集成电路工艺总复习讲述

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1、集成电路工艺 总复习总复习 考试方式 1、闭卷 2、成绩构成： 平时成绩（到课率、交作业）占30 期末考试70 第一章：绪论 n本章主要内容 1.1 半导体产业介绍（书中第1章） 1.3 硅和硅片制备（书中第4章） n几个时间节点重大发明 1947年发明固体晶体管（肖克莱、巴丁、布 拉顿） 1957年第一个硅平面晶体管诞生 1959年发明硅基集成电路（诺伊思、基尔比 ） n集成电路时代（20世纪60年代后） 集成电路发展的五个时代 n集成电路的概念 集成电路是把电阻、电容、二极管、晶体 管等多个元器件制作在一个芯片上，并具 有一定功能的电路。 n集成度 是指每个芯片上的元器件数。 7.集成电路

2、制造 集成电路制造步骤： Wafer preparation(硅片准备) Wafer fabrication (硅片制造) Wafer test/sort (硅片测试和拣选) Assembly and packaging (装配和封装) Final test(终测) 1.1 半导体产业介绍 8. 集成电路的发展趋势 n芯片性能不断提高 n芯片可靠性不断提高 n芯片成本不断降低 1.1 半导体产业介绍 特征尺寸（ Critical Dimension,CD）的概念 特征尺寸是芯片上的最小物理尺寸，是衡量工艺难 度 的标志，代表集成电路的工艺水平。 在CMOS技术中，特征尺寸通常指多晶硅栅的线 宽

3、 在双极技术中，特征尺寸通常指接触孔的尺寸 n 摩尔定律： IC 的集成度将每一年半翻一番（即每18个 月增长1倍） （由Intel 公司创始人戈登.摩尔提出） n晶胞 是组成晶体的最小 重复单元。 硅晶胞 1.3 硅和硅片制备 n多晶和单晶 多晶硅结构 单晶硅结构 单晶：单晶：晶胞在三维空间整齐重复排列，这样的结构叫做单晶晶胞在三维空间整齐重复排列，这样的结构叫做单晶 。 单晶的原子排列长程有序。单晶的原子排列长程有序。 多晶：多晶：由大小不等的晶粒组成，而晶粒由晶胞在三维空间整由大小不等的晶粒组成，而晶粒由晶胞在三维空间整 齐重复排列构成，这样的结构叫做多晶。齐重复排列构成，这样的结构叫做

4、多晶。 多晶的原子排列短程有序长程无序。多晶的原子排列短程有序长程无序。 3. 晶向 n晶向的表示法 OAOAmm 1 1 X Xmm 2 2 Y Ymm 3 3Z Z 晶向：晶胞在晶体中 的方向 n晶面 MOS集成电路通常用（100）晶面或晶向 双极集成电路通常用（111）晶面或晶向 n不同晶向的硅片，它的化学、电学、和机 械性质都不同，这会影响最终的器件性能 。 n例如迁移率，界面态等。 本章习题 1.1 （书中第一章）： 3、4 1.3 （书中第四章）： 12 本章作 业 1.1 （书中第一章）： 1.什么叫集成电路？写出 IC 制造的个步骤 2.集成电路的发展趋势是什么？什么是摩尔定

5、律？ 3.什么是特征尺寸？ 1.3 （书中第四章）： 4. 请描述多晶和单晶 第二章 氧 化 硅热氧化 2.2 氧化原理 硅热氧化的概念： 硅热氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化学反应，并 在硅片表面生长氧化硅的过程。 氧化的工艺目的： 在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、 屏蔽掺杂、形成电介质层等。 氧化方式及其化学反应式： 干氧氧化：SiO2 SiO2 湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2 水汽氧化：Si H2O SiO2 H2 硅的氧化温度：750 1100 氧化过程 氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达Si与Si02界面同Si发 生反应，其过程如下： 1、氧

