微电子技术应用基础第二章集成电路的制造工艺课件

第二章集成电路的制造工艺

第一节双极型集成电路的工艺流程第二节MOS集成电路的工艺流程第三节外延工艺第四节氧化工艺第五节化学汽相淀积(CVD)方法第六节掺杂技术第七节光刻工艺第八节刻蚀技术

​第二章集成电路的制造工艺第一节双极型集成电路的工艺流程1第二章集成电路的制造工艺

第九节淀积工艺第十节表面钝化技术第十一节隔离技术第十二节微电子技术的加工工艺环境第十三节衬底材料​第二章集成电路的制造工艺第九节淀积工艺​2第一节双极型集成电路的工艺流程

PN结隔离方法制造双极型集成电路的典型工艺流程。图1

​第一节双极型集成电路的工艺流程​3第二节MOS集成电路的工艺流程N沟道铝栅NMOS晶体管的制造工艺流程图1CMOS集成电路工艺流程CMOS反相器图2CMOS主要工艺流程图图3​第二节MOS集成电路的工艺流程​4第三节外延工艺

外延技术的采用主要有以下优点：①利用外延技术可以提高高频大功率晶体管的频率和功率特性。②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。③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、厚度及杂质分布等参数。增大了工艺设计和器件制造的灵活性。​第三节外延工艺​5

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：能精确控制外延层的化学配比，杂质分布和外延层厚度。​外延生长的方法和原理​6第四节氧化工艺1二氧化硅的性质及其作用(1)二氧化硅的性质①二氧化硅是理想的电绝缘材料，实验表明，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。②二氧化硅的化学特性非常稳定，③实验证明某些杂质在二氧化硅中的扩散系数比在Si中的要小，因而可以用二氧化硅膜作扩散的掩蔽层。④二氧化硅的电容性能是用介电常数表征的。​第四节氧化工艺​7(2)二氧化硅膜的作用①在MOS集成电路中，二氧化硅层用做MOSFET的绝缘栅介质②二氧化硅层可以用做掺杂时的掩蔽层.可以作为注入离子的阻挡层。③二氧化硅膜对器件表面有保护和钝化作用④二氧化硅膜用做制作电容器的介质材料。⑤二氧化硅膜用于集成电路中的隔离介质和电绝缘介质​(2)二氧化硅膜的作用​82二氧化硅层的热生长机理①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表面的硅原子接触产生化学反应在硅表面形成二氧化硅层②硅的水汽氧化。硅的水汽氧化生长氧化层的机理是：高温下，水蒸气与硅材料表面接触时，水分子与硅材料表面的硅原子发生反应生成二氧化硅层，③湿氧氧化④在实际的生产中，广泛采用的氧化方式是：干氧—湿氧—干氧的交替氧化生长二氧化硅的方式​2二氧化硅层的热生长机理​93二氧化硅膜的制备方法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。

​3二氧化硅膜的制备方法图​10第五节化学汽相淀积(CVD)方法化学汽相淀积指的是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。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，适用范围宽，设备简单等诸多优点。1化学汽相淀积二氧化硅膜①低温②高温2多晶硅膜的制备3氮化硅膜的制备常用的方法是化学汽相淀积法。多用等离子体化学汽相淀积（PECVD）方法。​第五节化学汽相淀积(CVD)方法​11第六节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中的技术。目的是：改变半导体的电学性质，制造PN结二极管、NPN和PNP晶体管、电阻器等。在集成电路生产中扩散和离子注入掺杂是常用的两种掺杂技术。1扩散原理(1)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，Ⅲ族元素硼（B）或V族元素磷（P）、砷（AS）等原子能够克服阻力进入半导体（硅）中并缓慢地移动。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。

​第六节掺杂技术​12(2)两种表面源的扩散方程的解图1图2(3)扩散工艺的主要参数①薄层电阻。图3图4

②PN结结深Xj磨角法Xj=dsinθ图滚槽法Xj=ab/2R图(4)杂质的横向扩散在大规模集成电路制造工艺中应减小或避免杂质的横向扩散图​(2)两种表面源的扩散方程的解图1图2​132扩散工艺固态源扩散装置图工艺过程为：先是固态氮化硼源的活化,活化后的氮化硼源与硅片间隔等距离立放在反应室内，加热到960℃扩散,将预淀积后的硅晶片在稀氢氟酸中漂去掺入硼的二氧化硅（硼硅玻璃）层后，继续进行再分布扩散.

