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1、集成电路制造工艺集成电路制造工艺北京大学北京大学集成集成电路路设计与制造的主要流程框架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造过
2、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次次集成电路的内部单元集成电路的内部单元(俯视图俯视图)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
3、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形转换：将将设计在掩膜版在掩膜版(类似于照似于照相底片相底片)上的上的图形形转移到半移到半导体体单晶片上晶片上掺杂：根据根据设计的需要，将各种的需要，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剂，它它是是由由光光敏敏化化
4、合合物物、基体基体树脂和有机溶脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体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光光线的的作作用用后后，导致致其其化化学学结构构发生生变化化，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，在在超超大大规模模集集成成电路路工工艺中，一般只采用正胶中，一般只采用正胶负胶胶：分分辨辨率率差差，适适于于加加工工线宽3 m的的线条条正胶：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：分辨率分辨率较高，但是容
5、易造高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的成掩膜版和光刻胶膜的损伤。?接近式曝光：接近式曝光：在硅片和掩膜版之在硅片和掩膜版之间有一有一个很小的个很小的间隙隙(1025 m)，可以大大，可以大大减小掩膜版的减小掩膜版的损伤，分辨率，分辨率较低低?投影式曝光：投影式曝光：利用透利用透镜或反射或反射镜将掩膜将掩膜版上的版上的图形投影到形投影到衬底上的曝光方法，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?甚甚远紫外紫外线(EUV)(EUV)?电子束光刻子束光刻?X X射射线?离子束光刻离子束光刻图形转换
6、：刻蚀技术图形转换：刻蚀技术湿湿法法刻刻蚀：利利用用液液态化化学学试剂或或溶液通溶液通过化学反化学反应进行刻行刻蚀的方法的方法干干法法刻刻蚀：主主要要指指利利用用低低压放放电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(处于于激激发态的的分分子子、原原子子及及各各种种原原子子基基团等等)与与材材料料发生生化化学学反反应或或通通过轰击等物理作用而达到刻等物理作用而达到刻蚀的目的的目的图形转换：刻蚀技术图形转换：刻蚀技术湿法腐湿法腐蚀：?湿法化学刻湿法化学刻蚀在半在半导体工体工艺中有着广泛中有着广泛应用：磨片、抛光、清洗、腐用：磨片、抛光、清洗、腐蚀?优点是点是选择性好、重复性好、生
7、性好、重复性好、生产效率效率高、高、设备简单、成本低、成本低?缺点是缺点是钻蚀严重、重、对图形的控制性形的控制性较差差干法刻蚀干法刻蚀溅射与离子束射与离子束铣蚀：通通过高能惰性气体离子的物高能惰性气体离子的物理理轰击作用刻作用刻蚀，各向异性性好，但，各向异性性好，但选择性性较差差等离子刻等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放利用放电产生的生的游离基与材料游离基与材料发生化学反生化学反应，形成，形成挥发物，物，实现刻刻蚀。选择性好、性好、对衬底底损伤较小，但各向异性小，但各向异性较差差反反应离子刻离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称称为RIE)：通通过活性离子活性
