集成电路工艺简介

1、 王武汉 2012-12-20主要内容 1、电路和集成电路 2、半导体材料及其特性 3、半导体芯片制作 4、半导体芯片制作工艺 A 氧化、扩散 B 光刻 C 金属化（布线） D 钝化1、电路和集成电路电路：由金属导线和电子部件组成的导电回路，称其为电路。1、电路和集成电路集成电路：是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，成为具有所需电路功能的微型结构；2、半导体材料及其特性 导体:容易导电的物体，叫导体。如：各种金属，酸碱 盐的水溶液，大地，人体等。 绝缘体:不容易导电的物体，叫绝缘体。如：玻璃，陶瓷，橡胶，塑料等。 半

2、导体电导率介于金属与绝缘体之间的材料，叫半导体。2、半导体材料及其特性 纯度很高的半导体材料称为本征半导体，常温下其电阻率很高，是电的不良导体。 半导体材料的导电性对某些微量杂质极敏感，可以通过掺杂改变其导电性。 杂质半导体靠导带电子导电的称N型半导体，靠价带空穴导电的称P型半导体。 N型半导体和P型半导体结合形成PN结。2、半导体材料及其特性 PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。 3、半导体芯片制作利用半导体材料的特性，采用选择性掺杂的方法，制作电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件，再布线互连一起，成为具有所需

3、功能的电路。9SiO2SiO2SiO2PNNNP光刻：形成扩散窗口扩散：形成P区SiO2氧化：形成SiO2薄膜薄膜（屏蔽）（屏蔽）光刻、扩散：形成n区二极管和三极管制作流程NNN10芯片加工芯片加工衬底硅片衬底硅片薄膜形成薄膜形成图形形成图形形成掺杂掺杂氧化光刻离子注入扩散金属化金属化芯片制造流程4、半导体芯片制作工艺 A 氧化、扩散 B 光刻 C 金属化（布线） D 钝化12A A 氧化氧化氧化工艺是半导体器件和集成电路制造中的最基本工艺。它的主要目的和用途是：杂质扩散或离子注入的掩蔽膜-选择性扩散SiO213定义定义：所谓氧化是指所谓氧化是指SiSi原子与原子与O O原子结合形成原子结合形

4、成SiOSiO2 2的过程。为满足半导体和集成电路生长的要的过程。为满足半导体和集成电路生长的要求，出现了制备膜的多种方法。求，出现了制备膜的多种方法。 Si+O2SiO2 Si+H2OSiO2+2H2机理：机理：硅的热氧化经过了以下几个过程：硅的热氧化经过了以下几个过程：氧气氧气(O(O2 2) )或水或水(H(H2 2O)O)等氧化剂，被吸附在等氧化剂，被吸附在SiOSiO2 2表面；表面；( (扩散或吸附扩散或吸附) )氧化剂以扩散形式穿过氧化剂以扩散形式穿过SiOSiO2 2达到达到SiOSiO2 2-Si-Si界面界面( (扩散扩散) )氧化剂在界面处与氧化剂在界面处与SiSi反应形

5、成反应形成SiOSiO2 2( (反应反应) ) SiSiO2气体气体O O2 2或或H H2 2O O吸附吸附扩散扩散反应反应SiSiSiSiO2氧化前氧化前氧化后氧化后氧化膜刻氧化膜刻蚀蚀特点：特点：热氧化膜生长时，并不是堆积在硅表热氧化膜生长时，并不是堆积在硅表面，而且要面，而且要“吃掉吃掉”部分硅。这是热部分硅。这是热氧化工艺与氧化工艺与CVDCVD工艺的主要区别。工艺的主要区别。h 热氧化的基本装置经过过滤的空气排气口至排气管石英罩熔凝石英管熔凝石英舟电阻加热器氧化气体O2或H2O+携带气体硅片15A A 扩散（掺杂）技术扩散（掺杂）技术掺杂是指用人为的方法，将所需杂质按照要掺杂是指

