微电子技术应用基础第二章集成电路的制造工艺22072.pptx

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1、第二章第二章 集成电路的制造工艺集成电路的制造工艺 n n第一节双极型集成电路的工艺流程第一节双极型集成电路的工艺流程 n n第二节第二节 MOS MOS集成电路的工艺流程集成电路的工艺流程 n n第三节外延工艺第三节外延工艺 n n第四节氧化工艺第四节氧化工艺 n n第五节第五节 化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)(CVD)方法方法 n n第六节第六节 掺杂技术掺杂技术 n n第七节光刻工艺第七节光刻工艺 n n第八节第八节 刻蚀技术刻蚀技术 第二章第二章 集成电路的制造工艺集成电路的制造工艺 n n第九节第九节 淀积工艺淀积工艺 n n第十节第十节 表面钝化技术表面钝化技术 n n第十一节

2、第十一节 隔离技术隔离技术 n n第十二节微电子技术的加工工艺环境第十二节微电子技术的加工工艺环境 n n第十三节第十三节 衬底材料衬底材料 第一节第一节 双极型集成电路的工艺流程双极型集成电路的工艺流程 P PN结隔离方法制造双极型集成电路的典型工艺流程。结隔离方法制造双极型集成电路的典型工艺流程。图图1 第二节第二节 MOS集成电路的工艺流程集成电路的工艺流程 N沟道铝栅沟道铝栅NMOS晶体管的制造工艺流程晶体管的制造工艺流程 图图1 CMOS集成电路工艺流程集成电路工艺流程 CMOS反相器反相器 图图2CMOS主要工艺流程图主要工艺流程图 图图3第三节第三节 外延工艺外延工艺 外延技术的

3、采用主要有以下优点：外延技术的采用主要有以下优点：利用外延技术可以提高高频大功率晶体管的频率和功率特性。利用外延技术可以提高高频大功率晶体管的频率和功率特性。在双极型集成电路的制造工艺中，采用外延技术容易实现隔离在双极型集成电路的制造工艺中，采用外延技术容易实现隔离 。利利用用外外延延技技术术可可以以根根据据需需要要方方便便地地控控制制薄薄层层单单晶晶的的电电阻阻率率、电电导导类类型、厚度及杂质分布等参数。增大了工艺设计和器件制造的灵活性。型、厚度及杂质分布等参数。增大了工艺设计和器件制造的灵活性。外延生长的方法和原理外延生长的方法和原理(1)汽相外延生长的设备汽相外延生长的设备 图图(2)汽

4、相外延生长的方法汽相外延生长的方法(3)汽相外延生长原理汽相外延生长原理(4)其他外延技术其他外延技术(5)液相外延：液相外延是一种在溶液中生长晶体的方法。液相外液相外延：液相外延是一种在溶液中生长晶体的方法。液相外延的优点是可以得到高纯度的外延层。延的优点是可以得到高纯度的外延层。(6)分子束外延：分子束外延实际上是一种直接淀积技术。分子束外延：分子束外延实际上是一种直接淀积技术。分子束分子束外延的优点是：能精确控制外延层的化学配比，杂质分布和外外延的优点是：能精确控制外延层的化学配比，杂质分布和外延延层厚度。层厚度。第四节第四节 氧化工艺氧化工艺 1 1 二氧化硅的性质及其作用二氧化硅的性

5、质及其作用(1)(1)二氧化硅的性质二氧化硅的性质 二二氧氧化化硅硅是是理理想想的的电电绝绝缘缘材材料料，实实验验表表明明，二二氧氧化化硅硅在在室室温温附附近近相当宽的温度范围内性能稳定，电阻率很高。相当宽的温度范围内性能稳定，电阻率很高。二氧化硅的化学特性非常稳定，二氧化硅的化学特性非常稳定，实实验验证证明明某某些些杂杂质质在在二二氧氧化化硅硅中中的的扩扩散散系系数数比比在在SiSi中中的的要要小小，因因而可以用二氧化硅膜作扩散的掩蔽层。而可以用二氧化硅膜作扩散的掩蔽层。二氧化硅的电容性能是用介电常数表征的二氧化硅的电容性能是用介电常数表征的 。(2)(2)二氧化硅膜的作用二氧化硅膜的作用