8、离子对衬底的物理底的物理轰击和化和化学反学反应双重作用刻双重作用刻蚀。具有。具有溅射刻射刻蚀和等离和等离子刻子刻蚀两者的两者的优点，同点，同时兼有各向异性和兼有各向异性和选择性好的性好的优点。目前，点。目前，RIE已成已成为VLSI工工艺中中应用最广泛的主流刻用最广泛的主流刻蚀技技术杂质掺杂杂质掺杂掺杂：将需要的将需要的杂质掺入特定的入特定的半半导体区域中，以达到改体区域中，以达到改变半半导体体电学性学性质，形成，形成PN结、电阻、阻、欧姆接触欧姆接触?磷磷(P)、砷、砷(As)N型硅型硅?硼硼(B)P型硅型硅掺杂工工艺：扩散、离子注入散、离子注入扩扩 散散替位式替位式扩散：散：杂质离子占据硅
9、原子的位：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)下下进行行?磷、硼、砷等在二氧化硅磷、硼、砷等在二氧化硅层中的中的扩散系数散系数均均远小于在硅中的小于在硅中的扩散系数，可以利用氧散系数，可以利用氧化化层作作为杂质扩散的掩蔽散的掩蔽层间隙式隙式扩散：散：杂质离子位于晶格离子位于晶格间隙：隙：?Na、K、Fe、Cu、Au 等元素等元素?扩散系数要比替位式散系数要比替位式扩散大散大67个数量个数量级杂质横向扩散示意图杂质横向扩散示意图固固态源源扩散：如散：如B2O3、P2O5、BN等等利用液利用液态源源进行行扩散的装置示意散的装置示意图离子注入离
10、子注入离子注入：将具有很高能量的离子注入：将具有很高能量的杂质离子射离子射入半入半导体体衬底中的底中的掺杂技技术，掺杂深度由深度由注入注入杂质离子的能量和离子的能量和质量决定，量决定，掺杂浓度由注入度由注入杂质离子的数目离子的数目(剂量量)决定决定?掺杂的均匀性好的均匀性好?温度低：小于温度低：小于600?可以精确控制可以精确控制杂质分布分布?可以注入各种各可以注入各种各样的元素的元素?横向横向扩展比展比扩散要小得多。散要小得多。?可以可以对化合物半化合物半导体体进行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
11、火火退火：也叫退火：也叫热处理，集成理，集成电路工路工艺中所有中所有的在氮气等不活的在氮气等不活泼气氛中气氛中进行的行的热处理理过程都可以称程都可以称为退火退火?激活激活杂质：使不在晶格位置上的离子运：使不在晶格位置上的离子运动到到晶格位置，以便具有晶格位置，以便具有电活性，活性，产生自由生自由载流流子，起到子，起到杂质的作用的作用?消除消除损伤退火方式：退火方式：?炉退火炉退火?快速退火：脉冲激光法、快速退火：脉冲激光法、扫描描电子束、子束、连续波激光、非相干波激光、非相干宽带频光源光源(如如卤光灯、光灯、电弧弧灯、石墨加灯、石墨加热器、器、红外外设备等等)氧化工艺氧化工艺氧化：制氧化：制备
12、SiO2层SiO2的性的性质及其作用及其作用SiO2是一种十分理想的是一种十分理想的电绝缘材材料，它的化学性料，它的化学性质非常非常稳定，室定，室温下它只与温下它只与氢氟酸氟酸发生化学反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电路中作路中作为MOS器件的器件的绝缘栅介介质，器件的，器件的组成部分成部分扩散散时的掩蔽的掩蔽层，离子注入的，离子注入的(有有时与光刻胶、与光刻胶、Si3N4层一起使用一起使用)阻阻挡层作作为集成集成电路的隔离介路的隔离介质材料材料作作为电容器的容器的绝缘介介质材料材料作作为多多层金属互金属互连层之之间的介的介质材料材料作作为对器件和器件和电路路进行行钝