6、用人为的方法，将所需杂质按照要求的浓度与分布掺入到半导体等材料中，以求的浓度与分布掺入到半导体等材料中，以达到改变材料电学性质，形成半导体器件的达到改变材料电学性质，形成半导体器件的目的。利用掺杂技术可以制备目的。利用掺杂技术可以制备p-np-n结、电阻器、结、电阻器、欧姆接触和互连线等等。欧姆接触和互连线等等。16离子注入：离子注入：离子注入是把掺杂原子离化。然后带电离子被加速，以较高离子注入是把掺杂原子离化。然后带电离子被加速，以较高的能量注入到半导体中。经高温退火后，注入的离子活化引的能量注入到半导体中。经高温退火后，注入的离子活化引起施主或受主的作用起施主或受主的作用( (使注入离子激

7、活即运动到晶格位置起到使注入离子激活即运动到晶格位置起到电活性掺杂作用电活性掺杂作用) )，并使材料恢复晶体状态，并使材料恢复晶体状态( (因为剂量很高时因为剂量很高时可以使硅单晶严重损伤以至于变成无定形硅可以使硅单晶严重损伤以至于变成无定形硅) )。 离子注入 离子注入是把具有一定能量的带电粒子掺入到硅等衬底中。典型的离子能量是30300keV，典型的注入剂量是10111016离子数/cm2。 离子注入的主要优点在于杂质掺入量可以更加精确控制并且重复性好，以及加工温度比扩散工艺低。离子源磁分析器控制离子束的可变狭缝加速管垂直扫描器水平扫描器半导体片离子注入系统示意图18扩散原理扩散原理扩散运

8、动是微观粒子扩散运动是微观粒子(原子或分子原子或分子)热运动的统计结果。在一定温度下杂质热运动的统计结果。在一定温度下杂质原子具有一定的能量，能够克服某种阻力进入半导体，并在其中作缓慢的原子具有一定的能量，能够克服某种阻力进入半导体，并在其中作缓慢的迁移运动。迁移运动。这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体的间隙中，因此扩散这些杂质原子不是代替硅原子的位置就是处在晶体的间隙中，因此扩散也就有替位式扩散和间隙式扩散两种方式。也就有替位式扩散和间隙式扩散两种方式。扩散运动总从浓度高的地方向浓度低的地方移动。扩散运动总从浓度高的地方向浓度低的地方移动。从宏观上看，好象有一个力使原子沿着浓度下降

9、的方向运动，运动的快从宏观上看，好象有一个力使原子沿着浓度下降的方向运动，运动的快慢与温度、浓度梯度有关慢与温度、浓度梯度有关。 TMX9000氢氧合成炉氢氧合成炉 NV10-160大束流离子注入机大束流离子注入机B B 光刻光刻概述概述1、光刻是一种表面加工技术；、光刻是一种表面加工技术；2、光刻是复印图象和化学腐蚀相结合的综合性技术；、光刻是复印图象和化学腐蚀相结合的综合性技术；1、涂胶、前烘：、涂胶、前烘：2、曝光：、曝光：3、显影、坚膜：、显影、坚膜：4、腐蚀：、腐蚀：5、去胶：、去胶：光刻工艺流程23光刻流程：光刻流程：1、涂胶(涂布)2、对准、曝光3、显影(现像)(正胶为例)光源光

10、源透镜透镜透镜透镜光刻版光刻版光刻胶光刻胶硅片硅片光刻胶光刻胶硅片硅片SiO2光刻胶光刻胶硅片硅片SiO2光刻胶光刻胶硅片硅片SiO2掩模版掩模版涂胶设备光刻机C C 金属化金属化概述概述一、金属化工艺的作用一、金属化工艺的作用金属化工艺是根据集成电路的设计要求，将各种晶体管、金属化工艺是根据集成电路的设计要求，将各种晶体管、二极管、电阻、电容等元器件用金属薄膜线条（互连线）连接二极管、电阻、电容等元器件用金属薄膜线条（互连线）连接起来，形成一个完整的电路与系统，并提供与电源等外电路相起来，形成一个完整的电路与系统，并提供与电源等外电路相连接的接点。连接的接点。金属化系统和金属化工艺的优劣将影

