电路 集成电路的基本制造工艺.ppt

第第1章章硅集成电路工艺硅集成电路工艺1.11.1硅衬底材料的制备硅衬底材料的制备硅衬底材料的制备硅衬底材料的制备1.21.2硅集成电路制造工艺硅集成电路制造工艺硅集成电路制造工艺硅集成电路制造工艺1.2.11.2.1集成电路加工过程简介集成电路加工过程简介集成电路加工过程简介集成电路加工过程简介 1.2.21.2.2图形转换（光刻与刻蚀工艺）图形转换（光刻与刻蚀工艺）图形转换（光刻与刻蚀工艺）图形转换（光刻与刻蚀工艺）1.2.31.2.3掺杂工艺（扩散与离子注入）掺杂工艺（扩散与离子注入）掺杂工艺（扩散与离子注入）掺杂工艺（扩散与离子注入）1.2.41.2.4制膜制膜制膜制膜（制作各种材料的薄膜）（制作各种材料的薄膜）（制作各种材料的薄膜）（制作各种材料的薄膜）1.31.3集成电路生产线集成电路生产线集成电路生产线集成电路生产线1.41.4集成电路封装集成电路封装集成电路封装集成电路封装1.51.5集成电路工艺小结集成电路工艺小结集成电路工艺小结集成电路工艺小结1.6集成电路的基本制造工艺集成电路的基本制造工艺流程流程（见教材第（见教材第1章）章）1 11.1硅衬底材料的制备硅衬底材料的制备任何集成电路的制造都离不开衬底材任何集成电路的制造都离不开衬底材料料单晶硅。制备单晶硅有两种方法：悬单晶硅。制备单晶硅有两种方法：悬浮区熔法和直拉法。浮区熔法和直拉法。悬浮区熔法是在悬浮区熔法是在20世纪世纪50年代提出看年代提出看并很快被应用到晶体制备技术中。用这种并很快被应用到晶体制备技术中。用这种方法制备的单晶硅的电阻率非常高，特别方法制备的单晶硅的电阻率非常高，特别适合制作电力电子器件。目前悬浮区熔法适合制作电力电子器件。目前悬浮区熔法制备的单晶硅仅占有很小的市场份额。制备的单晶硅仅占有很小的市场份额。2 2随着超大规模集成电路的不随着超大规模集成电路的不断发展，不但要求单晶硅的尺寸断发展，不但要求单晶硅的尺寸不断增加，而且要求所有的杂质不断增加，而且要求所有的杂质浓度能得到精密控制，而悬浮区浓度能得到精密控制，而悬浮区熔法无法满足这些要求，因此，熔法无法满足这些要求，因此，直拉法制备的单晶硅越来越多地直拉法制备的单晶硅越来越多地被人们所采用。目前市场上的单被人们所采用。目前市场上的单晶硅绝大部分是采用直拉法制备晶硅绝大部分是采用直拉法制备得到的。得到的。3 3 矽矽/硅晶圓材料（硅晶圓材料（Wafer）圓圓圓圓晶是制作矽半导体晶是制作矽半导体晶是制作矽半导体晶是制作矽半导体ICIC所用之矽晶片，所用之矽晶片，所用之矽晶片，所用之矽晶片，狀似圓形，故稱晶圓。材料是矽，狀似圓形，故稱晶圓。材料是矽，狀似圓形，故稱晶圓。材料是矽，狀似圓形，故稱晶圓。材料是矽，ICIC（IntegratedCircuitIntegratedCircuit）工厂用的矽晶片即）工厂用的矽晶片即）工厂用的矽晶片即）工厂用的矽晶片即為矽晶体，因為整片的矽晶片是單一完整的為矽晶体，因為整片的矽晶片是單一完整的為矽晶体，因為整片的矽晶片是單一完整的為矽晶体，因為整片的矽晶片是單一完整的晶体，故又稱為單晶体。但在整体固态晶体晶体，故又稱為單晶体。但在整体固态晶体晶体，故又稱為單晶体。但在整体固态晶体晶体，故又稱為單晶体。但在整体固态晶体內，眾多小晶体的方向不相，則為复晶體內，眾多小晶体的方向不相，則為复晶體內，眾多小晶体的方向不相，則為复晶體內，眾多小晶体的方向不相，則為复晶體（或多晶体）。生成單晶体或多晶体与晶体（或多晶体）。生成單晶体或多晶体与晶体（或多晶体）。生成單晶体或多晶体与晶体（或多晶体）。生成單晶体或多晶体与晶体生長時的溫度，速率与雜質都有關系。生長時的溫度，速率与雜質都有關系。生長時的溫度，速率与雜質都有關系。生長時的溫度，速率与雜質都有關系。4 4生长硅单晶炉示意图生长硅单晶炉示意图5 5把块状多晶硅放入坩埚内加热到把块状多晶硅放入坩埚内加热到1440再次熔化。为了防再次熔化。为了防止硅在高温下被氧化，坩埚内被抽成真空并注入惰性气体氩气。止硅在高温下被氧化，坩埚内被抽成真空并注入惰性气体氩气。之后用纯度之后用纯度99.7%的钨丝悬挂的钨丝悬挂“硅籽晶硅籽晶”探入熔融硅中，以探入熔融硅中，以220转转/分钟的转速及分钟的转速及310毫米毫米/分钟的速率从熔液中将单晶硅分钟的速率从熔液中将单晶硅棒缓慢拉出。这样就会得到一根纯度极高的单硅晶棒，理论上棒缓慢拉出。这样就会得到一根纯度极高的单硅晶棒，理论上最大直径可达最大直径可达45厘米，最大长度为厘米，最大长度为3米。米。6 61.2.1集成电路加工过程简介集成电路加工过程简介一、硅片制备（切、磨、抛）一、硅片制备（切、磨、抛）*圆片（圆片（Wafer）尺寸与衬底厚度：尺寸与衬底厚度：3 0.4mm5 0.625mm4 0.525mm6 0.75mm硅片的大部分用于机械支撑。