13、化的化的钝化化层材料材料SiO2的制备方法的制备方法热氧化法氧化法?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(简称干湿干称干湿干)氧化法氧化法?氢氧合成氧化氧合成氧化化学气相淀化学气相淀积法法热分解淀分解淀积法法溅射法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)化学汽相淀化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition)：通通过气气态物物质的化学反的化学反应在在衬底上淀底上淀积一一层薄薄膜材料的膜材料的过程程CVD技技术特点：特点：?具有淀具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控温度
14、低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台制、均匀性和重复性好、台阶覆盖覆盖优良、适良、适用范用范围广、广、设备简单等一系列等一系列优点点?CVD方法几乎可以淀方法几乎可以淀积集成集成电路工路工艺中所中所需要的各种薄膜，例如需要的各种薄膜，例如掺杂或不或不掺杂的的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)等等化学汽相淀积化学汽相淀积(CVD)常常压化学汽相淀化学汽相淀积(APCVD)低低压化学汽相淀化学汽相淀积(LPCVD)等离子增等离子增强化学汽相淀化学汽相淀积(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
15、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)单晶硅的化学汽相淀晶硅的化学汽相淀积(外延外延)：一般地，一般地，将在将在单晶晶衬底上生底上生长单晶材料的工晶材料的工艺叫做叫做外延，生外延，生长有外延有外延层的晶体片叫做外延片的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀二氧化硅的化学汽相淀积：可以作可以作为金属金属化化时的介的介质层，而且，而且还可以作可以作为离子注入离子注入或或扩散的掩蔽膜，甚至散的掩蔽膜，甚至还可以将可以将掺磷、硼磷、硼或砷的氧化物用作或砷的氧化物用作扩散源散源?低温低温CVD氧化氧化层：低于：低于500?中等温度淀
16、中等温度淀积：500800?高温淀高温淀积：900左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金属铝作作为MOS器件的器件的栅极是极是MOS集成集成电路技路技术的重大突破之一，它比利用金属的重大突破之一，它比利用金属铝作作为栅极的极的MOS器件性能得到很大提高，器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅而且采用多晶硅栅技技术可以可以实现源漏区自源漏区自对准离子注入，使准离子注入，使MOS集成集成电路的集成度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氮化硅的化学汽相淀积：中等温度中等温度(780820)的的LPCVD或
17、低温或低温(300)PECVD方方法淀法淀积物理气相淀积物理气相淀积(PVD)蒸蒸发：在真空系在真空系统中，金属原子中，金属原子获得得足足够的能量后便可以脱离金属表面的的能量后便可以脱离金属表面的束束缚成成为蒸汽原子，淀蒸汽原子，淀积在晶片上。在晶片上。按照能量来源的不同，有灯按照能量来源的不同，有灯丝加加热蒸蒸发和和电子束蒸子束蒸发两种两种溅射：射：真空系真空系统中充入惰性气体，在中充入惰性气体，在高高压电场作用下，气体放作用下，气体放电形成的离形成的离子被子被强电场加速，加速，轰击靶材料，使靶靶材料，使靶原子逸出并被原子逸出并被溅射到晶片上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
18、工艺图形形转换：?光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、光刻：接触光刻、接近光刻、投影光刻、电子束光刻子束光刻?刻刻蚀：干法刻：干法刻蚀、湿法刻、湿法刻蚀掺杂：?离子注入离子注入 退火退火?扩散散制膜：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：蒸发、溅射射作作 业业集成集成电路工路工艺主要分主要分为哪哪几大几大类，每一，每一类中包括哪些中包括哪些主要工主要工艺，并，并简述各工述各工艺的的主要作用主要作用简述光刻的工述光刻的工艺过程程集成电路制造工艺集成电路制造工艺北京大学北京大学CMOS集成电路集成电路制造工艺制造工艺形
19、成形成N阱阱?初始氧化初始氧化?淀淀积氮化硅氮化硅层?光刻光刻1版，定版，定义出出N阱阱?反反应离子刻离子刻蚀氮化硅氮化硅层?N阱离子注入，注磷阱离子注入，注磷形成形成P阱阱?去掉光刻胶去掉光刻胶?在在N阱区生阱区生长厚氧化厚氧化层，其它区域被氮化硅，其它区域被氮化硅层保保护而不会被氧化而不会被氧化?去掉氮化硅去掉氮化硅层?P阱离子注入，注硼阱离子注入，注硼推阱推阱?退火退火驱入入?去掉去掉N阱区的氧化阱区的氧化层形成形成场隔离区隔离区?生生长一一层薄氧化薄氧化层?淀淀积一一层氮化硅氮化硅?光刻光刻场隔离区，非隔离隔离区，非隔离区被光刻胶保区被光刻胶保护起来起来?反反应离子刻离子刻蚀氮化硅氮化
20、硅?场区离子注入区离子注入?热生生长厚的厚的场氧化氧化层?去掉氮化硅去掉氮化硅层形成多晶硅栅形成多晶硅栅?生长栅氧化层生长栅氧化层?淀积多晶硅淀积多晶硅?光刻多晶硅栅光刻多晶硅栅?刻蚀多晶硅栅刻蚀多晶硅栅形成硅化物形成硅化物?淀淀积氧化氧化层?反反应离子刻离子刻蚀氧化氧化层，形成，形成侧壁氧化壁氧化层?淀淀积难熔金属熔金属Ti或或Co等等?低温退火，形成低温退火，形成C-47相的相的TiSi2或或CoSi?去掉氧化去掉氧化层上的没有上的没有发生化学反生化学反应的的Ti或或Co?高温退火，形成低阻高温退火，形成低阻稳定的定的TiSi2或或CoSi2形成形成N管源漏区管源漏区?光刻，利用光刻胶将光
21、刻，利用光刻胶将PMOS区保护起来区保护起来?离子注入磷或砷，形成离子注入磷或砷，形成N管源漏区管源漏区形成形成P管源漏区管源漏区?光刻，利用光刻胶将光刻，利用光刻胶将NMOS区保护起来区保护起来?离子注入硼，形成离子注入硼，形成P管源漏区管源漏区形成接触孔形成接触孔?化学气相淀化学气相淀积磷硅玻璃磷硅玻璃层?退火和致密退火和致密?光刻接触孔版光刻接触孔版?反反应离子刻离子刻蚀磷硅玻璃，形成接触孔磷硅玻璃，形成接触孔形成第一形成第一层金属金属?淀淀积金属金属钨(W)，形成，形成钨塞塞形成第一形成第一层金属金属?淀淀积金属金属层，如，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等合金等?光刻第一光刻第一层
22、金属版，定金属版，定义出出连线图形形?反反应离子刻离子刻蚀金属金属层，形成互，形成互连图形形形成穿通接触孔形成穿通接触孔?化学气相淀化学气相淀积PETEOS?通通过化学机械抛光化学机械抛光进行平坦化行平坦化?光刻穿通接触孔版光刻穿通接触孔版?反反应离子刻离子刻蚀绝缘层，形成穿通接触孔，形成穿通接触孔形成第二形成第二层金属金属?淀淀积金属金属层，如，如Al-Si、Al-Si-Cu合金等合金等?光刻第二光刻第二层金属版，定金属版，定义出出连线图形形?反反应离子刻离子刻蚀，形成第二，形成第二层金属互金属互连图形形合金合金 形成形成钝化化层?在低温条件下在低温条件下(小于小于300)淀淀积氮化硅氮化硅
23、?光刻光刻钝化版化版?刻刻蚀氮化硅，形成氮化硅，形成钝化化图形形测试、封装，完成集成、封装，完成集成电路的制造工路的制造工艺CMOS集成集成电路一般采用路一般采用(100)晶向的硅材料晶向的硅材料AA双极集成电路双极集成电路制造工艺制造工艺制作埋制作埋层?初始氧化，初始氧化，热生生长厚度厚度约为5001000nm的氧化的氧化层?光刻光刻1#版版(埋埋层版版)，利用反，利用反应离子刻离子刻蚀技技术将光刻窗将光刻窗口中的氧化口中的氧化层刻刻蚀掉，并去掉光刻胶掉，并去掉光刻胶?进行大行大剂量量As+注入并退火，形成注入并退火，形成n+埋埋层双极集成电路工艺双极集成电路工艺生生长n型外延型外延层?利用
