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1、第一章 微电子工艺概述微电子工艺是指微电子产品的制作方法、微电子工艺是指微电子产品的制作方法、原理、技术。不同产品的制作工艺不同，原理、技术。不同产品的制作工艺不同，且繁琐复杂，但可以分解为多个基本相同且繁琐复杂，但可以分解为多个基本相同的小单元，就是单项工艺，不同产品的制的小单元，就是单项工艺，不同产品的制作就是将单项工艺按需要排列组合来实现作就是将单项工艺按需要排列组合来实现的。的。芯片制造半导体器件制作在硅片表面仅几芯片制造半导体器件制作在硅片表面仅几微米的薄层上，在一片硅片上可以同时制微米的薄层上，在一片硅片上可以同时制作几十甚至上百个特定的芯片。作几十甚至上百个特定的芯片。芯片制造涉
2、及五个大的制造阶段：硅片制芯片制造涉及五个大的制造阶段：硅片制备、芯片制造、芯片测试备、芯片制造、芯片测试/拣选、装配与拣选、装配与封装、终测封装、终测 芯片制造的特点芯片制造的特点高技术密集型高技术密集型超洁超净超洁超净大批量生产大批量生产芯片制造的特点芯片制造的特点高技术密集型高技术密集型 当今的芯片结构含多层薄膜和掺杂当今的芯片结构含多层薄膜和掺杂（4545层）完成如此复杂的结构需要很多层）完成如此复杂的结构需要很多生产工艺和步骤。如生产工艺和步骤。如64GbCMOS64GbCMOS器件的特殊器件的特殊制程需要制程需要180180个重要工艺步骤，个重要工艺步骤，5252次清洗次清洗和多达
3、和多达2828层膜版，尽管如此，所有这些工层膜版，尽管如此，所有这些工艺步骤都是四大基础工艺之一。艺步骤都是四大基础工艺之一。基本工艺基本工艺 增层增层 光刻光刻 掺杂掺杂 热处理热处理 增增 层层 制程方法制程方法制程方法制程方法 具体分类具体分类具体分类具体分类 氧化氧化氧化氧化 常压氧化常压氧化常压氧化常压氧化 高压氧化法高压氧化法高压氧化法高压氧化法 快速热氧化（快速热氧化（快速热氧化（快速热氧化（RTORTO）化学气相淀积化学气相淀积化学气相淀积化学气相淀积 常压化学气相淀积常压化学气相淀积常压化学气相淀积常压化学气相淀积 低压化学气相淀积低压化学气相淀积低压化学气相淀积低压化学气相
4、淀积 等离子增强化学气相淀积等离子增强化学气相淀积等离子增强化学气相淀积等离子增强化学气相淀积 气相外延法气相外延法气相外延法气相外延法 金属有机物金属有机物金属有机物金属有机物CVDCVD 分子束外延分子束外延分子束外延分子束外延 物理气相淀积物理气相淀积物理气相淀积物理气相淀积 真空蒸发法真空蒸发法真空蒸发法真空蒸发法 溅射法溅射法溅射法溅射法光光 刻刻光刻胶光刻胶光刻胶光刻胶 正胶工艺正胶工艺正胶工艺正胶工艺 负胶工艺负胶工艺负胶工艺负胶工艺 曝光源曝光源曝光源曝光源 高压汞高压汞高压汞高压汞 X X射线射线射线射线 电子束曝光电子束曝光电子束曝光电子束曝光 曝光系统曝光系统曝光系统曝光
5、系统 接触式曝光接触式曝光接触式曝光接触式曝光 接近式曝光接近式曝光接近式曝光接近式曝光 投影式曝光投影式曝光投影式曝光投影式曝光 步进曝光步进曝光步进曝光步进曝光刻蚀刻蚀刻蚀刻蚀 湿化学刻蚀湿化学刻蚀湿化学刻蚀湿化学刻蚀 干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀干法刻蚀 反应离子刻蚀法反应离子刻蚀法反应离子刻蚀法反应离子刻蚀法掺杂掺杂扩散扩散 开放式炉管开放式炉管水平水平/竖置竖置 封闭炉管封闭炉管 快速热处理快速热处理离子注入离子注入 中中/高电流离子注入高电流离子注入 低能量低能量/高能量离子注入高能量离子注入热处理热处理 制程方法制程方法 具体分类具体分类 加热加热 加热盘加热盘 热对流热对流 快速加
6、热快速加热 热辐射热辐射 红处线加热红处线加热 芯片制造的特点芯片制造的特点超洁超净超洁超净 半导体芯片尤其是高密度的集成电路，极易半导体芯片尤其是高密度的集成电路，极易受到多种污染物的损害，主要体现在器件成品率，受到多种污染物的损害，主要体现在器件成品率，器件性能，器件可靠性。器件性能，器件可靠性。污染物：微粒、金属离子、化学物质、细菌污染物：微粒、金属离子、化学物质、细菌微粒微粒器件对污染物的敏感度取决于较小的特征图形器件对污染物的敏感度取决于较小的特征图形尺寸和晶片淀积层的厚度。尺寸和晶片淀积层的厚度。污染物的相对尺寸污染物的相对尺寸英寸英寸 英寸英寸 英寸英寸 英寸英寸 人类毛发烟尘尘
7、埃指纹印由经验得出的允许存在的微粒尺寸的法则：由经验得出的允许存在的微粒尺寸的法则：微粒的尺寸要小于器件上最小的特征图形尺微粒的尺寸要小于器件上最小的特征图形尺寸的寸的1/10倍。倍。如：如：m危害危害线宽的的图形形非致命致命金属离子金属离子 在晶片中的金属离子会改变器件的电学特在晶片中的金属离子会改变器件的电学特性和可靠性。这些金属离子在半导体内部可以性和可靠性。这些金属离子在半导体内部可以自由移动，造成器件失效。自由移动，造成器件失效。Na+K+Fe3+Mg2+Al3+较常见的可移动离子较常见的可移动离子化学物质化学物质 工艺过程中所用的化学用品和可能会受工艺过程中所用的化学用品和可能会受
8、到对芯片产生污染，导致晶片表面受到不到对芯片产生污染，导致晶片表面受到不需要的刻蚀，在器件上生成无法去除的化需要的刻蚀，在器件上生成无法去除的化合物，或者引起不均匀的工艺过程。氯就合物，或者引起不均匀的工艺过程。氯就是这样的一种污染物，他在工艺过程中用是这样的一种污染物，他在工艺过程中用到的化学用品中的含量受到严格的控制。到的化学用品中的含量受到严格的控制。细菌细菌细菌是在水的系统中或不定期清洗的表面细菌是在水的系统中或不定期清洗的表面生成的有机物，细菌一旦在器件上生成，生成的有机物，细菌一旦在器件上生成，会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不会成为颗粒状污染物或给器件表面引入不希望的金属离子。
9、希望的金属离子。大批量生产大批量生产 低成本低成本 图形转移技术使之得以实现图形转移技术使之得以实现制作器件工艺实例制作器件工艺实例微米双极集成电路工艺微米双极集成电路工艺微电子器件微电子器件工艺流程工艺流程N阱阱MOS工艺工艺 初始氧化：通过氧化，生长一层SiO2膜，用作杂质扩散掩蔽膜膜厚350nm用第一块掩膜版，经曝光、等离子刻蚀，形成N阱窗口在 N2:O2=9:1的气氛中退火和驱 进。温 度1150，时 间60分钟。N阱深度为56微米。同时生长一层约200nm的氧化层。首先生长缓冲SiO2薄层，厚度600nm，目的是减少淀积的氮化硅与硅衬底之间的应力。其次低压CVD氮化硅，用于掩蔽氧化，
10、厚度100nm确定NMOS有源区：利用第二块掩膜版，经曝光、等离子刻蚀，保留NMOS有源区和N阱区的氮化硅，去掉场区氮化硅，NMOS场区硼注入，剂量1*1013cm-2，能量120keV，防止场区下硅表面反型，产生寄生沟道。利用氮化硅掩蔽氧化的功能，在没有氮化硅、并经硼离子注入的区域，生长一层场氧化层，厚度400nm去除N阱中非PMOS有源区部分的氧化硅和氮化硅，这部分将是场区的一部分。对N阱中场区部分磷离子注入，防止寄生沟道影响。一般采用湿氧氧化或高压氧化方法生长一层1微米厚的SiO2栅氧化及开启电压调整：1、去掉氮化硅和缓冲SiO2。2、栅氧化：在HCl气氛中干氧氧化 生 长 SiO2约4
11、0nm。3、用硼离子注入调节开启电压，剂量6*1011cm-2，能量100keVLPCVD淀积多晶硅层，厚度400500nm，淀积温度625光刻NMOS多晶硅（保 持 PMOS区多晶硅不动），形成NMOS多晶硅栅，去掉没有多晶硅覆盖的栅氧化层。磷离子注入，形成NMOS源、漏区。注 入 剂 量3*1015cm-2，典型能量150keV1、保持NMOS区不动，用光刻胶保护。光刻N阱中PMOS区的多晶硅，形成PMOS多晶硅栅，去掉没有多晶硅覆盖的PMOS区栅氧化层，确定PMOS源、漏区。2、硼离子注入，形成PMOS源、漏区。硼离子注入剂量5*1015cm-2，能量100keV.3、离子注入退火和推进：在N2下退火，并将源、漏区推进，形成微米深的源、漏区。化学气相淀积磷硅玻璃介质层刻金属化的接触孔磷硅玻璃回流，使接触孔边缘台阶坡度平滑，以利于金属化。否则在台阶边缘上金属化铝条容易发生断裂。在N2气氛下，1150回流30分钟。1、采用电子束蒸发或溅射的方法淀积Al-Si合金，利于解决电迁移现象2、刻蚀金属化层，形成最后互连。3、合金：使金属化引线与接触孔处的硅形成良好的欧姆结。在N2-H2气氛下45020-30分钟4、钝化和开压焊孔。P阱阱CMOS工艺工艺