集成电路制造工艺及设备精选文档.ppt

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1、集成电路制造工艺及设备本讲稿第一页，共四十七页1.高温氧化工艺高温氧化工艺1.1 硅的热氧化硅的热氧化 硅的热氧化是指在高温下，硅片表面同氧气或硅的热氧化是指在高温下，硅片表面同氧气或水进行反应，生成水进行反应，生成SiO2。硅的热氧化有：干氧、湿氧、水汽氧化三种。硅的热氧化有：干氧、湿氧、水汽氧化三种。本讲稿第二页，共四十七页 如果氧化前已存在厚度为如果氧化前已存在厚度为 t0 的氧化层，则（的氧化层，则（3-11）微）微分方程的解为：（分方程的解为：（tOX：是总的氧化层厚度）：是总的氧化层厚度）（4-12）式中式中在各种工艺条件下，参数在各种工艺条件下，参数A和和B都是已知的，都是已知的

2、，t 是氧化时间。是氧化时间。是一个时间参数，单位是小时（是一个时间参数，单位是小时（h）。）。（3-13）1.2 硅热氧化的厚度计算硅热氧化的厚度计算本讲稿第三页，共四十七页3.2 热氧化原理和方法热氧化原理和方法O2 扩散扩散反应反应SiO2SiSi+O2=SiO2 硅的热氧化分干氧和湿氧两种。干氧是硅的热氧化分干氧和湿氧两种。干氧是在高温下氧分子与硅表面的原子反应生成在高温下氧分子与硅表面的原子反应生成SiO2。本讲稿第四页，共四十七页1.3 不同的热氧化方式生长的不同的热氧化方式生长的 SiO2 膜性质比较膜性质比较 干氧氧化的干氧氧化的 SiO2 膜结构致密，干燥、均匀膜结构致密，干

3、燥、均匀 性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好，性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好，与光刻胶的接触良好，光刻时不易浮胶。与光刻胶的接触良好，光刻时不易浮胶。水汽氧化的水汽氧化的 SiO2 膜结构疏松，表面有斑点膜结构疏松，表面有斑点 和缺陷，含水量多，对杂质的掩蔽能力差，和缺陷，含水量多，对杂质的掩蔽能力差，所以在工艺中很少单独采用。所以在工艺中很少单独采用。本讲稿第五页，共四十七页 湿氧氧化生长的膜致密性略差于干氧生长湿氧氧化生长的膜致密性略差于干氧生长的的 SiO2 膜，但它具有生长速率快的优点，其掩膜，但它具有生长速率快的优点，其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件的要求。蔽能力和钝化效

4、果都能满足一般器件的要求。其缺点是表面有硅烷醇存在，使其缺点是表面有硅烷醇存在，使 SiO2 膜与光刻膜与光刻胶接触不良，光刻时容易浮胶。同时，湿氧氧胶接触不良，光刻时容易浮胶。同时，湿氧氧化后的化后的 Si 片表面存在较多的位错和腐蚀坑。片表面存在较多的位错和腐蚀坑。本讲稿第六页，共四十七页 在实际工艺应用中，生长高质量的几在实际工艺应用中，生长高质量的几百百 的的SiO2薄膜一般采用干氧的方式。薄膜一般采用干氧的方式。SiO2薄膜厚度需要几千薄膜厚度需要几千以上时，一般采用干氧以上时，一般采用干氧湿氧湿氧干氧的方式，既保证了所需的厚度，干氧的方式，既保证了所需的厚度，缩短了氧化时间，又改善

5、了表面的完整性和解缩短了氧化时间，又改善了表面的完整性和解决了光刻时的浮胶问题。决了光刻时的浮胶问题。热氧化生长的热氧化生长的SiO2薄膜质量好，但是反应温薄膜质量好，但是反应温度比较高。衬底只能用于单晶硅表面。度比较高。衬底只能用于单晶硅表面。本讲稿第七页，共四十七页 离子注入可以通过分别调节注入离子的能离子注入可以通过分别调节注入离子的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和浓度，量、数量，精确地控制掺杂的深度和浓度，所以可以制备理想的杂质分布。所以可以制备理想的杂质分布。离子注入的优点离子注入的优点2.离子注入离子注入本讲稿第八页，共四十七页 扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系数及扩散法掺杂时

