半導(dǎo)體集成電路制造工藝

1、半導(dǎo)體集成電路制造工藝一、集成電路的定義：集成電路是指半導(dǎo)體集成電路，即以半導(dǎo) 體晶片材料為主，經(jīng)熱氧化工藝 ：干氧氧化、水汽氧化、濕氧氧化加工制造，將無源元件、有源元件和互連線集成在基片內(nèi)部、表 面或基片之上，執(zhí)行十八、根據(jù)器件要求確定氧化方法：1、高質(zhì)量氧化：干氧氧化或分壓氧化；2、厚某種電子功能的微型化電路。微型化電路有集成電路、厚膜電路、薄膜電路和混合層的局部氧化或 場氧化：干氧（10mi n） +濕氧+干氧（10mi n）或高壓氧化；3、低表面 態(tài)電路等多種形式。 氧化：摻氯氧化；濕氧氧化加摻氯氣氛退火或 分壓氧化（H20或O2+N2或Ar或He等）。 二、集成電路的分類： 十九、熱

2、氧化過程中硅中雜質(zhì)的再分布 1、硅中摻磷（1）溫度一定時， 水汽氧化（濕氧按電路功能分類：分為以門電路為基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯電路和以放大器為基礎(chǔ)的線性電氧化） 導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度較大，其 NS/NB大于干氧氧化；（2）同一氧化氣氛下，氧化路，還有微波集成 電路和光集成電路等。溫度越高，磷向硅內(nèi)擴(kuò)散的速度越快，表面堆積現(xiàn)象減小，NS/NB趨于1。2、硅中按構(gòu)成集成電路基礎(chǔ)的晶體管分類：分為雙極型集成電路和 MOS型集成電路兩大類。摻硼（1） 溫度一定時，水汽氧化（濕氧氧化）導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度增大，NS/NB小前者以雙極型平面晶體管為主要器件；后者以MOS場效應(yīng)晶體管為基礎(chǔ)。 于干氧氧化；（2）同一氧化

3、氣氛下，氧化溫度越高，硼向硅表面擴(kuò)散速度加快，補(bǔ)三、衡量集成電路的發(fā)展 DRAM（ 3*107（集成度），135mm2 （外型尺寸），0.5卩m償了表 明雜質(zhì)的損耗，NS/NB趨于1?？纯催\動方向（特征尺寸），200mm（英寸），二十二、熱氧化過程 四、摩爾定律：IC集成度每1.5 年翻一番 五、集成電路的發(fā)展展望 目標(biāo)：集成度f、可靠性f、 速度f 、功耗J、成本J。努力方向：線寬J、晶片直徑f、設(shè)計技術(shù)f六、硅微電子技術(shù)發(fā)展的幾個趨勢：1、單片系統(tǒng)集成（SoQ System on a chip Application Specific Integrated Circuit特定用途集成電路2

4、、整硅片集成（WSI） 3、半定制電路的 設(shè)計方法4、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS） 5、真空微電子技術(shù)七、集成電路制造中的基本工藝技術(shù)橫向加工：圖形的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)移（又稱為光刻，包括曝光、顯影、刻蝕等）。 縱向加工：薄膜制備（蒸發(fā)、濺射、氧化、CVD等），摻雜（熱擴(kuò)散、離子注入、中子嬗變等）八、補(bǔ)充簡要說明工藝1-11、氧化劑擴(kuò)散穿過滯留層達(dá)到SiO2表面，其流密度為F1。2、氧化劑擴(kuò)散穿過SiO2層達(dá)到SiO2-S界面，流密度為F2。3、氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2 ,流密度為F3。4、反應(yīng)的副產(chǎn)物離開界面。二十三、CVD的薄膜及技術(shù)分類化學(xué)氣相淀積（Chemical Vapor Dep

