《半导体工艺技术ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体工艺技术ppt课件.ppt（98页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、l微电子学：Microelectronicsl微电子学微型电子学l核心半导体器件l半导体器件设计与制造的主要流程框架半导体器件设计与制造的主要流程框架设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试 物理原理物理原理制造业制造业芯片制造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层发形成新的薄膜或膜层曝曝 光光刻刻 蚀蚀硅片硅片测试和封装测试和封装用掩膜版用掩膜版重复重复20-30次次 50 m100 m头发丝粗细头发丝粗细 30 m1 m 1 m(晶体管的大小晶体管的大小)3050 m(皮肤细胞
2、的大小皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较N沟道沟道MOS晶体管晶体管CMOS集成电路集成电路(互补型互补型MOS集成电路集成电路)：目前应用最为广泛的一种集成电路，约占目前应用最为广泛的一种集成电路，约占集成电路总数的集成电路总数的95%以上。以上。半导体制造工艺半导体制造工艺l图形转换：将设计在掩膜版(类似于照相底片)上的图形转移到半导体单晶片上l掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等l制膜：制作各种材料的薄膜图形转换：光刻图形转换：光刻l光刻
3、三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机l光刻胶又叫光致抗蚀剂，它是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体l光刻胶受到特定波长光线的作用后，导致其化学结构发生变化，使光刻胶在某种特定溶液中的溶解特性改变光刻光刻l正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶l负胶：分辨率差，适于加工线宽3m的线条正胶：曝光正胶：曝光后可溶后可溶负胶：曝光负胶：曝光后不可溶后不可溶图形转换：光刻图形转换：光刻l几种常见的光刻方法l接触式光刻：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。l接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低l投影式曝
4、光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式三种光刻方式三种光刻方式掩膜版掩膜版光学系统光学系统光源光源光刻胶光刻胶硅片硅片接触式接近式投影式图形转换：光刻图形转换：光刻l超细线条光刻技术l甚远紫外线(EUV) l电子束光刻 lX射线l离子束光刻图形转换：刻蚀技术图形转换：刻蚀技术l湿法刻蚀：利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法l干法刻蚀：主要指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的图形转换：刻蚀技术图形转换：刻蚀技术l湿法腐蚀：l湿法化学刻蚀在
5、半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀l优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低l缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差干法刻蚀干法刻蚀l溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差l等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差l反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前，RIE已
6、成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术杂质掺杂杂质掺杂l掺杂：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l磷(P)、砷(As) N型硅l硼(B) P型硅l掺杂工艺：扩散、离子注入扩扩 散散l替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：l、族元素l一般要在很高的温度(9501280)下进行l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l间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：lNa、K、Fe、Cu、Au 等元素l扩散系数要比替位式扩散大67个数量级杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图固态源扩散：如B2O3、P
