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第三章第三章 集成电路工艺基础集成电路工艺基础 第一节第一节 引言引言集集成成电电路路的的制制造造需需要要非非常常复复杂杂的的技技术术，它它主主要要由由半半导导体体物物理理与与器器件件专专业业负负责责研研究究。VLSIVLSI设设计计者者可可以以不不去去深深入入研研究究，但但是是作作为为从从事事系系统统设设计计的的工工程程师师，有有必必要要了了解解芯芯片片设设计计中中的的工工艺艺基基础础知知识识，才才能能根根据据工工艺艺技技术术的的特特点点优优化化电电路路设设计计方方案案。对对于于电电路路和和系系统统设设计计者者来来说说，更更多多关关注注的的是是工工艺艺制制造造的的能能力力，而而不不是是工工艺艺的的具具体体实实施过程。施过程。由由于于SOCSOC的的出出现现，给给ICIC设设计计者者提提出出了了更更高高的的要要求求，也也面面临临着着新新的的挑挑战战：设设计计者者不不仅仅要要懂懂系系统统、电电路路，也也要要懂工艺、制造。懂工艺、制造。2024/6/231 第三章 集成电路工艺基础2023/8/101 第二节 半导体材料：硅1、电阻率：电阻率：从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：金属：金属：10E4 cm2导电能力随温度上升而迅速增加导电能力随温度上升而迅速增加 一一般般金金属属的的导导电电能能力力随随温温度度上上升升而而下下降降，且且变变化化不不明明显显。但但硅硅的的导导电电能能力力随随温温度度上上升升而而增增加加，且且变变化化非非常常明显。举个例子：明显。举个例子：Cu：30 C 100 C 增加不到一半（正温度系数）增加不到一半（正温度系数）Si：30 C 20 C 增加一倍增加一倍（负温度系数）（负温度系数）2024/6/232 第二节 半导体材料：硅2023/8/1023半半导导体体的的导导电电能能力力随随所所含含的的微微量量杂杂质质而而发发生生显显著著变变化化 一一般般材材料料纯纯度度在在99.9已已认认为为很很高高了了，有有0.1的的杂杂质质不不会会影影响响物物质质的的性性质质。而而半半导导体体材材料料不不同同，纯纯净净的硅在室温下：的硅在室温下：21400cm如如果果在在硅硅中中掺掺入入杂杂质质磷磷原原子子，使使硅硅的的纯纯度度仍仍保保持持为为99.9999。则则其其电电阻阻率率变变为为：0.2cm。因因此此，可可利利用用这这一一性性质质通通过过掺掺杂杂质质的的多多少少来来控控制制硅硅的的导导电电能力。能力。4半导体的导电能力随光照而发生显著变化半导体的导电能力随光照而发生显著变化5半半导导体体的的导导电电能能力力随随外外加加电电场场、磁磁场场的的作作用用而发生变化而发生变化2024/6/2333半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化2023/6、P型和型和N型半导体型半导体两两种种载载流流子子：带带负负电电荷荷的的电电子子和和带带正正电电荷荷的的空空穴。穴。纯纯净净硅硅称称为为本本征征半半导导体体。本本征征半半导导体体中中载载流流子子的浓度在室温下：的浓度在室温下：T300K当当硅硅中中掺掺入入族族元元素素P时时，硅硅中中多多数数载载流流子子为为电子，这种半导体称为电子，这种半导体称为N型半导体。型半导体。2024/6/2346、P型和N型半导体2023/8/104当当硅硅中中掺掺入入族族元元素素B时时，硅硅中中多多数数载载流流子子为为空穴，这种半导体称为空穴，这种半导体称为P型半导体。型半导体。第三节 集成电路制造工艺简介一、氧化工艺氧化工艺一一个个MOSMOS集集成成电电路路电电路路中中，主主要要元元件件是是；PMOS,NMOS,R,C,LPMOS,NMOS,R,C,L及及连连线线。MOSMOS是是Metal Metal Oxide Oxide Semiconductor Semiconductor SiliconSilicon的的缩缩写写。MOSMOS管管有有三三种种主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。2024/6/235当硅中掺入族元素B时，硅中多数载流子为空穴，这种半导体称为氧化炉2024/6/236氧化炉2023/8/106改进的氧化炉2024/6/237改进的氧化炉2023/8/107二、掺杂工艺掺杂工艺 在在衬衬底底材材料料上上掺掺入入五五价价磷磷或或三三价价硼硼，以以改改变变半半导导体体材材料料的的电电性性能能。掺掺杂杂过过程程是是由由硅硅的的表表面面向向体体内内作作用用的的。目目前前，有有两两种种掺掺杂杂方方式式：扩扩散散和和离子注入。离子注入。2024/6/238二、掺杂工艺2023/8/1081.扩扩散散：扩扩散散炉炉与与氧氧化化炉炉基基本本相相同同，只只是是将将要要掺掺入入的的杂质如杂质如P或或B的源放入炉管内。