集成電路工藝

1、 王武漢 2012-12-20主要內容 1、電路和集成電路 2、半導體材料及其特性 3、半導體芯片制作 4、半導體芯片制作工藝 A 氧化、擴散 B 光刻 C 金屬化（布線） D 鈍化1、電路和集成電路電路：由金屬導線和電子部件組成的導電回路，稱其為電路。1、電路和集成電路集成電路：是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，成為具有所需電路功能的微型結構；2、半導體材料及其特性 導體:容易導電的物體，叫導體。如：各種金屬，酸堿 鹽的水溶液，大地，人體等。 絕緣體:不容易導電的物體，叫絕緣體。如：玻璃，陶瓷，橡膠，塑料等。 半

2、導體電導率介于金屬與絕緣體之間的材料，叫半導體。2、半導體材料及其特性 純度很高的半導體材料稱為本征半導體，常溫下其電阻率很高，是電的不良導體。 半導體材料的導電性對某些微量雜質極敏感，可以通過摻雜改變其導電性。 雜質半導體靠導帶電子導電的稱N型半導體，靠價帶空穴導電的稱P型半導體。 N型半導體和P型半導體結合形成PN結。2、半導體材料及其特性 PN結具有單向導電性，若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。 3、半導體芯片制作利用半導體材料的特性，采用選擇性摻雜的方法，制作電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件，再布線互連一起，成為具有所需

3、功能的電路。9SiO2SiO2SiO2PNNNP光刻：形成擴散窗口擴散：形成P區(qū)SiO2氧化：形成SiO2薄膜薄膜（屏蔽）（屏蔽）光刻、擴散：形成n區(qū)二極管和三極管制作流程NNN10芯片加工芯片加工襯底硅片襯底硅片薄膜形成薄膜形成圖形形成圖形形成摻雜摻雜氧化光刻離子注入擴散金屬化金屬化芯片制造流程4、半導體芯片制作工藝 A 氧化、擴散 B 光刻 C 金屬化（布線） D 鈍化12A A 氧化氧化氧化工藝是半導體器件和集成電路制造中的最基本工藝。它的主要目的和用途是：雜質擴散或離子注入的掩蔽膜-選擇性擴散SiO213定義定義：所謂氧化是指所謂氧化是指SiSi原子與原子與O O原子結合形成原子結合形

4、成SiOSiO2 2的過程。為滿足半導體和集成電路生長的要的過程。為滿足半導體和集成電路生長的要求，出現(xiàn)了制備膜的多種方法。求，出現(xiàn)了制備膜的多種方法。 Si+O2SiO2 Si+H2OSiO2+2H2機理：機理：硅的熱氧化經過了以下幾個過程：硅的熱氧化經過了以下幾個過程：氧氣氧氣(O(O2 2) )或水或水(H(H2 2O)O)等氧化劑，被吸附在等氧化劑，被吸附在SiOSiO2 2表面；表面；( (擴散或吸附擴散或吸附) )氧化劑以擴散形式穿過氧化劑以擴散形式穿過SiOSiO2 2達到達到SiOSiO2 2-Si-Si界面界面( (擴散擴散) )氧化劑在界面處與氧化劑在界面處與SiSi反應形

5、成反應形成SiOSiO2 2( (反應反應) ) SiSiO2氣體氣體O O2 2或或H H2 2O O吸附吸附擴散擴散反應反應SiSiSiSiO2氧化前氧化前氧化后氧化后氧化膜刻氧化膜刻蝕蝕特點：特點：熱氧化膜生長時，并不是堆積在硅表熱氧化膜生長時，并不是堆積在硅表面，而且要面，而且要“吃掉吃掉”部分硅。這是熱部分硅。這是熱氧化工藝與氧化工藝與CVDCVD工藝的主要區(qū)別。工藝的主要區(qū)別。h 熱氧化的基本裝置經過過濾的空氣排氣口至排氣管石英罩熔凝石英管熔凝石英舟電阻加熱器氧化氣體O2或H2O+攜帶氣體硅片15A A 擴散（摻雜）技術擴散（摻雜）技術摻雜是指用人為的方法，將所需雜質按照要摻雜是指

6、用人為的方法，將所需雜質按照要求的濃度與分布摻入到半導體等材料中，以求的濃度與分布摻入到半導體等材料中，以達到改變材料電學性質，形成半導體器件的達到改變材料電學性質，形成半導體器件的目的。利用摻雜技術可以制備目的。利用摻雜技術可以制備p-np-n結、電阻器、結、電阻器、歐姆接觸和互連線等等。歐姆接觸和互連線等等。16離子注入：離子注入：離子注入是把摻雜原子離化。然后帶電離子被加速，以較高離子注入是把摻雜原子離化。然后帶電離子被加速，以較高的能量注入到半導體中。經高溫退火后，注入的離子活化引的能量注入到半導體中。經高溫退火后，注入的離子活化引起施主或受主的作用起施主或受主的作用( (使注入離子激

