半导体集成电路第2章讲解

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1、半导体集成电路 南京理工大学电光学院 第二章 寄生效应及集成电路的制造技术 v集成电路的基本制造技术 vCMOS工艺与器件结构 v版图设计规则 v双极型晶体管工艺与器件结构 vBiCMOS工艺 集成电路的基本制造技术 v简单地说，集成电路的制造过程可以大致分 为沙子原料(石英)、硅锭、晶圆、光刻(平版印 刷)、蚀刻、离子注入、金属沉积、金属层、互 连、晶圆测试与切割、核心封装、等级测试、 包装上市等诸多步骤，而且每一步里边又包含 更多细致的过程。 几个关键步骤 v硅晶圆的制作 v光刻(lithography)与刻蚀(etching) v扩散与离子注入 v薄膜淀积-氧化 v测试封装 最初：沙子

2、v巴西、挪威出产的高纯度石英砂 硅的提成及硅锭的制作 v将石英砂先脱氧，再以化学气相沉积（CVD ）法还原，得到高纯度硅。学名电子级硅 (EGS)，平均每一百万个硅原子中最多只有一 个杂质原子。再用提拉法得到硅锭(Ingot)。 也 可以在这个过程中根据需要，掺入杂质元素， 得到N型或P型硅。 v制成的硅锭要按电阻率和晶格完整度进行分 类，然后将尾部切除，再进行机械修整。 v在硅锭上需要打磨出一条或多条平边，以指 示晶体方向和掺杂类型。 v磨平后，用化学洗剂去除机械研磨造成的损 伤，再进行切割。 v切割后，再用一系列步骤去除残留的机械损 伤，再用化学机械抛光等办法对晶圆进行抛光 。 光刻与刻蚀

3、：雕塑集成电路的刻刀 v集成电路如同城市，有复杂规则的内部结构 和形状。这些都是通过多次的光刻与刻蚀来完 成的。决定集成电路器件的主要因素是表面图 形（由光刻掩膜决定）和杂质浓度分布（由掺 杂工艺决定）。 v在进行光刻与刻蚀前，必须在设计时设计好 每次光刻的掩膜版(Mask)。如同一幢大楼的每 一层的图纸。 v每个典型的集成电路器件需要经过15-20次光 刻 光刻工艺的重要性： vIC设计流程图，光刻图案用来定义IC中各种不同的区域， 如：离子注入区、接触窗、有源区、栅极、压焊点、引线孔 等 v主流微电子制造过程中，光刻是最复杂，昂贵和关键的工 艺，占总成本的1/3，一个典型的硅工艺需要15-

4、20块掩膜， 光刻工艺决定着整个IC工艺的特征尺寸，代表着工艺技术发 展水平。 图形加工 图形曝光（光刻，Photolithography ） 图形转移（刻蚀，Etching） 具体的说，光刻是在 硅片表面匀胶，然后 将掩模版上的图形转 移到光刻胶上的过程 。是将器件或电路结 构临时“复制”到硅片上 的过程。 光刻步骤 一、晶圆涂光刻胶： 清洗晶圆，在200C温度下烘干1小时。目的是防止 水汽引起光刻胶薄膜出现缺陷。 待晶圆冷却下来，立即涂光刻胶。 正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中 ，一般只采用正胶 负胶：分辨率差，适于加工线宽3m的线条 光刻胶对大部分可见光灵敏，对黄光不灵敏，可 在

5、黄光下操作。 再烘晶圆再烘，将溶剂蒸发掉，准备曝光 正性胶与负性胶光刻图形的形 成 涂光刻胶的方法(见下图)： 光刻胶通过过滤器滴入晶圆中央，被真空吸盘吸牢的 晶圆以2000 8000转/分钟的高速旋转，从而使光刻胶 均匀地涂在晶圆表面。 光刻步骤二、三、四 二、曝光: 光源可以是可见光,紫外线, X射线和电 子束。 光量，时间取决于光刻胶的型号，厚度和成 像深度。 三、显影: 晶圆用真空吸盘吸牢，高速旋转，将显 影液喷射到晶圆上。显影后，用清洁液喷洗。 四、烘干: 将显影液和清洁液全部蒸发掉。 v几种常见的光刻方法 接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩 膜版和光刻胶膜的损伤。 接近式曝光：