5、osition是指單獨地或綜合的利用熱 能、輝光放電等離子體、紫外光照射、激光照射或其它形式的能源， 使氣態(tài)物質(zhì)在固體的熱表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在該表面上淀積，形成穩(wěn)定的固態(tài) 物質(zhì)的工藝過程 二十四、CVD薄膜分類：半導(dǎo)體集成 電路制造中所用的薄膜材料，包括介質(zhì)膜、半導(dǎo)體膜、導(dǎo)體膜以及超導(dǎo)膜等，幾乎都能用CVD工藝來制備九、擴(kuò)散定義：擴(kuò)散是將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入到硅片 或其它晶體中，以改介質(zhì)膜：SiO2、AI203半導(dǎo)體：S、Ge 導(dǎo) 體：Al、Au、超導(dǎo)體：Nb3Sn NbN、變其電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況都滿足要求 CVD技術(shù)分類：常壓CVD APCVD 低壓CVD LP

6、CVD等離子體增強(qiáng) CVD PECV、光-CVDdN(x,t)電學(xué)特性：N型，P型PCVDJ(x,t)?D十、費克第一定律：dx含義:在一維情況下，單位時間內(nèi)垂直擴(kuò)散二十五、VLS對圖形轉(zhuǎn)移的要求：通過單位面積的粒子數(shù)一一即擴(kuò)散粒子流密度 J( x, t與粒子的濃度梯度成 正比 式中負(fù)號表示擴(kuò)散是由高濃度處向低濃度處進(jìn)行；比例常數(shù)D是粒子的擴(kuò)散系數(shù)(取 決于粒子本身的性質(zhì)和擴(kuò)散條件)；D的大小 直接表征著該種粒子擴(kuò)散的快慢。發(fā)生擴(kuò) 散的必要條件是擴(kuò)散的粒 子具有濃度梯度.對于半導(dǎo)體中雜質(zhì)原子的擴(kuò)散，大量 事實證明，擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T (K)之間有如下指數(shù)關(guān)系：D = ”e E/kT 十一、雜質(zhì)

7、原子擴(kuò)散到半導(dǎo)體中的方式有兩種擴(kuò)： 間隙式， 替位式2式中假定D十二、擴(kuò)散方程(費克第二定律)？N ( x , t )? N(x,t)?D為常數(shù)，與雜質(zhì)濃 刻蝕轉(zhuǎn)移圖形的三種常見情況?t?x度N( x, t )無關(guān)，x和t分別表示位置和擴(kuò)散時間。針對不 同邊界條件求出方程（2-8） 1、圖形轉(zhuǎn)移的保真度要高，設(shè)縱向刻 蝕速率為vv,橫向刻蝕速率為vl?？涛g的各的解，可得出雜質(zhì)濃度 N的分布，即N與x和t的關(guān)系。向異性表示為：十三、半導(dǎo)體中雜質(zhì)原子擴(kuò)散的濃度分布：恒定表面濃度的擴(kuò)散特點：在整個擴(kuò)散（7.1）過程中，雜質(zhì)不斷進(jìn)入硅中，而表面雜質(zhì)濃度始終保持不變。邊界條件 1： N（ 0, t）=

8、Ns（2-9）（7.2）假定雜質(zhì)在硅片內(nèi)要擴(kuò)散的深度遠(yuǎn)小于硅片的厚度，則（1）若vl = 0，A = 0,表明刻蝕僅沿深度方向進(jìn)行，圖形轉(zhuǎn)移中失真畸變最小，即各邊界條件2： N （乂, t） = 0（2-10）向異性，如圖7.1（a）;在擴(kuò)散開始時，除了硅片表面與雜質(zhì)源相接觸，其濃度為Ns夕卜， 硅片內(nèi)沒有（2）若vv二vl, A = 1,表示不同方向刻蝕特性相同，圖形轉(zhuǎn)移中失真畸變最大，即各雜質(zhì)擴(kuò)進(jìn)，因而初始條件為： N（x, 0） =0x & gt; 0（2-11）向同性；x由上述邊界條件與初始條件可求出擴(kuò)散方程（2-7）的解,即恒定表面源擴(kuò)散（3）通常vv ? vl, 1 &am