硅片的大部分用于机械支撑。1.2集成电路制造工艺集成电路制造工艺7 7CrystalGrowthSlicingGraphiteHeaterSiMeltSiCrystalPolishingWaferingHighTemp.AnnealingFurnaceAnnealedWaferDefectFreeSurfacebyAnnealing(SurfaceImprovement）SurfaceDefectMapPolishedWafer晶圆退火工艺流程晶圆退火工艺流程晶体生长晶体生长晶圆制作晶圆制作硅晶体硅晶体熔硅熔硅切片切片抛光抛光抛光片抛光片高温退火高温退火退火后的晶圆退火后的晶圆退火炉退火炉（改善表面）（改善表面）利用退火消除缺陷利用退火消除缺陷石墨加热器8 8二、前部工序二、前部工序9 9晶圆处理制程晶圆处理制程 晶圆处理制程之主要工作为在硅晶圆上制作电晶圆处理制程之主要工作为在硅晶圆上制作电晶圆处理制程之主要工作为在硅晶圆上制作电晶圆处理制程之主要工作为在硅晶圆上制作电路与电子元件（如电晶体管、电容器、逻辑门等），路与电子元件（如电晶体管、电容器、逻辑门等），路与电子元件（如电晶体管、电容器、逻辑门等），路与电子元件（如电晶体管、电容器、逻辑门等），为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的为上述各制程中所需技术最复杂且资金投入最多的过程过程过程过程，以微处理器（，以微处理器（，以微处理器（，以微处理器（MicroprocessorMicroprocessor）为例，其所为例，其所为例，其所为例，其所需处理步骤可达需处理步骤可达需处理步骤可达需处理步骤可达数百道数百道数百道数百道，而其所需加工机台先进且，而其所需加工机台先进且，而其所需加工机台先进且，而其所需加工机台先进且昂贵，动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温昂贵，动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温昂贵，动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温昂贵，动辄数千万一台，其所需制造环境为为一温度、湿度与度、湿度与度、湿度与度、湿度与 含尘含尘含尘含尘（ParticleParticle）均需控制的无尘室均需控制的无尘室均需控制的无尘室均需控制的无尘室/超超超超净间净间净间净间（Clean-RoomClean-Room），），），），虽然详细的处理程序是随著虽然详细的处理程序是随著虽然详细的处理程序是随著虽然详细的处理程序是随著产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步产品种类与所使用的技术有关；不过其基本处理步骤通常是晶圆先经过适当的清洗（骤通常是晶圆先经过适当的清洗（骤通常是晶圆先经过适当的清洗（骤通常是晶圆先经过适当的清洗（CleaningCleaning）之後，之後，之後，之後，接著进行氧化接著进行氧化接著进行氧化接著进行氧化（OxidationOxidation）及沉积，最後进行显影、及沉积，最後进行显影、及沉积，最後进行显影、及沉积，最後进行显影、蚀刻及离子注入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的蚀刻及离子注入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的蚀刻及离子注入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的蚀刻及离子注入等反覆步骤，以完成晶圆上电路的加工与制作。加工与制作。加工与制作。加工与制作。1010前部工序的主要工艺前部工序的主要工艺 晶圆处理制程（晶圆处理制程（晶圆处理制程（晶圆处理制程（WaferFabricationWaferFabrication；简称；简称；简称；简称 WaferWaferFabFab）1.1.图形转换：图形转换：图形转换：图形转换：将设计在掩膜版将设计在掩膜版将设计在掩膜版将设计在掩膜版(类似于照相底片类似于照相底片类似于照相底片类似于照相底片)上的图上的图上的图上的图形转移到半导体单晶片上形转移到半导体单晶片上形转移到半导体单晶片上形转移到半导体单晶片上 2.2.掺杂：掺杂：掺杂：掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等位置上，形成晶体管、接触等位置上，形成晶体管、接触等位置上，形成晶体管、接触等 3.3.