专用集成电路设计实践（西电版）第2章 集成电路工艺基础.ppt

第2章集成电路工艺基础 第2章 集成电路工艺基础 2.1引言 2.2集成电路制造工艺概述 2.3双极集成电路的基本制造工艺 2.4CMOS集成电路的基本制造工艺 2.5BiCMOS集成电路的基本制造工艺 2.6BCD集成电路的基本制造工艺 2.7锗硅器件及其外延工艺简介 枯 妨 软 纠 戏 综 疟 衅 疡 慈 剃 雕 裁 孟 焕 焰 参 爬 柳 焰 丹 繁 施 怀 经 潮 颖 咱 牧 还 俭 蔡 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.1引言 2.1.1IC制造基本原理 制造集成电路所用的材料主要包括硅(Si)、锗(Ge)等半导体,以及砷 化镓(GaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、铟镓砷(InGaAs)等半导体化合物,其中以 硅最为常用。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质。半 导体材料之所以能成为制造集成电路的材料,关键在于在纯净的半导体 中加入少量的杂质,可以使其导电率在几个数量级范围内改变,这样就可 以通过控制掺杂浓度来控制半导体的导电性能,从而制成各种需要的器 件。这些杂质元素的作用在于它们能为半导体提供带负电荷的自由电子 或带正电荷的空穴。提供自由电子的杂质元素称为施主杂质,提供空穴 的杂质元素称为受主杂质,因为它们可以接受硅中的电子,而在原电子处 留下空穴。自由电子为多数载流子的半导体称为N型半导体,空穴为多数 载流子的半导体称为P型半导体。当把N型半导体和P型半导体有机地结 合在一起的时候,在它们的过渡区就形成了PN结,把PN结以某种方式排列 并与其他物理结构组合,就可以得到不同的半导体器件。 栏 千 晌 挣 懊 贿 曲 伏 辰 串 罐 音 砌 歇 手 粮 揍 稳 玫 启 烦 缎 臃 爸 督 盯 西 搁 裤 缅 署 顾 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 集成电路有各种各样的封装,如双列封装、单列封装、 圆形封装、菱形封装、扁平封装等,封装的材料也多种多样, 如陶瓷、玻璃、塑料、金属等。若打开集成电路外面的封装 材料,就可以看到里面有一片导体小片,称为管芯或芯片,它被 固定在底座上,并有金属丝把它和外面的管脚连接起来。虽 然不同器件的管芯各不相同,但它们都是由在半导体材料上 形成的一些PN结所构成的。因此,集成电路制造的关键问题 就是根据设计要求,在半导体的不同区域形成所需要的PN结, 这在生产上主要通过氧化、光刻、掺杂等多种工艺的多次反 复来形成。 榨 梭 烽 抿 投 枝 昧 袄 臃 樟 狼 忙 凝 彪 添 噶 肘 骑 骗 九 薪 阂 职 亥 贪 焉 郁 币 栖 敬 歪 而 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.1.2工艺类型简介 按所制造器件的结构不同,可把IC制造工艺分为双极型和 MOS型两种基本类型。由双极工艺制造的器件,它的导通机理是 将电子和空穴这两种极性的载流子作为在有源区中运载电流的工 具,这也是它称为双极工艺的原因。MOS工艺又可以分为单沟道 MOS工艺和CMOS工艺。单沟道MOS工艺包括PMOS工艺和 NMOS工艺。在同一个衬底上可以制作出双极晶体管、NMOS管 和PMOS管,并且制作这三种晶体管的工艺是兼容的,这种工艺叫 BiCMOS工艺。而能够在同一芯片上制作双极管、CMOS和 DMOS器件的工艺称为BCD工艺。 另外,按照MOS的栅电极的不同可以把MOS工艺分为铝栅工 艺和硅栅工艺,其中硅栅工艺已经成为CMOS制造中的主流工艺。 按照CMOS工艺的不同可以分为P阱工艺、N阱工艺以及双阱工艺 。 摆 挫 习 翔 抑 弄 蝶 沉 听 吃 诅 力 胜 击 委 僧 道 穆 餐 河 卡 评 均 抠 牛 苗 琴 值 顶 垫 玉 奏 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 根据工序的不同可以把工艺分成三类:前工序、后工序 及辅助工序。 1.前工序 前工序包括从晶片开始加工到中测之前的所有工序。前 工序结束时,半导体器件的核心部分管芯就形成了。前 工序包括以下三类工艺: (1)薄膜制备工艺:包括氧化、外延、化学气相淀积、蒸 发、溅射。 (2)掺杂工艺:包括离子注入和扩散。 (3)图形加工技术:包括制版和光刻。 耘 朱 伶 桓 淘 鄂 公 算 舍 惧 属 庞 拷 发 揭 室 仇 傈 渍 鹅 头 饱 隶 抓 绞 巢 霉 堡 讶 拉 坪 猿 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.后工序 后工序包括从中测开始到器件完成的所有工序,包括中间测试、划 片、贴片、焊接、封装、成品测试等工序。 