7、活即運動到晶格位置起到使注入離子激活即運動到晶格位置起到電活性摻雜作用電活性摻雜作用) )，并使材料恢復晶體狀態(tài)，并使材料恢復晶體狀態(tài)( (因為劑量很高時因為劑量很高時可以使硅單晶嚴重損傷以至于變成無定形硅可以使硅單晶嚴重損傷以至于變成無定形硅) )。 離子注入 離子注入是把具有一定能量的帶電粒子摻入到硅等襯底中。典型的離子能量是30300keV，典型的注入劑量是10111016離子數/cm2。 離子注入的主要優(yōu)點在于雜質摻入量可以更加精確控制并且重復性好，以及加工溫度比擴散工藝低。離子源磁分析器控制離子束的可變狹縫加速管垂直掃描器水平掃描器半導體片離子注入系統(tǒng)示意圖18擴散原理擴散原理擴散運

8、動是微觀粒子擴散運動是微觀粒子(原子或分子原子或分子)熱運動的統(tǒng)計結果。在一定溫度下雜質熱運動的統(tǒng)計結果。在一定溫度下雜質原子具有一定的能量，能夠克服某種阻力進入半導體，并在其中作緩慢的原子具有一定的能量，能夠克服某種阻力進入半導體，并在其中作緩慢的遷移運動。遷移運動。這些雜質原子不是代替硅原子的位置就是處在晶體的間隙中，因此擴散這些雜質原子不是代替硅原子的位置就是處在晶體的間隙中，因此擴散也就有替位式擴散和間隙式擴散兩種方式。也就有替位式擴散和間隙式擴散兩種方式。擴散運動總從濃度高的地方向濃度低的地方移動。擴散運動總從濃度高的地方向濃度低的地方移動。從宏觀上看，好象有一個力使原子沿著濃度下降

9、的方向運動，運動的快從宏觀上看，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、濃度梯度有關慢與溫度、濃度梯度有關。 TMX9000氫氧合成爐氫氧合成爐 NV10-160大束流離子注入機大束流離子注入機B B 光刻光刻概述概述1、光刻是一種表面加工技術；、光刻是一種表面加工技術；2、光刻是復印圖象和化學腐蝕相結合的綜合性技術；、光刻是復印圖象和化學腐蝕相結合的綜合性技術；1、涂膠、前烘：、涂膠、前烘：2、曝光：、曝光：3、顯影、堅膜：、顯影、堅膜：4、腐蝕：、腐蝕：5、去膠：、去膠：光刻工藝流程23光刻流程：光刻流程：1、涂膠(涂布)2、對準、曝光3、顯影(現(xiàn)像)(正膠為例)光源光

10、源透鏡透鏡透鏡透鏡光刻版光刻版光刻膠光刻膠硅片硅片光刻膠光刻膠硅片硅片SiO2光刻膠光刻膠硅片硅片SiO2光刻膠光刻膠硅片硅片SiO2掩模版掩模版涂膠設備光刻機C C 金屬化金屬化概述概述一、金屬化工藝的作用一、金屬化工藝的作用金屬化工藝是根據集成電路的設計要求，將各種晶體管、金屬化工藝是根據集成電路的設計要求，將各種晶體管、二極管、電阻、電容等元器件用金屬薄膜線條（互連線）連接二極管、電阻、電容等元器件用金屬薄膜線條（互連線）連接起來，形成一個完整的電路與系統(tǒng)，并提供與電源等外電路相起來，形成一個完整的電路與系統(tǒng)，并提供與電源等外電路相連接的接點。連接的接點。金屬化系統(tǒng)和金屬化工藝的優(yōu)劣將影

11、響整個電路的電特性金屬化系統(tǒng)和金屬化工藝的優(yōu)劣將影響整個電路的電特性和可靠性。為提高電路速度與集成度，應盡可能縮短互連線，和可靠性。為提高電路速度與集成度，應盡可能縮短互連線，或采用多層金屬化系統(tǒng)?；虿捎枚鄬咏饘倩到y(tǒng)。對金屬化系統(tǒng)的要求對金屬化系統(tǒng)的要求1、電導率高，能提供低阻的互連引線；、電導率高，能提供低阻的互連引線；2、與、與N+硅、硅、P+硅或高摻雜多晶硅能形成低阻的歐姆接觸；硅或高摻雜多晶硅能形成低阻的歐姆接觸；3、與硅、與硅、SiO2的粘附能力強；的粘附能力強；4、抗電遷移能力強；、抗電遷移能力強；5、抗電化學腐蝕能力強；、抗電化學腐蝕能力強；6、易于淀積和刻蝕；、易于淀積和刻蝕