制膜：制膜：制膜：制膜：制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜1111集成电路工艺图形转换：图形转换：光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻束光刻束光刻束光刻刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀掺杂：掺杂：离子注入离子注入离子注入离子注入退火退火退火退火扩散扩散扩散扩散制膜：制膜：氧化：干氧氧化、湿氧氧化等氧化：干氧氧化、湿氧氧化等氧化：干氧氧化、湿氧氧化等氧化：干氧氧化、湿氧氧化等CVDCVD：APCVDAPCVD、LPCVDLPCVD、PECVDPECVDPVDPVD：蒸发、溅射蒸发、溅射蒸发、溅射蒸发、溅射1212三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）（1 1）背面减薄）背面减薄（2 2）划片、掰片）划片、掰片（3 3）粘片）粘片（4 4）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊（5 5）切筋）切筋（6 6）整形）整形（7 7）封装）封装（8 8）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触（9 9）老化）老化（1010）成测）成测（1111）打字、包装）打字、包装13131414设计与工艺制造之间的接口是设计与工艺制造之间的接口是设计与工艺制造之间的接口是设计与工艺制造之间的接口是版图。版图。版图。版图。什么是什么是什么是什么是版图？它是一组相互套合的图形，各层版图相应版图？它是一组相互套合的图形，各层版图相应版图？它是一组相互套合的图形，各层版图相应版图？它是一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关。表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关。表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关。表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关。在计算机及其在计算机及其在计算机及其在计算机及其VLSIVLSI设计系统上设计完成的集设计系统上设计完成的集设计系统上设计完成的集设计系统上设计完成的集成电路版图还只是一些图像或成电路版图还只是一些图像或成电路版图还只是一些图像或成电路版图还只是一些图像或(和和和和)数据，在将设数据，在将设数据，在将设数据，在将设计结果送到工艺线上实验时，还必须经过一个重计结果送到工艺线上实验时，还必须经过一个重计结果送到工艺线上实验时，还必须经过一个重计结果送到工艺线上实验时，还必须经过一个重要的中间环节：要的中间环节：要的中间环节：要的中间环节：制版制版制版制版。所以，在介绍基本的集成。所以，在介绍基本的集成。所以，在介绍基本的集成。所以，在介绍基本的集成电路加工工艺之前，先简要地介绍集成电路加工电路加工工艺之前，先简要地介绍集成电路加工电路加工工艺之前，先简要地介绍集成电路加工电路加工工艺之前，先简要地介绍集成电路加工的掩模的掩模的掩模的掩模(Masks)(Masks)及其制造。及其制造。及其制造。及其制造。通常我们看到的器件通常我们看到的器件通常我们看到的器件通常我们看到的器件版图是一组复合图，这个复合图实际上是由若干版图是一组复合图，这个复合图实际上是由若干版图是一组复合图，这个复合图实际上是由若干版图是一组复合图，这个复合图实际上是由若干个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技术中的个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技术中的个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技术中的个分层图形叠合而成，这个过程和印刷技术中的套印技术非常相像。套印技术非常相像。套印技术非常相像。套印技术非常相像。版图与制版版图与制版1515制版的目的就是产生一套分层的版图掩制版的目的就是产生一套分层的版图掩模，为将来进行图形转移，即将设计的版图转模，为将来进行图形转移，即将设计的版图转移到硅片上去做准备。移到硅片上去做准备。制版制版是通过图形发生器完成图形的缩小和是通过图形发生器完成图形的缩小和重复。