第三章集成电路制造工艺教案资料

本文格式为Word版，下载可任意编辑——第三章集成电路制造工艺教案资料集成电路制造工艺第三章31硅平面工艺32氧化绝缘层工艺33分散掺杂工艺34光刻工艺35掩模制版技术36外延生长工艺37金属层制备工艺38隔离工艺技术39CMOS集成电路工艺流程主要内容1950年合金法制备的晶体管即合金管或台面管半导体器件工艺技术进展的三个阶段1955年研发分散技术分散能够精确操纵为了能够精确操纵PN结的位置以及宽度等1960年硅平面工艺是半导体器件制造技术最重要的里程碑综合了分散技术和二氧化硅掩膜技术二氧化硅能有效抑制大片面施主和受主杂质的分散可以选择性地举行分散得到不同的PN区域晶片Wafer衬底硅片也称为晶圆芯片Chip在晶片上经制备出的晶体管或电路同一晶片上可制备出成千上万个布局一致的芯片晶片尺寸越大技术难度就越高目前晶片尺寸在150300mm612inch相应的生产线为612inch32氧化工艺氧化是平面工艺中最核心的技术之一1957年察觉SiO2层具有阻拦施主或受主杂质向硅内分散的作用掩蔽作用选择性分散前均要举行氧化在晶片的外观生长二氧化硅薄膜把不需分散的区域用确定厚度的SiO2养护起来对分散杂质起掩蔽作用可作为MOS器件的绝缘层栅极氧化层用作集成电路中的隔离介质和绝缘介质作为集成电路中的电容器介质对器件外观起养护钝化作用因半导体外观态对器件的影响分外大采用氧化层养护可防止环境对器件的污染一SiO2薄膜在集成电路中的作用SiO2的根本性质晶体布局结晶型石英玻璃非晶态半导体器件生产所用的SiO2薄膜属于非晶态布局物理性质惰性材料在室温相当宽的范围内性能特别稳定电阻率分外高热氧化的SiO2薄膜为1015欧姆厘米是很好的绝缘材料高介电常数二SiO2薄膜的生长方法工艺热氧化过程氧化前氧化后氧气法氧化按照氧气的处境干法氧化湿法氧化干氧生成的SiO2布局致密枯燥平匀性和重复性好掩蔽才能强与光刻胶粘附好等优点干氧化速率慢由于已生长的SiO2对氧有阻碍作用氧化的速度会逐步降低Si固体O2SiO2固体干法氧化将硅片置于通有氧气的高温环境内通过到达硅外观的氧原子与硅的作用发生回响形成SiO2将石英管高温加热至1000以上通入氧气高温下硅与水汽和氧气发生如下回响湿法氧化Si固体2H2OSiO2固体2H2湿氧氧化速率快水的分散系数大于氧气但致密度较差对P的掩蔽才能差于光刻胶的接触不良硅氢氧合成氧化Si固体2H2OSiO2固体2H2氧化速度快制止湿法氧化中水蒸气对器件带来的污染薄膜质量好纯度高高压氧化化学汽相沉积法CVD把一种几种元素的气体共给基片利用某种方式激活后在衬底外观处发生化学回响沉积所需的固体薄膜激活方式加热等离子体紫外光激光等产生高温多晶硅氮化硅氧化物碳化物等多种无机薄膜制备氧化硅时硅烷与氧的回响8001000102Pa产量大膜厚平匀600700射频电场2004003SiO2薄膜的要求和检测方法SiO2薄膜的要求外观外观厚度平匀外观致密无斑点无白雾SiO2薄膜的厚度测量外观查看法TEM干扰法椭圆激光偏振法等最常用的是干扰条纹法4氧化技术的进展趋势和面临问题随着集成电路的集成度的不断提高器件尺寸的不断减小使MOS器件的栅氧化层厚度的不断减小栅氧化层厚度从100nm1975年减小到目前的5nm栅氧化层厚度越薄那么漏电和击穿问题越严重所以需要开发高介质的栅氧化层材料随着集成电路尺寸的不断减小布线间距缩小电容明显增大使得器件的延迟增大速度变慢减小布线电