最新微电子09集成电路制造工艺PPT课件.ppt
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1、微电子微电子09集成电路制造工艺集成电路制造工艺集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试 系系统统需需求求N沟道沟道MOS晶体管晶体管CMOS集成电路集成电路(互补型互补型MOS集成电路集成电路):目前应用最为广泛的一种集成电路,约占目前应用最为广泛的一种集成电路,约占集成电路总数的集成电路总数的95%以上。以上。集成电路制造工艺集成电路制造工艺图形转换:图形转换:将设计在掩膜版将设计在掩膜版(类似于照类似于照相底片相底片)上的图形转移到半导体单晶片上上的图形转移到半
2、导体单晶片上掺杂:掺杂:根据设计的需要,将各种杂质掺根据设计的需要,将各种杂质掺杂在需要的位置上,形成晶体管、接触等杂在需要的位置上,形成晶体管、接触等制膜:制膜:制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜图形转换:光刻图形转换:光刻光刻三要素: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?光光刻刻胶胶又又叫叫光光致致抗抗蚀蚀剂剂,它它是是由由光光敏敏化化合合物物、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?光光刻刻胶胶受受到到特特定定波波长长光光线线的的作作用用后后,导导致致其其化化学学结结构构发发生生变变化化,使使光光刻刻胶胶在在某某种种特特定定溶溶
3、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艺中,一般只采用正胶工艺中,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的的线条线条正胶:曝光正胶:曝光后可溶后可溶负胶:曝光负胶:曝光后不可溶后不可溶图形转换:光刻图形转换:光刻几种常见的光刻方法几种常见的光刻方法?接触式光刻:接触式光刻:分辨率较高,但是容易造分辨率较高,但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。成掩膜版和光刻胶膜的损伤。?接近式曝光:接近式曝光:在硅片和掩膜版之间有一在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙个很小的间隙(1025 m),可以大大,可以大大减
4、小掩膜版的损伤,分辨率较低减小掩膜版的损伤,分辨率较低?投影式曝光:投影式曝光:利用透镜或反射镜将掩膜利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法,版上的图形投影到衬底上的曝光方法,目前用的最多的曝光方式目前用的最多的曝光方式三种光刻方式三种光刻方式图形转换:光刻图形转换:光刻超细线条光刻技术超细线条光刻技术?甚远紫外线甚远紫外线(EUV)(EUV)?电子束光刻电子束光刻?X X射线射线?离子束光刻离子束光刻图形转换:刻蚀技术图形转换:刻蚀技术湿湿法法刻刻蚀蚀:利利用用液液态态化化学学试试剂剂或或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法溶液通过化学反应进行刻蚀的方法干干法法刻刻蚀蚀:主主要要指
5、指利利用用低低压压放放电电产产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基(处处于于激激发发态态的的分分子子、原原子子及及各各种种原原子子基基团团等等)与与材材料料发发生生化化学学反反应应或或通通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的图形转换:刻蚀技术图形转换:刻蚀技术湿法腐蚀:湿法腐蚀:?湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用:磨片、抛光、清洗、腐蚀应用:磨片、抛光、清洗、腐蚀?优点是选择性好、重复性好、生产效率优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低高、设备简单、成本低?缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差
6、缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差干法刻蚀干法刻蚀溅射与离子束铣蚀:溅射与离子束铣蚀:通过高能惰性气体离子的物通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀,各向异性性好,但选择性较差理轰击作用刻蚀,各向异性性好,但选择性较差等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching):利用放电产生的利用放电产生的游离基与材料发生化学反应,形成挥发物,实现刻游离基与材料发生化学反应,形成挥发物,实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小,但各向异性较差蚀。选择性好、对衬底损伤较小,但各向异性较差反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,简称为,简称为RIE):通过活性离子对衬底的物理轰击和化
7、通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,同时兼有各向异性和选子刻蚀两者的优点,同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前,择性好的优点。目前,RIE已成为已成为VLSI工艺工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术中应用最广泛的主流刻蚀技术杂质掺杂杂质掺杂掺杂:掺杂:将需要的杂质掺入特定的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:掺杂工艺:扩散、离子
8、注入扩散、离子注入扩扩 散散替位式扩散:杂质离子占据硅原子的位:替位式扩散:杂质离子占据硅原子的位:?、族元素族元素?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?磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数磷、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,可以利用氧均远小于在硅中的扩散系数,可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层化层作为杂质扩散的掩蔽层间隙式扩散:杂质离子位于晶格间隙:间隙式扩散:杂质离子位于晶格间隙:?Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素?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个数量级个数量级杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图固态源
9、扩散:如固态源扩散:如B2O3、P2O5、BN等等利用液态源进行扩散的装置示意图利用液态源进行扩散的装置示意图离子注入离子注入离子注入:将具有很高能量的杂质离子射离子注入:将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术,掺杂深度由入半导体衬底中的掺杂技术,掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定,掺杂浓注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?掺杂的均匀性好掺杂的均匀性好?温度低:小于温度低: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
10、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离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图离子注入到无定形靶中的高斯分布情况离子注入到无定形靶中的高斯分布情况退退 火火退火:也叫热处理,集成电路工艺中所有退火: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程都可以称为退火?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,产生自由载流子,起到杂质的作用子,起到杂质的作用?消除损伤消除损伤退火方式:退火方式:?炉退火炉
11、退火?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(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)氧化工艺氧化工艺氧化: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是一种十分理想的电绝缘材料,它的化学性质非常稳定,室料,它的化学性质非常稳定,室温下它只与氢氟酸发生化学反应温下它只与氢氟酸发生化学反应氧化硅层的主要作用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,器件的组成部分栅介质,器件的组成部
12、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SiO2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?湿氧氧化湿氧氧化?干氧湿氧干氧干氧湿氧干氧(简称干湿干简称干湿干)氧化法氧化法?氢氧合成氧化氢氧合成氧化化学气相淀积法化学气相淀积法热分解淀积法热分解
13、淀积法溅射法溅射法进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition):通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄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膜材料的过程CVD技术特点:技术特点:?具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点用范围广、设备简单等一系列优点?CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所方法几乎可以淀积集成电路
14、工艺中所需要的各种薄膜,例如掺杂或不掺杂的需要的各种薄膜,例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)常压化学汽相淀积常压化学汽相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积等离子增强化学汽相淀积(PECVD)APCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图 LPCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图平行板型平行板型PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)单晶硅的化学汽相淀积单晶硅的化学汽相淀积(外延外延):一般地,一
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