第三章集成电路制造工艺.pptx

第三章 集成电路制造工艺半导体器件生产工艺的基本原理 集成电路的核心是半导体器件,包括：电阻,电容, 电感, 二极管, 三极管, 结型场效应晶体管, MOS场效应晶体管....... 特点：不同类型的半导体区域和它们之间一个或多个PN结组成 根据电路设计要求，在半导体材料不同区域形成不同导电区域(P型以及N型)进而形成一个或多个PN结. 主要内容§ 3.1 硅平面工艺§ 3.2 氧化绝缘层工艺§ 3.3 扩散掺杂工艺§ 3.4 光刻工艺§ 3.5 掩模制版技术 § 3.6 外延生长工艺§ 3.7 金属层制备工艺§ 3.8 隔离工艺技术§ 3.9 CMOS集成电路工艺流程3.1 半导体器件工艺技术发展的三个阶段阶段一：1950年，合金法制备的晶体管即合金管或台面管。阶段二：为了能够精确控制PN结的位置以及宽度等，1955年，发明扩散技术，扩散能够精确控制。阶段三：1960年，硅平面工艺是半导体器件制造技术最重要的里程碑。综合了扩散技术和二氧化硅掩膜技术二氧化硅能有效抑制大部分施主和受主杂质的扩散，可以选择性地进行扩散，得到不同的P(N)区域。3.1 硅片晶片（Wafer）：衬底硅片，也称为晶圆芯片（Chip）：在晶片上经制备出的晶体管或电路。同一晶片上可制备出成千上万个结构相同的芯片。晶片尺寸越大技术难度就越高目前晶片尺寸在150 ~ 300 mm ( 6~ 12 inch )相应的生产线为6、12 inch。§ 3.2 氧化工艺氧化是平面工艺中最核心的技术之一。1957年，发现SiO2层具有阻止施主或受主杂质向硅内扩散的作用，掩蔽作用。选择性扩散前均要进行氧化，在晶片的表面生长二氧化硅薄膜。把不需扩散的区域用一定厚度的SiO2 保护起来。 一. SiO2 薄膜在集成电路中的作用对扩散杂质起掩蔽作用可作为MOS器件的绝缘层，栅极氧化层用作集成电路中的隔离介质和绝缘介质。作为集成电路中的电容器介质。对器件表面起保护钝化作用。因半导体表面态对器件的影响非常大，采用氧化层保护可防止环境对器件的污染。 SiO2 的基本性质晶体结构： 结晶型(石英玻璃) 非晶态半导体器件生产所用的SiO2 薄膜属于非晶态结构。物理性质 惰性材料，在室温相当宽的范围内，性能十分稳定；电阻率非常高，热氧化的SiO2 薄膜为 1015 欧姆·厘米， 是很好的绝缘材料，高介电常数。氧气氧化氢氧合成氧化热氧化氧化高压氧化化学气相沉积二. SiO2薄膜的生长方法工艺：氧化前 氧化后热氧化过程石英管加热器O2硅片石英舟氧气法氧化：干法氧化，湿法氧化1. 干法氧化 将硅片置于通有氧气的高温环境内，通过到达硅表面的氧原子与硅的作用发生反应形成SiO2。Si（固体）+ O2 → SiO2（固体）?干氧生成的SiO2结构致密、干燥、均匀性和重复性好，掩蔽能力强，与光刻胶粘附好等优点? 干氧化速率慢，由于已生长的SiO2对氧有阻碍作用，氧化的速度会逐渐降低。将石英管高温加热至1000℃以上，通入氧气。石英管加热器湿O2硅片石英舟高纯水95度的去离子水2. 湿法氧化高温下，硅与水汽和氧气发生如下反应： Si（固体）+ 2H2O → SiO2（固体）+ 2H2 湿氧氧化速率快，水的扩散系数大于氧气。但致密度较差，与光刻胶的接触不良。干法氧化湿法氧化干法氧化实际氧化工艺：干氧化 湿氧化 干氧化硅氢氧合成氧化 Si（固体）+ 2H2O → SiO2（固体）+ 2H2 氧化速度快，避免湿法氧化中水蒸气对器件带来的污染，薄膜质量好，纯度高。3.化学汽相沉积法 CVD 把一种(几种)元素的气体共给基片，利用某种方式激活后，在衬底表面处发生化学反应，沉积所需的固体薄膜。激活方式：加热、等离子体、紫外光、激光等产生高温多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多种无机薄膜制备氧化硅时：硅烷与氧的反应800-1000℃102 Pa 产量大，膜厚均匀600-700℃ 射频电场，200-400℃三. SiO2薄膜的要求和检测方法? SiO2薄膜的要求 表面：表面厚度均匀、表面致密、无斑点、无白雾? SiO2薄膜的厚度测量 表面观察法(TEM)、干涉法、椭圆激光偏振法等。 最常用的是干涉条纹法。四.氧化技术的发展趋势和面临问题? 随着集成电路的集成度的不断提高，器件尺寸的不断减小， 使MOS器件的栅氧化层厚度的不断减小。 栅氧化层厚度从100 nm（1975年）减小到目前的 5 nm。? 栅氧化层厚度越薄，则漏电和击穿问题越严重，所以需要 开发高介质的栅氧化层材料。? 随着集成电路尺寸的不断减小，布线间距缩小电容明显增大，使得器件的延迟增大速度变慢。减小布线电容的有效方法就是采用低介质常数的材料作层间绝缘。§ 3.3 扩散掺杂工艺1、扩散定律由于浓