6、受到化学结合力、扩散系数及 固溶度等方面的限制，而离子注入是一个物固溶度等方面的限制，而离子注入是一个物 理过程，所以它可以注入各种元素。理过程，所以它可以注入各种元素。扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂一扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂一 般在室温下进行（也可以在加温或低温下进般在室温下进行（也可以在加温或低温下进 行）。行）。本讲稿第九页，共四十七页 离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有 害物质进入硅片。害物质进入硅片。热扩散时只能采用热扩散时只能采用SiO2 等少数耐高温的介质等少数耐高温的介质 进行局部掺杂，但是离子注入法可以采用光进行局部

7、掺杂，但是离子注入法可以采用光 刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向 扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩 散很小。散很小。本讲稿第十页，共四十七页 在离子注入机中，利用电流积分仪测量注在离子注入机中，利用电流积分仪测量注入的离子总数入的离子总数N：式中：式中：NS 单位面积的注入剂量（个单位面积的注入剂量（个/cm2），），S 是扫描面积是扫描面积（cm2），），q 是一个离子的电荷（是一个离子的电荷（1.610-19库仑），库仑），Q 是注是注

8、入到靶中的总电荷量（库仑），入到靶中的总电荷量（库仑），i是注入的束流（安培），是注入的束流（安培），t 是注入时间（秒）。是注入时间（秒）。（6-8）本讲稿第十一页，共四十七页如果束流是稳定的电流如果束流是稳定的电流I，则：，则：（6-9）（6-10）其中：其中：NS 单位面积的注入剂量（个单位面积的注入剂量（个/cm2），），S 是扫描面积是扫描面积（cm2），），q 是一个离子的电荷（是一个离子的电荷（1.610-19库仑），库仑），I 是注入是注入的束流（安培），的束流（安培），t 是注入时间（秒）。是注入时间（秒）。本讲稿第十二页，共四十七页 例题：如果注入剂量是例题：如果注入剂量是

9、51015，束流，束流1mA，求注入一片，求注入一片6英寸硅片的时间英寸硅片的时间 t=（1.610-1951015 3.147.52）/1 10-3 =141秒秒根据公式根据公式（4-6）本讲稿第十三页，共四十七页 注入剂量、标准偏差和峰值浓度之注入剂量、标准偏差和峰值浓度之间的近似关系：间的近似关系：（6-14）本讲稿第十四页，共四十七页 对于原来原子排列有序的晶体，由于离子注对于原来原子排列有序的晶体，由于离子注入，在晶体中将大量产生缺陷，如空位等。对于入，在晶体中将大量产生缺陷，如空位等。对于高能、大剂量的重离子注入到硅单晶中，如高能、大剂量的重离子注入到硅单晶中，如As+，将使局部晶

10、体变成非晶体。将使局部晶体变成非晶体。离子注入的损伤和退火效应离子注入的损伤和退火效应本讲稿第十五页，共四十七页 注入的离子在硅单晶中往往处于间隙注入的离子在硅单晶中往往处于间隙位置，一般不能提供导电性能，因此，必位置，一般不能提供导电性能，因此，必须要使注入的杂质原子转入替位位置以实须要使注入的杂质原子转入替位位置以实现电激活。现电激活。注入离子的激活注入离子的激活本讲稿第十六页，共四十七页离子注入后的热退火离子注入后的热退火 高能粒子撞击硅片表面，造成晶格损伤，高能粒子撞击硅片表面，造成晶格损伤，因此为了消除离子注入造成的损伤和激活注因此为了消除离子注入造成的损伤和激活注入的杂质离子，离子

