第三章集成電路制造工藝教案資料

本文格式為Word版，下載可任意編輯——第三章集成電路制造工藝教案資料集成電路制造工藝第三章31硅平面工藝32氧化絕緣層工藝33分散摻雜工藝34光刻工藝35掩模制版技術36外延生長工藝37金屬層制備工藝38隔離工藝技術39CMOS集成電路工藝流程主要內(nèi)容1950年合金法制備的晶體管即合金管或臺面管半導體器件工藝技術進展的三個階段1955年研發(fā)分散技術分散能夠精確操縱為了能夠精確操縱PN結的位置以及寬度等1960年硅平面工藝是半導體器件制造技術最重要的里程碑綜合了分散技術和二氧化硅掩膜技術二氧化硅能有效抑制大片面施主和受主雜質(zhì)的分散可以選擇性地舉行分散得到不同的PN區(qū)域晶片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布局一致的芯片晶片尺寸越大技術難度就越高目前晶片尺寸在150300mm612inch相應的生產(chǎn)線為612inch32氧化工藝氧化是平面工藝中最核心的技術之一1957年察覺SiO2層具有阻攔施主或受主雜質(zhì)向硅內(nèi)分散的作用掩蔽作用選擇性分散前均要舉行氧化在晶片的外觀生長二氧化硅薄膜把不需分散的區(qū)域用確定厚度的SiO2養(yǎng)護起來對分散雜質(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)對器件外觀起養(yǎng)護鈍化作用因半導體外觀態(tài)對器件的影響分外大采用氧化層養(yǎng)護可防止環(huán)境對器件的污染一SiO2薄膜在集成電路中的作用SiO2的根本性質(zhì)晶體布局結晶型石英玻璃非晶態(tài)半導體器件生產(chǎn)所用的SiO2薄膜屬于非晶態(tài)布局物理性質(zhì)惰性材料在室溫相當寬的范圍內(nèi)性能特別穩(wěn)定電阻率分外高熱氧化的SiO2薄膜為1015歐姆厘米是很好的絕緣材料高介電常數(shù)二SiO2薄膜的生長方法工藝熱氧化過程氧化前氧化后氧氣法氧化按照氧氣的處境干法氧化濕法氧化干氧生成的SiO2布局致密枯燥平勻性和重復性好掩蔽才能強與光刻膠粘附好等優(yōu)點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步降低Si固體O2SiO2固體干法氧化將硅片置于通有氧氣的高溫環(huán)境內(nèi)通過到達硅外觀的氧原子與硅的作用發(fā)生回響形成SiO2將石英管高溫加熱至1000以上通入氧氣高溫下硅與水汽和氧氣發(fā)生如下回響濕法氧化Si固體2H2OSiO2固體2H2濕氧氧化速率快水的分散系數(shù)大于氧氣但致密度較差對P的掩蔽才能差于光刻膠的接觸不良硅氫氧合成氧化Si固體2H2OSiO2固體2H2氧化速度快制止?jié)穹ㄑ趸兴魵鈱ζ骷淼奈廴颈∧べ|(zhì)量好純度高高壓氧化化學汽相沉積法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外觀處發(fā)生化學回響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薄膜制備氧化硅時硅烷與氧的回響8001000102Pa產(chǎn)量大膜厚平勻600700射頻電場2004003SiO2薄膜的要求和檢測方法SiO2薄膜的要求外觀外觀厚度平勻外觀致密無斑點無白霧SiO2薄膜的厚度測量外觀查看法TEM干擾法橢圓激光偏振法等最常用的是干擾條紋法4氧化技術的進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100nm1975年減小到目前的5nm柵氧化層厚度越薄那么漏電和擊穿問題越嚴重所以需要開發(