的源放入炉管内。扩散分为两步：扩散分为两步：STEP1 预预淀淀积积：将将浓浓度度很很高高的的一一种种杂杂质质元元素素P或或B淀淀积积在在硅硅片片表面。表面。STEP2 推推进进：在在高高温温、高高压压下下，使使硅硅片片表表面面的的杂杂质质扩扩散散到到硅硅片内部。片内部。实验分析表明：实验分析表明：P的浓度分布可由下式表示：的浓度分布可由下式表示：其中，其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度原子浓度 D：P的扩散系数的扩散系数 t：扩散时间扩散时间 x：扩散深度扩散深度只要控制只要控制NT、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度三个因素就可以决定扩散深度及浓度。2024/6/2391.扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的杂质如P或2离子注入离子注入2024/6/23102离子注入2023/8/1010其中：离子注入的分布有以下两个特点：离子注入的分布有以下两个特点：1离离子子注注入入的的分分布布曲曲线线形形状状（Rp，pp），只只与与离离子子的的初初始始能能量量E0有有关关。并并杂杂质质浓浓度度最最大大的的地地方方不不是是在在硅硅的的表表面面，X0处处，而而是是在在XRp处。处。Rp：平均浓度p：穿透深度的标准差Nmax=0.4NT/pNT：单位面积注入的离子数，即离子注入剂量2024/6/2311其中：Rp：平均浓度2023/8/10112离子注入最大值离子注入最大值Nmax与注入剂量与注入剂量NT有关。有关。而而E0与与NT都是可以控制的参数。因此，离子都是可以控制的参数。因此，离子注入方法可以精确地控制掺杂区域的浓度及注入方法可以精确地控制掺杂区域的浓度及深度。深度。三淀积工艺三淀积工艺 淀淀积积工工艺艺主主要要用用于于在在硅硅片片表表面面上上淀淀积积一一层层材材料，如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃料，如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃PSG等。等。1、金属化工艺、金属化工艺 淀淀积积铝铝也也称称为为金金属属化化工工艺艺，它它是是在在真真空空设设备备中进行的。在硅片的表面形成一层铝膜。中进行的。在硅片的表面形成一层铝膜。2024/6/23122离子注入最大值Nmax与注入剂量NT有关。2023/8/2024/6/23132023/8/10132、淀积多晶硅、淀积多晶硅淀淀积积多多晶晶硅硅一一般般采采用用化化学学汽汽相相淀淀积积（LPCVD）的的方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。适适当当控控制制压压力力、温温度度并并引引入入反反应应的的蒸蒸汽汽，经经过过足足够够长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。淀淀积积PGS与与淀淀积积多多晶晶硅硅相相似似，只只是是用用不不同同的的化化学学反反应过程，这里不一一介绍了。应过程，这里不一一介绍了。采用 在700C的高温下，使其分解：2024/6/23142、淀积多晶硅 2023/8/1014四、钝化工艺四、钝化工艺在在集集成成电电路路制制作作好好以以后后，为为了了防防制制外外部部杂杂质质，如如潮潮气气、腐腐蚀蚀性性气气体体、灰灰尘尘侵侵入入硅硅片片，通通常常在硅片表面加上一层保护膜，称为钝化。在硅片表面加上一层保护膜，称为钝化。目目前前，广广泛泛采采用用的的是是氮氮化化硅硅做做保保护护膜膜，其其加加工工过过程程是是在在450C以以下下的的低低温温中中，利利用用高高频频放放电电，使使 和和 气气体体分分解解，从从而而形形成成氮氮化化硅而落在硅片上。硅而落在硅片上。2024/6/2315四、钝化工艺2023/8/1015五、光刻工艺光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。作。掩膜版和光刻胶：掩膜版和光刻胶：掩膜版：亮版和暗版掩膜版：亮版和暗版 光刻胶：正胶和负胶光刻胶：正胶和负胶2024/6/2316五、光刻工艺2023/8/10162024/6/23172023/8/1017光刻过程如下：光刻过程如下：1涂光刻胶涂光刻胶2掩膜对准掩膜对准3曝光曝光4显影显影5刻蚀：采用干法刻蚀（刻蚀：采用干法刻蚀（Ery Eatching）6去胶：化学方法及干法去胶去胶：化学方法及干法去胶(1)丙酮中，然后用无水乙醇丙酮中，然后用无水乙醇(2)发烟硝酸发烟硝酸(3)等离子体的干法刻蚀技术等离子体的干法刻蚀技术2024/6/2318光刻过程如下：2023/8/1018光刻工艺的发展：70年代的光刻只能加工年代的光刻只能加工35m线宽，线宽，4 5 wafer。那时的光刻机采用接触式的。