​2扩散工艺​143离子注入掺杂技术

离子注入装置图①离子源②磁分析器③加速器。④聚焦和扫描器。⑤靶室和偏束板。⑥真空排气系统和电气控制器。

​3离子注入掺杂技术​15(2)离子注入的原理图(3)离子注入的杂质分布(4)离子注入掺杂技术的特点①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。②离子注入可以在较低温度(400℃)下进行，所以能够避免热扩散所引入的晶体缺陷。③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。④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，因而可以精确控制掺杂的浓度和掺杂深度。

​(2)离子注入的原理图​16

第七节

光刻工艺1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

光刻工艺流程(1)清洗后的硅片；(2)涂感光胶；(3)前烘；(4)曝光；(5)显影；(6)坚膜及腐蚀；(7)去胶光刻的流程①清洁处理。②涂感光胶。③前烘。④曝光。⑤显影。⑥坚膜。⑦腐蚀。⑧去胶。⑨清洗。2常见的几种光刻方法常用的光刻方法有接触式光刻、接近式光刻和投影式光刻三种.图​第七节光刻工艺​173超细线条曝光技术

①远紫外线曝光技术。②电子束曝光技术。③离子束曝光技术。④X射线曝光技术。​3超细线条曝光技术​18第八节刻蚀技术

1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行腐蚀。根据被腐蚀膜层材料的不同，配制不同的腐蚀液进行腐蚀。①二氧化硅的腐蚀②铝的腐蚀2干法腐蚀干法腐蚀是使腐蚀剂处于“活性气态”情况下，与被腐蚀的晶片表面接触而实现腐蚀的。干法腐蚀分为等离子体腐蚀、物理腐蚀和反应离子腐蚀三类。​第八节刻蚀技术​19淀积工艺

在集成电路制造工艺中，金属电极膜的淀积方法常用的有真空蒸发法和溅射法，这两种方法都属于物理汽相淀积技术。1真空蒸发方法①电阻加热蒸发图②电子束蒸发2溅射技术​淀积工艺​20表面钝化技术

为了提高器件稳定性和可靠性，主要采取的措施有①掺氯氧化。②掺磷氧化。③氮化硅（Si3N4）钝化膜。④三氧化二铝钝化膜。​表面钝化技术​21隔离技术

1双极型集成电路中的隔离技术(1)PN结隔离图PN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：①由于PN结漏电流的存在，隔离性能欠理想。②由于隔离扩散时的横向扩散，因此要占用较多芯片面积，这对提高集成度不利。③隔离结面积大，由于PN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。④PN结隔离的抗辐照能力差，受温度影响大。这是因为PN结的电特性对温度和辐射影响灵敏的缘故。​隔离技术​22(2)PN结对通隔离对通隔离工艺示意图图(3)集电极隔离扩散集电极隔离扩散工艺示意图图(4)双极型集成电路中的介质隔离介质隔离工艺示意图

图氧化；（b）光刻；（c）腐蚀；（d）生成氧化硅；（e）生成多晶硅；（f）形成N型硅(5)双极型集成电路中的PN结介质隔离PN结-介质混合隔离工艺

图(a）N+埋层扩散；（b）扩散保护环；（c）外延N型层；（d）开槽；（e）隔离氧化​(2)PN结对通隔离​232MOS集成电路中的隔离技术图(a)NMOS;(b)PMOS;(c)P阱CMOS;(d)N阱CMOS（e）双阱场寄生MOSFET图(1)标准场氧化隔离图(2)局部氧化隔离图​2MOS集成电路中的隔离技术图​24微电子技术的加工工艺环境1超净空间环境①污染来源。②净化标准。2超纯水超纯水的制备方法有：离子交换法、电渗析法和反渗透法。3超纯气体和化学试剂(1)气体纯度要求(2)化学试剂纯度要求

