集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用

1、集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用集成電路制造程序第3章 集成電路基本制造技術(shù)測 試 切 割 刻 蝕 光 刻掩膜制造摻 雜 封 裝 硅片集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用分單晶硅、多晶硅和非晶硅。單晶硅具有優(yōu)良的物理性質(zhì)，其機械穩(wěn)定性能良好，滯后和蠕變極小，質(zhì)量輕，密度小。力學(xué)性能好，具有高的強度密度比和高的剛度密度比。表3.1 各向異性：硅屬于立方晶體結(jié)構(gòu)。硅單晶在晶面上的原子密度是以（111）（110）（100）的次序遞減，因此擴散速度是以（111）（110）（100）方向遞增.腐蝕速度也是以（111）（110）600SiH4 = Si + 2H2 集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用水平（臥式）外延反應(yīng)器示意圖 集成電

2、路基本制造技術(shù)應(yīng)用3.3 氧化技術(shù)3.3.1 二氧化硅膜的結(jié)構(gòu) 氧化工藝是集成電路制造中的基本工藝。為滿足集成電路制造的要求，出現(xiàn)了制備二氧化硅膜的多種方法。 熱氧化工藝生長的二氧化硅薄膜具有無定形玻璃狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的基本單元是一個由SiO原子組成的正四面體，集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 不同方法制備的二氧化硅膜的物理性質(zhì)有所不同如密度、折射率、電阻率、介電常數(shù)、介電強度等 二氧化硅膜的化學(xué)性質(zhì)：有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，不溶于水，除氫氟酸外，其他酸與其不起作用，可以被HF所腐蝕，二氧化硅膜的絕緣性能。SiSiO2的界面特性 在此界面上與存在著二氧化硅層中的可動離子電荷，所以控制SiSiO2中的電荷數(shù)

3、目及漂移是關(guān)注的問題之一。3.3.2. 二氧化硅膜的性質(zhì)3.3.3. 熱氧化工藝 在半導(dǎo)體生產(chǎn)中，普遍采用干氧一濕氧一干氧交替的氧化方法。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 摻雜是人為的方法.將所需雜質(zhì)按要求的濃度與分布摻入到材料中,以達(dá)到改變材料的電學(xué)性質(zhì),形成半導(dǎo)體器件的目的。利用摻雜技術(shù)可以制備pn結(jié)，電阻器、歐姆接觸和互連線等。 摻雜技術(shù)在集成電路制造中主要采用擴散法與離子注入法。應(yīng)根據(jù)實際需要，選擇合適的摻雜方法。3.4 摻雜技術(shù)集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用擴散原理 擴散運動是微現(xiàn)粒子熱運動的統(tǒng)計結(jié)果.在一定溫度下雜質(zhì)原子具有一定的能量,能夠克服 某種阻力進(jìn)入半導(dǎo)體,并在其中緩慢的遷物運動.這些雜

4、質(zhì)原子不是代替硅原子的位置,而是處在晶體的間隙中,因此擴散有替位式擴散和間隙式擴散兩種方式。擴散運動總是從濃度高的地方向濃度低的地方移動,宏觀上看,好象有一個力使原子沿著濃度下降的方向運動,運動的快慢與溫度,濃度梯度有關(guān)。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用擴散方法 在氣固擴散中包含液態(tài)源擴散。粉狀源擴散，氣狀源擴散；固一固擴散包含乳膠源擴散、CVD摻雜二氧化硅源擴散。 3.4.2 離子注入技術(shù) 將待摻雜的原子（或分子）電離，再加速到一定能量使之注入到晶體片，然后經(jīng)過退火使雜質(zhì)激活，達(dá)到摻雜的目的，稱為離子注入技術(shù)。由于離子注入摻雜有很好的可控性和靈活性，使它成為一種重要的，不可缺少的摻雜工藝。集成電路基

5、本制造技術(shù)應(yīng)用3.化學(xué)氣相淀積 化學(xué)氣相淀積（chemical vapour desition簡稱為CVD）是使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)。 已發(fā)展多種實用的CVD技術(shù)。按淀積溫度可分為低溫（200-500），中溫（500-1000），高溫（1000-1200）三種；按反應(yīng)壓力分為常壓與低壓；按反應(yīng)壁溫度可分為熱壁與冷壁兩類，按反應(yīng)激活方式可分為熱激活、等離子體激活，光激活等。目前最常用的是常壓冷壁、低壓熱壁、等離子激活等三種淀積方法。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 淀積二氧化硅分摻雜與不摻雜兩種。不摻雜二氧化硅可用作離子注入或擴散的

