【正文】 第三章 集成電路制造工藝 第三章 第三章 167。 硅平面工藝 167。 氧化絕緣層工藝 167。 擴(kuò)散摻雜工藝 167。 光刻工藝 167。 掩模制版技術(shù) 167。 外延生長工藝 167。 金屬層制備工藝 167。 隔離工藝技術(shù) 167。 CMOS集成電路工藝流程 主要內(nèi)容 第三章 ? 集成電路的核心是半導(dǎo)體器件 ? 包括：電阻 電容 電感 二極管 三極管 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 MOS場效應(yīng)晶體管 ....... 不同類型的半導(dǎo)體區(qū)域和它們之間一個或多個 PN結(jié)組成 半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝的基本原理 根據(jù)電路設(shè)計要求，在半導(dǎo)體材料不同區(qū)域形成不 同導(dǎo)電區(qū)域 (P型以及 N型 )進(jìn)而形成一個或多個 PN結(jié) 第三章 1950年 ， 合金法制備的晶體管即合金管或臺面管 半導(dǎo)體器件工藝技術(shù)發(fā)展的三個階段 第三章 1955年 ， 發(fā)明擴(kuò)散技術(shù) ， 擴(kuò)散能夠精確控制 為了能夠精確控制 PN結(jié)的位置以及寬度等 第三章 1960年 ， 硅平面工藝 是 半導(dǎo)體器件制造技術(shù)最重要的里程碑 。 綜合了 擴(kuò)散技術(shù) 和 二氧化硅掩膜技術(shù) 二氧化硅能有效抑制大部分施主和受主雜質(zhì)的擴(kuò)散， 可以 選擇性地進(jìn)行擴(kuò)散 ，得到不同的 P(N)區(qū)域 第三章 晶片 （ Wafer） ： 襯底硅片，也稱為晶圓 芯片 （ Chip）： 在晶片上經(jīng)制備出的晶體管或電路。同一晶片上可制備出成千上萬個結(jié)構(gòu)相同的 芯片 晶片尺寸越大技術(shù)難度就越高 目前晶片尺寸在 150 ~ 300 mm ( 6~ 12 inch ) 相應(yīng)的生產(chǎn)線為 12 inch。 第三章 第三章 第三章 第三章 167。 氧化工藝 氧化是平面工藝中最核心的技術(shù)之一 。 1957年，發(fā)現(xiàn) SiO2層具有阻止施主或受主雜質(zhì)向硅內(nèi)擴(kuò)散 的作用， 掩蔽作用 。 選擇性擴(kuò)散前均要進(jìn)行氧化，在晶片的表面生長二氧化硅薄膜。 把不需擴(kuò)散的區(qū)域用一定厚度的 SiO2 保護(hù)起來 第三章 ? 對擴(kuò)散雜質(zhì)起 掩蔽作用 ? 可作為 MOS器件的絕緣層，柵極氧化層 ? 用作集成電路中的 隔離 介質(zhì)和 絕緣 介質(zhì)。 ? 作為集成電路中的 電容器 介質(zhì)。 ? 對器件表面起 保護(hù)鈍化 作用。因半導(dǎo)體表面態(tài)對器件的影響非常大，采用氧化層保護(hù)可防止環(huán)境對器件的污染。 一 . SiO2 薄膜在集成電路中的作用 第三章 SiO2 的基本性質(zhì) 晶體結(jié)構(gòu)： 結(jié)晶型 (石英玻璃 ) 非晶態(tài) 半導(dǎo)體器件生產(chǎn)所用的 SiO2 薄膜屬于 非晶態(tài) 結(jié)構(gòu)。 物理性質(zhì) 惰性材料，在室溫相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，性能十分穩(wěn)定；電阻率非常高，熱氧化的 SiO2 薄膜為 10 15 歐姆 厘米， 是很好的絕緣材料，高介電常數(shù)。 第三章 二 .SiO2薄膜的生長方法 工藝 ： 氧化 熱氧化 化學(xué)氣相沉積 氧氣氧化 氫氧合成氧化 高壓氧化 第三章 第三章 熱氧化過程 do xS i O2do x0 . 4 4S i( b ) 氧 化 后 的 硅 片( a ) 氧 化 前 的 硅 片S i氧 化氧化前 氧化后 第三章 氧氣法氧化 按照氧氣的情況 干法氧化 濕法氧化 第三章 ?