1、 第一章 CMOS集成電路工 藝基礎(chǔ)第1頁(yè)/共51頁(yè)1、半導(dǎo)體材料：N型半導(dǎo)體：N- N N+ P型半導(dǎo)體：P- P P+2、CMOS集成電 路工藝氧化工藝攙雜工藝淀積工藝鈍化工藝光刻和腐蝕工藝3、CMOS集成電 路工藝流程本章主要內(nèi)容第2頁(yè)/共51頁(yè) 第一節(jié) 集成電路材料1、材料分類： 從電阻率上分，固體分為三大類。在室溫下： 金屬： 10E4 cm 分類分類 材料材料 電導(dǎo)率電導(dǎo)率導(dǎo)體導(dǎo)體鋁、金、鎢、銅鋁、金、鎢、銅105S.cm-1半導(dǎo)體半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、磷化銦硅、鍺、砷化鎵、磷化銦10-9102S.cm-1絕緣體絕緣體SiO2、SiON、SiN410-2210-14S.cm-1第3

2、頁(yè)/共51頁(yè)2材料的溫度特性 一般金屬的導(dǎo)電能力隨溫度上升而下降，且變化不明顯。但硅的導(dǎo)電能力隨溫度上升而增加，且變化非常明顯。 舉個(gè)例子： Cu：30C 100C 增加不到一半（正溫度系數(shù)） Si：30C 20C 增加一倍 （負(fù)溫度系數(shù)）第4頁(yè)/共51頁(yè)3半導(dǎo)體材料的主要特性A）半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨所含的微量雜質(zhì)而發(fā)生顯著 變化l 一般材料純度在99.9已認(rèn)為很高了，有0.1的雜質(zhì)不會(huì)影響物質(zhì)的性質(zhì)。而半導(dǎo)體材料不同，純凈的硅在室溫下：21400cml如果在硅中摻入雜質(zhì)磷原子，使硅的純度仍保持為99.9999。則其電阻率變?yōu)椋篶m。 因此，可利用這一性質(zhì)通過摻雜質(zhì)的多少來(lái)控制硅的導(dǎo)電 能力。第

3、5頁(yè)/共51頁(yè)B）當(dāng)半導(dǎo)體受到外界熱的刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力發(fā)生顯 著變化。利用此特性可以制作熱敏器件。同時(shí)也要求半導(dǎo)體電路中必須要有溫度補(bǔ)償措施。C）半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨光照而發(fā)生顯著變化， 利用此特性可以制作光敏器件。D）半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力隨外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)的作用 而發(fā)生變化第6頁(yè)/共51頁(yè)4半導(dǎo)體材料介紹A） Si 化學(xué)周期表四族元素。 材料來(lái)源豐富，價(jià)格便宜 基于Si半導(dǎo)體的工藝技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟B） 砷化鉀 GaAs 是III/IV族化合物 材料比較貴，比Si片貴十幾倍 工藝制造比較成熟 GaAs的集成電路具有更好的性能第7頁(yè)/共51頁(yè)C） 磷化銦 也是III/IV族化合物 主要應(yīng)用于光纖系統(tǒng)中

4、 制作發(fā)光器件和OEIC 工藝制造技術(shù)不時(shí)非常成熟第8頁(yè)/共51頁(yè)5絕緣材料的作用 在集成電路系統(tǒng)中，主要的絕緣材料有： SiO2、SiON、SiN4 主要功能： 1）器件之間、有源層、導(dǎo)線層之間的絕 緣層。 2）離子注入和熱擴(kuò)散時(shí)的隔離層 3）生成器件表面的鈍化層，保護(hù)器件不受外 界的影響。第9頁(yè)/共51頁(yè)6金屬材料的作用 主要功能： 1）器件本身的接觸線 2）器件間的互連線 3）形成焊盤（PAD），封裝接口 目前最常用的是AL 在高性能的芯片生產(chǎn)工藝采用Cu 隨著工藝的發(fā)展，線寬越來(lái)越細(xì)，采用低電阻率的金屬和合金成為發(fā)展方向。 金屬布線層次越來(lái)越多，最多可達(dá)78層第10頁(yè)/共51頁(yè)第二節(jié)

5、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2.1 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 在硅或者鍺晶體中,原子按一定規(guī)律排列。 硅和鍺的都是四價(jià)元素，原子的最外層軌道 上有四個(gè)電子。 這四個(gè)電子形成四個(gè)共價(jià)鍵第11頁(yè)/共51頁(yè) 本征半導(dǎo)體 完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 本征半導(dǎo)體中載流子的濃度在室溫下： T300K )/1 (10*6 . 1310cmnpni第12頁(yè)/共51頁(yè)、P型和N型半導(dǎo)體 兩種載流子：帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的空穴。 當(dāng)硅中摻入族元素P時(shí)，硅中多數(shù)載流子為電子，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。 當(dāng)硅中摻入族元素B時(shí)，硅中多數(shù)載流子為空穴，這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。)/1 (1022cmn)/1 (1022cm