6、化剂扩散穿过滞留层达到SiO2 表面，其流密度为F1 。 2、氧化剂扩散穿过SiO2 层达到SiO2-Si界面，流密度为F2 。 3、氧化剂在Si 表面与Si 反应生成SiO2 ，流密度为F3 。 4、反应的副产物离开界面。 氧化物生长速率 n氧化层生长第一阶段（150 ）线性： n氧化层生长第二阶段（ 150） 抛物线生长阶段： 其中X为氧化层厚度 B/A为线性速率系数、B为抛物线速率系数 t为生长时间 B/A和B与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因 素有关。 影响二氧化硅生长的因素 n氧化温度： n氧化时间： n掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快 n硅片晶向：硅单晶的氧化速率比稍快

7、n反应室的压力：压力越高氧化速率越快 n氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快 n热生长SiO2 Si 系统中的实际电荷情况 热生长SiO2 Si 系统 n在实际的SiO2 Si 系统中，存在四种电荷： 1. 可动电荷： 指Na、K离子，来源于工艺中的化 学试剂、器皿和各种沾污等。 2. 固定电荷：指位于SiO2 Si 界面2nm以内的过剩 硅离子，可采用掺氯氧化降低。 3. 界面态：指界面陷阱电荷(缺陷、悬挂键），可以 采用氢气退火降低。 4. 陷阱电荷：由辐射产生。 热生长SiO2 Si 系统 n在氧化工艺中，通常在氧化系统中通入少量的 HCl气体（浓度在3以下）以改善SiO2的质量。 其优点

8、： 1、氯离子进入SiO2Si界面与正电荷中和以减少 界面处的电荷积累 2、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子 沾污 掺氯氧化工艺 氧化消耗硅 氧化前 氧化后 氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45左右 n选择性氧化：常用于硅的局部场氧化 LOCOS （LOCal Oxidation of Silicon） 氧化前 氧化后 三种热氧化层质量对比 质质 量 氧化 水温 氧化 速率 均匀性 重复性 结结构掩蔽性 干氧 氧化 慢好致密好 湿氧 氧化 95 快较较好适中基本 满满足 水汽 氧化 102 最快差疏松较较差 1. 结构及质量：热生长的比沉积的结构致密， 质量 好。 2. 成膜温度：热生

9、长的比沉积的温度高。可在400 获得沉积氧化层，在第一层金属布线形成完进行 ，做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。 3. 硅消耗：热生长的消耗硅，沉积的不消耗硅。 热生长氧化层与沉积氧化层的区别 2.3 SiO2结构、性质和用途 nSiO2的原子结构： 属于非晶体、无定形结构，Si-O 四面体在 空 间无规则排列。 物理性质物理性质Si SiSiO2SiO2 比重（比重（g/cm3g/cm3）2.232.232.202.20 禁带宽度（禁带宽度（eVeV）1.121.12 8 8 相对介电常数相对介电常数11.7 11.73.93.9 熔点（熔点（）1417141717001700 热导（热导

10、（W/cm.kW/cm.k）1.51.50.010.01 击穿场强（击穿场强（V/cmV/cm）3 3 10 10 5 5 6 6 10 10 6 6 SiO2SiO2的物理性质的物理性质 nSiO2的化学性质 SiO2 的化学性质非常稳定，仅被 HF 酸腐蚀 nSiO2在集成电路中的用途 1. 栅氧层：做MOS结构的电介质层（热生长） 2. 场氧层：限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉 积） 3. 保护层：保护器件以免划伤和离子沾污（热生长） 4. 注入阻挡层：局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂 （热生长） 5. 垫氧层：减小氮化硅与硅之间应力（热生长） 6. 注入缓冲层：减小离子注入损伤及沟

11、道效应（热生 长） 7. 层间介质：用于导电金属之间的绝缘（沉积） 2.5 快速热处理 n快速热处理（RTP）是在非常短的时间内（ 经常是几分之一秒）将单个硅片加热至400 1300温度范围的过程。 nRTP的优点： 1. 减少热预算 2. 硅中杂质运动最小 3. 冷壁加热减少沾污 4. 腔体小气氛洁净 5. 更短的加工时间 n本 章 习 题（书中第十章）：8、14、18 n本 章 作业： 1. 简要描述硅热氧化 （即回答硅热氧化的概念） 2. 列出热生长氧化层在IC制造中的6种用途 第三章 扩 散 掺杂技术之一 3.1 引 言 n扩散的本质： 扩散是微观粒子（原子、分子等）一种普遍的 热运动