24、利用HF腐腐蚀掉硅片表面的氧化掉硅片表面的氧化层?将硅片放入外延炉中将硅片放入外延炉中进行外延，外延行外延，外延层的厚度和的厚度和掺杂浓度一般由器件的用途决定度一般由器件的用途决定形成横向氧化物隔离区形成横向氧化物隔离区?热生生长一一层薄氧化薄氧化层，厚度，厚度约50nm?淀淀积一一层氮化硅，厚度氮化硅，厚度约100nm?光刻光刻2#版版(场区隔离版区隔离版形成横向氧化物隔离区形成横向氧化物隔离区?利用反利用反应离子刻离子刻蚀技技术将光刻窗口中的氮化将光刻窗口中的氮化硅硅层-氧化氧化层以及一半的外延硅以及一半的外延硅层刻刻蚀掉掉?进行硼离子注入行硼离子注入形成横向氧化物隔离区形成横向氧化物隔离
25、区?去掉光刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成去掉光刻胶，把硅片放入氧化炉氧化，形成厚的厚的场氧化氧化层隔离区隔离区?去掉氮化硅去掉氮化硅层形成基区形成基区?光刻光刻3#版版(基区版基区版)，利用光刻胶将收集区遮，利用光刻胶将收集区遮挡住，暴露出基区住，暴露出基区?基区离子注入硼基区离子注入硼形成接触孔：形成接触孔：?光刻光刻4#版版(基区接触孔版基区接触孔版)?进行大行大剂量硼离子注入量硼离子注入?刻刻蚀掉接触孔中的氧化掉接触孔中的氧化层形成形成发射区射区?光刻光刻5#版版(发射区版射区版)，利用光刻胶将基极接触，利用光刻胶将基极接触孔保孔保护起来，暴露出起来，暴露出发射极和集射极和集电极接触孔
26、极接触孔?进行低能量、高行低能量、高剂量的砷离子注入，形成量的砷离子注入，形成发射射区和集区和集电区区金属化金属化?淀淀积金属，一般是金属，一般是铝或或Al-Si、Pt-Si合金等合金等?光刻光刻6#版版(连线版版)，形成金属互，形成金属互连线合金：合金：使使Al与接触孔中的硅形成良好的欧与接触孔中的硅形成良好的欧姆接触，一般是在姆接触，一般是在450、N2-H2气氛下气氛下处理理2030分分钟形成形成钝化化层?在低温条件下在低温条件下(小于小于300)淀淀积氮化硅氮化硅?光刻光刻7#版版(钝化版化版)?刻刻蚀氮化硅，形成氮化硅，形成钝化化图形形隔离技术隔离技术PN结隔离结隔离场区隔离场区隔离
27、绝缘介质隔离绝缘介质隔离沟槽隔离沟槽隔离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Al是目前集成是目前集成电路工路工艺中最常用的金中最常用的金属互属互连材料材料,但但Al连线也存在一些比也存在一些比较严重的重的问题?电迁移迁移严重、重、电阻率偏高、浅阻率偏高、浅结穿透等穿透等Cu连线工工艺有望从根本上解决有望从根本上解决该问题?IBM、Motorola等已等已经开开发成功成功目前，互目前，互连线已已经占到芯片占到芯片总面面积的的7080%；且；且连线的的宽度越来越窄，度越来越窄，电流密
28、度迅速增加流密度迅速增加几个概念几个概念?场区区?有源区有源区栅结构材料构材料?Al-二氧化硅二氧化硅结构构?多晶硅多晶硅-二氧化硅二氧化硅结构构?难熔金属硅化物熔金属硅化物/多晶硅多晶硅-二氧化硅二氧化硅结构构Salicide工工艺?淀淀积多晶硅、刻多晶硅、刻蚀并形成并形成侧壁氧壁氧化化层；?淀淀积Ti或或Co等等难熔金属熔金属?RTP并并选择腐腐蚀侧壁氧化壁氧化层上的上的金属；金属；?最后形成最后形成Salicide结构构集集成成电路路封封装装工工艺流流程程各种封各种封装装类型型示意示意图 集成电路工艺小结集成电路工艺小结前工序前工序?图形形转换技技术：主要包括光刻、：主要包括光刻、刻刻蚀等技等技术?薄膜制薄膜制备技技术：主要包括外延、：主要包括外延、氧化、化学气相淀氧化、化学气相淀积、物理气相、物理气相淀淀积(如如溅射、蒸射、蒸发)等等?掺杂技技术：主要包括：主要包括扩散和离子散和离子注入等技注入等技术 集成电路工艺小结集成电路工艺小结后工序后工序?划片划片?封装封装?测试?老化老化?筛选 集成电路工艺小结集成电路工艺小结辅助工序助工序?超超净厂房技厂房技术?超超纯水、高水、高纯气体制气体制备技技术?光刻掩膜版制光刻掩膜版制备技技术?材料准材料准备技技术作作 业业设计制制备NMOSFET的的工工艺，并画出流程，并画出流程图写一篇写一篇对本本课程感想的程感想的小小论文文