半导体器件物理 Chaer 集成电路制造工艺

第四章集成电路制造工艺

芯片制造过程图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到衬底上。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。基本步骤：硅片准备、外延、氧化、掺杂、淀积、刻蚀、光刻硅片准备

光刻（Lithography）

图形转移：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。光刻的基本原理：利用光敏抗蚀涂层（光刻胶）发生光化学反应，结合刻蚀方法在各种薄膜上生成合乎要求的图形，以实现、形成金属电极和布线或表面钝化的目的。光刻工艺流程光刻三要素：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。正胶（曝光后可溶）：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（曝光后不可溶）：分辨率差，适于加工线宽≥3m的线条。插图fig.4.6正胶：曝光后可溶负胶：曝光后不可溶亮场版和暗场场版曝光的几种方方法接触式光刻：：分辨率较高高，但是容易易造成掩膜版版和光刻胶膜膜的损伤。接近式曝光：：在硅片和掩掩膜版之间有有一个很小的的间隙(10～25mm)，可以大大减减小掩膜版的的损伤，分辨辨率较低。投影式曝光：：利用透镜或或反射镜将掩掩膜版上的图图形投影到衬衬底上的曝光光方法，目前前用的最多的的曝光方式。。（特征尺寸：0.25m)超细线条光刻刻技术（特征尺寸：0.10m)甚远紫外线(EUV)电子束光刻X射线离子束光刻特征尺寸—工艺水平的标标志：在保证证一定成品率率的最细光刻刻线条。图4.7图形转移：刻刻蚀技术湿法刻蚀：利用液态化学学试剂或溶液液通过化学反反应进行刻蚀蚀的方法。湿法化学刻蚀蚀在半导体工工艺中有着广广泛应用：磨磨片、抛光、、清洗、腐蚀蚀。优点是选择性性好、重复性性好、生产效效率高、设备备简单、成本本低。缺点是钻蚀严严重、对图形形的控制性较较差。湿法刻蚀一般般都是各向同同性的，即横横向和纵向的的腐蚀速率相相同。干法刻蚀：主要指利用用低压放电产产生的等离子子体中的离子子或游离基(处于激发态的的分子、原子子及各种原子子基团等)与材料发生化化学反应或通通过轰击等物物理作用而达达到刻蚀的目目的。溅射与离子束束铣蚀：通过过高能惰性气气体离子的物物理轰击作用用刻蚀，各向向异性性好，，但选择性较较差。等离子刻蚀(PlasmaEtching)：利用放电产产生的游离基基与材料发生生化学反应，，形成挥发物物，实现刻蚀蚀。选择性好好、对衬底损损伤较小，但但各向异性较较差。反应离子刻蚀蚀(ReactiveIonEtching，简称为RIE)：过活性离子子对衬底的物物理轰击和化化学反应双重重作用刻蚀。。具有溅射刻刻蚀和等离子子刻蚀两者的的优点，同时时兼有各向异异性和选择性性好的优点。。目前，RIE已成为VLSI工艺中应用最最广泛的主流流刻蚀技术。。掺杂工艺（Doping）掺杂：将需要要的杂质掺入入特定的半导导体区域中，，以达到改变变半导体电学学性质，形成成PN结、电阻、欧欧姆接触。掺入的杂质主主要是：磷(P)、砷(As)——N型硅硼(B)——P型硅掺杂工艺主要要包括：扩散散（diffusion)、离子注入(ionimplantation)。扩散扩散由杂质、、温度物质决决定的扩散系系数来决定。。替位式扩散：：温度高，扩扩散系数低。。间隙式扩散：：温度低，扩扩散系数高（（比替位式扩扩散大6~7个数量级），，必须严防间间隙杂质进入入扩散、氧化化、退火系统统。选择性扩散：：用氧化层作作为杂质扩散散的掩蔽层。。纵向扩散的同同时，存在横横向扩散。（（0.8xj)扩散方法主要要有固态源扩扩散和液态源源扩散。两步扩散法：：事先进行预预扩散（预淀淀积），再扩散使扩扩散层推进到到预期的深度度（再扩散））。扩散适于结较较深（0.3m)、线条较粗（3m)器件。插fig.13,fig.14,fig2.8扩散方法。液态源扩散固态源扩散离子注入：将将具有很高能能量的杂质离离子射入半导导体衬底中的的掺杂技术，，掺杂深度由由注入杂质离离子的能量和和质量决定，，掺杂浓度由由注入杂质离离子的数目(剂量)决定。离子注入的深深度由注入离离子的能量和和离子的质量量决定，可以以得到精确结结深，尤其是是浅结。低温（600oC）、掺杂均匀匀性好、离子子注入剂量可可精确控制，，重复性好、、横向扩散比比纵向扩散小小得多。可以注入各种种各样的元素素并可以对化化合物半导体体进行掺杂。。多数注入离子子停留在与硅硅晶格位置不不一致的位置置上，不具有有电活性，需需要退火处理理，激发电活活性。离子注入退火（Annealing）退火：也叫热热处理，集成成电路工艺中中所有的在氮氮气等不活泼泼气氛中进行行的热处理过过程都可以称称为退火。–激活杂质：使使不在晶格位位置上的离子子运动到晶格格位置，以便便具有电活性性，产生自由由载流子，起起到杂质的作作用。–消除损伤退火方式：–炉退火–快速退火：脉脉冲激光法、、扫描电子束束、连续波激激光、非相干干宽带频光源源(如卤光灯、电电弧灯、石墨墨加热器、红红外设备等)。氧化（Oxidation）氧化：制备SiO2层SiO2是一种十分理理想的电绝缘缘材料，它的的化学性质非非常稳定，室室温下它只与与氢氟酸发生生化学反应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化学气相淀积积法溅射法氧化硅层的主主要作用在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅栅介质，器件件的组成部分分。