9、p;gt;A>0,如圖7.1（b）、（c）, 刻蝕同時在縱向、橫向進(jìn)行?22Dt?2?x各向異性是圖形轉(zhuǎn)移中保真程度的反映的雜質(zhì)分布情況：？N（x,t）?Ned?NSefc?S?1?0 ?2Dt?2、選擇比大（即被刻蝕材料與掩蔽材料的刻蝕速率比盡可能大）？3、均勻性好 上式中：Ns代表表面雜質(zhì)恒定濃度（原子/cm3）, D代表擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）, x是由表大面積硅片上生長的薄膜厚度的不均勻和各個部位刻蝕速率的不均勻?qū)?dǎo)致面算起的垂直距離（cm）, t代表擴(kuò)散時間（s） , erfc表示余誤差函數(shù)?？涛g圖形轉(zhuǎn)移的不均勻性?圓筒型?等離子腐蝕?平行平板電極型干法刻蝕？反應(yīng)離子腐蝕

10、 ？離子束腐蝕 腐蝕方法：（1自由基 或自由基+活性離子（2）反應(yīng)離子 腐蝕 反應(yīng)物3離子束腐蝕 反應(yīng) 物 非活性離子 恒定表面源擴(kuò)散（圖2.1）的主要特點如下：二十七、 平行平板型反應(yīng)器（1）表面雜質(zhì)濃度Ns由該雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下（900 C 1200C ）的固溶度決定，該結(jié)構(gòu)特點：（1） 上下電極彼此平行，間距25cm,電場均勻地分布在平行在恒定擴(kuò)散溫度 下，表面雜質(zhì)濃度維持不變。極板之間，電場中的離子垂直硅片表面作定向運動，使腐蝕具有各向異性的特點；（2）（2）擴(kuò)散時間越長，擴(kuò)散溫度越高，擴(kuò)散進(jìn)硅片內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量越多。具有腐蝕速率高，選擇性好，設(shè)備簡單，成本低等特點。（3）擴(kuò)散時間越長，溫度

11、越高，擴(kuò)散深度越大2通過表面的原子流密度為：？x/4Dtsx?0x?0s 式子含義：J （0 , t）越大，則意味著擴(kuò)散越快。（1） 隨著擴(kuò)散時間的推移，擴(kuò)散速度 將越來越慢，原因在于開始時雜質(zhì) 濃度梯度較大而后來濃度逐漸變??；（2）表面濃度Ns越大，擴(kuò)散越 快，因為Ns的增大將使?jié)舛忍荻忍岣撸唬?）提高擴(kuò)散溫度，擴(kuò)散系 數(shù)增加，因而擴(kuò)散速度也增大。有限表面源擴(kuò)散擴(kuò)散開始時，表面放入一定量的雜質(zhì)等離子腐蝕性能：腐蝕速率， 腐蝕均勻性，負(fù)載效應(yīng)源，而在以后的擴(kuò)散過程中不再有雜質(zhì)加入， 此種擴(kuò)散稱為有限源擴(kuò)散。二十八、反應(yīng)離子刻蝕RIE刻蝕裝置： 有限源擴(kuò)散的特點如下：（1）雜質(zhì)分布：由圖可見，擴(kuò)

12、散時間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散得越深，表面濃度越低；擴(kuò)散時間相同時，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散得也越深，表面濃度下降得越多；（2）在整個擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)總量 Q保持不變。圖中各條曲線下面所包 圍的面 積即雜質(zhì)的數(shù)量，且相等；（3）表面雜質(zhì)濃度可控 兩步擴(kuò)散：第一步稱為預(yù)擴(kuò)散或預(yù)淀積，第二步稱為主擴(kuò)散或再分布 十四、電場效應(yīng)：在高溫擴(kuò)散下，摻入到硅中的雜質(zhì)一般處于電離狀態(tài)，離化的施 主和電子，或離化的受主與空穴將同時向低濃度區(qū) 擴(kuò)散。因電子或空穴的運動速度比 離化雜質(zhì)快得多，因而在硅中將 產(chǎn)生空間電荷區(qū)，建立一個自建場，使離化雜質(zhì)產(chǎn)生特點（1）化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)相結(jié)合，產(chǎn)生各向異性腐蝕，刻蝕效果好；（2） 個

