1、第三章第三章 集成電路制造工藝集成電路制造工藝 第三章第三章第三章第三章 3.1 硅平面工藝硅平面工藝 3.2 氧化絕緣層工藝氧化絕緣層工藝 3.3 擴散摻雜工藝擴散摻雜工藝 3.4 光刻工藝光刻工藝 3.5 掩模制版技術掩模制版技術 3.6 外延生長工藝外延生長工藝 3.7 金屬層制備工藝金屬層制備工藝 3.8 隔離工藝技術隔離工藝技術 3.9 CMOS集成電路工藝流程集成電路工藝流程 主要內容主要內容第三章第三章 集成電路的核心是半導體器件 包括：電阻 電容 電感 二極管 三極管 結型場效應晶體管 MOS場效應晶體管. 不同類型的半導體區域和它們之間一個或多個PN結組成半導體器件生產工藝的

2、基本原理半導體器件生產工藝的基本原理根據電路設計要求，在半導體材料不同區域形成不同導電區域(P型以及N型)進而形成一個或多個PN結第三章第三章19501950年，合金法制備的晶體管即合金管或臺面年，合金法制備的晶體管即合金管或臺面管管半導體器件工藝技術發展的三個階段半導體器件工藝技術發展的三個階段第三章第三章19551955年，發明擴散技術，擴散能夠精確控制年，發明擴散技術，擴散能夠精確控制為了能夠精確控制為了能夠精確控制PNPN結的位置以及寬度等結的位置以及寬度等第三章第三章19601960年，年，硅平面工藝硅平面工藝是是半導體器件制造技術最重半導體器件制造技術最重要的里程碑。要的里程碑。綜

3、合了擴散技術擴散技術和二氧化硅掩膜技術二氧化硅掩膜技術二氧化硅能有效抑制大部分施主和受主雜質的擴散，可以選擇性地進行擴散選擇性地進行擴散，得到不同的P(N)區域第三章第三章晶片晶片（WaferWafer）：襯底硅片，也稱為晶圓襯底硅片，也稱為晶圓芯片芯片（ChipChip）：）：在晶片上經制備出的晶體管或電路。同一在晶片上經制備出的晶體管或電路。同一晶片上可制備出成千上萬個結構相同的晶片上可制備出成千上萬個結構相同的芯片芯片晶片尺寸越大技術難度就越高晶片尺寸越大技術難度就越高目前晶片尺寸在目前晶片尺寸在150 300 mm ( 6 12 inch )相應的生產線為相應的生產線為6、12 inc

4、h。第三章第三章第三章第三章第三章第三章第三章第三章 3.2 氧化工藝氧化工藝氧化是平面工藝中最核心的技術之一。氧化是平面工藝中最核心的技術之一。19571957年，發現年，發現SiO2SiO2層具有阻止施主或受主雜質向硅內擴散層具有阻止施主或受主雜質向硅內擴散的作用，的作用，掩蔽作用掩蔽作用。選擇性擴散前均要進行氧化，在晶片的表面生長二氧化硅薄膜。選擇性擴散前均要進行氧化，在晶片的表面生長二氧化硅薄膜。把不需擴散的區域用一定厚度的把不需擴散的區域用一定厚度的SiO2 保護起來保護起來第三章第三章 對擴散雜質起對擴散雜質起掩蔽作用掩蔽作用 可作為可作為MOS器件的絕緣層，柵極氧化層器件的絕緣層

5、，柵極氧化層 用作集成電路中的用作集成電路中的隔離隔離介質和介質和絕緣絕緣介質。介質。 作為集成電路中的作為集成電路中的電容器電容器介質。介質。 對器件表面起對器件表面起保護鈍化保護鈍化作用。因半導體表面態對器作用。因半導體表面態對器件的影響非常大，采用氧化層保護可防止環境對器件的影響非常大，采用氧化層保護可防止環境對器件的污染。件的污染。 一一. SiO2 薄膜在集成電路中的作用薄膜在集成電路中的作用第三章第三章 SiOSiO2 2 的基本性質的基本性質晶體結構：晶體結構： 結晶型結晶型( (石英玻璃石英玻璃) ) 非晶態非晶態半導體器件生產所用的半導體器件生產所用的SiOSiO2 2 薄膜