​微电子技术的加工工艺环境​25衬底材料

加工微电子器件对单晶衬底材料的要求主要有以下几点：①导电类型。②电阻率。③寿命。④晶体完整性。⑤晶向。⑥晶向标记。⑦单晶直径尽可能大。

​衬底材料​26返回​返回​27返回​返回​28返回​返回​29返回​返回​30返回​返回​31返回​返回​32返回​返回​33返回​返回​34返回​返回​35返回​返回​36返回​返回​37返回​返回​38返回​返回​39返回​返回​40返回​返回​41返回​返回​42返回​返回​43返回​返回​44返回​返回​45返回​返回​46返回​返回​47返回​返回​48返回​返回​49返回​返回​50返回​返回​51返回​返回​52返回​返回​53返回​返回​54返回​返回​55返回​返回​56返回​返回​57返回​返回​58返回(a)生长二氧化硅膜；(b)淀积氮化硅膜；(c)光刻场区氧化窗口；(d)场区氧化；(e)刻蚀掉氮化硅​返回(a)生长二氧化硅膜；(b)淀积氮化硅膜；​59千里之堤溃于蚁穴，小洞不补大洞难堵。11月-2211月-22Thursday,November3,2022清洁：维持前3S的成果，制度化，规范化。20:56:2620:56:2620:5611/3/20228:56:26PM创造有魅力的质量，造就忠实顾客群体。11月-2220:56:2620:56Nov-2203-Nov-22多看一眼，安全保险；多防一步，少出事故。20:56:2620:56:2620:56Thursday,November3,2022预防保养及时做，生产顺畅不会错。11月-2211月-2220:56:2620:56:26November3,2022安全生产常抓不懈，抓而不紧，等于不抓。2022年11月3日8:56下午11月-2211月-22传播安全知识，践行社会使命。03十一月20228:56:26下午20:56:2611月-22安全挂在心上，规程握在手上。十一月228:56下午11月-2220:56November3,2022参加灭火工作是每一个成年公民的应尽义务。2022/11/320:56:2620:56:2603November2022品质你我做得好，顾客留住不会跑。8:56:26下午8:56下午20:56:2611月-22没有措施的管理是空谈的管理，没有检查和计划的管理是空洞的管理。11月-2211月-2220:5620:56:2620:56:26Nov-22行动是成功的开始，等待是失败的源头。2022/11/320:56:26Thursday,November3,2022找方法才能成功，找借口只会失败。11月-222022/11/320:56:2611月-22谢谢大家！千里之堤溃于蚁穴，小洞不补大洞难堵。11月-2211月-2260第二章集成电路的制造工艺

第一节双极型集成电路的工艺流程第二节MOS集成电路的工艺流程第三节外延工艺第四节氧化工艺第五节化学汽相淀积(CVD)方法第六节掺杂技术第七节光刻工艺第八节刻蚀技术

​第二章集成电路的制造工艺第一节双极型集成电路的工艺流程61第二章集成电路的制造工艺

第九节淀积工艺第十节表面钝化技术第十一节隔离技术第十二节微电子技术的加工工艺环境第十三节衬底材料​第二章集成电路的制造工艺第九节淀积工艺​62第一节双极型集成电路的工艺流程

PN结隔离方法制造双极型集成电路的典型工艺流程。图1

​第一节双极型集成电路的工艺流程​63第二节MOS集成电路的工艺流程N沟道铝栅NMOS晶体管的制造工艺流程图1CMOS集成电路工艺流程CMOS反相器图2CMOS主要工艺流程图图3​第二节MOS集成电路的工艺流程​64第三节外延工艺