13、與擴(kuò)散方向相同的漂移運動，從而加速了雜質(zhì)的擴(kuò)散。RIE的反應(yīng) 氣壓極低發(fā)射區(qū)推進(jìn)效應(yīng)： 在NPN窄基區(qū)晶體管中，若基區(qū)和發(fā)射區(qū)分 別擴(kuò)散B、P,則發(fā)射二十九、金屬化工藝的作用：金屬化系統(tǒng)和金 屬化工藝的優(yōu)劣將影響整個電路的電特區(qū)正下方的內(nèi)基區(qū)要比外基區(qū)深，該現(xiàn)象稱為發(fā)射區(qū)陷落效應(yīng)。為避免此現(xiàn)象發(fā)生，性和可靠性。 為提高電路速度與集成度，應(yīng)可能縮短互連線，采用多層金屬化系統(tǒng)。 發(fā)射區(qū)應(yīng)采用As擴(kuò)散，或采用多晶硅發(fā)射極 三十、金屬-半導(dǎo)體接 觸：肖特基接觸，當(dāng)金屬的功函數(shù)?M大于N型半導(dǎo)體的功十五、雜質(zhì)擴(kuò)散方法很多，按所用雜質(zhì)源的形式來分，可有固態(tài)源擴(kuò)散、液 態(tài)源擴(kuò)散、函數(shù)？SN或小于P型半導(dǎo)體的

14、功函數(shù)？SP時，兩者接觸為 肖特基接觸，即整流接觸氣態(tài)源擴(kuò)散；按所用擴(kuò)散系統(tǒng)的形式來分， 有開管式擴(kuò)散、閉管式擴(kuò)散以及箱法擴(kuò)散。（具有單向?qū)щ娦裕?；歐姆接觸 流過金屬-半導(dǎo)體接觸區(qū)的電流隨電壓成正比關(guān)系， 近雜質(zhì)的 擴(kuò)散主要有：硼擴(kuò)散，磷擴(kuò)散，砷擴(kuò)散，銻擴(kuò)散。似服從歐姆定律。 其主要特點是：引線孔處接觸電阻上的電壓降與硅體內(nèi)的電壓降相十 六、結(jié)深的測量：測量結(jié)深的方法主要有磨角法、磨槽法和光干涉法。 具體看PPT比可忽略形成歐姆接觸的措施：（1）半導(dǎo)體高摻雜； 工藝2, 3（2）適當(dāng)選取金屬電極（如 Pt、Ti等），使得與半導(dǎo)體接觸的勢壘較低。十七、§ 3.1離子注入設(shè)備 三十一、蒸

15、發(fā)工藝流程（蒸鋁膜）1、離子源：用于離化雜質(zhì)的容器， 有陰陽兩個電極，陰極接地，陽極接高壓（約 1000V）。（ a）掛鋁絲（99.99%屯度）并放置硅在襯底加熱器上，轉(zhuǎn)動活動擋板，使之位 于蒸常用的雜質(zhì)源為PH3、B2H3、BF2、AsH3等。2、質(zhì)量分析 器：由相互垂直的電場發(fā)源與硅片之間， 蓋好鐘罩；（b）抽真空：開動機(jī)械泵，打開低真空閥，待真空度和磁場組成。不同離子的質(zhì)量 不同，則在分析器中偏轉(zhuǎn)的角度不同，由此可分離出所高于1.3Pa后，轉(zhuǎn)到擴(kuò)散泵抽高真空；（c）硅片加熱：當(dāng)真空度抽到 6.7?10-3Pa后, 需的雜質(zhì)離子，且離子束很純。3、加速器：為高壓靜電場，用來對離子束加速。該

16、開始加溫。使襯底溫度升到400C，恒溫數(shù)分鐘以除去硅片表面吸附的污物，然后降溫；加速能量是決定離子注入深度的一個重要參量。4、中性束偏移器：利用偏移電極和（d）蒸發(fā)： 襯底溫度降至150C且真空度達(dá)到6.7?10-3Pa以上，逐步加熱蒸發(fā)源 使偏移角度使中性原子分離出去。5、聚焦系統(tǒng)：用來將加速后的離子聚集成直徑為數(shù)之熔化后附在鎢絲上，先使鋁中高蒸汽壓雜質(zhì)揮發(fā) 掉（提高鋁的純度），然后迅速增大毫米的離子束。6、偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)：用來實現(xiàn)離子束在X、丫方向的一定面積內(nèi)進(jìn)行掃加熱電流到一 定值，打開擋板，蒸發(fā)鋁到硅片上。蒸發(fā)完畢轉(zhuǎn)回?fù)醢?，并停止蒸發(fā) 源描。7、工作室：放置樣品的地方，其位置可調(diào)。加熱；