7、2O5、BN等利用液态源进行扩散的装置示意图离子注入离子注入l离子注入：将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术，掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定 l 掺杂的均匀性好l温度低：小于600l可以精确控制杂质分布l可以注入各种各样的元素l横向扩展比扩散要小得多。l可以对化合物半导体进行掺杂离子注入系统的原理示意图离子注入系统的原理示意图离子注入到无定形靶中的高斯分布情况离子注入到无定形靶中的高斯分布情况退退 火火l退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火l激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到
8、晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质的作用l消除损伤l退火方式：l炉退火l快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)氧化工艺氧化工艺l氧化：制备SiO2层lSiO2的性质及其作用lSiO2是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，室温下它只与氢氟酸发生化学反应氧化硅层的主要作用氧化硅层的主要作用l在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的组成部分l扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层l作为集成电路的隔离介质材料l作为电容器的绝缘介质材料l作为多层金属互连层之间的介质材料
9、l作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料SiO2的制备方法的制备方法l热氧化法l干氧氧化l水蒸汽氧化l湿氧氧化l干氧湿氧干氧(简称干湿干)氧化法l氢氧合成氧化l化学气相淀积法l热分解淀积法l溅射法进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)l化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)：通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程lCVD技术特点：l具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点lCVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺
10、杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)l常压化学汽相淀积(APCVD)l低压化学汽相淀积(LPCVD)l等离子增强化学汽相淀积(PECVD)APCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图 LPCVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图平行板型平行板型PECVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)l单晶硅的化学汽相淀积(外延)：一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片l二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以
11、将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源 l低温CVD氧化层：低于500l中等温度淀积：500800l高温淀积：900左右化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)l多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入，使MOS集成电路的集成度得到很大提高。l氮化硅的化学汽相淀积：中等温度(780820)的LPCVD或低温(300) PECVD方法淀积物理气相淀积物理气相淀积(PVD)l蒸发：在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子
12、，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种l溅射：真空系统中充入惰性气体，在高压电场作用下，气体放电形成的离子被强电场加速，轰击靶材料，使靶原子逸出并被溅射到晶片上蒸蒸发发原原理理图图半导体工艺半导体工艺l图形转换：l光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻l刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀l掺杂：l离子注入 退火l扩散l制膜：l氧化：干氧氧化、湿氧氧化等lCVD：APCVD、LPCVD、PECVDlPVD：蒸发、溅射20世纪世纪60年代的典型工艺年代的典型工艺20世纪世纪70年代的典型工艺年代的典型工艺20世纪世纪80年代的典型工艺年代的典型工艺N-well CMOS
13、工艺工艺热氧化生成SiO2；第一次光刻：打开N阱离子注入窗口；进行N阱的离子注入与二次扩散；刻蚀氧化物；1热氧化生成SiO2缓冲层；CVD淀积Si3N4；第二次光刻：定义有效沟道区域；氮化硅刻蚀；氧化层刻蚀；2热氧化生成场氧；氮化硅刻蚀；缓冲层刻蚀；清洗表面；阈值电压调整的离子注入；栅氧生长；3CVD淀积N+多晶硅栅；第三次光刻：形成多晶硅图形，定义栅极；4第四次光刻：打开N+区的离子注入窗口；磷注入；5光刻胶掩蔽条；第五次光刻：P+区离子注入；5光刻胶掩蔽条；CVD淀积SiO2；离子注入退火；6第六次光刻：接触孔刻蚀；7金属Al淀积；第七次光刻：生成金属化图形；8课程设计作业一课程设计作业一