6、在硅片和掩膜版之间有一个很 小的间隙(1025m)，可以大大减小掩膜版的 损伤，分辨率较低 投影式曝光：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，目前用的最 多的曝光方式 定义：为获得器件的结构必须把光刻胶的图 形转移到光刻胶下面的各层材料上面去。 目的：刻蚀的主要内容就是把经曝光、显影 后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉， 即在下层材料上重现与光刻胶相同的图形。 刻蚀 刻蚀是用物理或者化学的方法有选择的从硅 片表面除去不需要的材料的过程 虽然，光刻和刻蚀是两个不同的加工工艺，但因为这两个 工艺只有连续进行，才能完成真正意义上的图形转移。在工艺 线上，这两个工艺是放在同一工

7、序，因此，有时也将这两个工 艺步骤统称为光刻。 v湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀 的方法。优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单 、成本低。缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差。 v干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或 游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发 生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。 光刻工艺流程 涂胶 前烘 曝光 显影 后烘 刻蚀 去胶 硅片清洗 预烘及涂增强剂 涂胶 前烘 掩模版对准 曝光 曝光后烘培 显影 后烘及图形检测 刻蚀 刻蚀完成 去胶 台湾AST Cirie-200等离子体刻蚀设备 v硅晶圆的制

8、作 v光刻(lithography)与刻蚀(etching) v扩散与离子注入 v薄膜淀积-氧化 v测试封装 掺杂 掺杂目的、原理和过程 v掺杂的目的是以形成特定导电能力的材料区域, 包括N型或P型半导体层和绝缘层。是制作各种半 导体器件和IC的基本工艺。 v经过掺杂，原材料的部分原子被杂质原子代替, 材料的导电类型决定于杂质的种类。 v掺杂可与外延生长同时进行，也可在其后，例如 ，双极性硅IC的掺杂过程主要在外延之后，而大 多数GaAs及InP器件和IC的掺杂与外延同时进行。 热扩散掺杂 v 热扩散是最早也是最简单的掺杂工艺，主要用于 Si工艺。 v 施主杂质用P，As，Sb，受主杂质可用B

9、，Al。要 减少少数载流子的寿命，也可掺杂少量的金 v 一般要在很高的温度(9501280)下进行, 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，可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层 v 扩散过程中，温度与时间是两个关键参数。 离子注入法 离子注入技术是20世纪50年代开始研究，70年 代进入工业应用阶段的。随着VLSI超精细加工技术 的进展，现已成为各种半导体搀杂和注入隔离的主 流技术。 离子注入机包含离子源，分离单元，加速器， 偏向系统，注入室等。 离子注入机 图 3.8 离子注入机工作原理 首先把待搀杂物质如B，P，As等离子化， 利用质量分离器(Mass Seper

10、ator)取出需要的杂质离子。分离 器中有磁体和屏蔽层。由于质量，电量的不同，不需要的离子会 被磁场分离，并且被屏蔽层吸收。 通过加速管，离子被加速到一个特定的能级，如10500ke 。 通过四重透镜，聚成离子束，在扫描系统的控制下，离子束轰 击在注入室中的晶圆上。 在晶圆上没有被遮盖的区域里，离子直接射入衬底材料的晶体 中，注入的深度取决于离子的能量。 最后一次偏转(deflect)的作用是把中性分离出去 faraday cup的作用是用来吸收杂散的电子和离子 注入法的优缺点 v优点： 掺杂的过程可通过调整杂质剂量及能量来精确的控制， 杂质分布的均匀。 可进行小剂量的掺杂。 可进行极小深度的