11、响整个电路的电特性金属化系统和金属化工艺的优劣将影响整个电路的电特性和可靠性。为提高电路速度与集成度，应尽可能缩短互连线，和可靠性。为提高电路速度与集成度，应尽可能缩短互连线，或采用多层金属化系统。或采用多层金属化系统。对金属化系统的要求对金属化系统的要求1、电导率高，能提供低阻的互连引线；、电导率高，能提供低阻的互连引线；2、与、与N+硅、硅、P+硅或高掺杂多晶硅能形成低阻的欧姆接触；硅或高掺杂多晶硅能形成低阻的欧姆接触；3、与硅、与硅、SiO2的粘附能力强；的粘附能力强；4、抗电迁移能力强；、抗电迁移能力强；5、抗电化学腐蚀能力强；、抗电化学腐蚀能力强；6、易于淀积和刻蚀；、易于淀积和刻蚀

12、；7、便于超声或热压键合，且键合点能经受长期工作；、便于超声或热压键合，且键合点能经受长期工作；8、多层互连时，层与层之间不互相渗透和扩散。、多层互连时，层与层之间不互相渗透和扩散。 符合上述要求的最佳金属材料是铝（符合上述要求的最佳金属材料是铝（Al）。）。缺点主要缺点主要电迁移问题；电迁移问题；硅在铝中扩散以引起铝在硅在铝中扩散以引起铝在Al/Si界面向硅中楔进和耐腐蚀界面向硅中楔进和耐腐蚀性等问题。性等问题。解决办法：采取解决办法：采取Al-Si、Al-Si-Cu合金；合金；Pt-Si、Pb-Si;TiW、TiN等。等。三、金属化互连系统中的失效及改进措施三、金属化互连系统中的失效及改进

13、措施1、铝尖楔现象（结穿刺现象）、铝尖楔现象（结穿刺现象）这是由于硅溶解到铝中，特别是在几个点上大量溶解形成的。这是由于硅溶解到铝中，特别是在几个点上大量溶解形成的。它使铝像尖钉一样刺入硅中，造成它使铝像尖钉一样刺入硅中，造成PN结的短路失效。结的短路失效。互连线在接触孔处的纵向结构互连线在接触孔处的纵向结构硅集成电路的金属化系统硅集成电路的金属化系统金属化互连技术金属化互连技术金属化系统金属化系统 金属化互连线分为两大类：金属化互连线分为两大类： (1) (1) 以铝为主的金属化系统，可以不加接触层、粘附层和以铝为主的金属化系统，可以不加接触层、粘附层和阻挡层等，工艺简单，容易与铝丝键合，产

14、品价格低廉，因而阻挡层等，工艺简单，容易与铝丝键合，产品价格低廉，因而获得了广泛的使用。但抗电迁移能力差。获得了广泛的使用。但抗电迁移能力差。 (2) (2) 以金为主的金属化互连，抗电迁移能力强，特别是采以金为主的金属化互连，抗电迁移能力强，特别是采用金丝球形热压键合，键合点特别牢固，适于特殊要求的高可用金丝球形热压键合，键合点特别牢固，适于特殊要求的高可靠集成电路。靠集成电路。金属化薄膜的制备金属化薄膜的制备 真空蒸发镀膜真空蒸发镀膜 真空蒸发技术是对淀积薄膜的源材料施加热能或动能，真空蒸发技术是对淀积薄膜的源材料施加热能或动能，使之分解为原子或原子的集合体，并输运到硅片表面后结合或使之分

15、解为原子或原子的集合体，并输运到硅片表面后结合或凝聚在硅片表面而形成薄膜。凝聚在硅片表面而形成薄膜。 蒸发过程：（蒸发过程：（1 1）被蒸发物质由凝聚相（固体或液体）转）被蒸发物质由凝聚相（固体或液体）转化为汽相；（化为汽相；（2 2）汽相原子或分子在真空系统中输运；（）汽相原子或分子在真空系统中输运；（3 3）汽）汽相原子或分子在衬底上淀积、成核和生长。相原子或分子在衬底上淀积、成核和生长。 电子束蒸发电子束蒸发 原理原理 电子束蒸发是利用阴极电子枪发射出电子，电子束在电子束蒸发是利用阴极电子枪发射出电子，电子束在电场作用下穿过加速极阳极进入磁场空间，通过调节磁场强度电场作用下穿过加速极阳极进入磁场空间，通过调节磁场强度控制电子束的偏转半径，准