【正文】 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 第三章 集成電路工藝 167。 概述 167。 集成電路制造工藝 167。 BJT工藝 167。 MOS工藝 167。 BiMOS工藝 167。 MESFET工藝與 HEMT工藝 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 50?m 100? m 頭發(fā)絲粗細 30?m 1?m ? 1?m (晶體管的大小 ) 30~50?m (皮膚細胞的大小 ) 90年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細、皮膚細胞大小的比較 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 芯片制造過程 由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層 曝 光 刻 蝕 硅片 測試和封裝 用掩膜版 重復(fù) 2030次 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 第 3章 IC制造工藝 外延生長 掩膜制作 光刻 刻蝕 摻雜 絕緣層形成 金屬層形成 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 集成電路制造工藝 ? 圖形轉(zhuǎn)換： 將設(shè)計在掩膜版 (類似于照相底片 )上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上 ? 摻雜： 根據(jù)設(shè)計的需要，將各種雜質(zhì)摻雜在需要的位置上，形成晶體管、接觸等 ? 制膜： 制作各種材料的薄膜 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 多晶硅放入坩堝內(nèi)加熱到 1440℃ 熔化。為了防止硅在高溫下被氧化，坩堝內(nèi)被抽成真空并注入惰性氣體氬氣。之后用純度 % 的鎢絲懸掛“硅籽晶”探入熔融硅中，以 2~20轉(zhuǎn) /分鐘的轉(zhuǎn)速及 3~10毫米 /分鐘的速率從熔液中將單晶硅棒緩慢拉出。這樣就會得到一根純度極高的單硅晶棒，理論上最大直徑可達 45厘米，最大長度為 3米。 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 Process Flow of Annealed Wafer Crystal Growth Slicing Graphite Heater Si Melt Si Crystal Polishing Wafering High Temp. Annealing Furnace Annealed Wafer Defect Free Surface by Annealing (Surface Improvement） Surface Defect Map Polished Wafer 晶圓退火工藝流程 晶體生長 晶圓制作 硅晶體 熔硅 切片 拋光 拋光片 高溫退火 退火后的晶圓 退火爐 （改善表面） 利用退火消除缺陷 石墨加熱器 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 集成電路加工過程簡介 硅片制備（切、磨、拋） *圓片（ Wafer）尺寸與襯底厚度： 2??— 3??— 5??— 4??— 6??— 硅片的大部分用于機械支撐。 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 外延生長 (Epitaxy) 外延生長的目的 ? 半導(dǎo)體工藝流程中的基片是拋光過的晶圓基片 ,直經(jīng)在 50到 200mm(28英寸 )之間 ,厚度約幾百微米 。 ? 盡管有些器件和 IC可以直接做在未外延的基片上 ,但大多數(shù)器件和 IC都做在經(jīng)過外延生長的襯底上 。 原因是未外延過的基片性能常常不能滿足要求 。 外延的目的是在襯底材料上形成具有不同的摻雜種類及濃度 ,因而具有不同性能的單晶材料 。 ? 可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延 。 ? 不同的外延工藝可制出不同的材料系統(tǒng) 。 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 化學(xué)汽相淀積 (CVD) ? 化學(xué)汽相淀積 (Chemical Vapor Deposition)：通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過程 ? CVD技術(shù)特點： – 具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點 – CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的 SiO多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬 (鎢、鉬 )等 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 化學(xué)汽相淀積 (CVD) ? 常壓化學(xué)汽相淀積 (APCVD) ? 低壓化學(xué)汽相淀積 (LPCVD) ? 等離子增強化學(xué)汽相淀積 (PECVD) Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 Si基片的鹵素生長外延 ? 在一個反應(yīng)爐內(nèi)的 SiCl4/H2系統(tǒng)中實現(xiàn)：在水平的外延 生長爐中， Si基片放在石英管中的石墨板上， SiCl4， H2及氣態(tài)雜質(zhì)原子通過反應(yīng)管。在外延過程中，石墨板被石英管周圍的射頻線圈加熱到 15002022度，在高溫作用下，發(fā)生 SiCl4+2H2?Si+4HCl? 的反應(yīng)，釋放出的 Si原子在基片表面形成單晶硅。 