6、在在MOSMOS集成电路中，二氧化硅层用做集成电路中，二氧化硅层用做MOSFETMOSFET的绝缘栅介质的绝缘栅介质 二氧化硅层可以用做掺杂时的掩蔽层二氧化硅层可以用做掺杂时的掩蔽层.可以作为注入离子的阻挡层。可以作为注入离子的阻挡层。二氧化硅膜对器件表面有保护和钝化作用二氧化硅膜对器件表面有保护和钝化作用 二氧化硅膜用做制作电容器的介质材料。二氧化硅膜用做制作电容器的介质材料。二氧化硅膜用于集成电路中的隔离介质和电绝缘介质二氧化硅膜用于集成电路中的隔离介质和电绝缘介质 2 2 二氧化硅层的热生长机理二氧化硅层的热生长机理 干干氧氧氧氧化化法法。干干氧氧氧氧化化的的氧氧化化层层生生长长机机理理

7、是是：处处在在高高温温状状态态的的氧氧分分子子与硅片表面的硅原子接触产生化学反应在硅表面形成二氧化硅层与硅片表面的硅原子接触产生化学反应在硅表面形成二氧化硅层 硅硅的的水水汽汽氧氧化化。硅硅的的水水汽汽氧氧化化生生长长氧氧化化层层的的机机理理是是：高高温温下下，水水蒸蒸气气与与硅硅材材料料表表面面接接触触时时，水水分分子子与与硅硅材材料料表表面面的的硅硅原原子子发发生生反反应应生生成成二二氧氧化硅层，化硅层，湿氧氧化湿氧氧化 在在实实际际的的生生产产中中，广广泛泛采采用用的的氧氧化化方方式式是是：干干氧氧湿湿氧氧干干氧氧的的交交替替氧化生长二氧化硅的方式氧化生长二氧化硅的方式 3 3 二氧化硅

8、膜的制备方法二氧化硅膜的制备方法 图图此外还有氢氧合成氧化及高压氧化等制备二氧化硅膜的方法。此外还有氢氧合成氧化及高压氧化等制备二氧化硅膜的方法。第五节第五节 化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)(CVD)方法方法 化学汽相淀积指的是通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜化学汽相淀积指的是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。材料的过程。化化学学汽汽相相淀淀积积技技术术特特点点是是：淀淀积积温温度度低低，淀淀积积薄薄膜膜的的成成分分和和厚厚度度容容易易控制，均匀性和重复性好，适用范围宽，设备简单等诸多优点。控制，均匀性和重复性好，适用范围宽，设备简单等诸多优点。1 1 化学汽

9、相淀积二氧化硅膜化学汽相淀积二氧化硅膜 低温低温 高温高温 2 2 多晶硅膜的制备多晶硅膜的制备3 3 氮化硅膜的制备氮化硅膜的制备常常用用的的方方法法是是化化学学汽汽相相淀淀积积法法。多多用用等等离离子子体体化化学学汽汽相相淀淀积积（PECVDPECVD）方法。）方法。第六节第六节 掺杂技术掺杂技术 掺掺杂杂是是指指将将需需要要的的杂杂质质掺掺入入到到半半导导体体特特定定的的区区域域中中的的技技术术。目目的的是是：改改变变半半导导体体的的电电学学性性质质，制制造造PNPN结结二二极极管管、NPNNPN和和PNPPNP晶晶体体管管、电电阻阻器器等等。在在集集成成电电路路生生产产中中扩扩散散和和

10、离离子子注注入入掺掺杂杂是是常常用用的的两两种种掺掺杂杂技技术。术。1 1 扩散原理扩散原理(1)(1)扩散的本质与扩散方法扩散的本质与扩散方法 在在集集成成电电路路工工艺艺中中的的扩扩散散指指的的是是在在一一定定温温度度下下，族族元元素素硼硼（B B）或或V V族族元元素素磷磷（P P）、砷砷（ASAS）等等原原子子能能够够克克服服阻阻力力进进入入半半导导体（硅）中并缓慢地移动。体（硅）中并缓慢地移动。进入半导体中的杂质原子有替位式扩散和间隙式扩散两种方式。进入半导体中的杂质原子有替位式扩散和间隙式扩散两种方式。(2)(2)两种表面源的扩散方程的解两种表面源的扩散方程的解 图图1 1 图图2

11、 2(3)(3)扩散工艺的主要参数扩散工艺的主要参数 薄层电阻。薄层电阻。图图3 3 图图4 4 PN PN结结深结结深Xj Xj 磨角法磨角法 Xj=dsin Xj=dsin 图图滚槽法滚槽法 Xj=ab/2R Xj=ab/2R 图图(4)(4)杂质的横向扩散杂质的横向扩散在大规模集成电路制造工艺中应减小或避免杂质的横向扩散在大规模集成电路制造工艺中应减小或避免杂质的横向扩散 图图2 2 扩散工艺扩散工艺固态源扩散装置固态源扩散装置 图图工工艺艺过过程程为为：先先是是固固态态氮氮化化硼硼源源的的活活化化,活活化化后后的的氮氮化化硼硼源源与与硅硅片片间间隔隔等等距距离离立立放放在在反反应应室室