在设计完成集成电路的版图以后，设计重复。在设计完成集成电路的版图以后，设计者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据者得到的是一组标准的制版数据，将这组数据传送给图形发生器传送给图形发生器(一种制版设备一种制版设备)，图形发生，图形发生器（器（PG-patterngenerator）根据数据，将设）根据数据，将设计的版图结果分层的转移到掩模版上计的版图结果分层的转移到掩模版上(掩模版掩模版为涂有感光材料的优质玻璃板为涂有感光材料的优质玻璃板)，这个过程叫，这个过程叫初缩。初缩。16161.2.2图形转换（光刻与刻蚀工艺）图形转换（光刻与刻蚀工艺）光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技光刻是加工集成电路微图形结构的关键工艺技术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。术，通常，光刻次数越多，就意味着工艺越复杂。另另另另方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺方面，光刻所能加工的线条越细，意味着工艺线水平越高。光刻工艺是完成在整个硅片上进行开线水平越高。光刻工艺是完成在整个硅片上进行开线水平越高。光刻工艺是完成在整个硅片上进行开线水平越高。光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。窗的工作。窗的工作。窗的工作。光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，光刻技术类似于照片的印相技术，所不同的是，相纸上有感光材料，而硅片上的感光材料相纸上有感光材料，而硅片上的感光材料相纸上有感光材料，而硅片上的感光材料相纸上有感光材料，而硅片上的感光材料-光刻胶光刻胶光刻胶光刻胶是通过旋涂技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当是通过旋涂技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当是通过旋涂技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当是通过旋涂技术在工艺中后加工的。光刻掩模相当于照相底片，一定的波长的光线通过这个于照相底片，一定的波长的光线通过这个于照相底片，一定的波长的光线通过这个于照相底片，一定的波长的光线通过这个“底片底片底片底片”，在光刻胶上形成与掩模版（光罩）图形相反的感，在光刻胶上形成与掩模版（光罩）图形相反的感，在光刻胶上形成与掩模版（光罩）图形相反的感，在光刻胶上形成与掩模版（光罩）图形相反的感光区，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，在光刻光区，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，在光刻光区，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，在光刻光区，然后进行显影、定影、坚膜等步骤，在光刻胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形胶膜上有的区域被溶解掉，有的区域保留下来，形成了版图图形。成了版图图形。成了版图图形。成了版图图形。1717光刻是集成电路制造过程中最复杂光刻是集成电路制造过程中最复杂和最关键的工艺之一。光刻工艺利用光和最关键的工艺之一。光刻工艺利用光敏的抗蚀涂层敏的抗蚀涂层(光刻胶光刻胶)发生光化学反应，发生光化学反应，结合刻蚀的方法把掩膜版图形复制到圆结合刻蚀的方法把掩膜版图形复制到圆硅片上，为后序的掺杂、薄膜等工艺做硅片上，为后序的掺杂、薄膜等工艺做好准备。在芯片的制造过程中，会多次好准备。在芯片的制造过程中，会多次反复使用光刻工艺。现在，为了制造电反复使用光刻工艺。现在，为了制造电子器件要采用多达子器件要采用多达24次光刻和多于次光刻和多于250次次的单独工艺步骤，使得芯片生产时间长的单独工艺步骤，使得芯片生产时间长达一个月之久。目前光刻已占到总的制达一个月之久。目前光刻已占到总的制造成本的造成本的1/3以上，并且还在继续提高。以上，并且还在继续提高。1818正正胶胶：曝曝光光后后可可溶溶分分辨辨率率高高负负胶胶：曝曝光光后后不不可可溶溶分分辨辨率率差差1919 光刻光刻光刻光刻(Photolithography&Etching)(Photolithography&Etching)过程如下：过程如下：过程如下：过程如下：1 1打底膜（打底膜（打底膜（打底膜（HMDS-HMDS-粘附促进剂）粘附促进剂）粘附促进剂）粘附促进剂）2 2.