外延技术的采用主要有以下优点：①利用外延技术可以提高高频大功率晶体管的频率和功率特性。②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。③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、厚度及杂质分布等参数。增大了工艺设计和器件制造的灵活性。​第三节外延工艺​65

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：能精确控制外延层的化学配比，杂质分布和外延层厚度。​外延生长的方法和原理​66第四节氧化工艺1二氧化硅的性质及其作用(1)二氧化硅的性质①二氧化硅是理想的电绝缘材料，实验表明，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。②二氧化硅的化学特性非常稳定，③实验证明某些杂质在二氧化硅中的扩散系数比在Si中的要小，因而可以用二氧化硅膜作扩散的掩蔽层。④二氧化硅的电容性能是用介电常数表征的。​第四节氧化工艺​67(2)二氧化硅膜的作用①在MOS集成电路中，二氧化硅层用做MOSFET的绝缘栅介质②二氧化硅层可以用做掺杂时的掩蔽层.可以作为注入离子的阻挡层。③二氧化硅膜对器件表面有保护和钝化作用④二氧化硅膜用做制作电容器的介质材料。⑤二氧化硅膜用于集成电路中的隔离介质和电绝缘介质​(2)二氧化硅膜的作用​682二氧化硅层的热生长机理①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表面的硅原子接触产生化学反应在硅表面形成二氧化硅层②硅的水汽氧化。硅的水汽氧化生长氧化层的机理是：高温下，水蒸气与硅材料表面接触时，水分子与硅材料表面的硅原子发生反应生成二氧化硅层，③湿氧氧化④在实际的生产中，广泛采用的氧化方式是：干氧—湿氧—干氧的交替氧化生长二氧化硅的方式​2二氧化硅层的热生长机理​693二氧化硅膜的制备方法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。

​3二氧化硅膜的制备方法图​70第五节化学汽相淀积(CVD)方法化学汽相淀积指的是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。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，适用范围宽，设备简单等诸多优点。1化学汽相淀积二氧化硅膜①低温②高温2多晶硅膜的制备3氮化硅膜的制备常用的方法是化学汽相淀积法。多用等离子体化学汽相淀积（PECVD）方法。​第五节化学汽相淀积(CVD)方法​71第六节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中的技术。目的是：改变半导体的电学性质，制造PN结二极管、NPN和PNP晶体管、电阻器等。在集成电路生产中扩散和离子注入掺杂是常用的两种掺杂技术。1扩散原理(1)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，Ⅲ族元素硼（B）或V族元素磷（P）、砷（AS）等原子能够克服阻力进入半导体（硅）中并缓慢地移动。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。

​第六节掺杂技术​72(2)两种表面源的扩散方程的解图1图2(3)扩散工艺的主要参数①薄层电阻。图3图4

②PN结结深Xj磨角法Xj=dsinθ图滚槽法Xj=ab/2R图(4)杂质的横向扩散在大规模集成电路制造工艺中应减小或避免杂质的横向扩散图​(2)两种表面源的扩散方程的解图1图2​732扩散工艺固态源扩散装置图工艺过程为：先是固态氮化硼源的活化,活化后的氮化硼源与硅片间隔等距离立放在反应室内，加热到960℃扩散,将预淀积后的硅晶片在稀氢氟酸中漂去掺入硼的二氧化硅（硼硅玻璃）层后，继续进行再分布扩散.