12、形式，运动的结果使浓度分布趋于均匀 。 n扩散的概念： 扩散是将一定数量和一定种类的杂质掺入到硅 或其它晶体中，以改变晶体的电学性质，并使 掺入的杂质数量和分布情况都满足要求的过程 。 n扩散的目的：形成PN结 杂质在硅中的扩散机制 3.2 扩散原理 扩散系数 非克（Fick）第一定律： J为扩散粒子流密度、定义为单位时间通过单位面 积的粒子数，C是扩散粒子的浓度，D为扩散系数 是表征杂质扩散快慢的系数。非克第一定律表达 了扩散的本质即浓度差越大，温度越高，扩散就 越快。 n常用扩散杂质 形成P型硅的杂质：B、Ga、Al（族元素） 形成N型硅的杂质：P、As、Sb（族元素） IC制造中常用的杂

13、质： B、 P、As、Sb B：硼、Ga：镓、Al：铝 P：磷、As：砷、Sb：锑 杂质在硅和SiO2中的扩散特征 硅中慢扩散杂质（扩散系数小）： B、 As、Sb 硅中快扩散杂质（扩散系数大）： P、 Ga、Al 在SiO2中扩散系数非常小的杂质： B、 P、As、 Sb 在SiO2中扩散系数大的杂质：Ga、Al n扩散杂质的分布 1. 余误差函数分布（恒定表面源扩散属于此分布） n其扩散方程： n式中的erfc 代表余误差函数 n余误差函数分布的特点： a、杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固 溶度所决定。当扩散温度不变时，表面杂质浓 度维持不变 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散进

14、入 硅片内的杂质总量就越多 c、扩散时间越长，扩散温度越高，杂质扩散得 越深 2、高斯分布（有限源扩散属于此分布） n其扩散方程： 式中的QT为杂质总量 n高斯分布的特点： a、在整个扩散过程中，杂质总量保持不变 b、扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散得越深， 表面浓度越低 c、表面杂质浓度可控 n方块电阻 方块电阻的定义：长宽相等的扩散电阻，它与长 宽大小无关。方块电阻通常用R表示，单位为 /。 扩散电阻与方块电阻的关系： R.L/W.Xj , 当L=W时，R R =/Xj 因此扩散电阻R R.L/W 方块电阻可以通过四探针测试仪测量。 其中为扩散层的平均电阻率 n结深的定义 杂质扩散浓

15、度分布曲线与衬底掺杂浓度曲线交点 的位置称为结深。 n结深公式 余误差分布 高斯分布 n横向扩散 Xj横（0.750.85）Xj纵 n本章习题（书中第17章）： 2、8 n本章作业: 1. 简要描述热扩散（即回答扩散的概念） 第四章：离子注入 掺杂技术之二掺杂技术之二 4.1 引 言 n离子注入的概念： 离子注入是在高真空的复杂系统中，产生电离杂 质并形成高能量的离子束，入射到硅片靶中进行 掺杂的过程。 束流、束斑束斑 n 离子注入的优点： 1. 精确地控制掺杂浓度和掺杂深度 离子注入层的深度依赖于离子能量、杂质浓度 依 赖于离子剂量，可以独立地调整能量和剂量， 精 确地控制掺杂层的深度和浓度

16、，工艺自由度大 。 2. 可以获得任意的杂质浓度分布 由于离子注入的浓度峰在体内，所以基于第1点 采用多次叠加注入，可以获得任意形状的杂质 分 布，增大了设计的灵活性。 n 离子注入的优点： 3. 杂质浓度均匀性、重复性好 用扫描的方法控制杂质浓度的均匀性，在1010 1017ions/cm2的范围内，均匀性达到2而扩散 在 10，1013ions/cm2以下的小剂量，扩散无法实 现。 4. 掺杂温度低 注入可在125以下的温度进行，允许使用不同 的注入阻挡层（如光刻胶）增加了工艺的灵活性 n 离子注入的优点： 5. 沾污少 质量分离技术产生没有沾污的纯离子束， 减少 了由于杂质源纯度低带来的沾污，另外低温工 艺也减少了掺杂沾污。 6. 无固溶度极限 注入杂质浓度不受硅片固溶度