12、；7、便于超聲或熱壓鍵合，且鍵合點能經受長期工作；、便于超聲或熱壓鍵合，且鍵合點能經受長期工作；8、多層互連時，層與層之間不互相滲透和擴散。、多層互連時，層與層之間不互相滲透和擴散。 符合上述要求的最佳金屬材料是鋁（符合上述要求的最佳金屬材料是鋁（Al）。）。缺點主要缺點主要電遷移問題；電遷移問題；硅在鋁中擴散以引起鋁在硅在鋁中擴散以引起鋁在Al/Si界面向硅中楔進和耐腐蝕界面向硅中楔進和耐腐蝕性等問題。性等問題。解決辦法：采取解決辦法：采取Al-Si、Al-Si-Cu合金；合金；Pt-Si、Pb-Si;TiW、TiN等。等。三、金屬化互連系統(tǒng)中的失效及改進措施三、金屬化互連系統(tǒng)中的失效及改進

13、措施1、鋁尖楔現(xiàn)象（結穿刺現(xiàn)象）、鋁尖楔現(xiàn)象（結穿刺現(xiàn)象）這是由于硅溶解到鋁中，特別是在幾個點上大量溶解形成的。這是由于硅溶解到鋁中，特別是在幾個點上大量溶解形成的。它使鋁像尖釘一樣刺入硅中，造成它使鋁像尖釘一樣刺入硅中，造成PN結的短路失效。結的短路失效?；ミB線在接觸孔處的縱向結構互連線在接觸孔處的縱向結構硅集成電路的金屬化系統(tǒng)硅集成電路的金屬化系統(tǒng)金屬化互連技術金屬化互連技術金屬化系統(tǒng)金屬化系統(tǒng) 金屬化互連線分為兩大類：金屬化互連線分為兩大類： (1) (1) 以鋁為主的金屬化系統(tǒng)，可以不加接觸層、粘附層和以鋁為主的金屬化系統(tǒng)，可以不加接觸層、粘附層和阻擋層等，工藝簡單，容易與鋁絲鍵合，產

14、品價格低廉，因而阻擋層等，工藝簡單，容易與鋁絲鍵合，產品價格低廉，因而獲得了廣泛的使用。但抗電遷移能力差。獲得了廣泛的使用。但抗電遷移能力差。 (2) (2) 以金為主的金屬化互連，抗電遷移能力強，特別是采以金為主的金屬化互連，抗電遷移能力強，特別是采用金絲球形熱壓鍵合，鍵合點特別牢固，適于特殊要求的高可用金絲球形熱壓鍵合，鍵合點特別牢固，適于特殊要求的高可靠集成電路。靠集成電路。金屬化薄膜的制備金屬化薄膜的制備 真空蒸發(fā)鍍膜真空蒸發(fā)鍍膜 真空蒸發(fā)技術是對淀積薄膜的源材料施加熱能或動能，真空蒸發(fā)技術是對淀積薄膜的源材料施加熱能或動能，使之分解為原子或原子的集合體，并輸運到硅片表面后結合或使之分

15、解為原子或原子的集合體，并輸運到硅片表面后結合或凝聚在硅片表面而形成薄膜。凝聚在硅片表面而形成薄膜。 蒸發(fā)過程：（蒸發(fā)過程：（1 1）被蒸發(fā)物質由凝聚相（固體或液體）轉）被蒸發(fā)物質由凝聚相（固體或液體）轉化為汽相；（化為汽相；（2 2）汽相原子或分子在真空系統(tǒng)中輸運；（）汽相原子或分子在真空系統(tǒng)中輸運；（3 3）汽）汽相原子或分子在襯底上淀積、成核和生長。相原子或分子在襯底上淀積、成核和生長。 電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā) 原理原理 電子束蒸發(fā)是利用陰極電子槍發(fā)射出電子，電子束在電子束蒸發(fā)是利用陰極電子槍發(fā)射出電子，電子束在電場作用下穿過加速極陽極進入磁場空間，通過調節(jié)磁場強度電場作用下穿過加速極陽極進入磁場空間，通過調節(jié)磁場強度控制電子束的偏轉半徑，準