​2扩散工艺​743离子注入掺杂技术

离子注入装置图①离子源②磁分析器③加速器。④聚焦和扫描器。⑤靶室和偏束板。⑥真空排气系统和电气控制器。

​3离子注入掺杂技术​75(2)离子注入的原理图(3)离子注入的杂质分布(4)离子注入掺杂技术的特点①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。②离子注入可以在较低温度(400℃)下进行，所以能够避免热扩散所引入的晶体缺陷。③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。④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，因而可以精确控制掺杂的浓度和掺杂深度。

​(2)离子注入的原理图​76

第七节

光刻工艺1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

光刻工艺流程(1)清洗后的硅片；(2)涂感光胶；(3)前烘；(4)曝光；(5)显影；(6)坚膜及腐蚀；(7)去胶光刻的流程①清洁处理。②涂感光胶。③前烘。④曝光。⑤显影。⑥坚膜。⑦腐蚀。⑧去胶。⑨清洗。2常见的几种光刻方法常用的光刻方法有接触式光刻、接近式光刻和投影式光刻三种.图​第七节光刻工艺​773超细线条曝光技术

①远紫外线曝光技术。②电子束曝光技术。③离子束曝光技术。④X射线曝光技术。​3超细线条曝光技术​78第八节刻蚀技术

1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行腐蚀。根据被腐蚀膜层材料的不同，配制不同的腐蚀液进行腐蚀。①二氧化硅的腐蚀②铝的腐蚀2干法腐蚀干法腐蚀是使腐蚀剂处于“活性气态”情况下，与被腐蚀的晶片表面接触而实现腐蚀的。干法腐蚀分为等离子体腐蚀、物理腐蚀和反应离子腐蚀三类。​第八节刻蚀技术​79淀积工艺

在集成电路制造工艺中，金属电极膜的淀积方法常用的有真空蒸发法和溅射法，这两种方法都属于物理汽相淀积技术。1真空蒸发方法①电阻加热蒸发图②电子束蒸发2溅射技术​淀积工艺​80表面钝化技术

为了提高器件稳定性和可靠性，主要采取的措施有①掺氯氧化。②掺磷氧化。③氮化硅（Si3N4）钝化膜。④三氧化二铝钝化膜。​表面钝化技术​81隔离技术

1双极型集成电路中的隔离技术(1)PN结隔离图PN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：①由于PN结漏电流的存在，隔离性能欠理想。②由于隔离扩散时的横向扩散，因此要占用较多芯片面积，这对提高集成度不利。③隔离结面积大，由于PN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。④PN结隔离的抗辐照能力差，受温度影响大。这是因为PN结的电特性对温度和辐射影响灵敏的缘故。​隔离技术​82(2)PN结对通隔离对通隔离工艺示意图图(3)集电极隔离扩散集电极隔离扩散工艺示意图图(4)双极型集成电路中的介质隔离介质隔离工艺示意图

图氧化；（b）光刻；（c）腐蚀；（d）生成氧化硅；（e）生成多晶硅；（f）形成N型硅(5)双极型集成电路中的PN结介质隔离PN结-介质混合隔离工艺

图(a）N+埋层扩散；（b）扩散保护环；（c）外延N型层；（d）开槽；（e）隔离氧化​(2)PN结对通隔离​832MOS集成电路中的隔离技术图(a)NMOS;(b)PMOS;(c)P阱CMOS;(d)N阱CMOS（e）双阱场寄生MOSFET图(1)标准场氧化隔离图(2)局部氧化隔离图​2MOS集成电路中的隔离技术图​84微电子技术的加工工艺环境1超净空间环境①污染来源。②净化标准。2超纯水超纯水的制备方法有：离子交换法、电渗析法和反渗透法。3超纯气体和化学试剂(1)气体纯度要求(2)化学试剂纯度要求

​微电子技术的加工工艺环境​85衬底材料

加工微电子器件对单晶衬底材料的要求主要有以下几点：①导电类型。②电阻率。③寿命。④晶体完整性。⑤晶向。⑥晶向标记。⑦单晶直径尽可能大。

​衬底材料​86返回​返回​87返回​返回​88返回​返回​89返回​返回​90返回​返回​91返回​返回​92返回​返回​93返回​返回​94返回​返回​95返回​返回​96返回​返回​97返回​返回​98返回​返回​99返回​返回​100返回​返回​101返回​返回​102返回​