6、掩模、防止固態(tài)摻雜源內(nèi)雜質(zhì)外擴散的覆蓋層、以及MOS電路場氧化層的增厚層。摻磷二氧化硅用作金屬層間絕緣材料、器件表面的最后鈍化層及有害雜質(zhì)的吸除層。摻有磷、砷、硼的二氧化硅有時作固-固擴散源使用。3.5.2 二氧化硅集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 氮化硅在集成電路制造中用作鈍化膜，局部氧比膜，擴散掩膜、絕緣介質(zhì)膜，以及雜質(zhì)或缺陷的萃取膜使用。氮化硅重要的性質(zhì)是對水、氧、鈉、鋁、鎵、銦都具有極強的擴散阻擋能力，因此它是一種較理想的鈍化材料。 CVD氮化硅的結(jié)構(gòu)是以900為界，淀積溫度超過900時，薄膜開始晶化。低于900時，基本上為非晶態(tài)，非晶態(tài)氮化硅與晶態(tài)氮化硅相比，雖然密度較小，硬度較低，腐蝕速率

7、較快，但薄膜的連續(xù)性好，針孔少，阻擋雜質(zhì)擴散的能力更強，適于集成電路制造的要求。氮化硅集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 折射率與蝕速是衡量氮化硅質(zhì)量的兩個常用參量。薄膜富硅時，折射率增加，薄膜含氧時折射率下降。含氧過多會損害薄膜對雜質(zhì)的阻擋作用。 CVD氮化硅膜具有極大的張應(yīng)力，可達(dá)到1109Pa，因而膜厚超過200nm時有可能發(fā)生龜裂。淀積前襯底表面的顆粒雜質(zhì)含導(dǎo)致膜的應(yīng)力集中現(xiàn)象 。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用.氮化硅的制備 氮化硅有晶態(tài)與非晶態(tài)兩種結(jié)構(gòu)，作為器件使用的氮化硅應(yīng)當(dāng)是非晶態(tài)的。氮化硅的制備方法很多，有熱生長法、反應(yīng)濺射法、蒸發(fā)法、CVD法等等。但在器件生產(chǎn)中主要采用CVD法。此時常利用下

8、述反應(yīng)進(jìn)行淀積： （700-900） 3 SiN4 + 4NH3 Si3N4+12H2 .多晶硅 集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 薄膜層的物理生長方法（Physical Vapo Doposition ,PVD） 物理氣相淀積是通過能量或動量使被淀積的原子（也可能是分子團）逸出，經(jīng)過一段空間飛行后落到襯底上而淀積成薄膜的方法。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用采用玻璃基板的掩模制作步驟3.6 掩模制造 集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 上述各道工藝又可分為乳膠工藝和硬面工藝兩類。選擇光刻掩模制作工藝的原則，特別是在制作超大規(guī)模集成電路情況下，應(yīng)該選擇的是掩模的制作周期短、成本低和質(zhì)量高。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 硬面

9、板（）是在玻璃基板上蒸發(fā)或濺射一層幾十到幾百納米厚的金屬或金屬氧化物，然后在其上用光刻膠作為感光層?，F(xiàn)在一般使用鉻、氧化鉻和氧化鐵板等。由于鉻層在曝光時對光的反射太強，因而降低了光刻膠的分辨率，所以一般在鉻層表面再蒸發(fā)一層反射率低的氧化鉻，組成兩層結(jié)構(gòu)。用這樣的可實現(xiàn)1m圖形的光刻。 一般認(rèn)為中氧化鐵板是較理想的掩?；摹Ｋ冉鉀Q了乳膠板的不耐用問題，又解決了鉻板的不透明和針孔多的問題。而且氧化鐵板在光學(xué)特性、致密度等多方面都優(yōu)于鉻板。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 光刻工藝是一種圖象復(fù)印同刻蝕(化學(xué)的、物理的、或兩者兼而有之)相結(jié)合的綜合性技術(shù)。它先用照相復(fù)印的方法，將光刻掩模的圖形精確地復(fù)印到涂