11、注入后必须要进行热退入的杂质离子，离子注入后必须要进行热退火。最常用的是在火。最常用的是在950高温炉中在氮气保护高温炉中在氮气保护下，退火下，退火15 30分钟。热退火后对杂质分布分钟。热退火后对杂质分布将产生影响，将产生影响，LSS理论的射程理论的射程RP和标准偏差和标准偏差Rp 要作修正。要作修正。本讲稿第十七页，共四十七页 光刻胶应该具有以下基本性能：光刻胶应该具有以下基本性能：灵敏度高；分辨率高；同衬底有很好的粘附性，灵敏度高；分辨率高；同衬底有很好的粘附性，胶膜表面沾性小；胶膜致密性好，无针孔；图形胶膜表面沾性小；胶膜致密性好，无针孔；图形边缘陡直，无锯齿状；显影后留膜率高，不留底

12、边缘陡直，无锯齿状；显影后留膜率高，不留底膜或其它颗粒物质；在显影液和其它腐蚀剂里抗膜或其它颗粒物质；在显影液和其它腐蚀剂里抗蚀性强、抗溶涨性好；去胶容易，不留残渣；蚀性强、抗溶涨性好；去胶容易，不留残渣；光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶两种：光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶两种：正胶是感光部分显影时溶解掉，负胶则相反。正胶是感光部分显影时溶解掉，负胶则相反。3.光刻工艺光刻工艺 底膜是指显影后还有一层薄薄的胶。底膜是指显影后还有一层薄薄的胶。本讲稿第十八页，共四十七页图形转移工艺图形转移工艺衬底衬底淀淀 积积 薄薄 膜膜匀胶、前烘匀胶、前烘曝曝 光光掩模版掩模版紫外光紫外光显影、坚膜显影、坚

13、膜腐腐 蚀蚀去去 胶胶本讲稿第十九页，共四十七页正胶正胶负胶负胶匀胶匀胶正胶和负胶正胶和负胶曝光曝光掩膜版掩膜版紫外光紫外光显影显影正胶感光区域溶正胶感光区域溶于显影液于显影液负胶未感光区域负胶未感光区域溶于显影液溶于显影液本讲稿第二十页，共四十七页光学曝光的三种曝光方式光学曝光的三种曝光方式接触式曝光接触式曝光接近式曝光接近式曝光投影式曝光投影式曝光本讲稿第二十一页，共四十七页接触式曝光接触式曝光 接触式曝光是掩膜板直接同光刻胶接触，它具有接触式曝光是掩膜板直接同光刻胶接触，它具有设备简单、分辨率高的优点。它分成真空接触、硬接设备简单、分辨率高的优点。它分成真空接触、硬接触和软接触三种方式，

14、其中真空接触具有接触力均匀、触和软接触三种方式，其中真空接触具有接触力均匀、掩膜变形小和可以消除氧气对光刻胶的影响等优点。掩膜变形小和可以消除氧气对光刻胶的影响等优点。由于接触式曝光时掩膜版同光刻胶直接接触，所以掩由于接触式曝光时掩膜版同光刻胶直接接触，所以掩膜版容易损伤，图形缺陷多、管芯成品率低、不适合膜版容易损伤，图形缺陷多、管芯成品率低、不适合VLSI生产。生产。本讲稿第二十二页，共四十七页接近式曝光接近式曝光 接近式曝光是掩膜版同光刻胶离开接近式曝光是掩膜版同光刻胶离开10 50 m，所以掩膜版不容易被损伤，掩，所以掩膜版不容易被损伤，掩膜版的使用寿命长，图形的缺陷少，管芯膜版的使用寿