干氧生成的 SiO2結(jié)構(gòu)致密 、干燥 、 均勻性和重復(fù)性好 ， 掩蔽能力強(qiáng) ， 與光刻膠粘附好等優(yōu)點(diǎn) ? 干氧化速率慢 ， 由于已生長的 SiO2對氧有阻礙作用 ， 氧化的速度會逐漸降低 ， O2 Si（固體） + O2 → SiO2（固體） ? 干法氧化 將硅片置于通有 氧氣 的高溫環(huán)境內(nèi)，通過到達(dá)硅表面的氧原子與硅的作用發(fā)生反應(yīng)形成 SiO2。 將石英管高溫加熱至 1000℃ 以上，通入氧氣。 石英管 加熱器 硅片 石英舟 第三章 高溫下 ， 硅與水汽和氧氣發(fā)生如下反應(yīng)： 濕法氧化 Si（固體） + 2H2O → SiO2（固體） + 2H2 濕氧氧化速率快 ， 水的擴(kuò)散系數(shù)大于氧氣 。 但致密度較差 ， 對 P的掩蔽能力差 ， 于光刻膠的接觸不良 。 石英管 高純水 加熱器 硅片 石英舟 濕 O2 95度的去 離子水 第三章 硅 干法氧化 濕法氧化 干法氧化 實(shí)際氧化工藝： 干氧化 濕氧化 干氧化 第三章 氫氧合成氧化 OHOH 222 %)(%)9 9 9 ( ?? Si（固體） + 2H2O → SiO2（固體） + 2H2 氧化速度快，避免濕法氧化中水蒸氣對器件帶來的污染， 薄膜質(zhì)量好，純度高。 第三章 高壓氧化 第三章 化學(xué)汽相沉積法 CVD 把一種 (幾種 )元素的 氣體 共給基片，利用某種方式激活后，在襯底表面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積所需的固體薄膜。 激活方式：加熱、等離子體、紫外光、激光等產(chǎn)生高溫 多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多種無機(jī)薄膜 第三章 OHS iOOS iH 2224 22 ???制備氧化硅時： 硅烷與氧的反應(yīng) 第三章 8001000℃ 102 Pa 產(chǎn)量大，膜厚均勻 600700℃ 射頻電場， 200400℃ 第三章 第三章 3. SiO2薄膜的要求和檢測方法 ? SiO2薄膜的要求 表面：表面厚度均勻、表面致密、無斑點(diǎn)、無白霧 ? SiO2薄膜的厚度測量 表面觀察法 (TEM)、干涉法、橢圓激光偏振法等。 最常用的是 干涉條紋法 。 第三章 4. 氧化技術(shù)的發(fā)展趨勢和面臨問題 ? 隨著集成電路的集成度的不斷提高，器件尺寸的不斷減小， 使 MOS器件的 柵氧化層厚度 的不斷減小。 柵氧化層厚度從 100 nm（ 1975年） 減小到目前的 5nm。 ? 柵氧化層厚度越薄，則 漏電和擊穿 問題越嚴(yán)重，所以需要 開發(fā) 高介質(zhì) 的柵氧化層材料。 ? 隨著集成電路尺寸的不斷減小， 布線間距縮小 電容明顯增大，使得器件的延遲增大速度變慢。 減小布線電容 的有效方法就是 采用低介質(zhì)常數(shù) 的材料作 層間絕緣 。 第三章 擴(kuò)散定律 由于濃度不均勻而導(dǎo)致載流子（電子或空穴）從高濃度處向低濃度處逐漸運(yùn)動的過程 擴(kuò)散 167。 擴(kuò)散摻雜工藝 目的 通過摻雜或補(bǔ)償，制作 N型或 P型區(qū)域 第三章 第三章 一 . 擴(kuò)散原理 D 擴(kuò)散系數(shù)：反映擴(kuò)散快慢程度的物理量。 S = D dN dX 1. 擴(kuò)散流密度： 描述了擴(kuò)散過程硅片上各點(diǎn)雜質(zhì)濃度隨時間變化的規(guī)律 2. 擴(kuò)散方程： ?N ?2N ? t = D ?X2 在硅中： D 磷 = cm2/s D 硼 = 25 cm2/s )/e x p( 00 kTEDD ??第三章 3. 雜質(zhì)分布特點(diǎn) ? 雜質(zhì)分布 擴(kuò)散工藝形式不同但總體可分為 恒定源擴(kuò)散，限定源擴(kuò)散 ? 恒定源擴(kuò)散 硅片表面處雜質(zhì)濃度不隨時間變化而變 。 ? 限定源擴(kuò)散