10、在待刻蝕材料（二氧化硅、鋁、多晶硅等薄層）表面的光致抗蝕劑（亦稱光刻膠）上面，然后在抗蝕劑的保護(hù)下對待刻材料進(jìn)行選擇性刻蝕，從而在待刻蝕材料上得到所需要的圖形。 3.7 光刻工藝 集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 在光刻工藝中使用的光刻膠有兩大類：一類叫負(fù)性光刻膠，其未感光部分能被適當(dāng)?shù)娜軇┤艹?，而感光的部分則留下，所得的圖形與光刻掩模圖形相反；另一類叫正性光刻膠，其感光部分能被適當(dāng)?shù)娜軇┤艹粝挛锤泄獾牟糠?，所得的圖形與光刻掩模圖形相同。采用負(fù)性光刻膠制作圖形是一種人們熟知而且容易控制的工藝。其涂層對環(huán)境因素不那么靈敏，且具有很高的感光速度，極好的粘附性和搞蝕能力，成本低，適用于工業(yè)化大生產(chǎn)。目前

11、刻蝕5m左右線條主要使用負(fù)性光刻膠。負(fù)性光刻膠的主要缺點是分辨率較低，不適于細(xì)線條光刻。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 表面處理 涂膠 前烘 曝光 顯影 后烘 腐蝕 除膠集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 光刻膠的性能指標(biāo)有感光度、分辨率、粘附性、抗蝕性、針孔密度、留膜率、穩(wěn)定性等。根據(jù)待加工材料的性質(zhì)，加工圖形的線寬及精度要求，曝光方式、腐蝕方法等正確選用光刻膠。(1)感光度感光度是表征光刻膠對光線敏感程度的性能指標(biāo)。它既與光刻膠本身的性質(zhì)有關(guān)，又與具體的光刻工藝條件有關(guān) 3.7.2 光刻膠的主要性能集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用（2）分辨率分辨率是光刻膠的又一項重要性能指標(biāo)，它是指用某種光刻膠光刻時所能得到的光

12、刻圖形的最小尺寸。分辨率通常以每毫米內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線條數(shù)目來表示。 （3）粘附性 （4）抗蝕性濕法刻蝕二氧化硅或金屬時，要求光刻膠本身能較長時間經(jīng)受住酸、堿的浸蝕；干法刻蝕時，要求光刻膠能較長時間經(jīng)受住等離子體的作用。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用（5）針孔密度 單位面積上的針孔數(shù)稱為針孔密度。光刻膠膜上的針孔在腐蝕過程中會傳遞到襯底上去，危害極大。 （6）留膜率 留膜率是指曝光顯影后的非溶性膠膜厚度與曝光前膠膜厚度之比。留膜率除與光刻膠本身的性質(zhì)有關(guān)外，還受光刻工藝條件的影響。如膠膜厚度、前烘溫度、曝光氣氛、曝光量、顯影液成分等集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用在硅片上制作器件或電路時，為進(jìn)行定域摻

13、雜與互連等，需要進(jìn)行多次光刻，各次光刻的工藝條件略有差異，但一般都要經(jīng)過涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、刻蝕和去膠7個步驟。3.7.3.1 襯底材料對光刻工藝的影響襯底材料的表面清潔度，表面性質(zhì)和平面度對光刻質(zhì)量均有影響。3.7.3 光刻工藝 集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用3.7.3.2 增粘處理二氧化硅是主要的刻蝕對象。由于光刻膠與襯底之間的粘附力大小對光刻質(zhì)量有極大影響，所以改善二氧化硅表面性質(zhì)的處理方法，會提高粘附力 3.7.3.3 涂膠 涂膠就是將光刻膠均勻地涂敷在硅片的表面，其質(zhì)量要求：膜厚符合設(shè)計要求，膜厚均勻，膠面上看不到干涉花紋。負(fù)膠的片內(nèi)膜厚誤差應(yīng)小于5%，正膠應(yīng)小于2%；膠層內(nèi)無點

14、缺陷；涂層表面沒有塵埃碎屑。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用3.7.3.5 對位與曝光 對位與曝光是光刻工藝中最關(guān)鍵的工序，它直接關(guān)系到光刻的分辨率、留膜率、條寬控制和套準(zhǔn)精度。曝光的目的是用盡可能短的時間使光刻膠充分感光，在顯影后得到盡可能高的留膜率，近似于垂直的光刻膠側(cè)壁和可控的條寬。 一般情況下，正膠和負(fù)膠顯影后的側(cè)壁形狀都是梯形，正膠的側(cè)壁較負(fù)膠的側(cè)壁要陡直得多。曝光時間越長，光的衍射效應(yīng)對光刻膠側(cè)壁的影響越嚴(yán)重。除了曝光量以外，光刻膠的膜厚，襯底的反射，膠膜和掩模之間的間距，以及顯影條件等因素都會影響條寬變化量。 集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用顯影 顯影是用溶濟除去未曝光部分（負(fù)膠）或曝光部分（正