14、课程设计作业一课程设计作业一l形成N阱l初始氧化l淀积氮化硅层l光刻1版，定义出N阱l反应离子刻蚀氮化硅层lN阱离子注入，注磷l形成P阱l去掉光刻胶l在N阱区生长厚氧化层，其它区域被氮化硅层保护而不会被氧化l去掉氮化硅层l P阱离子注入，注硼l推阱l去掉N阱区的氧化层l退火驱入l形成场隔离区l生长一层薄氧化层l淀积一层氮化硅l光刻场隔离区，非隔离区被光刻胶保护起来l反应离子刻蚀氮化硅l场区离子注入l热生长厚的场氧化层l去掉氮化硅层l形成多晶硅栅l 生长栅氧化层l 淀积多晶硅l 光刻多晶硅栅l 刻蚀多晶硅栅lSalicide工艺l淀积多晶硅、刻蚀并形成侧壁氧化层；l淀积Ti或Co等难熔金属lRT
15、P并选择腐蚀侧壁氧化层上的金属；l最后形成Salicide结构l形成硅化物l淀积氧化层l反应离子刻蚀氧化层，形成侧壁氧化层l淀积难熔金属Ti或Co等l低温退火，形成C-47相的TiSi2或CoSil去掉氧化层上的没有发生化学反应的Ti或Col高温退火，形成低阻稳定的TiSi2或CoSi2l形成N管源漏区l光刻，利用光刻胶将PMOS区保护起来l离子注入磷或砷，形成N管源漏区l形成P管源漏区l光刻，利用光刻胶将NMOS区保护起来l离子注入硼，形成P管源漏区l形成接触孔l 化学气相淀积磷硅玻璃层l退火和致密l光刻接触孔版l反应离子刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔l形成第一层金属l淀积金属钨(W)，形成钨塞l
16、形成第一层金属l淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等l光刻第一层金属版，定义出连线图形l反应离子刻蚀金属层，形成互连图形l形成穿通接触孔l化学气相淀积PETEOSl通过化学机械抛光进行平坦化l光刻穿通接触孔版l反应离子刻蚀绝缘层，形成穿通接触孔l形成第二层金属l淀积金属层，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等l光刻第二层金属版，定义出连线图形l反应离子刻蚀，形成第二层金属互连图形l合金l 形成钝化层l 在低温条件下(小于300)淀积氮化硅l 光刻钝化版l 刻蚀氮化硅，形成钝化图形l测试、封装，完成集成电路的制造工艺lCMOS集成电路一般采用(100)晶向的硅材料AA双极集成电路双极
17、集成电路制造工艺制造工艺l制作埋层l初始氧化，热生长厚度约为5001000nm的氧化层l光刻1#版(埋层版)，利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氧化层刻蚀掉，并去掉光刻胶l进行大剂量As+注入并退火，形成n+埋层双极集成电路工艺双极集成电路工艺l生长n型外延层l利用HF腐蚀掉硅片表面的氧化层l将硅片放入外延炉中进行外延，外延层的厚度和掺杂浓度一般由器件的用途决定l形成横向氧化物隔离区l热生长一层薄氧化层，厚度约50nml淀积一层氮化硅，厚度约100nml光刻2#版(场区隔离版l形成横向氧化物隔离区l利用反应离子刻蚀技术将光刻窗口中的氮化硅层-氧化层以及一半的场氧化层刻蚀掉l进行硼离子注入l形成
18、横向氧化物隔离区l去掉光刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成厚的场氧化层隔离区l去掉氮化硅层l形成基区l光刻3#版(基区版)，利用光刻胶将收集区遮挡住，暴露出基区l基区离子注入硼l形成接触孔：l光刻4#版(基区接触孔版)l进行大剂量硼离子注入l刻蚀掉接触孔中的氧化层l形成发射区l光刻5#版(发射区版)，利用光刻胶将基极接触孔保护起来，暴露出发射极和集电极接触孔l进行低能量、高剂量的砷离子注入，形成发射区和集电区l金属化l淀积金属，一般是铝或Al-Si、Pt-Si合金等l光刻6#版(连线版)，形成金属互连线l合金：使Al与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触，一般是在450、N2-H2气氛下处理2030分
19、钟l形成钝化层l在低温条件下(小于300)淀积氮化硅l光刻7#版(钝化版)l刻蚀氮化硅，形成钝化图形隔离技术隔离技术lPN结隔离l场区隔离l绝缘介质隔离l沟槽隔离PN结隔离工艺结隔离工艺绝缘绝缘介质介质隔离隔离工艺工艺LOCOS隔离工艺隔离工艺LOCOS隔离工艺隔离工艺沟槽隔离工艺沟槽隔离工艺接触与互连接触与互连lAl是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料, 但Al连线也存在一些比较严重的问题l电迁移严重、电阻率偏高、浅结穿透等lCu连线工艺有望从根本上解决该问题lIBM、Motorola等已经开发成功l目前，互连线已经占到芯片总面积的7080%；且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加l几个
20、概念l场区l有源区l栅结构材料lAl-二氧化硅结构l多晶硅-二氧化硅结构l难熔金属硅化物/多晶硅-二氧化硅结构lSalicide工艺l淀积多晶硅、刻蚀并形成侧壁氧化层；l淀积Ti或Co等难熔金属lRTP并选择腐蚀侧壁氧化层上的金属；l最后形成Salicide结构封封装装工工艺艺流流程程各种封装类型示意图 半导体工艺小结半导体工艺小结l前工序l图形转换技术：主要包括光刻、刻蚀等技术l薄膜制备技术：主要包括外延、氧化、化学气相淀积、物理气相淀积(如溅射、蒸发) 等l掺杂技术：主要包括扩散和离子注入等技术 半导体工艺小结半导体工艺小结l后工序l划片l封装l测试l老化l筛选 半导体工艺小结半导体工艺小结l辅助工序l超净厂房技术l超纯水、高纯气体制备技术l光刻掩膜版制备技术l材料准备技术