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1分散定律由于濃度不平勻而導致載流子電子或空穴從高濃度處向低濃度處逐步運動的過程分散33分散摻雜工藝目的通過摻雜或補償制作N型或P型區(qū)域一分散原理D分散系數(shù)反映分散快慢程度的物理量描述了分散過程硅片上各點雜質(zhì)濃度隨時間變化的規(guī)律在硅中D磷105cm2sD硼25cm2s3雜質(zhì)分布特點雜質(zhì)分布分散工藝形式不同但總體可分為恒定源分散限定源分散恒定源分散硅片外觀處雜質(zhì)濃度不隨時間變化而變限定源分散硅中雜質(zhì)總量不變隨時間增加外觀雜質(zhì)濃度不斷下降雜質(zhì)擴入硅片的深度增大分散結深ND為樣品中原來的摻雜濃度二常用的分散方法分散方法液態(tài)固態(tài)氣態(tài)等在平面分散工藝中最常用的是液態(tài)源分散2液態(tài)源分散源瓶特點操縱分散T分散t氣體流量來操縱摻雜量平勻重復性好設備簡樸輕易操作等N2大片面直接進入管中小片面進入源瓶攜帶雜質(zhì)源片狀源分散分散源固固分散高溫分散爐預沉積預分散外觀恒定源的分散過程操縱硅片外觀的雜質(zhì)總量再分布主分散外觀限定源分散過程主要用來操縱結深4雙溫區(qū)銻分散分散爐分兩恒溫區(qū)雜質(zhì)源放在低溫區(qū)950以操縱雜質(zhì)蒸氣壓硅片放在高溫區(qū)1250得志分散條件氮氣養(yǎng)護攜帶Sb2O3蒸汽進入高溫分散區(qū)集成電路中摻入雜質(zhì)銻時的一種分散方法分散層質(zhì)量檢測方法分散的目摻雜主要檢測摻入雜質(zhì)的多少分散形成的PN結結深雜質(zhì)的概括分布方塊電阻表征分散層中摻入雜質(zhì)總量的參數(shù)方塊電阻薄層電阻RsR說明正方形樣品電阻值與邊長的大小無關回響摻雜總數(shù)與0到xj層間摻雜總量成反比R的單位測量方塊電阻的方法四探針法微電子測試圖法0到xj一層中摻入的雜質(zhì)總量四探針法測方塊電阻樣品C修正因子與樣品的外形厚度等有關6結深的測量用磨角法滾槽法測量雜質(zhì)類型發(fā)生變化的位置即為結深三分散工藝與集成電路設計的關系1方塊電阻的問題每個分散區(qū)域用途不同對R的要求也不同2橫向分散的問題因雜質(zhì)分散無方向不僅向下分散以橫向同樣存在約分散08Xj實際的分散層寬度大于氧化層最終的結面不是平面分散層之間的距離和分散窗口之間的距離設計時候要防止短路要求結深小于1微米集成電路的進展器件尺寸下降傳統(tǒng)的分散技術不能得志要求34離子注入摻雜方法適用于結深小于1微米的平面工藝摻雜原子經(jīng)離化變成帶電的雜質(zhì)離子電場104106eV轟擊半導體基片離子注入摻雜分兩步離子注入退火再分布離子注入深度較淺濃度較大務必熱處理使雜質(zhì)向半導體體內(nèi)重新分布由于高能粒子的撞擊使硅的晶格發(fā)生損傷為恢復晶格損傷離子注入后要舉行退火處理2摻雜步驟注入的離子通過質(zhì)量分析器選出的純度高能量單一摻雜純度不受雜質(zhì)源純度的影響同一平面內(nèi)的雜質(zhì)平勻度可保證在1的精度操縱離子束的掃描范圍選擇注入無掩膜技術注入深度隨離子能量的增加而增加精確操縱結深注入不受雜質(zhì)在襯底材料中溶解度限制各種元素均可摻雜注入時襯底溫度低可制止高溫分散所引起的熱缺陷橫向效應比熱分散小得多可操縱離子束的掃描區(qū)域3離子注入優(yōu)點光刻的根本原理利用光敏的抗蝕涂層光刻膠發(fā)生化學回響結合刻蝕方法在各種薄膜上生成符合要求的圖形一實現(xiàn)選擇摻雜形成金屬電極和布線或外觀鈍化的目的35光刻工藝光刻利用光的作用把掩模版光刻版上的圖形轉(zhuǎn)換到晶片上的過程特征尺寸在保證確定成品率根基