6、p第13頁(yè)/共51頁(yè)第三節(jié) 集成電路制造基本工藝、氧化工藝*把裸露的硅片放高溫氧氣氛中,就會(huì)生成SiO2*氧化層可以分為柵氧和場(chǎng)氧*柵氧: 它的厚度一般在幾百A左右,對(duì)器件的性能影響大*場(chǎng)氧: 它的厚度一般在幾千A左右,絕緣和隔離的作用.第14頁(yè)/共51頁(yè) 氧化爐石 英 舟滑 道爐 膛第15頁(yè)/共51頁(yè) 改進(jìn)的氧化爐石英舟滑道爐膛第16頁(yè)/共51頁(yè)、摻雜工藝 在襯底材料上摻入五價(jià)磷或三價(jià)硼，以改變半導(dǎo)體材料的電性能。形成N或P型半導(dǎo)體. 摻雜過程是由硅的表面向體內(nèi)作用的。 目前，有兩種摻雜方式：擴(kuò)散和離子注入。GDS D G SP-si第17頁(yè)/共51頁(yè)1. 擴(kuò)散：擴(kuò)散爐與氧化爐基本相同，只是

7、將要摻入的雜質(zhì)如P或B的源放入爐管內(nèi)。擴(kuò)散分為兩步： STEP1 預(yù)淀積：將濃度很高的一種雜質(zhì)元素P或B淀積在硅片表面。 STEP2 推進(jìn)：在高溫、高壓下，使硅片表面的雜質(zhì)擴(kuò)散到硅片內(nèi)部。實(shí)驗(yàn)分析表明：P的濃度分布可由下式表示：其中，NT：預(yù)淀積后硅片表面淺層的P原子濃度 D：P的擴(kuò)散系數(shù) t ：擴(kuò)散時(shí)間 x：擴(kuò)散深度只要控制NT 、T、t 三個(gè)因素就可以決定擴(kuò)散深度及濃度。eDtNDtTxxP4212)(2)()1(31015cmNT第18頁(yè)/共51頁(yè)2離子注入eNppRxxN2max22)()(p pNmax0Rp深度 X硼原子數(shù)0X第19頁(yè)/共51頁(yè)其中：離子注入的分布有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1

8、離子注入的分布曲線形狀（Rp，p），只與離子的初始能量E0有關(guān)。并雜質(zhì)濃度最大的地方不是在硅的表面，X0處，而是在XRp處。Rp：平均濃度p：穿透深度的標(biāo)準(zhǔn)差T/ pNT：?jiǎn)挝幻娣e注入的離子數(shù)，即離子注入劑量第20頁(yè)/共51頁(yè)2離子注入最大值Nmax與注入劑量NT有關(guān)。 而E0與NT都是可以控制的參數(shù)。 因此，離子注入方法可以精確地控制摻雜區(qū)域的濃度及深度。第21頁(yè)/共51頁(yè)淀積和刻蝕工藝 淀積工藝主要用于在硅片表面上淀積一層材料， 如金屬鋁、多晶硅及磷硅玻璃PSG(隔離互連層)等。 、金屬化工藝 淀積鋁也稱為金屬化工藝，它是在真空設(shè)備中進(jìn)行的。在 硅片的表面形成一層鋁膜。第22頁(yè)/共51頁(yè)A

9、L離子束wafer第23頁(yè)/共51頁(yè)、淀積多晶硅 淀積多晶硅一般采用化學(xué)汽相淀積（LPCVD）的方法。利用化學(xué)反應(yīng)在硅片上生長(zhǎng)多晶硅薄膜。 適當(dāng)控制壓力、溫度并引入反應(yīng)的蒸汽，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間，便可在硅表面淀積一層高純度的多晶硅。 淀積PGS與淀積多晶硅相似，只是用不同的化學(xué)反應(yīng)過程，這里不一一介紹了。 采用 在700C的高溫下，使其分解： SiH42427000HSiSiHC第24頁(yè)/共51頁(yè)、刻蝕 材料淀積上去后,為了形成線條、接觸孔、柵等圖形，需要通過刻蝕把不需要的地方腐蝕掉。 刻蝕分為濕法刻蝕和干法刻蝕。第25頁(yè)/共51頁(yè)2433412450430HNSiNHSiHC4SiN3NH第2

10、6頁(yè)/共51頁(yè)、光刻與腐蝕工藝 光刻工藝是完成在整個(gè)硅片上進(jìn)行開窗的工作。 掩膜版和光刻膠： 掩膜版：亮版和暗版由掩膜工廠制造 光刻膠：正膠和負(fù)膠第27頁(yè)/共51頁(yè)wafermask光源第28頁(yè)/共51頁(yè) 光刻過程如下：1涂光刻膠2掩膜對(duì)準(zhǔn)3曝光4顯影5刻蝕：采用干法刻蝕（Ery Eatching）6去膠：化學(xué)方法及干法去膠 (1)丙酮中，然后用無(wú)水乙醇 (2)發(fā)煙硝酸 (3)等離子體的干法刻蝕技術(shù)第29頁(yè)/共51頁(yè) 光刻工藝的發(fā)展： 70年代的光刻只能加工35m線寬，4 5 wafer。那時(shí)的光刻機(jī)采用接觸式的。如：canon，采用紫外線光源，分辨率較低。 80年代發(fā)明了1：1投影式光刻機(jī)，