6、屬于薄膜屬于非晶態非晶態結構。結構。物理性質物理性質 惰性材料，在室溫相當寬的范圍內，性能十分穩定；惰性材料，在室溫相當寬的范圍內，性能十分穩定；電阻率非常高，熱氧化的電阻率非常高，熱氧化的SiOSiO2 2 薄膜為薄膜為 10 10 1515 歐姆歐姆厘米，厘米， 是很好的絕緣材料，高介電常數。是很好的絕緣材料，高介電常數。第三章第三章二二. .SiOSiO2 2薄膜的生長方法薄膜的生長方法工藝工藝：氧化氧化熱氧化熱氧化化學氣相沉積化學氣相沉積氧氣氧化氧氣氧化氫氧合成氧化氫氧合成氧化高壓氧化高壓氧化第三章第三章第三章第三章熱氧化過程熱氧化過程氧化前氧化前 氧化后氧化后第三章第三章氧氣法氧化氧

7、氣法氧化按照氧氣的情況按照氧氣的情況干法氧化干法氧化濕法氧化濕法氧化第三章第三章干氧生成的干氧生成的SiO2結構致密、結構致密、干燥、均勻性和重復性好，掩干燥、均勻性和重復性好，掩蔽能力強，與光刻膠粘附好等蔽能力強，與光刻膠粘附好等優點優點 干氧化速率慢，由于已生長干氧化速率慢，由于已生長的的SiO2對氧有阻礙作用，氧化對氧有阻礙作用，氧化的速度會逐漸降低，的速度會逐漸降低，O2Si（固體）（固體）+ O2 SiO2（固體）（固體） 干法氧化干法氧化 將硅片置于通有將硅片置于通有氧氣氧氣的高溫環境內，通過到達硅表的高溫環境內，通過到達硅表面的氧原子與硅的作用發生反應形成面的氧原子與硅的作用發生

8、反應形成SiO2。將石英管高溫加熱至將石英管高溫加熱至1000以上，以上，通入氧氣。通入氧氣。石石英英管管加熱器加熱器硅片硅片石英舟石英舟第三章第三章高溫下，硅與水汽和氧氣發生如下反應：高溫下，硅與水汽和氧氣發生如下反應：濕法氧化濕法氧化 Si（固體）（固體）+ 2H2O SiO2（固體）（固體）+ 2H2 濕氧氧化速率快，濕氧氧化速率快，水的擴水的擴散系數大于氧氣散系數大于氧氣。但致密。但致密度較差，對度較差，對P的掩蔽能力的掩蔽能力差，于光刻膠的接觸不良。差，于光刻膠的接觸不良。石英管石英管高純水高純水加熱器加熱器硅片硅片石英舟石英舟濕濕O29595度的去度的去離子水離子水第三章第三章硅硅

9、干法氧化干法氧化濕法氧化濕法氧化干法氧化干法氧化實際氧化工藝：實際氧化工藝：干氧化干氧化 濕氧化濕氧化 干氧化干氧化第三章第三章氫氧合成氧化氫氧合成氧化OHOH222%)99.99(%)9999.99( Si（固體）（固體）+ 2H2O SiO2（固體）（固體）+ 2H2 氧化速度快，避免濕法氧化中水蒸氣對器件帶來的污染，氧化速度快，避免濕法氧化中水蒸氣對器件帶來的污染，薄膜質量好，純度高。薄膜質量好，純度高。第三章第三章高壓氧化高壓氧化第三章第三章化學汽相沉積法化學汽相沉積法 CVDCVD把一種把一種( (幾種幾種) )元素的元素的氣體氣體共給基片，利用某種方式激活后，共給基片，利用某種方式

10、激活后，在襯底表面處發生化學反應，沉積所需的固體薄膜。在襯底表面處發生化學反應，沉積所需的固體薄膜。激活方式：加熱、等離子體、紫外光、激光等產生高溫激活方式：加熱、等離子體、紫外光、激光等產生高溫多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多種無機薄膜多晶硅、氮化硅、氧化物、碳化物等多種無機薄膜第三章第三章OHSiOOSiH222422制備氧化硅時：制備氧化硅時：硅烷與氧的反應硅烷與氧的反應第三章第三章800-1000102 Pa 產量大，膜厚均勻600-700 射頻電場，200-400第三章第三章第三章第三章3. SiO2薄膜的要求和檢測方法薄膜的要求和檢測方法 SiO2薄膜的要求薄膜的要求 表面：表面

