半导体工艺基础.

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1、 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1 1 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 集成电路及微机械加工技术集成电路及微机械加工技术 -半导体集成电路工艺基础半导体集成电路工艺基础 张正元 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 2 2 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 提纲提纲 一、 概论 二、 工艺流程实例（图解） 三、 基本单项工艺技术 1、 扩散掺杂 2、 离子注入掺杂 3、 氧化薄膜生长 4、 CVD薄膜生长 7、 金属化（PVD）薄膜，互连 5、 光刻图形转移 6、 刻蚀形成图形 8、 清洗 四、工艺集成开发 集成电路及微机械加工技术 集成电

2、路及微机械加工技术 3 3 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 集成电路制造工艺的技术性和实用性强，涉及面 广，发展依赖于基础材料、器件物理、工艺原理、电 子光学、离子光学、电子计算机技术、超净和超纯技 术、真空技术、自动控制、精密机械、冶金化工等方 面的新成果。 一、一、 概论概论 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 4 4 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 (一)、集成电路工艺技术的发展规律 Intel 公司创始人摩尔于1975 年总结出IC 工业发展的一个 重要规律，即摩尔定律：IC 的集成度将每年翻一番。1980年摩 尔定律被修改为： IC 的集成度每1.

3、5年翻一番，即每3年乘以4 。 IC 发展的另一些规律为： 建立一个芯片厂的造价也是每3年乘以4。 线条宽度每4 6 年下降一半。 芯片上每个器件的价格每年下降30% 40% 。 晶片直径的变化： 60年：0.5英寸， 65年：1英寸， 70年：2英寸， 75年：3英寸， 80年：4英寸， 90年：6英寸， 95年：8英寸(200mm), 2000年：12英寸(300mm)。 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 5 5 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 (二)、集成电路的发展展望 目标：集成度 、可靠性 、速度 、功耗 、成本 。 努力方向：线宽 、晶片直径 、设计技术

4、 。 1992 1995 1998 2001 2004 2007 比特/ 芯片 16M 64M 256M 1G 4G 16G 特征尺寸（ m） 0.5 0.35 0.25 0.18 0.12 0.07 晶片直径（ mm） 200 200 200 400 200 400 200 400 200 400 美国1992 2007 年半导体技术发展规划 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 6 6 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 美国1997 2012 年半导体技术发展规划 1997 1999 2001 2003 2006 2009 2012 比特/ 芯片 256M 1G 4G

5、 16G 64G 256G 特征尺寸 （ m） 0.25 0.18 0.15 0.13 0.1 0.07 0.05 晶片直径 （mm） 200 300 300 300 300 450 450 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 7 7 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 世界硅微电子技术发展的预测 2000 2010 2020 集成度 1G 64G 256G 特征尺寸（ m） 0.18 0.10 0.07 0.05 0.01 晶片直径（ mm） 300 400 450 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 8 8 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 可

6、以看出，专家们认为，至少在未来10年内，IC 的发展仍 将遵循摩尔定律，即集成度每3年乘以4 ，而线宽则是每6 年下 降一半。 硅技术过去一直是，而且在未来的一段时期内也还将是微 电子技术的主体。目前硅器件与集成电路占了3000多亿美圆的 半导体市场的95% 以上。 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 9 9 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 二、工艺流程实例二、工艺流程实例 1、以工艺分： 双极（Bipolar），互补双极（Complementary Bipolar） MOS（ 硅/铝栅,自/非自对准CMOS，VDMOS ） BiCMOS（ BiCMOS，CBiCMO

7、S ）、BCD 2、以隔离技术分： PN结隔离、LOCOS、深/浅槽隔离、SOI隔离 3、以材料分： 体硅，SiGe，AsGa，SOI（衬底）等 4、以应用分： 模拟IC、数字IC 、混合信号IC、RF、微波IC等 常见单片IC工艺流程 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1010 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 硅栅非自对准CMOS工艺流程 PWELL光刻场氧化衬底硅片 N- 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1111 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 PWELL推进硼注入注入预氧 漂光注入预氧PSD光刻 N- 集成电路及微机械加工技术 集

8、成电路及微机械加工技术 1212 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 NSD磷注入NSD光刻PSD硼注入 LTOACTIVE光 刻 栅氧化 N- 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1313 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 刻蚀PolyPoly掺杂Poly淀积 LTOLCONT光 刻 溅射MET1 N- P- N+N+P+P+ MET1光刻 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1414 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 掺杂工程： 热扩散、离子注入/退火、中子嬗变等 薄膜制备： 包括氧化、蒸发、CVD 、溅射(PVD) 等 图形的转移与形

9、成： 包括光刻、刻蚀等工艺 三、基本单项工艺技术三、基本单项工艺技术 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1515 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 1.1 概述 扩散是将一定数量和一定种类的杂质掺入到硅片或其它 晶体中，以改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情 况都满足要求。这是一种基本而重要的半导体技术。扩散工 艺用于形成双极器件中的基区、发射区和集电区、MOS器件 中的源区与漏区，扩散电阻、互连引线以及多晶硅掺杂等。 浓度的差别越大，扩散越快；温度越高，扩散也越快。 1 1、扩散掺杂、扩散掺杂 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1616 重庆

10、大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 间隙式杂质 （杂质原子半径较小 ） 替位式杂质 （杂质原子与本体原子电子壳层和价电子数接近， 半径大小相当） 1.2 扩散机构 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1717 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 半径较小的杂质原子从半导体晶格的间隙中挤进去，即所 谓 “间隙式” 扩散；半径较大的杂质原子代替半导体原子而占据 格点的位置，再依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散，即 所谓 “替位式” 扩散。 对硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径较小的杂质原子 按间隙式扩散，而 P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大的 杂

11、质原子则按替位式扩散，间隙式扩散的速度比替位式扩散的 速度快得多。 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1818 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 1.3 扩散系数与扩散方程 （一）、费克第一定律扩散定律 一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子 数即扩散流密度jp( x, t )与粒子的浓度梯度成正比。 扩散系数D与温度T（K）之间有如下指数关系： D = De E/kT 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 1919 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 （二）、费克第二定律扩散方程 体积元内杂质变化量： 集成电路及微机械加工技术 集成电路

12、及微机械加工技术 2020 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 式中假定D为常数，与杂质浓度 N( x, t )无关，x 和 t 分别表示位置和扩散时间。针对不同边界条件求出方程 的解，可得出杂质浓度 N 的分布，即 N 与 x 和 t 的关系 。 两种扩散方式 恒定表面源扩散 有限表面源扩散 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 2121 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 A、恒定表面源扩散 在整个扩散过程中，杂质 不断进入硅中，而表面杂质浓 度始终保持不变。杂质浓度分 布呈余误差分布。 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 2222 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 恒定表面源扩散的主要特点如下： （1）表面杂质浓度Ns 由所扩散的杂质在扩散温度下（ 9001200）的固溶度决定。 （2）扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质 数量越多。 （3）扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位 置： 称为 “ 扩散长度 ” 集成电路及微机械加工技术 集成电路及微机械加工技术 2323 重庆大学光电工程学院重庆大学光电工程学院 （4）杂质浓度梯度： 对公式求导，可得出浓度梯度为：