涂光刻胶涂光刻胶涂光刻胶涂光刻胶3.3.前烘前烘前烘前烘 4 4对版曝光对版曝光对版曝光对版曝光 5 5显影显影显影显影 6.6.坚膜坚膜坚膜坚膜7 7刻蚀：采用干法刻蚀（刻蚀：采用干法刻蚀（刻蚀：采用干法刻蚀（刻蚀：采用干法刻蚀（DryEtchingDryEtching）8 8去胶：化学方法及干法去胶去胶：化学方法及干法去胶去胶：化学方法及干法去胶去胶：化学方法及干法去胶(1)(1)丙酮中，然后用无水乙醇丙酮中，然后用无水乙醇丙酮中，然后用无水乙醇丙酮中，然后用无水乙醇(2)(2)发烟硝酸发烟硝酸发烟硝酸发烟硝酸(3)(3)等离子体的干法刻蚀技术等离子体的干法刻蚀技术等离子体的干法刻蚀技术等离子体的干法刻蚀技术2020光刻三要素：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶、掩膜版和光刻机l l光光光光刻刻刻刻胶胶胶胶又又又又叫叫叫叫光光光光致致致致抗抗抗抗蚀蚀蚀蚀剂剂剂剂，它它它它是是是是由由由由光光光光敏敏敏敏化化化化合合合合物物物物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体l l光光光光刻刻刻刻胶胶胶胶受受受受到到到到特特特特定定定定波波波波长长长长光光光光线线线线的的的的作作作作用用用用后后后后，导导导导致致致致其其其其化化化化学学学学结结结结构构构构发发发发生生生生变变变变化化化化，使使使使光光光光刻刻刻刻胶胶胶胶在在在在某某某某种种种种特特特特定定定定溶溶溶溶液中的溶解特性改变液中的溶解特性改变液中的溶解特性改变液中的溶解特性改变正正胶胶：分分辨辨率率高高，在在超超大大规规模模集集成成电电路路工工艺中，一般只采用正胶艺中，一般只采用正胶负负胶胶：分分辨辨率率差差，适适于于加加工工线线宽宽3 m的的线条线条2121几种常见的光刻方法接触式光刻、接近式曝光、投影式曝光接触式光刻、接近式曝光、投影式曝光2222光学曝光的各种曝光方式及其利弊光学曝光的各种曝光方式及其利弊接接触触式式非非接接触触式式优点：设备简单，分辨率较高。优点：设备简单，分辨率较高。缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。缺点：掩模版与晶片易损伤，成品率低。接近式接近式优点：掩模版寿命长，成本低。优点：掩模版寿命长，成本低。缺点：衍射效应严重，影响分辨率。缺点：衍射效应严重，影响分辨率。投影式投影式全反射全反射折射折射优点：无像差，无驻波效应影响。优点：无像差，无驻波效应影响。缺点：光学系统复杂，对准困难。缺点：光学系统复杂，对准困难。优点：对片子平整度要求低，可采用优点：对片子平整度要求低，可采用较大孔径的透镜以提高分辨率，掩模较大孔径的透镜以提高分辨率，掩模制造方便。制造方便。缺点：设备昂贵，曝光效率低。缺点：设备昂贵，曝光效率低。2323各种光源的比较：各种光源的比较：光谱光谱光谱光谱波长波长波长波长（nm)nm)曝光方式曝光方式曝光方式曝光方式 抗蚀抗蚀抗蚀抗蚀剂剂剂剂掩掩掩掩模模模模材料材料材料材料分辨率分辨率分辨率分辨率 紫外光紫外光紫外光紫外光UVUV365365 436436各种有掩各种有掩各种有掩各种有掩模方式模方式模方式模方式 光致光致光致光致玻璃玻璃玻璃玻璃/Cr/Cr0.50.5 mm深紫外光深紫外光深紫外光深紫外光DUVDUV193193 248248各种有掩各种有掩各种有掩各种有掩模方式模方式模方式模方式 电子电子电子电子 石英石英石英石英/Cr/Cr、AlAl0.20.2 mm极紫外光极紫外光极紫外光极紫外光EUVEUV 1010 1515 缩小全缩小全缩小全缩小全 反射反射反射反射电子电子电子电子多涂层反射层多涂层反射层多涂层反射层多涂层反射层/金属吸收层金属吸收层金属吸收层金属吸收层0.10.1 mm XX射线射线射线射线 0.20.2 44接近接近接近接近电子电子电子电子SiSi、SiSi3 3N N4 4、AlAl2 2OO3 3/Au/Au、PtPt、OsOs等等等等0.10.1 mm2424各种获得抗蚀剂图形的途径：各种获得抗蚀剂图形的途径：电、离子束图形发生器电、离子束图形发生器光学图形发生器光学图形发生器电、离子束曝光系统电、离子束曝光系统掩模掩模图形的产生图形的产生光学复制用的掩模光学复制用的掩模高分辨率用的掩模高分辨率用的掩模直接描画式曝光直接描画式曝光用于接触、接近用于接触、接近式曝光、投影式式曝光、投影式曝光，生产周期曝光，生产周期短，缺陷密度低。