11、厚度均勻、表面致密、無斑點、無白霧表面：表面厚度均勻、表面致密、無斑點、無白霧 SiO2薄膜的厚度測量薄膜的厚度測量 表面觀察法表面觀察法(TEM)、干涉法、橢圓激光偏振法等。、干涉法、橢圓激光偏振法等。 最常用的是最常用的是干涉條紋法干涉條紋法。第三章第三章4. 氧化技術的發展趨勢和面臨問題氧化技術的發展趨勢和面臨問題 隨著集成電路的集成度的不斷提高，器件尺寸的不斷減小，隨著集成電路的集成度的不斷提高，器件尺寸的不斷減小， 使使MOS器件的器件的柵氧化層厚度柵氧化層厚度的不斷減小。的不斷減小。 柵氧化層厚度從柵氧化層厚度從100 nm（1975年）年）減小到目前的減小到目前的 5nm。 柵氧

12、化層厚度越薄，則柵氧化層厚度越薄，則漏電和擊穿漏電和擊穿問題越嚴重，所以需要問題越嚴重，所以需要 開發開發高介質高介質的柵氧化層材料。的柵氧化層材料。 隨著集成電路尺寸的不斷減小，隨著集成電路尺寸的不斷減小，布線間距縮小布線間距縮小電容明顯增電容明顯增大，使得器件的延遲增大速度變慢。大，使得器件的延遲增大速度變慢。減小布線電容減小布線電容的有效的有效方法就是方法就是采用低介質常數采用低介質常數的材料作的材料作層間絕緣層間絕緣。第三章第三章1、擴散定律、擴散定律由于濃度不均勻而導致載流子（電子由于濃度不均勻而導致載流子（電子或空穴）從高濃度處向低濃度處逐漸或空穴）從高濃度處向低濃度處逐漸運動的過

13、程運動的過程 3.3 擴散摻雜工藝擴散摻雜工藝目的目的 通過摻雜或補償，制作通過摻雜或補償，制作N型或型或P型區域型區域第三章第三章第三章第三章一一. . 擴散原理擴散原理D 擴散系數：反映擴散快慢程度的物理量。擴散系數：反映擴散快慢程度的物理量。S = - DdNdX1. 擴散流密度：擴散流密度：描述了擴散過程硅片上各點雜質濃度隨時間變化的規律描述了擴散過程硅片上各點雜質濃度隨時間變化的規律2. 擴散方程：擴散方程：N2N t= DX2在硅中：在硅中： D 磷磷= 10.5 cm2/s D 硼硼= 25 cm2/s)/exp(00kTEDD第三章第三章3. 雜質分布特點雜質分布特點 雜質分布

14、雜質分布 擴散工藝形式不同但總體可分為擴散工藝形式不同但總體可分為 恒定源擴散，限定源擴散恒定源擴散，限定源擴散 恒定源擴散恒定源擴散 硅片表面處雜質濃度硅片表面處雜質濃度不隨時間變化而變。不隨時間變化而變。 限定源擴散限定源擴散 硅中雜質總量不變，隨硅中雜質總量不變，隨時間增加表面雜質濃度不時間增加表面雜質濃度不斷下降，雜質擴入硅片的斷下降，雜質擴入硅片的深度增大。深度增大。第三章第三章擴散結深擴散結深ND為樣品中原來的為樣品中原來的摻雜濃度摻雜濃度t2t3t1 t2 NbNc第三章第三章集成電路集成電路中雙極型晶體管中雙極型晶體管N N 外延外延 集電區集電區 N +埋層埋層 p - Si

15、 P P 基區基區N+N+beCP+隔隔離離環環 P+ 隔隔 離離 環環集成電路中的雙極型晶體管集成電路中的雙極型晶體管結構與分立型相同結構與分立型相同因所有的元器件均在同一電路因所有的元器件均在同一電路上，所以必須要有上，所以必須要有隔離隔離分開分開集電極集電極只能從只能從上面上面引出引出第三章第三章IC中中縱向縱向NPN晶體管剖面圖晶體管剖面圖ALSiO2bPP+P-襯底襯底ecn+-外延外延N-epiP+n+n+P-襯底襯底n+埋層埋層N-外延外延N-外延外延P+P+P+P+ PN結隔離槽結隔離槽NPP+隔離隔離P+隔離隔離cbeppIC中中橫向橫向PNP晶體管剖面圖晶體管剖面圖第三章第

