～1800℃的高温炭还原得到粗硅。要提纯粗硅，就要首先获得硅的中间化合物，对该化合物进行提纯之后，再分解、还原从而获得高纯硅。当前的硅材料制备产业中，通常是通过对粗硅的高温氯化得到四氯化硅（SiCL4）。将粗硅转化为四氯化硅（SiCL4）的目的也就在于对硅原料提纯，获得高纯度的四氯化硅（SiCL4）。获得高纯度四氯化硅（SiCL4）的工业产业化模式是工业精馏方式，要经过多级物化精馏过程。图1-7氯精馏塔装置示意图1.蒸馏釜体：用于蒸馏环节装载原料（如：待精馏的四氯化硅原料）的金属釜体是不锈钢材料的。将待精馏的四氯化硅原料置于其中。蒸馏釜体与加热装置、温度控制装置共一体，可十分方便地设定、控制蒸馏的温度。图1-8连续性精馏系统装置形象示意图§1-4半导体单晶材料的制备集成电路的高集成度和高可靠性要求使得它对工艺衬底片的质量有着极高的要求，而集成电路制造对硅单晶体晶体取向和掺杂浓度的精度也有极高的要求。当集成电路的集成度达到超大规模的层次时，电路中的元器件电性区域已在微米数量级的水平上，电极布线尺寸以及电极间的线间间距更是处于亚微米的层次，这样，硅工艺衬底片体内的晶体缺陷或缺陷群以及在每道高温工序环节引发的诱生缺陷，都会造成局部的杂质梯度的异常分布，从而造成电性区的局部甚至是整体失效、造成PN结结面不平整而引发单结特性变差。所以，随着集成电路的规模继续扩大，对工艺衬底片的结晶质量要求也会将更高。图1-9直拉单晶生长工艺步骤示意图整个直拉硅单晶的过程包括：引晶（下种）、缩颈（细颈）、放肩、等颈生长和收尾等诸工艺阶段。§1-5单晶制备过程中的晶体缺陷通常，用来制造集成电路的衬底材料主要有三种类型：一是元素半导体，如锗和硅；二是化合物半导体材料，如砷化镓材料；三是绝缘体类：如蓝宝石和尖晶石。由于它们的结构、组成或作用各有不同的特点，故各自体内的杂质、缺陷对器件性能的影响也不尽相同。以硅单晶为衬底时，硅体内的杂质和硅晶体缺陷对其后在衬底上生长的外延层质量有很大影响。§1-6常规集成电路制造技术基础§1-6-1常规双极晶体管的工艺结构使常规双极性晶体管处于信号放大的工作状态下，依据双极性晶体管的放大原理可知：要使晶体管正常工作（以NPN晶体管为例），要求该晶体管在结构上满足以下3点：晶体管发射区（N区）的电子浓度要远远大于基区（P区）的空穴浓度。所谓电子浓度，表示每立方厘米单位体积内电子的个数；所谓空穴浓度，表示每立方厘米单位体积内空穴的个数。2该晶体管的基区要非常非常地薄，仅具有几微米的宽度。只有这样，才能满足基区形成的电子扩散流远远地大于空穴复合流。实现半导体材料的导电类型改变，要采用高温热扩散法将某种特定的杂质元素掺入到某特定导电类型的半导体内部，掺入的杂质浓度（与体内原杂质导电类型相反）远高于（通常，要高于二个数量级以上）体内的原杂质浓度，方可使半导体反型。这就是说，实现半导体材料的导电类型改变，必须采用高浓度补偿。§1-6-2常规双极性晶体管平面工艺流程NPN晶体管管芯的制造工艺流程：衬底制备（N+型单晶硅衬底）；生长N-型单晶硅外延层；基区氧化层生长（即一次氧化）；光刻基区扩散窗口；基区（P型硼扩散）预淀积扩散；基区扩散再分布（即二次氧化）；发射区氧化层生长；光刻发射区扩散窗口；发射区（N+型磷扩散）预淀积扩散；发射区扩散再分布（即三次氧化）；腐蚀介质保护层并生长表面钝化层；光刻电极引线孔；真空蒸铝；铝电极反刻。不同型号的器件固然其平面工艺的流程与构架略有不同，但就其平面工艺的结构主体工序而言是没有本质区别的。只是以常规硅平面工艺的结构主体工序以不同的交替与组合而已。以下图表示：图1-15NPN晶体管管芯的制造工艺流程