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 化學(xué)汽相淀積 (CVD)—— 二氧化硅 ? 二氧化硅的作用：可以作為金屬化時的介質(zhì)層，而且還可以作為離子注入或擴散的掩蔽膜，甚至還可以將摻磷、硼或砷的氧化物用作擴散源 – 低溫 CVD氧化層：低于 500℃ – 中等溫度淀積： 500～ 800℃ – 高溫淀積： 900℃ 左右 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 化學(xué)汽相淀積 (CVD)—— 多晶硅 ? 多晶硅的作用：利用多晶硅替代金屬鋁作為 MOS器件的柵極是 MOS集成電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬鋁作為柵極的 MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實現(xiàn)源漏區(qū)自對準離子注入，使 MOS集成電路的集成度得到很大提高。 ? 氮化硅的化學(xué)汽相淀積：中等溫度 (780～ 820℃ )的 LPCVD或低溫 (300℃ ) PECVD方法淀積 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 物理氣相淀積 (PVD)—— 金屬 ? 蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。按照能量來源的不同，有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種 ? 濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場作用下，氣體放電形成的離子被強電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 蒸發(fā)原理圖 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 金屬有機物化學(xué)氣相沉積（ MOCVD: MetalOrganic Chemical Vapor Deposition） ? IIIV材料的 MOCVD中 ， 所需要生長的 III， V族元素的源材料以氣體混和物的形式進入反應(yīng)爐中已加熱的生長區(qū)里 ， 在那里進行熱分解與沉淀反應(yīng) 。 ? MOCVD與其它 CVD不同之處在于它是一種冷壁工藝 ， 只要將襯底控制到一定溫度就行了 。 ? GaAs采用 MOCVD同質(zhì)外延技術(shù)進行生長 （ 襯底溫度600~800℃ ） ， GaN采用異質(zhì)外延技術(shù) （ 襯底溫度900~1200℃ ） Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 Aixtron 2400G3HT MOCVD系統(tǒng) Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 分子束外延生長 (MBE: Molecular Beam Epitaxy) ? MBE在超真空中進行 ， 基本工藝流程包含產(chǎn)生轟擊襯底上生長區(qū)的 III， V族元素的分子束等 。 MBE幾乎可以在 GaAs基片上生長無限多的外延層 。 這種技術(shù)可以控制 GaAs， AlGaAs或 InGaAs上的生長過程 ， 還可以控制摻雜的深度和精度達納米極 。經(jīng)過 MBE法 ， 襯底在垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化具有特殊的物理屬性 。 ? MBE的不足之處在于產(chǎn)量低 。 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 英國 VG Semi公司型號為 V80SSi的 MBE設(shè)備關(guān)鍵部分照片 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 掩膜 (Mask)的制版工藝 1. 掩膜制造 ? 從物理上講 ,任何半導(dǎo)體器件及 IC都是一系列互相聯(lián)系的基本單元的組合 ,如導(dǎo)體 ,半導(dǎo)體及在基片上不同層上形成的不同尺寸的隔離材料等 .要制作出這些結(jié)構(gòu)需要一套掩膜 。 一個光學(xué)掩膜通常是一塊涂著特定圖案鉻薄層的石英玻璃片 ， 一層掩模對應(yīng)一塊 IC的一個工藝層 。 工藝流程中需要的一套掩膜必須在工藝流程開始之前制作出來 。 制作這套掩膜的數(shù)據(jù)來自電路設(shè)計工程師給出的版圖 。 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 什么是掩膜？ ? 掩膜是用石英玻璃做成的均勻平坦的薄片 ， 表面上涂一層 600?800197。厚的 Cr層 ，使其表面光潔度更高 。 稱之為鉻板 ， Cr mask。 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 整版及單片版掩膜 ? 整版 按統(tǒng)一的放大率印制 ， 因此稱為 1X掩膜 。 這種掩膜在一次曝光中 ， 對應(yīng)著一個芯片陣列的所有電路的圖形都被映射到基片的光刻膠上 。 ? 單片版 通常把實際電路放大 5或 10倍 ， 故稱作 5X或 10X掩膜 。 這樣的掩膜上的圖案僅對應(yīng)著基片上芯片陣列中的一個單元 。 上面的圖案可通過步進曝光機映射到整個基片上 。 Fundamentals of IC Analysis and Design (3) 材料與能源學(xué)院微電子材料與工程系 早期掩膜制作方法： ? 人們先把版圖 (layout)分層畫在紙上 , 每一層 mask一種圖案 . 畫得很大 , 50?50 cm2 或 100?100cm2, 貼在墻上 , 用照相機拍照 . 然后縮小 10?20倍 , 變?yōu)?5?5? cm2 或 10?10?5?5 cm2的精細底片 . 這叫初縮 . ? 將初縮版裝入步進重復(fù)照相機 , 進一步