16、三章襯襯底底單單晶晶片片鍵鍵合合封封帽帽老老化化篩篩選選總總測測隔隔離離區區氧氧化化2埋埋層層窗窗口口擴擴散散外外延延生生長長初初始始氧氧化化1埋埋層層窗窗口口光光刻刻1隔隔離離窗窗口口光光刻刻2基基區區窗窗口口光光刻刻3隔隔離離區區窗窗口口擴擴散散基基區區氧氧化化3基基區區擴擴散散電電極極鋁鋁反反刻刻6 6引引線線孔孔光光刻刻5 5蒸蒸發發電電極極發發射射區區擴擴散散引引線線孔孔氧氧化化5 5劃劃片片中中間間測測試試裝裝架架壓壓焊焊點點光光刻刻7 7合合金金表表面面鈍鈍化化6 6發發射射區區氧氧化化4 4發發射射區區窗窗口口光光刻刻43. 平面平面雙極雙極型集成電路晶體管基本工藝流程型集成電

17、路晶體管基本工藝流程第三章第三章 第三章第三章平面集成電路基本工藝平面集成電路基本工藝平面集成電路工藝也平面集成電路工藝也分為分為前部前部工序、工序、后部后部工序、工序、輔助輔助工序工序前工序前工序（管芯工序）即中測前所有的工序（管芯工序）即中測前所有的工序 薄膜制備工藝薄膜制備工藝: : 外延層制備、氧化層、鈍化層、金屬電極層外延層制備、氧化層、鈍化層、金屬電極層 摻雜工藝摻雜工藝: : 制備埋層、隔離區、基區、發射區等制備埋層、隔離區、基區、發射區等 圖形加工工藝圖形加工工藝: : 光刻掩膜、制版光刻掩膜、制版后工序后工序：中測后直至成品所有的工序中測后直至成品所有的工序輔助工序輔助工序：

18、高純水的制備、高純氣體制備、單晶片制備，：高純水的制備、高純氣體制備、單晶片制備， 超凈環境等超凈環境等第三章第三章 3.10 CMOS集成電路工藝集成電路工藝一、一、CMOS （互補型互補型MOS電路電路）在一塊硅片上同時制備出在一塊硅片上同時制備出 N-MOS和和P-MOS管，管，并根據使用要求合理連接在電路中。并根據使用要求合理連接在電路中。 N外延外延 N+P 阱阱N阱阱P+P+N+N+場氧化層場氧化層PN+N+N阱阱P+P+NP+P+P 阱阱N+N+第三章第三章CMOS 在集成電路中用途非常廣泛，其特點為：在集成電路中用途非常廣泛，其特點為： 電流小、功耗低電流小、功耗低 集成度高集

19、成度高 速度快速度快第三章第三章典型典型N阱阱CMOS工藝流程工藝流程N阱的生成阱的生成有源區的確定和場氧氧化有源區的確定和場氧氧化生長柵氧化層和生成多晶硅柵電極生長柵氧化層和生成多晶硅柵電極形成形成P溝溝MOS晶體管晶體管形成形成N溝溝MOS晶體管晶體管引線及后續工藝引線及后續工藝第三章第三章N阱的生成阱的生成氧化氧化光刻光刻摻雜摻雜PPN阱阱第三章第三章有源區的確定和場氧氧化有源區的確定和場氧氧化有源區：晶體管所在的區域有源區：晶體管所在的區域(N溝晶體管溝晶體管) (P溝晶體管溝晶體管)N+N+N+N+寄生晶體管寄生晶體管場氧：不同晶體管之間形成較厚的氧化層場氧：不同晶體管之間形成較厚的氧化層第三章第三章襯底襯底氧化氧化去掉氮化層去掉氮化層SiO2緩沖層緩沖層Si3N4第三章第三章沒有氧化層的區域即為沒有氧化層的區域即為有源區有源區第三章第三章生長柵氧化層和生成多晶硅柵電極生長柵氧化層和生成多晶硅柵電極確定了有源區以后，就可以制作確定了有源區以后，就可以制作MOSMOS晶體管晶體管第三章第三章形成形成P溝溝MOS晶體管晶體管第三章第三章形成形成N溝溝MOS晶體管晶體管第三章第三章N+N+ N 阱P+P+N+SiO2SiO2