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第二章 CMOS集成电路制造工艺.doc
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第二章 CMOS集成电路制造工艺
人类社会已经进入硅器时代
!
一、半导体材料-硅
1、什么是半导体?
6-1固体材料:超导体: 大于10(Ωcm)
从导电特性和
机制来分:
不同电阻特性
不同输运机制导64-1体: 10~10(Ωcm)4-10-1半导体: 10~10(Ωcm)-10-1绝缘体: 小于10(Ωcm)
从沙子(硅)到晶圆
沙子硅单晶棒硅片地球上丰富度仅次于氧的硅是天然半导体,先拉成晶锭,后制作出晶圆
3、半导体硅特性
1)纯净的硅电导率随温度的上升而指数增加(不同于金属)
2)两种载流子参加导电
3)硅中杂质的种类和数量决定它的电导率
4)掺杂元素、光照、高能电子注入会使得纯净的硅导电
能力显著增加
5)在半导体材料中可以实现非均匀掺杂
4
、硅的结构金刚石结构硅共价键结构
2.1 半导体材料—硅
5、 P型硅和N型硅
Ⅴ族元素:P、As、Sb
Ш族元素:B、Al、Ga
硅基集成电路:以硅单晶片为单位制作平面工艺,多层加工
chip
硅片(wafer)
NMOS晶体管截面图
纵向:3层结构横向:3个区4个电极,四端器件
二、芯片具体工艺步骤
z制膜:制作各种材料的薄膜。如SiO2、互连线氧化工艺:干氧氧化、湿氧氧化等
淀积工艺:CVD(APCVD、LPCVD、PECVD)
PVD(蒸发、溅射)
z掺杂:改变材料的电阻率或杂质类型扩散工艺、离子注入、退火
z图形转换:将掩膜版上的图形转移到半导体单晶片上光刻工艺:接触光刻、接近光刻、投影光刻刻蚀:干法刻蚀、湿法刻蚀
二、氧化膜的性质
1)理想的电绝缘材料:Eg大于8eV
2)化学性质非常稳定
3)室温下只与氢氟酸发生化学反应
4)能很好地附在大多材料上
5)可生长或淀积
在硅圆片上
三、氧化膜的用途
1)光刻掩蔽(选择扩散的掩蔽层,离子注入的阻挡层)
2)MOS管的绝缘栅材料(gate oxide)
3)电路隔离介质或绝缘介质,包括多层金属间的介质
4)电容介质材料
5)器件表面保护或钝化膜
四、热氧化工艺
1、干氧氧化:直接通氧气
氧化剂:干燥氧气
反应温度:900~1200℃
反应式:Si+O2→SiO2
2、湿氧氧化:同时有氧气和水蒸气,载体气体如氮或氯
氧化剂:高纯水(95 ℃左右)+氧气
3、水汽氧化
氧化剂:高纯水
反应温度:高温
反应式Si+2H2O→SiO2+2H2
进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图
z三种氧化法比较
—干氧氧化:结构致密但氧化速率极低
—湿氧氧化:氧化速率高但结构略粗糙,制备厚
二氧化硅薄膜
—水汽氧化:结构粗糙---不可取
z实际生产:
—干氧氧化+ 湿氧氧化+ 干氧氧化
5 分钟+ (视厚度而定)+ 5 分钟
—常规三步热氧化模式既保证了SiO2表面和界面的质量,又解决了生长速率问题
§2.2.2 扩散工艺
一、扩散工艺作用
将需要的杂质掺入特定的半导体区域中,以达到改变半导体电学性质,形成PN结、电阻、欧姆接触—磷(P)、砷(As) ——N型硅
—硼(B) ——————P型硅
掺杂技术:
1)扩散—高温过程(结较深,线条较粗)
2)离子注入—常温下进行,注入后需要高温退火处理
(结浅,线条细)
1、扩散法
z替位式扩散:杂质离子占据硅原子的位
–Ⅲ、Ⅴ族元素
–一般要在很高的温度(950~1280℃)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
z间隙式扩散:杂质离子位于晶格间隙
–Na、K、Fe、Cu、Au等元素
–扩散系数要比替位式扩散大6~7个数量级
替位式扩散间隙式扩散
杂质横向扩散示意图
利用液态源进行
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