扩散时的掩蔽蔽层，离子注注入的(有时与光刻胶胶、Si3N4层一起使用)阻挡层。作为集成电路路的隔离介质质材料。作为电容器的的绝缘介质材材料。作为多层金属属互连层之间间的介质材料料。作为对器件和和电路进行钝钝化的钝化层层材料。化学汽相淀积积(CVD)化学汽相淀积积(ChemicalVaporDeposition)：通过气态物物质的化学反反应在衬底上上淀积一层薄薄膜材料的过过程。CVD技术特点：–具有淀积温度度低、薄膜成成分和厚度易易于控制、均均匀性和重复复性好、台阶阶覆盖优良、、适用范围广广、设备简单单等一系列优优点。–CVD方法几乎可以以淀积集成电电路工艺中所所需要的各各种薄膜，，例如掺杂或或不掺杂的SiO2、多晶硅、非非晶硅、氮化化硅、金属(钨、钼)等。常压化学汽相相淀积(APCVD)低压化学汽相相淀积(LPCVD)等离子增强化化学汽相淀积积(PECVD)物理气相淀积积(PVD)蒸发（Evaporation）：在真空系系统中，金属属原子获得足足够的能量后后便可以脱离离金属表面的的束缚成为蒸蒸汽原子，淀淀积在晶片上上。按照能量量来源的不同同，有灯丝加加热蒸发和电电子束蒸发两两种。溅射（Sputtering）：真空系统统中充入惰性性气体，在高高压电场作用用下，气体放放电形成的离离子被强电场场加速，轰击击靶材料，使使靶原子逸出出并被溅射到到晶片上。图形转移：–光刻：接触光光刻、接近光光刻、投影光光刻、电子束束光刻–刻蚀：干法刻刻蚀、湿法刻刻蚀掺杂：–离子注入退退火–扩散制膜：–氧化：干氧氧氧化、湿氧氧氧化等–CVD：APCVD、LPCVD、PECVD–PVD：蒸发、溅射射工艺小结工艺集成：NMOS晶体管热扩散散法制备工艺艺流程集成电路制造造工艺可分为为光刻、掺杂杂、氧化、淀淀积四大类，，每一类各包包括什么工艺艺技术？光刻的工艺步步骤是什么？？思考题9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。20:36:4620:36:4620:3612/28/20228:36:46PM11、以我独沈沈久，愧君君相见频。。。12月-2220:36:4620:36Dec-2228-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。20:36:4620:36:4620:36Wednesday,December28,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2220:36:4620:36:46December28,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。28十十二二月月20228:36:46下下午午20:36:4612月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月228:36下午午12月-2220:36December28,202216、行动动出成成果，，工作作出财财富。。。2022/12/2820:36:4620:36:4628December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。8:36:46下下午8:36下下午20:36:4612月-229、没没有有失失败败，，只只有有暂暂时时停停止止成成功功！！。。12月月-2212月月-22Wednesday,December28,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。20:36:4620:36:4620:3612/28/20228:36:46PM11、成功就是日日复一日那一一点点小小努努力的积累。。。12月-2220:36:4620:36Dec-2228-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。20:36:4620:36:4620:36Wednesday,December28,202213、不知知香积积寺，，数里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2220:36:4620:36:46December28,202214、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。28十二二月20228:36:46下下午20:36:4612月-2215、楚塞三三湘接，，荆门九九派通。。。。十二月228:36下午午12月-2220:36December28,202216、少年十十五二十十时，步步行夺得得胡马骑骑。。2022/12/2820:36:4620:36:4628December202217、空山新新雨后，，天气晚晚来秋。。。8:36:46下午午8:36下午午20:36:4612月-229、杨柳散和风风，青山澹吾吾虑。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、阅读一切好好书如同和过过去最杰出的的人谈话。20:36:4620:36:4620:3612/28/20228:36:46PM11、越是没有有本领的就就越加自命命不凡。12月-2220:36:4620:36Dec-2228-Dec-2212、越越是是无无能能的的人人，，越越喜喜欢欢挑挑剔剔别别人人的的错错儿儿。。20:36:4620:36:4620:36Wednes