如：那时的光刻机采用接触式的。如：canon，采用紫外线光源，分辨率较低。采用紫外线光源，分辨率较低。80年代发明了年代发明了1：1投影式光刻机，可加工投影式光刻机，可加工12m线宽，线宽，5 6 waferwafer。代表产品有美国的代表产品有美国的UltrotecUltrotec。存在问题是：存在问题是：（1）Mask难做，要求平坦，不能有缺陷。难做，要求平坦，不能有缺陷。（2）Wafer与与Mask之之间间有有间间隙隙，使使一一些些尘尘埃埃颗颗 粒加入，造成影响。另外，有光折射产生。粒加入，造成影响。另外，有光折射产生。2024/6/2319光刻工艺的发展：2023/8/10192024/6/23202023/8/102080年代后期出现了年代后期出现了Wafer Stepper，10:1或或5:1，使芯片加工进入了，使芯片加工进入了0.8m的时代。代的时代。代表产品有：美国的表产品有：美国的GCA，日本的日本的Canon，Nikon及荷兰的及荷兰的ASM。另外，美国的另外，美国的KLA更加先进，它带有更加先进，它带有Mask检查及修正系统。它将检查及修正系统。它将Mask上的图上的图形缩小形缩小5倍后投影到硅片上，因此，使缺倍后投影到硅片上，因此，使缺陷缩小很多。它使用的光源仍是紫外线，陷缩小很多。它使用的光源仍是紫外线，但是用的是但是用的是g-line，波长在波长在436nm，可加工：可加工：0.81.0m（大生产），大生产），0.50.8m（科研）科研）芯片。芯片。2024/6/232180年代后期出现了Wafer Stepper，10:1或5:90年代对年代对Stepper的改进大致两个方面，的改进大致两个方面，一是在光源上：一是在光源上：（1）用）用I-line的紫外线，波长在的紫外线，波长在365nm，可加工可加工0.50.6m的芯片。的芯片。（2）若用准分子激光光源）若用准分子激光光源KrF下，波长大约下，波长大约248nm，可加工：可加工：0.250.5m（大生产），大生产），0.070.1m（科研）的芯片。科研）的芯片。（3）还有用电子束（）还有用电子束（EBeam）光源的，主要用于光源的，主要用于做做Mask。二是在制作二是在制作Mask上下功夫，并带有上下功夫，并带有Mask的的修正功能，可通过检测修正功能，可通过检测Mask上的缺陷，调整上的缺陷，调整曝光过程。曝光过程。2024/6/232290年代对Stepper的改进大致两个方面，2023/8/1第四节 CMOS集成电路加工过程简介一、硅片制备一、硅片制备二、前部工序二、前部工序2024/6/2323第四节 CMOS集成电路加工过程简介2023/8/102掩膜1：P阱光刻阱光刻具体步骤如下：具体步骤如下：1生长二氧化硅：生长二氧化硅：2024/6/2324掩膜1：P阱光刻2023/8/10242P阱光刻：阱光刻：涂胶、掩膜对准、曝光、显影、刻蚀涂胶、掩膜对准、曝光、显影、刻蚀3去胶去胶4掺杂：掺入掺杂：掺入B元素元素2024/6/23252P阱光刻：2023/8/1025掩膜2：光刻有源区光刻有源区淀积氮化硅淀积氮化硅光刻有源区光刻有源区场区氧化场区氧化去除有源区氮化硅及二氧化硅去除有源区氮化硅及二氧化硅生长栅氧生长栅氧淀积多晶硅淀积多晶硅2024/6/2326掩膜2：光刻有源区2023/8/10262024/6/23272023/8/1027掩膜3 ：光刻多晶硅光刻多晶硅掩膜4 ：P+区光刻区光刻 1、P+区光刻区光刻 2、离离子子注注入入B+，栅栅区区有有多多晶晶硅硅做做掩掩蔽蔽，称称为为硅栅自对准工艺。硅栅自对准工艺。3、去胶、去胶2024/6/2328掩膜3 ：光刻多晶硅2023/8/1028掩膜5：N+区光刻区光刻 1、N+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入P+3、去胶去胶2024/6/23292023/8/1029掩膜6 ：光刻接触孔：光刻接触孔2024/6/23302023/8/1030掩膜7：光刻铝引线：光刻铝引线1、淀积铝、淀积铝 2、光刻铝、光刻铝2024/6/2331掩膜7：光刻铝引线2023/8/1031掩膜8：刻钝化孔：刻钝化孔中测打点2024/6/2332掩膜8：刻钝化孔2023/8/1032三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）（1）背面减薄）背面减薄（2）切片）切片（3）粘片）粘片（4）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊（5）切筋）切筋（6）整形）整形（7）所封）所封（8）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触（9）老化）老化（10）成测）成测（11）打印、包装）打印、包装2024/6/2333三、后部封装（在另外厂房）2023/8/10332024/6/23342023/8/1034