短，缺陷密度低。用于深紫外光、用于深紫外光、极紫外光、极紫外光、X射射线、电子束投影、线、电子束投影、离子束投影等的离子束投影等的曝光，适宜于大曝光，适宜于大批量生产。批量生产。用于电、离子束用于电、离子束扫描曝光，适宜扫描曝光，适宜于试验性器件、于试验性器件、要求分辨率特别要求分辨率特别高的器件、少量高的器件、少量生产的器件。生产的器件。CAD2525图形刻蚀技术图形刻蚀技术(EtchingTechnology)虽虽虽虽然然然然，光光光光刻刻刻刻和和和和刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀是是是是两两两两个个个个不不不不同同同同的的的的加加加加工工工工工工工工艺艺艺艺，但但但但因因因因为为为为这这这这两两两两个个个个工工工工艺艺艺艺只只只只有有有有连连连连续续续续进进进进行行行行，才才才才能能能能完完完完成成成成真真真真正正正正意意意意义义义义上上上上的的的的图图图图形形形形转转转转移移移移。在在在在工工工工艺艺艺艺线线线线上上上上，这这这这两两两两个个个个工工工工艺艺艺艺是是是是放放放放在在在在同同同同一一一一工工工工序序序序，因因因因此此此此，有有有有时时时时也也也也将将将将这这这这两两两两个个个个工工工工艺艺艺艺步步步步骤骤骤骤统统统统称称称称为为为为光刻。光刻。光刻。光刻。湿湿湿湿法法法法刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀：利利利利用用用用液液液液态态态态化化化化学学学学试试试试剂剂剂剂或或或或溶溶溶溶液液液液通通通通过过过过化化化化学反应进行刻蚀的方法。学反应进行刻蚀的方法。学反应进行刻蚀的方法。学反应进行刻蚀的方法。干干干干法法法法刻刻刻刻蚀蚀蚀蚀：主主主主要要要要指指指指利利利利用用用用低低低低压压压压放放放放电电电电产产产产生生生生的的的的等等等等离离离离子子子子体体体体中中中中的的的的离离离离子子子子或或或或游游游游离离离离基基基基(处处处处于于于于激激激激发发发发态态态态的的的的分分分分子子子子、原原原原子子子子及及及及各各各各种种种种原原原原子子子子基基基基团团团团等等等等)与与与与材材材材料料料料发发发发生生生生化化化化学学学学反反反反应应应应或或或或通通通通过过过过轰轰轰轰击击击击等物理作用而达到刻蚀的目的。等物理作用而达到刻蚀的目的。等物理作用而达到刻蚀的目的。等物理作用而达到刻蚀的目的。2626干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。干法刻蚀是用等离子体进行薄膜刻蚀的技术。它是硅片表面物理和化学两种过程平衡的结果。它是硅片表面物理和化学两种过程平衡的结果。它是硅片表面物理和化学两种过程平衡的结果。它是硅片表面物理和化学两种过程平衡的结果。在半导体刻蚀工艺中，存在着两个极端：离子铣在半导体刻蚀工艺中，存在着两个极端：离子铣在半导体刻蚀工艺中，存在着两个极端：离子铣在半导体刻蚀工艺中，存在着两个极端：离子铣是一种纯物理刻蚀，可以做到各向异性刻蚀，但是一种纯物理刻蚀，可以做到各向异性刻蚀，但是一种纯物理刻蚀，可以做到各向异性刻蚀，但是一种纯物理刻蚀，可以做到各向异性刻蚀，但不能进行选择性刻蚀；而湿法刻蚀如前面所述则不能进行选择性刻蚀；而湿法刻蚀如前面所述则不能进行选择性刻蚀；而湿法刻蚀如前面所述则不能进行选择性刻蚀；而湿法刻蚀如前面所述则恰恰相反。人们对这两种极端过程进行折中，得恰恰相反。人们对这两种极端过程进行折中，得恰恰相反。人们对这两种极端过程进行折中，得恰恰相反。人们对这两种极端过程进行折中，得到目前广泛应用的一些干法刻蚀技术。例如；反到目前广泛应用的一些干法刻蚀技术。例如；反到目前广泛应用的一些干法刻蚀技术。例如；反到目前广泛应用的一些干法刻蚀技术。例如；反应离子刻蚀应离子刻蚀应离子刻蚀应离子刻蚀(RIE-(RIE-ReactiveIonEtchingReactiveIonEtching)和高和高和高和高密度等离子体刻蚀密度等离子体刻蚀密度等离子体刻蚀密度等离子体刻蚀(HDP)(HDP)。这些工艺都具有各向。这些工艺都具有各向。这些工艺都具有各向。这些工艺都具有各向异性刻蚀和选择性刻蚀的特点。异性刻蚀和选择性刻蚀的特点。异性刻蚀和选择性刻蚀的特点。异性刻蚀和选择性刻蚀的特点。反应离子刻蚀反应离子刻蚀反应离子刻蚀反应离子刻蚀通通通通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIERIE已成为已成为已成为已成为VLSIVLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技工艺中应用最广泛的主流刻蚀技工艺中应用最广泛的主流刻蚀技工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。