上光刻出最細的線條用特征尺寸評價集成電路生產(chǎn)線的技術水平集成電路的特征尺寸是否能夠進一步減小與光刻技術的近一步進展有緊密的關系涂膠前烘曝光顯定影堅膜1光刻工藝根本流程光刻根本流程2光刻涂膠采用旋轉(zhuǎn)涂膠技術對晶片舉行涂膠光刻膠一般有兩種正性Positive光刻膠負性Negative光刻膠正性光刻膠受光或紫外線照射后感光片面發(fā)生光分解回響可溶于顯影液未感光片面顯影后依舊留在晶片外觀負性光刻膠未感光片面溶于顯影液中感光片面顯影后仍留在基片外觀圖形對準分外重要除初次光刻外其它次光刻務必要與前幾次光刻圖形嚴格套準不能偏差絲毫曝光將光刻掩模籠罩在涂有光刻膠的硅片上光刻掩模相當于照相底片確定波長的光線通過這個底片使光刻膠獲得與掩模圖形同樣的感光圖形3對準曝光4顯影與后烘將曝光后的片子舉行顯影溶去被感光的光刻膠留下光刻膠的圖形是就掩膜版的圖形顯影后的光刻膠被泡軟需要烘烤堅膜才能舉行腐蝕DryetchofSi刻蝕分為兩類濕法刻蝕各向同性刻蝕法簡樸便當效率高但存在橫向腐蝕問題干法刻蝕各向異性刻蝕技術等離子刻蝕5刻蝕干法刻蝕用等離子體舉行薄膜刻蝕的技術借助輝光放電用等離子體中產(chǎn)生的粒子轟擊刻蝕區(qū)是各向異性刻蝕技術在被刻蝕區(qū)域內(nèi)各方向上刻蝕速度不同Si3N4多晶硅金屬及合金材料采用干法刻蝕技術濕法刻蝕將被刻蝕材料浸泡在腐蝕液內(nèi)舉行腐蝕的技術是各向同性的刻蝕方法利用化學回響過程去除待刻蝕區(qū)域的薄膜材料通常SiO2采用濕法刻蝕技術有時金屬鋁也采用濕法刻蝕技術二超微細圖形曝光技術從原理來看曝光過程光通過掩膜版總會發(fā)生衍射現(xiàn)象若掩膜版的線條太細光刻出的線條與間距就會辨識不清根據(jù)物理原理可知當波長為時不成能光刻出寬度小于2的線條新光刻技術根據(jù)波長越小光刻出的線條寬度越細縮小特征尺寸關鍵在于提升光源盡可能用波長短的光源遠紫外曝光技術電子束曝光技術Xray曝光技術離子束曝光技術1遠紫外曝光技術采用KrF激光光源248nmArF激光光源193nm合作新型光刻膠和多層光刻技術移項掩膜技術已能刻出025m的線條2電子束曝光技術用能量為15Kev的電子束在光刻膠上掃描形成所需光刻圖形因電子波長短能刻出010m的線條主要缺點效率低設備貴電子束在光刻膠和硅襯底中會發(fā)生散射外延指在單晶襯底上生長一層新單晶的技術新生單晶層的晶向取決于襯底由襯底向外延遲而成故稱外延層外延生長通過操縱回響氣流中的雜質(zhì)含量可便當調(diào)理外延層中的雜質(zhì)濃度不憑借于襯底中的雜質(zhì)種類與摻雜水平外延與隔離分散相結合可解決雙極型集成電路元器件間的隔離問題37外延生長技術液相外延LPELiquidPhaseEpitaxy分子束外延MBEMolecularBeamEpitaxy氣相外延VPEVaporPhaseEpitaxy如金屬有機物氣相外延MOVPEMetalorganicVaporPhaseEpitaxy1外延分類IC中最常用的硅外延工藝用加熱供給化學回響所需的能量局部加熱2氣相外延生長VPE氣相四氯化硅在加熱的硅襯底外觀與氫氣回響恢復出硅原子淀積在外觀上在外延中摻入定量的硼磷元素可操縱外延層的電阻率和導電類型石墨板射頻線圈加熱15002000高溫SiCl42H2Si4HCl釋放出Si原子在基片外觀形成單晶硅典型生長速度051mminMBE生長半導體器件級質(zhì)量的膜層生長厚度為原子級MBE系統(tǒng)根本要求超高真空10101011加熱后轟擊打定沉積物質(zhì)形成分子流在襯底外觀淀積生長單晶層生長速率001003mmin生長速度慢設備昂貴外延質(zhì)量好實施監(jiān)控厚度摻雜濃度和生長質(zhì)量3分子束外延MBE計算機操縱的分子束外延設備在集成電路制造中金屬層的