15、命长，图形的缺陷少，管芯的成品率高，但是缺点是分辨率低，同时的成品率高，但是缺点是分辨率低，同时机器操作比接触式曝光机复杂、价格也稍机器操作比接触式曝光机复杂、价格也稍贵。贵。本讲稿第二十三页，共四十七页投影式曝光投影式曝光 光刻工艺中的投影式曝光分光刻工艺中的投影式曝光分1:1、4:1、5:1几种。几种。投影式曝光的掩模版同硅片不接触，对于投影式曝光的掩模版同硅片不接触，对于4:1、5:1缩小的投影曝光，可以得到更小的图缩小的投影曝光，可以得到更小的图形尺寸，可以减少掩模版上缺陷（如灰尘等颗形尺寸，可以减少掩模版上缺陷（如灰尘等颗粒）对成品率的影响。粒）对成品率的影响。stepper是是IC

16、制造工艺中最重要的设备，也制造工艺中最重要的设备，也是最昂贵的设备，是最昂贵的设备，本讲稿第二十四页，共四十七页特殊的光刻工艺特殊的光刻工艺LIGA技术技术剥离技术（剥离技术（Lift Off）本讲稿第二十五页，共四十七页膜的工艺要求膜的工艺要求 好的台阶覆盖（好的台阶覆盖（step coverage）能力。）能力。填充高的深宽比间隙的能力。填充高的深宽比间隙的能力。好的厚度均匀性。好的厚度均匀性。高纯度和高密度。高纯度和高密度。受控制的化学剂量。受控制的化学剂量。高度的结构完整性和低的膜应力。高度的结构完整性和低的膜应力。好的电学性能。好的电学性能。对衬底材料或下层膜好的粘附性。对衬底材料或

17、下层膜好的粘附性。4.薄膜工艺薄膜工艺本讲稿第二十六页，共四十七页4.1 CVD法制作法制作SiO2薄膜薄膜 APCVD、LPCVD、PECVD或溅射等方或溅射等方式都可以得到式都可以得到SiO2薄膜。这种制作二氧化硅薄膜。这种制作二氧化硅薄膜的方法同硅的热氧化制作二氧化硅有着本薄膜的方法同硅的热氧化制作二氧化硅有着本质上的区别：前者是同衬底材质没有关系，二质上的区别：前者是同衬底材质没有关系，二氧化硅是淀积到衬底上去的；后者是硅衬底直氧化硅是淀积到衬底上去的；后者是硅衬底直接同氧或水在高温下进行化学反应生成二氧化接同氧或水在高温下进行化学反应生成二氧化硅。硅。本讲稿第二十七页，共四十七页 采

18、用采用LPCVD、PECVD或溅射等方式制作薄膜的或溅射等方式制作薄膜的最大优点是工作温度比较低，其中最大优点是工作温度比较低，其中LTO 的工作温度是的工作温度是620左右，左右，PECVD方式淀积方式淀积SiO2的温度可以在的温度可以在200 以下。不同的淀积方式、用不同的源淀积的以下。不同的淀积方式、用不同的源淀积的SiO2在在密度、折射率、应力、介电强度、台阶覆盖和腐蚀密度、折射率、应力、介电强度、台阶覆盖和腐蚀速率等各方面性能上都有很大差别。溅射方式制作速率等各方面性能上都有很大差别。溅射方式制作SiO2薄膜薄膜 的温度低、质量好，但是效率低、成本高。的温度低、质量好，但是效率低、成

19、本高。本讲稿第二十八页，共四十七页 Si3N4在器件制造中可以用作钝化膜、局部在器件制造中可以用作钝化膜、局部氧化扩散掩膜、硅湿法腐蚀的掩蔽膜、绝缘介氧化扩散掩膜、硅湿法腐蚀的掩蔽膜、绝缘介质膜以及杂质或缺陷的萃取膜。它最重要的性质膜以及杂质或缺陷的萃取膜。它最重要的性质是对质是对H2O、O2、Na、Al、Ga、In等都具有等都具有极强的扩散阻挡能力。特别是对极强的扩散阻挡能力。特别是对H2O和和Na 的强的强力阻挡作用，使它成为一种较理想的钝化材力阻挡作用，使它成为一种较理想的钝化材料。料。4.2 Si3N4薄膜的性质薄膜的性质本讲稿第二十九页，共四十七页匀胶、曝光、显影、匀胶、曝光、显影、