容的有效方法就是采用低介质常数的材料作层间绝缘1分散定律由于浓度不平匀而导致载流子电子或空穴从高浓度处向低浓度处逐步运动的过程分散33分散掺杂工艺目的通过掺杂或补偿制作N型或P型区域一分散原理D分散系数反映分散快慢程度的物理量描述了分散过程硅片上各点杂质浓度随时间变化的规律在硅中D磷105cm2sD硼25cm2s3杂质分布特点杂质分布分散工艺形式不同但总体可分为恒定源分散限定源分散恒定源分散硅片外观处杂质浓度不随时间变化而变限定源分散硅中杂质总量不变随时间增加外观杂质浓度不断下降杂质扩入硅片的深度增大分散结深ND为样品中原来的掺杂浓度二常用的分散方法分散方法液态固态气态等在平面分散工艺中最常用的是液态源分散2液态源分散源瓶特点操纵分散T分散t气体流量来操纵掺杂量平匀重复性好设备简朴轻易操作等N2大片面直接进入管中小片面进入源瓶携带杂质源片状源分散分散源固固分散高温分散炉预沉积预分散外观恒定源的分散过程操纵硅片外观的杂质总量再分布主分散外观限定源分散过程主要用来操纵结深4双温区锑分散分散炉分两恒温区杂质源放在低温区950以操纵杂质蒸气压硅片放在高温区1250得志分散条件氮气养护携带Sb2O3蒸汽进入高温分散区集成电路中掺入杂质锑时的一种分散方法分散层质量检测方法分散的目掺杂主要检测掺入杂质的多少分散形成的PN结结深杂质的概括分布方块电阻表征分散层中掺入杂质总量的参数方块电阻薄层电阻RsR说明正方形样品电阻值与边长的大小无关回响掺杂总数与0到xj层间掺杂总量成反比R的单位测量方块电阻的方法四探针法微电子测试图法0到xj一层中掺入的杂质总量四探针法测方块电阻样品C修正因子与样品的外形厚度等有关6结深的测量用磨角法滚槽法测量杂质类型发生变化的位置即为结深三分散工艺与集成电路设计的关系1方块电阻的问题每个分散区域用途不同对R的要求也不同2横向分散的问题因杂质分散无方向不仅向下分散以横向同样存在约分散08Xj实际的分散层宽度大于氧化层最终的结面不是平面分散层之间的距离和分散窗口之间的距离设计时候要防止短路要求结深小于1微米集成电路的进展器件尺寸下降传统的分散技术不能得志要求34离子注入掺杂方法适用于结深小于1微米的平面工艺掺杂原子经离化变成带电的杂质离子电场104106eV轰击半导体基片离子注入掺杂分两步离子注入退火再分布离子注入深度较浅浓度较大务必热处理使杂质向半导体体内重新分布由于高能粒子的撞击使硅的晶格发生损伤为恢复晶格损伤离子注入后要举行退火处理2掺杂步骤注入的离子通过质量分析器选出的纯度高能量单一掺杂纯度不受杂质源纯度的影响同一平面内的杂质平匀度可保证在1的精度操纵离子束的扫描范围选择注入无掩膜技术注入深度随离子能量的增加而增加精确操纵结深注入不受杂质在衬底材料中溶解度限制各种元素均可掺杂注入时衬底温度低可制止高温分散所引起的热缺陷横向效应比热分散小得多可操纵离子束的扫描区域3离子注入优点光刻的根本原理利用光敏的抗蚀涂层光刻胶发生化学回响结合刻蚀方法在各种薄膜上生成符合要求的图形一实现选择掺杂形成金属电极和布线或外观钝化的目的35光刻工艺光刻利用光的作用把掩模版光刻版上的图形转换到晶片上的过程特征尺寸在保证确定成品率根基上光刻出最细的线条用特征尺寸评价集成电路生产线的技术水平集成电路的特征尺寸是否能够进一步减小与光刻技术的近一步进展有紧密的关系涂胶前烘曝光显定影坚膜1光刻工艺根本流程光刻根本流程2光刻涂胶采用旋转涂胶技术对晶片举行涂胶光刻胶一般有两种正性Positive光刻胶负性Negative光刻胶正性光刻胶受光或紫外线照射后感光片面发生光分解回响可溶于显影液未感光片面显影后依旧留在晶片外观负性光刻胶未感光片面溶于显影液中感光片面显影后仍留在基片外观图形对准分外重要除初次光刻外其它次光刻务必要与前几次光刻图形严格套准不能偏差丝毫曝光将光刻掩模笼罩在涂有光刻胶的硅片上光刻掩模相当于照相底片确定波长的光线通过这个底片使光刻胶获得与掩模图形同样的感光图形3对准曝光4显影与后烘将曝光后的片子举行显影溶去被感光的光刻胶留下光刻胶的图形是就掩膜版的图形显影后的光刻胶被泡软需要烘烤坚膜才能举行腐蚀DryetchofSi刻蚀分为两类湿法刻蚀各向同性刻蚀法简朴便当效率高但存在横向腐蚀问题干法刻蚀各向异性刻蚀技术等离子刻蚀5刻蚀干法刻蚀用等离子体举行薄膜刻蚀的技术借助辉光放电用等离子体中产生的粒子轰击刻蚀区是各向异性刻蚀技术在被刻蚀区域内各方向上刻蚀速度不同Si3N4多晶硅金属及合金材料采用干法刻蚀技术湿法刻蚀将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内举行腐蚀的技术是各向同性的刻蚀方法利用化学回响过程去除待刻蚀区域的薄膜材料通常SiO2采用湿法刻蚀技术有时金属铝也采用湿法刻蚀技术二超微细图形曝光技术从原理来看曝光过程光通过掩膜版总会发生衍射现象若掩膜版的线条太细光刻出的线条与间距就会辨识不清根据物理原理可知当波长为时不成能光刻出宽度小于2的线条新光刻技术根据波长越小光刻出的线条宽度越细缩小特征尺寸关键在于提升光源尽可能用波长短的光源远紫外曝光技术电子束曝光技术Xray曝光技术离子束曝光技术1远紫外曝光技术采用KrF激光光源248nmArF激光光源193nm合作新型光刻胶和多层光刻技术移项掩膜技术已能刻出025m的线条2电子束曝光技术用能量为15Kev的电子束在光刻胶上扫描形成所需光刻图形因电子波长短能刻出010m的线条主要缺点效率低设备贵电子束在光刻胶和硅衬底中会发生散射外延指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术新生单晶层的晶向取决于衬底由衬底向外延迟而成故称外延层外延生长通过操纵回响气流中的杂质含量可便当调理外延层中的杂质浓度不凭借于衬底中的杂质种类与掺杂水平外延与隔离分散相结合可解决双极型集成电路元器件间的隔离问题37外延生长技术液相外延LPELiquidPhaseEpitaxy分子束外延MBEMolecularBeamEpitaxy气相外延VPEVaporPhaseEpitaxy如金属有机物气相外延MOVPEMetalorganicVaporPhaseEpitaxy1外延分类IC中最常用的硅外延工艺用加热供给化学回响所需的能量局部加热2气相外延生长VPE气相四氯化硅在加热的硅衬底外观与氢气回响恢复出硅原子淀积在外观上在外延中掺入定量的硼磷元素可操纵外延层的电阻率和导电类型石墨板射频线圈加热15002000高温SiCl42H2Si4HCl释放出Si原子在基片外观形成单晶硅典型生长速度051mminMBE生长半导体器件级质量的膜层生长厚度为原子级MBE系统根本要求超高真空10101011加热后轰击打定沉积物质形成分子流在衬底外观淀积生长单晶层生长速率001003mmin生长速度慢设备昂贵外延质量好实施监控厚度掺杂浓度和生长质量3分子束外延MBE计算机操纵的分子束外延设备在集成电路制造中金属层的