11、掺杂。 较低的工艺温度，故光刻胶可用作掩膜。 可供掺杂的离子种类较多，离子注入法也可用于制作隔 离岛。在这种工艺中，器件表面的导电层被注入的离子（如 +）破坏，形成了绝缘区。 v缺点： 费用高昂 在大剂量注入时半导体晶格会被严重破坏并很难恢复 退 火 v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程都可以称为退火 v作用： 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，产生自由载流子，起到杂质的作用 消除注入引起的损伤 v退火方式： 炉退火 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(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设

12、备等) v硅晶圆的制作 v光刻(lithography)与刻蚀(etching) v扩散与离子注入 v薄膜淀积-氧化 v测试封装 薄膜淀积 v在集成电路里可以采用多种不同的薄膜。这 些薄膜分为五大类：热氧化膜、电介质层，外 延层，多晶硅，以及金属薄膜。 v分为化学气相淀积(CVD)和分子束外延 (MBE)等。 v多晶硅淀积。用多晶硅作为MOS器件的栅 极是一个重大发展，主要原因是多晶硅在电极 可靠性性能方面优于铝。 SiH4=Si+2H2 薄膜积淀-绝缘层形成 在整个电子工程中，导体与绝缘体是互补而又 相对的。在器件与IC工艺里也如此。在制作器件时 ，必须同时制作器件之间，工作层及导线层之间的

13、 绝缘层。在MOS器件里，栅极与沟道之间的绝缘更 是必不可少的。 氧化硅层的主要作用 v在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质， 器件的组成部分 v扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶 、Si3N4层一起使用)阻挡层 v作为集成电路的隔离介质材料 v作为电容器的绝缘介质材料 v作为多层金属互连层之间的介质材料 v作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料 氧化硅的形成方法 v平面上的绝缘层可通过腐蚀和/或离子注入法制成。 垂直方向上的不同层之间的绝缘可以使用绝缘层。绝 缘层可用氧化及淀积法制成。在所有的Si工艺中， Si02被广泛用于制作绝缘层，其原因在于 Si02层可直接在Si表面用干法或湿

14、法氧化制成 v湿氧化：Si+2H2O=SiO2+2H2，这个方法比较 快速。 v干氧化：Si+O2=SiO2。这个方法比较慢。 v氧化的过程会消耗硅晶圆，体积增长约一倍。 Si02层可用作阻止离子注入及热扩散的掩模。 vSiO2是一种十分理想的电绝缘材料，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。 切割、测试、封装 v集成电路的基本制造技术 vCMOS工艺与器件结构 v版图设计规则 v双极型晶体管工艺与器件结构 vBiCMOS工艺 * MOS晶体管的动作 MOS晶体管实质上是一种使 电流时而流过，时而切断的开关开关 n+n+ P型硅基板 栅极（金属） 绝缘层（SiO2） 半 导

15、体 基 板 漏极 源极 N N沟沟MOSMOS晶体管的基本结构晶体管的基本结构源极(S) 漏极(D) 栅极(G) * silicon substrate sourcedrain gategate oxideoxideoxideoxide top nitride氮化物 metal connection to source metal connection to gate metal connection to drain polysilicon gate多晶硅栅 doped silicon掺杂硅 field oxide gate oxide MOSMOS晶体管的立体结构晶体管的立体结构 * si

16、licon substrate 在硅衬底上制作在硅衬底上制作MOSMOS晶体管晶体管 * silicon substrate oxideoxide field oxide * silicon substrate oxideoxide PhotoresistPhotoresist 光刻胶光刻胶 * Shadow on photoresist photoresistphotoresist Exposed area of photoresist Chrome plated glass mask铬镀金 的玻璃屏 Ultraviolet Light 紫外线 silicon substrate oxideoxide * 非感光区域 silicon substrate 感光区域 oxideoxide photoresistphotoresist * silicon substrate oxideoxide photoresistphotoresist photoresist 显影显影 * sili