20、坚膜、刻蚀坚膜、刻蚀Si3N4 去胶、清洗、场去胶、清洗、场区氧化区氧化1m Si3N4作为硅片高温局部氧化的掩蔽层作为硅片高温局部氧化的掩蔽层Si3N4 膜膜本讲稿第三十页，共四十七页 100/111的腐蚀比达的腐蚀比达400：1 Si3N4 Si3N4作为硅片湿法腐蚀的掩蔽膜作为硅片湿法腐蚀的掩蔽膜本讲稿第三十一页，共四十七页Si3N4作为硅芯片的保护膜作为硅芯片的保护膜铝焊盘铝焊盘钝化层钝化层本讲稿第三十二页，共四十七页钝化结构钝化结构SiO2/Si PSG/SiO2/SiSi3N4/SiSi3N4/SiO2/Si可动离子可动离子密度密度(/cm2)1013 4.31012 6.5101

21、06.61010不同材料的阻钠能力不同材料的阻钠能力 虽然虽然Si3N4/Si结构具有最好的阻钠能力，实际上结构具有最好的阻钠能力，实际上由于界面存在极大的应力与极高的界面态密度，所由于界面存在极大的应力与极高的界面态密度，所以都采用以都采用Si3N4/SiO2/Si 结构。结构。本讲稿第三十三页，共四十七页4.3 铝布线的优缺点铝布线的优缺点能长期工作能长期工作优点优点 同硅或多晶硅能形成欧姆接触同硅或多晶硅能形成欧姆接触 电阻率能满足微米和亚微米电路的要求电阻率能满足微米和亚微米电路的要求 与与 SiO2 有良好的附着性有良好的附着性 台阶的覆盖性好台阶的覆盖性好 易于淀积和刻蚀易于淀积和

22、刻蚀易于键合易于键合本讲稿第三十四页，共四十七页缺点缺点 在大电流密度下容易产生金属离子在大电流密度下容易产生金属离子 电迁移现象，导致电极短路。电迁移现象，导致电极短路。铝硅之间容易产生铝硅之间容易产生“铝钉铝钉”，深度可，深度可 达达1m，所以对于浅结工艺很容易造，所以对于浅结工艺很容易造 成成PN结短路。结短路。本讲稿第三十五页，共四十七页5.1 溅射溅射 根据采用的电源种类，等离子体溅射有根据采用的电源种类，等离子体溅射有两种方式：直流阴极溅射和射频溅射。两种方式：直流阴极溅射和射频溅射。直流阴极溅射是荷能粒子（一般采用正直流阴极溅射是荷能粒子（一般采用正离子）轰击处在阴极的靶材，把靶

23、材上的原离子）轰击处在阴极的靶材，把靶材上的原子溅射到阳极的硅片上。子溅射到阳极的硅片上。5.等离子体加工技术小结等离子体加工技术小结本讲稿第三十六页，共四十七页 如果靶材是绝缘介质或导电靶上受绝缘如果靶材是绝缘介质或导电靶上受绝缘介质污染时，相当于在等离子体与阴极之间介质污染时，相当于在等离子体与阴极之间有一个电容器，采用直流电源实现溅射存在有一个电容器，采用直流电源实现溅射存在困难，所以对于绝缘靶的溅射一般采用射频困难，所以对于绝缘靶的溅射一般采用射频（RF）电源，但是它必须要在硅片与靶之间加）电源，但是它必须要在硅片与靶之间加一个直流偏压。一个直流偏压。本讲稿第三十七页，共四十七页 射频

24、溅射射频溅射直流溅射直流溅射+E C 靶靶载片台载片台本讲稿第三十八页，共四十七页5.2 PECVD PECVD是让两种反应气体在衬底表是让两种反应气体在衬底表面发生化学反应，如：面发生化学反应，如：PECVD淀积淀积Si3N4。3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2 它的化学反应同它的化学反应同LPCVD完全一样，完全一样，差别就是反应的温度不同。差别就是反应的温度不同。本讲稿第三十九页，共四十七页 射频溅射射频溅射E C 溅射同溅射同PECVD的差别的差别RF电源电源真空泵真空泵反应气体反应气体靶靶载片台载片台PECVD本讲稿第四十页，共四十七页 溅射通常使用溅射通常使用Ar气，荷能正