术。术。术。27271.2.3掺杂工艺（扩散与离子注入）掺杂工艺（扩散与离子注入）通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型的半导体区通过掺杂可以在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成各种器件结构。掺杂工艺的基本思想就是通过域，构成各种器件结构。掺杂工艺的基本思想就是通过某种技术措施，将一定浓度的某种技术措施，将一定浓度的价元素，如硼，或价元素，如硼，或价价元素，如磷、砷等掺入半导体衬底。元素，如磷、砷等掺入半导体衬底。2828掺杂：将需要的杂质掺入特定的掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成体电学性质，形成PN结、电阻、结、电阻、欧姆接触欧姆接触磷磷(P)、砷、砷(As)N型硅型硅硼硼(B)P型硅型硅掺杂工艺：扩散、离子注入掺杂工艺：扩散、离子注入2929扩散替位式扩散：替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：杂质离子占据硅原子的位：l l、族元素族元素l l一般要在很高的温度一般要在很高的温度(9501280)下进行，下进行，横向扩散严重。但对设备的要求相对较低。横向扩散严重。但对设备的要求相对较低。l l磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数，小于在硅中的扩散系数，可以利用氧化层作为可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层杂质扩散的掩蔽层间隙式扩散：间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：杂质离子位于晶格间隙：l lNa、K、Fe、Cu、Au等元素等元素l l扩散系数要比替位式扩散大扩散系数要比替位式扩散大67个数量级个数量级l l（绝对不许用手摸硅片（绝对不许用手摸硅片防止防止Na+沾污沾污。）3030杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图柱面柱面平面平面球面球面xJxJScSc横向扩展宽度横向扩展宽度=0.8xj立体图立体图剖面图剖面图3131离子注入离子注入离子注入离子注入是另一种掺杂技术，离子是另一种掺杂技术，离子注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和注入掺杂也分为两个步骤：离子注入和退火再分布。离子注入是通过高能离子退火再分布。离子注入是通过高能离子束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质束轰击硅片表面，在掺杂窗口处，杂质离子被注入硅本体，在其他部位，杂质离子被注入硅本体，在其他部位，杂质离子被硅表面的保护层屏蔽，完成选择离子被硅表面的保护层屏蔽，完成选择掺杂的过程。进入硅中的杂质离子在一掺杂的过程。进入硅中的杂质离子在一定的位置形成一定的分布。通常，离子定的位置形成一定的分布。通常，离子注入的深度注入的深度(平均射程平均射程)较浅且浓度较大，较浅且浓度较大，必须重新使它们再分布。掺杂深度由注必须重新使它们再分布。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目度由注入杂质离子的数目(剂量剂量)决定。决定。3232同时，由于高能粒子的撞击，导致硅结同时，由于高能粒子的撞击，导致硅结构的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，在离构的晶格发生损伤。为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理，根据注入的杂质子注入后要进行退火处理，根据注入的杂质数量不同，退火温度在数量不同，退火温度在450950之间，之间，掺杂浓度大则退火温度高，反之则低。在退掺杂浓度大则退火温度高，反之则低。在退火的同时，掺入的杂质同时向硅体内进行再火的同时，掺入的杂质同时向硅体内进行再分布，如果需要，还要进行后续的高温处理分布，如果需要，还要进行后续的高温处理以获得所需的结深和分布。以获得所需的结深和分布。离子注入技术以其掺杂浓度控制精确、离子注入技术以其掺杂浓度控制精确、位置准确等优点，正在取代热扩散掺杂技术，位置准确等优点，正在取代热扩散掺杂技术，成为成为VLSI工艺流程中掺杂的主要技术。工艺流程中掺杂的主要技术。3333离子注入离子注入的优点：的优点：掺杂的均匀性好掺杂的均匀性好温度低：可小于温度低：可小于600可以精确控制杂质分布可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多横向扩展比扩散要小得多可以对化合物半导体进行掺杂可以对化合物半导体进行掺杂3434离子注入技术在离子注入技术在IC制造中的应用制造中的应用随着离子注入技术的发展，它的应用也随着离子注入技术的发展，它的应用也越来越广泛，尤其是在集成电路中的应用发越来越广泛，尤其是在集成电路中的应用发展最快。由于离子注入技术具有很好可控性展最快。由于离子注入技术具有很好可控性和重复性，这样设计者就可根据电路或器件和重复性，这样设计者就可根据电路或器件参数的要求，设计出理想的杂质分布，并用参数的要求，设计出理想的杂质分布，并用离子注入技术实现这种分布。离子注入技术实现这种分布。离子注入技术在离子注入技术在IC制造中的应用制造中的应用1)对对MOS晶体管阈值电压的控制晶体管阈值电压的控制2)自对准金属栅结构自对准金属栅结构3)离子注入在离子注入在CMOS结构中的应用结构中的应用35353636 退火退火退火：退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。根据注入的杂质数量程都可以称为退火。根据注入的杂质数量不同，退火温度一般在不同，退火温度一般在450950之间。之间。l l激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到激活杂质的作用子，起到激活杂质的作用子，起到激活杂质的作用子，起到激活杂质的作用l l消除损伤消除损伤消除损伤消除损伤退火方式：退火方式：l l炉退火，炉退火，炉退火，炉退火，可能产生横向扩散！可能产生横向扩散！可能产生横向扩散！可能产生横向扩散！l l快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源波激光、非相干宽带频光源波激光、非相干宽带频光源波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧如卤光灯、电弧如卤光灯、电弧如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等灯、石墨加热器、红外设备等灯、石墨加热器、红外设备等灯、石墨加热器、红外设备等)37371.2.4制膜制膜（制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜）氧化：制备氧化：制备SiO2层层SiO2的性质及其作用的性质及其作用SiO2是一种十分理想的电绝缘材料，是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，室温下它的化学性质非常稳定，室温下它它只与氢氟酸发生化学反应只与氢氟酸发生化学反应3838二氧化硅层的主要作用二氧化硅层的主要作用在在MOS电路中作为电路中作为MOS器件的绝缘器件的绝缘栅介质，是栅介质，是MOS器件的组成部分器件的组成部分扩散时的掩蔽层，离子注入的扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时有时与光刻胶、与光刻胶、Si3N4层一起使用层一起使用)阻挡层阻挡层作为集成电路的隔离介质材料作为集成电路的隔离介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料材料3939在表面已有了二氧化硅后，由于这层已在表面已有了二氧化硅后，由于这层已生成的二氧化硅对氧的阻碍，氧化的速度是生成的二氧化硅对氧的阻碍，氧化的速度是逐渐降低的。由于硅和二氧化硅的晶格尺寸逐渐降低的。由于硅和二氧化硅的晶格尺寸的差异，每生长的差异，每生长1m的二氧化硅，约需消耗的二氧化硅，约需消耗0.44m的硅。的硅。氧化工艺是一种热处理工艺。在集成电氧化工艺是一种热处理工艺。在集成电路制造技术中，热处理工艺除了氧化工艺外，路制造技术中，热处理工艺除了氧化工艺外，还包括前面介绍的退火工艺、再分布工艺，还包括前面介绍的退火工艺、再分布工艺，以及回流工艺等。回流工艺是利用掺磷的二以及回流工艺等。回流工艺是利用掺磷的二氧化硅在高温下易流动的特性，来减缓芯片氧化硅在高温下易流动的特性，来减缓芯片表面的台阶陡度，减小金属引线的断条情况。表面的台阶陡度，减小金属引线的断条情况。4040SiO2的制备方法的制备方法热氧化法热氧化法干氧氧化干氧氧化水蒸汽氧化水蒸汽氧化湿