12、内内，加加热热到到960960扩扩散散,将将预预淀淀积积后后的的硅硅晶晶片片在在稀稀氢氢氟氟酸酸中中漂漂去去掺掺入入硼硼的的二二氧氧化化硅硅（硼硼硅硅玻玻璃璃）层层后后，继继续续进进行再分布扩散行再分布扩散.3 3 离子注入掺杂技术离子注入掺杂技术 (1)(1)离子注入装置离子注入装置 图图(2)(2)离子源离子源 (3)(3)磁分析器磁分析器 (4)(4)加速器加速器 。(5)(5)聚焦和扫描器。聚焦和扫描器。(6)(6)靶室和偏束板。靶室和偏束板。(7)(7)真空排气系统和电气控制器真空排气系统和电气控制器。(8)(2)(2)离子注入的原理离子注入的原理 图图(3)(3)离子注入的杂质分布

13、离子注入的杂质分布 (4)(4)离子注入掺杂技术的特点离子注入掺杂技术的特点 被被注注入入的的杂杂质质离离子子是是经经过过质质量量分分析析器器挑挑选选出出来来的的，被被选选中中的的离离子子纯纯度高、能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。度高、能量单一，从而保证了掺杂纯度不受杂质源纯度的影响。离离子子注注入入可可以以在在较较低低温温度度(400(400)下下进进行行，所所以以能能够够避避免免热热扩扩散散所所引入的晶体缺陷。引入的晶体缺陷。离离子子注注入入掺掺杂杂的的均均匀匀性性好好，可可以以在在较较大大面面积积上上形形成成既既薄薄又又均均匀匀的的掺掺杂层，而且横向扩散比热扩散小得多。

14、杂层，而且横向扩散比热扩散小得多。离离子子注注入入技技术术对对于于注注入入离离子子的的能能量量和和剂剂量量可可以以分分别别独独立立地地控控制制，因因而可以精确控制掺杂的浓度和掺杂深度。而可以精确控制掺杂的浓度和掺杂深度。第七节第七节 光刻工艺光刻工艺1 1 光刻工艺步骤光刻工艺步骤在二氧化硅薄膜上开窗口的光刻工艺步骤在二氧化硅薄膜上开窗口的光刻工艺步骤 图图 光光刻刻工工艺艺流流程程 (1)(1)清清洗洗后后的的硅硅片片；(2)(2)涂涂感感光光胶胶；(3)(3)前前烘烘；(4)(4)曝光；曝光；(5)(5)显影；显影；(6)(6)坚膜及腐蚀；坚膜及腐蚀；(7)(7)去胶去胶 光刻的流程光刻的

15、流程 清清洁洁处处理理。涂涂感感光光胶胶。前前烘烘。曝曝光光。显显影影。坚膜。坚膜。腐蚀。腐蚀。去胶。去胶。清洗。清洗。2 2常见的几种光刻方法常见的几种光刻方法常常用用的的光光刻刻方方法法有有接接触触式式光光刻刻、接接近近式式光光刻刻和和投投影影式式光光刻刻三三种种 .图图3 3 超细线条曝光技术超细线条曝光技术 远紫外线曝光技术。远紫外线曝光技术。电子束曝光技术。电子束曝光技术。离子束曝光技术。离子束曝光技术。X X射线曝光技术。射线曝光技术。第八节第八节 刻蚀技术刻蚀技术 1 1 湿法腐蚀湿法腐蚀湿湿法法腐腐蚀蚀就就是是将将晶晶片片置置于于液液态态的的化化学学腐腐蚀蚀液液中中进进行行腐腐

16、蚀蚀。根根据据被被腐腐蚀膜层材料的不同，配制不同的腐蚀液进行腐蚀。蚀膜层材料的不同，配制不同的腐蚀液进行腐蚀。二氧化硅的腐蚀二氧化硅的腐蚀 铝的腐蚀铝的腐蚀 2 2 干法腐蚀干法腐蚀 干干法法腐腐蚀蚀是是使使腐腐蚀蚀剂剂处处于于“活活性性气气态态”情情况况下下，与与被被腐腐蚀蚀的的晶晶片片表表面面接接触触而而实实现现腐腐蚀蚀的的。干干法法腐腐蚀蚀分分为为等等离离子子体体腐腐蚀蚀、物物理理腐腐蚀蚀和和反反应离子腐蚀三类。应离子腐蚀三类。淀积工艺淀积工艺 在在集集成成电电路路制制造造工工艺艺中中，金金属属电电极极膜膜的的淀淀积积方方法法常常用用的的有有真真空空蒸发法和溅射法，这两种方法都属于物理汽