17、（e）取片：待硅片溫度降至150C以下，關(guān)閉高真空閥，關(guān)閉擴(kuò)散泵電源， 對真 空室放氣，打開鐘罩，取出硅片。 三十二、金屬化互連線系 統(tǒng)分為兩大類：（1）鋁為主的金屬化系統(tǒng)（2）以金為主的金屬化 互連?J（O,t）?D?N（x,t）?xDNDte?ND?t互連線在接觸孔處的縱向結(jié)構(gòu)電遷移現(xiàn)象：導(dǎo)電材料的質(zhì)量輸運現(xiàn)象，是由在外加電場影響下 導(dǎo)體內(nèi)運動的電子，將其動能傳給正金屬離子所引起的三十三、鈍化膜及介質(zhì)膜可分為無機(jī)玻璃及有機(jī)高分子兩大類：氧化物 SiO2 , AI2O3 TiO2 , ZrO2 Fe2O3 ,SixOy （SIP無S）機(jī) 硅酸鹽 PSG , BSG , BPSG玻氮化物 Si

18、3N4 , SixNyH , BN AIN , GaN璃氫化物Si:H有合成樹脂聚酰亞胺類，聚硅氧烷類機(jī)合成橡膠硅酮橡膠高三十四、SiO2膜在半導(dǎo)體器件中的主要用途1、SiO2膜用作選擇擴(kuò)散掩膜利用SiO2對磷、硼、砷等雜質(zhì)較強(qiáng)的掩蔽能力，通過在硅上的 二氧化硅層窗口區(qū)向硅中擴(kuò)散雜質(zhì)，可形成PN結(jié)。2、SiO2膜用作器件表面保護(hù)層和鈍化層（1）熱生長SiO2電阻率在1015?.cm以上，介電強(qiáng)度不低于5?106V/cm,具有良好的絕緣性能，作表面一次鈍化；（2）芯片金屬布線完成后，用CVD-SQ2乍器件的二次鈍化，其 工藝溫度不能超過布線金屬與硅的合金溫度。3、作器件中的絕緣介質(zhì)（隔離、絕緣柵

19、、多層布線絕緣、電容 介質(zhì)等）4、離子注入中用作掩蔽層及緩沖介質(zhì)層三十五、鈍化膜結(jié)構(gòu) 雙層結(jié)構(gòu)1、SQ2-PSG吉構(gòu)2、SiO2-Si3N4 結(jié)構(gòu)3、SQ2-AI2O3結(jié)構(gòu)三十六、隔離方法：1、反向PN結(jié)進(jìn)行隔離；2、采用氧化物（SiO2）進(jìn)行隔離。由圖寫出哪里是反向PN結(jié)進(jìn)行隔離，哪里是采用氧化物（SiO2） 進(jìn)行隔離。 二極管的結(jié)構(gòu)圖（最后一個）：三十七、寄生MOS管的形成：MOS管可以利用自身的PN結(jié)實 現(xiàn)電學(xué)隔離。但如果在兩個 MOS管之間有一金屬導(dǎo)線通過，那就會 形成一寄生MOS管解決措施：在各MOS管之間設(shè)法生長出一比較厚的二氧化硅層， 使它們在橫向上完全隔離。這一較厚氧化層的存在，使寄生MOS管的 值電壓升高了。寄生MOS管的 值電壓可以設(shè)計成高于電路中的 電源電壓，由于通常電路中金屬導(dǎo)線上的電壓不會大于電源電壓，所以此寄生MOS管就永遠(yuǎn)處于關(guān)閉狀態(tài)，因而起到橫向隔離作用三十八、缺陷分類：1、按照危害性分類：致命缺陷，非致命缺 陷；缺陷控制的重點是減少致命缺陷。2、按照缺陷的形態(tài)分類：根 據(jù)其具體形態(tài)，可分為很多種類，比如微塵、殘