15、膠）的光刻膠，在硅片上形成所需的光刻膠圖形。 影響顯影質(zhì)量的因素 顯影液與分辨率對于負(fù)膠細(xì)線條（5m）光刻來說，顯影時光刻膠的膨脹是影響成象分辨率和線寬的主要原因。與負(fù)膠相比正膠顯影液是含水的堿性溶液。它對光刻膠的滲透作用較小。未曝光部分的光刻膠不發(fā)生化學(xué)變化，表面仍呈疏水性。顯影液對它的作用很小，因此正膠顯影不存在光刻膠的膨脹問題，使正膠的分辨率可以做得很高。因此正膠廣泛用微細(xì)加工。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用3.7.3.7 后烘 后烘的目的是去除顯影后膠層內(nèi)殘留的熔液，充分的后烘可提高光刻膠的粘附力和抗蝕性。后烘又稱堅膜。在一些特殊場合，高溫后烘時產(chǎn)生的塑性流動還可以封閉膠層的微小針孔，或者減

16、小襯底的側(cè)向腐蝕。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用3.7.3.8 濕法腐蝕 腐蝕是為了去除顯影扣裸露出來的介質(zhì)層。覆蓋在硅片上的介質(zhì)主要有下面幾種，SiO2、Si3N4等絕緣膜，多晶硅等半導(dǎo)體膜以及Al等金屬膜。 光刻過程的腐蝕，一般應(yīng)考慮以下六個問題：腐蝕均勻性；腐蝕方向性；腐蝕選擇性；腐蝕速度；公害和安全措施；經(jīng)濟性。其中最重要的問題是腐蝕方向性與腐蝕選擇性。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用A二氧化硅的腐蝕二氧化硅是IC制造中使用最多的一種絕緣介質(zhì)，關(guān)于二氧化硅的濕化學(xué)腐蝕機理及NH4F對腐蝕的“緩沖”作用，許多書中都有敘述。B 氮化硅的腐蝕不含氧的純Si3N4稱為硬氮化硅，含氧與氫等的SiN4稱為軟氮化

17、硅，兩者蝕速不等，前者蝕速比后者小。氫氟酸對Si3N4的腐蝕比二氧化硅慢得多，而磷酸正好與之相反。因此，可以用熱磷酸去除硅和二氧化硅上的Si3N4層。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用C 多晶硅腐蝕 以往多晶硅多半用HF-HNO3-HAC（冰醋酸）的混合液進(jìn)行腐蝕，由于腐蝕終點難于控制，腐蝕質(zhì)量不佳，現(xiàn)已基本上采用干法腐蝕。D.鋁腐蝕 鋁腐蝕液的種類較多，但使用效果最好的是由磷酸、硝酸、冰醋酸與水組成的混合腐蝕液。 E.鈍化膜腐蝕 IC芯片的鈍化普遍采用CVD生長的磷硅玻璃（PSG）。由于鈍化腐蝕必然要接觸鋁表面，因此應(yīng)盡量減少腐蝕液對鋁膜的腐蝕與氧化作用。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用干法腐蝕 法腐蝕具有分

18、辨率高、各向異性，腐蝕能力強，不同材料的腐蝕選擇比大，腐蝕均勻性重復(fù)性好，以及易于實現(xiàn)連續(xù)自動操作等優(yōu)點，干法腐蝕已成為超大規(guī)模集成電路制造的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕技術(shù)。（1）等離子體腐蝕 等離子體腐蝕是依靠高頻輝光放電形成的化學(xué)活性游離基與被腐蝕材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一種選擇性腐蝕方法。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用3.7.3.10 去膠 當(dāng)二氧化硅或鋁等待刻蝕材料腐蝕完畢后，起刻蝕掩蔽作用的光刻膠，就必須去除干凈。去膠后硅片表面無殘膠，殘跡，去膠工藝可靠，不損傷下層的襯底表面。去膠的方法很多，目前采用濕法去膠，去膠液是有機或無機試劑，具體的去膠液應(yīng)根據(jù)不同的襯底材料和工藝要求選用。如二氧化硅、氮化硅、多晶硅等襯底材料一般用硫酸中添加過氧化氫，去膠效果好，去膠液可反復(fù)多次使用。金屬襯底去膠需用專門的有機類去膠劑。集成電路基本制造技術(shù)應(yīng)用 在集成電路制造過程中