17、相淀积技术。蒸发法和溅射法，这两种方法都属于物理汽相淀积技术。1 1 真空蒸发方法真空蒸发方法 电阻加热蒸发电阻加热蒸发 图图 电子束蒸发电子束蒸发 2 2 溅射技术溅射技术表面钝化技术表面钝化技术 为了提高器件稳定性和可靠性，主要采取的措施有为了提高器件稳定性和可靠性，主要采取的措施有 掺氯氧化。掺氯氧化。掺磷氧化。掺磷氧化。氮化硅（氮化硅（Si3N4Si3N4）钝化膜。）钝化膜。三氧化二铝钝化膜。三氧化二铝钝化膜。隔离技术隔离技术 1 1 双极型集成电路中的隔离技术双极型集成电路中的隔离技术(1)PN(1)PN结隔离结隔离图图PNPN结结隔隔离离工工艺艺的的优优点点是是方方法法简简单单、易

18、易于于制制造造、无无需需特特殊殊技技术术和和设设备备。但但其缺点是：其缺点是：由于由于PNPN结漏电流的存在，隔离性能欠理想。结漏电流的存在，隔离性能欠理想。由由于于隔隔离离扩扩散散时时的的横横向向扩扩散散，因因此此要要占占用用较较多多芯芯片片面面积积，这这对对提提高高集成度不利。集成度不利。隔隔离离结结面面积积大大，由由于于PNPN结结的的电电容容效效应应，会会影影响响高高频频放放大大器器的的频频率率响响应和高速数字电路的速度。应和高速数字电路的速度。PNPN结结隔隔离离的的抗抗辐辐照照能能力力差差，受受温温度度影影响响大大。这这是是因因为为PNPN结结的的电电特特性性对温度和辐射影响灵敏的

19、缘故。对温度和辐射影响灵敏的缘故。(2)PN(2)PN结对通隔离结对通隔离 对通隔离工艺示意图对通隔离工艺示意图 图图(3)(3)集电极隔离扩散集电极隔离扩散 集电极隔离扩散工艺示意图集电极隔离扩散工艺示意图 图图(4)(4)双极型集成电路中的介质隔离双极型集成电路中的介质隔离 介质隔离工艺示意图介质隔离工艺示意图 图图(a)(a)氧化；（氧化；（b b）光刻；光刻；（c c）腐蚀；腐蚀；（d d）生成氧化硅；生成氧化硅；（e e）生成多晶硅；生成多晶硅；（f f）形成形成N N型硅型硅(b)(b)(5)(5)双极型集成电路中的双极型集成电路中的PNPN结介质隔离结介质隔离 (c)(c)PNP

20、N结结-介质混合隔离工艺介质混合隔离工艺 图图(d)(d)(a(a）N N+埋层扩散；埋层扩散；（b b）扩散保护环；扩散保护环；（c c）外延外延N N型层；型层；（d d）开槽；开槽；（e e）隔离氧化隔离氧化 2 2 MOS MOS集成电路中的隔离技术集成电路中的隔离技术 图图(a)NMOS;(b)PMOS;(c)Pa)NMOS;(b)PMOS;(c)P阱阱CMOS;(d)NCMOS;(d)N阱阱CMOSCMOS（e e）双阱双阱场寄场寄生生MOSFETMOSFET 图图(1)(1)标准场氧化隔离标准场氧化隔离图图(2)(2)局部氧化隔离局部氧化隔离 图图微电子技术的加工工艺环境微电子技

21、术的加工工艺环境 1 1 超净空间环境超净空间环境 污染来源。污染来源。净化标准。净化标准。2 2 超纯水超纯水超纯水的制备方法有：离子交换法、电渗析法和反渗透法。超纯水的制备方法有：离子交换法、电渗析法和反渗透法。3 3 超纯气体和化学试剂超纯气体和化学试剂(1)(1)气体纯度要求气体纯度要求 (2)(2)化学试剂纯度要求化学试剂纯度要求 衬底材料衬底材料 加工微电子器件对单晶衬底材料的要求主要有以下几点：加工微电子器件对单晶衬底材料的要求主要有以下几点：导电类型。导电类型。电阻率。电阻率。寿命。寿命。晶体完整性。晶体完整性。晶向。晶向。晶向标记。晶向标记。单晶直径尽可能大。单晶直径尽可能大

22、。返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回(a)(a)生长二氧化硅膜；生长二氧化硅膜；(b)(b)淀积氮化硅膜；淀积氮化硅膜；(c)光刻场区氧化窗口；光刻场区氧化窗口；(d)场区氧化；场区氧化；(e)刻蚀掉氮化硅刻蚀掉氮化硅 谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH