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1、第第 四四 章章集成电路制造工艺集成电路制造工艺集成电路设计与制造的主要流程框架集成电路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 系系统统需需求求集成电路的设计过程：集成电路的设计过程：设计创意设计创意 +仿真验证仿真验证集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架From 吉利久教授吉利久教授是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off设计业设计业制造业制造业芯片制
2、造过程芯片制造过程由氧化、淀积、离子注入或蒸发由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层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AA集成电路芯片的显微照片集成电路芯片的显微照片集成电路的内部单元集成电路的内部单元(俯视图俯视图)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。集成电路制造工艺集成电路制造工艺图形转换：图形转换：将设计在掩膜版将设计在掩膜版(类似于照类似
3、于照相底片相底片)上的图形转移到半导体单晶片上上的图形转移到半导体单晶片上掺杂：掺杂：根据设计的需要，将各种杂质掺根据设计的需要，将各种杂质掺杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等杂在需要的位置上，形成晶体管、接触等制膜：制膜：制作各种材料的薄膜制作各种材料的薄膜图形转换：光刻图形转换：光刻光刻三要素：光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机光刻胶、掩膜版和光刻机?光光刻刻胶胶又又叫叫光光致致抗抗蚀蚀剂剂，它它是是由由光光敏敏化化合合物物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体?光光刻刻胶胶受受到到特特定定波波长长光光线线的的作作用用后后，导导致致其其化化学学结结
4、构构发发生生变变化化，使使光光刻刻胶胶在在某某种种特特定定溶溶液中的溶解特性改变液中的溶解特性改变正正胶胶：分分辨辨率率高高，在在超超大大规规模模集集成成电电路路工艺中，一般只采用正胶工艺中，一般只采用正胶负负胶胶：分分辨辨率率差差，适适于于加加工工线线宽宽3 m的的线条线条正胶：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：光刻几种常见的光刻方法几种常见的光刻方法?接触式光刻：接触式光刻：分辨率较高，但是容易造分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。成掩膜版和光刻胶膜的损伤。?接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一在硅片和掩膜版之间有一
5、个很小的间隙个很小的间隙(1025 m)，可以大大，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低减小掩膜版的损伤，分辨率较低?投影式曝光：投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜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，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目前用的最多的曝光方式三种光刻方式三种光刻方式图形转换：光刻图形转换：光刻超细线条光刻技术超细线条光刻技术?甚远紫外线甚远紫外线(EUV)(EUV)?电子束光刻电子束光刻?X X射线射线?离子束光刻离子束光刻图形转换：刻蚀技术图形转换：刻蚀技术湿湿法法刻刻蚀蚀：利利用用液液态态化化学学试试剂剂或或溶液通过化学反应进行刻蚀的
6、方法溶液通过化学反应进行刻蚀的方法干干法法刻刻蚀蚀：主主要要指指利利用用低低压压放放电电产产生生的的等等离离子子体体中中的的离离子子或或游游离离基基(处处于于激激发发态态的的分分子子、原原子子及及各各种种原原子子基基团团等等)与与材材料料发发生生化化学学反反应应或或通通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的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：刻蚀技术湿法腐蚀：湿法腐蚀：?湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛湿法化学刻蚀在半导体工艺中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀应用：磨片、抛光、清洗、腐蚀?优点是选择性好、重复性好、生产效率优点是选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、
7、成本低高、设备简单、成本低?缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差缺点是钻蚀严重、对图形的控制性较差干法刻蚀干法刻蚀溅射与离子束铣蚀：溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差各向异性性好，但选择性较差等离子刻蚀等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的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，但各向异性较差蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差反应离子刻蚀反应离子刻蚀(Reactive Ion Etchin
8、g，简称为，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化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，择性好的优点。目前，RIE已成为已成为VLSI工艺工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术中应用最广泛的主流刻蚀技术扩散与离子注入扩散与离子注入掺杂：将需要的杂质掺入特定的掺杂：将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成体电学性质，形成PN结、电阻、结、电阻、欧姆接触欧姆接触磷磷(P)、砷、砷
9、(As)N型硅型硅硼硼(B)P型硅型硅掺杂工艺：扩散、离子注入掺杂工艺：扩散、离子注入扩扩 散散替位式扩散：替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位：杂质离子占据硅原子的位：?、族元素族元素?一般要在很高的温度一般要在很高的温度(9501280)下进行下进行?磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数磷、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化层作为杂质扩散的掩蔽层间隙式扩散：间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙：杂质离子位于晶格间隙：?Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素?扩散系数要比替位式扩散大扩散系数要比替位式