11、可加工12m線寬，56wafer。代表產(chǎn)品有美國(guó)的Ultrotec。 存在問題是：（1）Mask難做，要求平坦，不能有缺陷。（2）Wafer與Mask之間有間隙，使一些塵埃顆 粒加入，造成影響。另外，有光折射產(chǎn)生。第30頁(yè)/共51頁(yè)光 源5 M a s kL e n sC h u c k T a b leW a fe r投影式光刻機(jī)第31頁(yè)/共51頁(yè) 80年代后期出現(xiàn)了Wafer Stepper，10:1m的時(shí)代。代表產(chǎn)品有：美國(guó)的GCA，日本的Canon，Nikon及荷蘭的ASM。 另外，美國(guó)的KLA更加先進(jìn)，它帶有Mask檢查及修正系統(tǒng)。它將Mask上的圖形縮小5倍后投影到硅片上，因此，使

12、缺陷縮小很多。它使用的光源仍是紫外線，但是用的是g-line，波長(zhǎng)在436nm，m（m（科研）芯片。第32頁(yè)/共51頁(yè) 90年代對(duì)Stepper的改進(jìn)大致兩個(gè)方面， 一是在光源上：（1）用I-line的紫外線，波長(zhǎng)在365nm，m的芯片。（2）若用準(zhǔn)分子激光光源KrF下，波長(zhǎng)大約248nm，m （m（科研）的芯片。（3）還有用電子束（EBeam）光源的，主要用于做Mask。 二是在制作Mask上下功夫，并帶有Mask的修正功能，可通過檢測(cè)Mask上的缺陷，調(diào)整曝光過程。第33頁(yè)/共51頁(yè)、外延生長(zhǎng) 外延生長(zhǎng)是用同質(zhì)材料形成具有不同摻雜種類及濃度而具有不同性能的晶體層 外延層（P-）單晶硅器件和

13、IC都制作在外延層第34頁(yè)/共51頁(yè)第四節(jié) CMOS集成電路加工過程簡(jiǎn)介*硅片制備*前道工序*后道封裝第35頁(yè)/共51頁(yè)、MOS工藝 *NMOS工藝 *PMOS工藝 *CMOS工藝 # P阱CMOS工藝 # N阱CMOS工藝 # 雙阱CMOS工藝 第36頁(yè)/共51頁(yè) Mask掩膜版 CHIP4.2 CMOS(P阱)工藝流程介紹第37頁(yè)/共51頁(yè)1P2M CMOS主要工藝步驟第38頁(yè)/共51頁(yè) 第一步: 掩膜1： P阱 目標(biāo): 制作P阱 Si-襯底 P-well第39頁(yè)/共51頁(yè)具體步驟如下：1生長(zhǎng)二氧化硅： Si-襯底 SiO2第40頁(yè)/共51頁(yè)2P阱光刻： 涂膠、掩膜對(duì)準(zhǔn)、曝光、顯影、刻蝕3

14、去膠4摻雜：摻入B元素涂 膠 顯 影 刻 蝕 去 膠 摻 雜形成P阱第41頁(yè)/共51頁(yè)第二步 掩膜2 ： 有源區(qū)(有器件的區(qū)域)淀積氮化硅光刻有源區(qū)場(chǎng)區(qū)氧化去除有源區(qū)氮化硅及二氧化硅生長(zhǎng)柵氧淀積多晶硅第42頁(yè)/共51頁(yè)淀積氮化硅 光刻有源區(qū) 場(chǎng)區(qū)氧化去除氮化硅及二氧化硅 長(zhǎng)柵氧 淀積多晶硅柵氧化層第43頁(yè)/共51頁(yè)第三步 掩膜3 ：光刻多晶硅 光刻 多晶 硅第44頁(yè)/共51頁(yè)第四步 掩膜4 ：P+區(qū)(PMOS的D,S 區(qū)) 1、P+區(qū)光刻 2、離子注入B+，柵區(qū)有多晶硅做掩蔽，稱為硅柵自對(duì) 準(zhǔn)工藝。 3、去膠 P + 區(qū) 光 刻B +第45頁(yè)/共51頁(yè)第五步 掩膜5 ： N+區(qū)(NMOS的D, S區(qū)) 1、N+區(qū)光刻 2、離子注入P+ 3、去膠 N+ 區(qū)光刻P +第46頁(yè)/共51頁(yè)第六步 掩膜6 ：接觸孔 (鋁線和器件D、S極的連接) 光刻接觸孔接觸孔第47頁(yè)/共51頁(yè)第七步 掩膜7 ：光刻鋁引線1、淀積鋁 2、光刻鋁 光刻鋁ALPSG場(chǎng)氧Poly柵氧P+N+P