25、离子把靶材上气，荷能正离子把靶材上的原子溅射到硅片上，而的原子溅射到硅片上，而PECVD是两种反应是两种反应气体在等离子体中分解为具有高活性的反气体在等离子体中分解为具有高活性的反应粒子，这些活性反应粒子在衬底表面发应粒子，这些活性反应粒子在衬底表面发生化学反应生成薄膜。生化学反应生成薄膜。本讲稿第四十一页，共四十七页5.3 等离子体刻蚀等离子体刻蚀 物理方法干法刻蚀是利用辉光放电将惰性物理方法干法刻蚀是利用辉光放电将惰性气体，例如氩气（气体，例如氩气（Ar），解离成带正电的），解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，轰击被刻离子，再利用偏压将离子加速，轰击被刻蚀物的表面，并将被刻蚀物材料的

26、原子击蚀物的表面，并将被刻蚀物材料的原子击出。整个过程完全是物理上的能量转移，出。整个过程完全是物理上的能量转移，所以称为物理性刻蚀。所以称为物理性刻蚀。本讲稿第四十二页，共四十七页物理干法刻蚀物理干法刻蚀直流溅射直流溅射+靶靶载片台载片台物理方法干法刻蚀同溅射的差别物理方法干法刻蚀同溅射的差别RF阴极阴极阳极（或离子源）阳极（或离子源）Ar抽真空抽真空本讲稿第四十三页，共四十七页 RIE是反应离子刻蚀，它依靠低压刻蚀气体在是反应离子刻蚀，它依靠低压刻蚀气体在电场加速作用下辉光放电而生成带电离子、分子、电场加速作用下辉光放电而生成带电离子、分子、电子以及化学活性很强的原子团，这些原子团扩散电子

27、以及化学活性很强的原子团，这些原子团扩散到被刻蚀材料表面，与被刻蚀材料表面原子发生化到被刻蚀材料表面，与被刻蚀材料表面原子发生化学反应，形成挥发性的反应产物并随气流被真空泵学反应，形成挥发性的反应产物并随气流被真空泵抽走，从而实现刻蚀。而抽走，从而实现刻蚀。而PECVD是两种反应气体在是两种反应气体在等离子体中分解为具有高活性的反应粒子，这些活性等离子体中分解为具有高活性的反应粒子，这些活性反应粒子在衬底表面发生化学反应生成薄膜。衬底需反应粒子在衬底表面发生化学反应生成薄膜。衬底需要加热。要加热。RIE同同PECVD的差别的差别本讲稿第四十四页，共四十七页生长生长SiO2腐蚀腐蚀SiO2淀积多

28、晶硅淀积多晶硅光刻光刻SiO2光刻多晶硅光刻多晶硅Poly-Si6.MEMS器件制造器件制造要选择好合适的牺牲层！要选择好合适的牺牲层！本讲稿第四十五页，共四十七页管芯管芯（Chip）外壳外壳（package）器件器件（device）packaging封装工艺封装工艺 封装就是给管芯（封装就是给管芯（chip）与线路板）与线路板（PCB）之间提供信号互连、电源分配、机）之间提供信号互连、电源分配、机械支撑、环境保护和导热通道。械支撑、环境保护和导热通道。7.封装工艺封装工艺本讲稿第四十六页，共四十七页关于考试关于考试1.闭卷考试；闭卷考试；2.考试时间考试时间（等通知）等通知）3.考试地点（等通知）考试地点（等通知）4.需要携带计算器，画图时可用直尺也可不用。需要携带计算器，画图时可用直尺也可不用。本讲稿第四十七页，共四十七页