10、扩散大67个数量级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：如固态源扩散：如B2O3、P2O5、BN等等利用液态源进行扩散的装置示意图利用液态源进行扩散的装置示意图离子注入离子注入离子注入：将具有很高能量的杂质离子射离子注入：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度由注入杂质离子的数目(剂量剂量)决定决定?掺杂的均匀性好掺杂的均匀性好?温度低：小于温度低：小于600?可以精确控制杂质分布可以精确控制杂质分布?可以注入各种各样的元
11、素可以注入各种各样的元素?横向扩展比扩散要小得多。横向扩展比扩散要小得多。?可以对化合物半导体进行掺杂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 火火退火：退火：也叫热处理，集成电路工艺中所有也叫热处理，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。程都可以称为退火。?激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到激活杂质：使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子，起到杂质
12、的作用子，起到杂质的作用?消除损伤消除损伤退火方式：退火方式：?炉退火炉退火?快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续快速退火：脉冲激光法、扫描电子束、连续波激光、非相干宽带频光源波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等灯、石墨加热器、红外设备等)氧化工艺氧化工艺氧化：制备氧化：制备SiO2层层SiO2的性质及其作用的性质及其作用SiO2是一种十分理想的电绝缘材是一种十分理想的电绝缘材料，它的化学性质非常稳定，室料，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在在MOS电路中作为电路中
13、作为MOS器件的绝缘器件的绝缘栅介质，器件的组成部分栅介质，器件的组成部分扩散时的掩蔽层，离子注入的扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时有时与光刻胶、与光刻胶、Si3N4层一起使用层一起使用)阻挡层阻挡层作为集成电路的隔离介质材料作为集成电路的隔离介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料材料SiO2的制备方法的制备方法热氧化法热氧化法?干氧氧化干氧氧化?水蒸汽氧化水蒸汽氧化?湿氧氧化湿氧氧化?干氧湿氧干氧干氧湿氧干氧(简称干湿干简称干湿干)氧化法氧化法
14、?氢氧合成氧化氢氧合成氧化化学气相淀积法化学气相淀积法热分解淀积法热分解淀积法溅射法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)化学汽相淀积化学汽相淀积(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膜材料的过程CVD技术特点：技术特点：?具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控具有淀积温度低、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用范围广、设备简单等一
15、系列优点?CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼钨、钼)等等化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)常压化学汽相淀积常压化学汽相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积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(
16、CVD)单晶硅的化学汽相淀积单晶硅的化学汽相淀积(外延外延)：一般地，一般地，将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做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外延，生长有外延层的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀积：二氧化硅的化学汽相淀积：可以作为金属可以作为金属化时的介质层，而且还可以作为离子注入化时的介质层，而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或扩散的掩蔽膜，甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源或砷的氧化物用作扩散源?低温低温CVD氧化层：低于氧化层：低于500?中等温度淀积：中等温度淀积：500800?高温淀积：高温淀积：900左
17、右左右化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)多晶硅的化学汽相淀积：多晶硅的化学汽相淀积：利用多晶硅替代利用多晶硅替代金属铝作为金属铝作为MOS器件的栅极是器件的栅极是MOS集成集成电路技术的重大突破之一，它比利用金属电路技术的重大突破之一，它比利用金属铝作为栅极的铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高，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，使对准离子注入，使MOS集成电路的集成度集成电路的集成度得到很大提高。得到很大提高。氮化硅的化学汽相淀积：氮化硅的化学汽相淀积：中等温度中等温度(780820)的的LPCVD或低温或低温(30
18、0)PECVD方法淀积方法淀积物理气相淀积物理气相淀积(PVD)蒸发：蒸发：在真空系统中，金属原子获得在真空系统中，金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。束缚成为蒸汽原子，淀积在晶片上。按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸按照能量来源的不同，有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种发和电子束蒸发两种溅射：溅射：真空系统中充入惰性气体，在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原子逸出并被溅射到晶片上蒸蒸发发原原理理图图集成电路工艺集成电路工艺图形转换：图形转换：?光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻子束光刻?刻蚀：干法刻蚀、湿发刻蚀刻蚀：干法刻蚀、湿发刻蚀掺杂：掺杂：?离子注入离子注入 退火退火?扩散扩散制膜：制膜：?氧化：干氧氧化、湿氧氧化等氧化：干氧氧化、湿氧氧化等?CVD：APCVD、LPCVD、PECVD?PVD：蒸发、溅射：蒸发、溅射作作 业业集成电路工艺主要分为哪集成电路工艺主要分为哪几大类，每一类中包括哪些几大类，每一类中包括哪些主要工艺，并简述各工艺的主要工艺，并简述各工艺的主要作用主要作用简述光刻的工艺过程简述光刻的工艺过程