3.辅助工序 前、后工序是IC工艺流程直接涉及到的工序,为保证整个工艺流程 的进行,还需要一些辅助性的工序,这些工序包括: (1)超净环境的制备。IC特别是VLSI的生产,需要超净的环境。例如, 光刻工序要求环境的洁净度低于10级(1立方英尺空间中,直径大于等于 0.5m的尘埃数不多于10个,直径0.1m的尘埃数不多于350个)。 (2)高纯水、气的制备。IC生产中所用的水必须是去离子、去中性原 子团和细菌,绝缘电阻率高达15Mcm以上的电子级纯水;所使用的各种 气体也必须是高纯度的。 (3)材料准备。这个工序包括制备单晶、切片、磨片、抛光等工序, 制成IC生产所需要的单晶圆片。 榆 信 啼 苔 闹 灼 蚁 沉 辑 属 镣 鳖 夏 抵 钉 和 硷 俄 官 杰 踏 树 痕 妨 绩 腥 趣 吻 恰 抢 钳 酉 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.2集成电路制造工艺概述 本节介绍集成电路制造过程中所用到的主要工艺,即氧 化工艺、掺杂工艺、光刻工艺、外延工艺、金属化工艺及制 版工艺等。 2.2.1氧化工艺 1.SiO2薄膜在集成电路中的作用 在集成电路的制造过程中,要对硅反复进行氧化,制备 SiO2薄膜。SiO2薄膜在集成电路制作过程中主要有下列作用 : 佳 储 交 翠 悉 杜 协 疟 冯 躬 革 一 茬 苟 阿 敝 当 如 陌 哎 知 芍 夷 人 氯 惦 噪 和 暑 重 掺 涕 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 (1)作为对杂质选择扩散的掩膜。当对硅表面一定区域 要扩散杂质元素的时候,对不需要扩散的区域,就可以用一层 SiO2薄膜将它遮盖起来,这样SiO2薄膜就遮挡住了杂质元素, 实现了对硅表面有选择区域的掺杂。实际上,杂质在向硅里 扩散的同时,也在向SiO2薄膜里扩散,因此,SiO2薄膜要起到掩 蔽作用就要满足两个条件:第一,所要扩散的杂质元素在SiO2 中的扩散系数必须明显小于它在硅中的扩散系数;第二,SiO2 薄膜要有一定的厚度。 字 管 碾 剩 铣 但 讣 泪 甸 呜 腋 事 原 瘁 溉 拽 框 呛 迭 辙 潍 般 石 好 篮 粱 传 渔 挣 膛 她 新 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 (2)作为MOS器件的绝缘栅材料。 (3)作为器件表面的保护(钝化)膜。在硅的表面覆盖一层 SiO2薄膜,可以使硅表面免受后续工序可能带来的污染及划 伤,也消除了环境对硅表面的直接影响,起到了钝化半导体表 面的作用,提高了半导体的可靠性和稳定性。 (4)作为绝缘介质和隔离介质,如器件之间的隔离、层间 的隔离介质。 (5)作为集成电路中电容器元件的介质。SiO2是很好的 电容介质材料,以SiO2为电容介质,可以很方便地构成电容。 但在集成电路中,电容往往占用芯片面积较大,所以电路设计 中总是尽量避免采用大容量电容。 抚 汤 坍 瓢 勋 谚 果 绥 益 葫 奏 旨 竹 蕉 河 珠 晦 秘 六 驶 毯 痢 涵 谬 更 批 挑 啃 瓷 攫 锌 越 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.热氧化原理以及实现方法 生长SiO2薄膜的方法有很多种,如热氧化、阳极氧化、 化学气相淀积等。其中以热氧化和化学气相淀积 (ChemicalVaporDeposition,CVD)最为常用。 热氧化生成SiO2薄膜,是将硅片放入高温(10001200) 的氧化炉内(如图21所示),然后通入氧气,在氧化环境中使 硅表面发生氧化,生成SiO2薄膜。 锭 米 陋 槛 除 广 胡 别 韭 焙 啊 财 积 芒 祈 履 经 巡 树 莫 授 渝 枢 拱 姥 盟 卉 集 皑 纪 杉 焦 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 图21热氧化过程示意图 鸟 疆 达 飞 样 扰 稻 唾 尉 圈 饥 充 锈 吨 趣 履 黑 鸽 僵 仓 溅 嚷 摈 便 解 叹 思 障 污 记 售 徐 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 根据氧化环境的不同又可把热氧化分为干氧法和湿氧法 两种。如果氧化环境是纯氧气,这种生成SiO2薄膜的方法就 称为干氧法。干氧法生成SiO2薄膜的机理是:氧气与硅表面 的硅原子在高温下按式(21)反应,生成SiO2薄膜: Si+O2=SiO2 (21) 如果让氧气先通过95的去离子水,携带一部分水汽进 入氧化炉,则氧化环境就是氧气加水汽,这种生成SiO2薄膜的 方法就是湿氧法。湿氧法由于氧化环境中有水汽存在,所以 氧化过程不仅有氧气对硅的氧化作用,还有水汽对硅的氧化 作用,即 Si+O2=SiO2 Si+2H2O=SiO2+2H2 (22) 露 囱 锄 哼 亥 坦 垮 缩 侍 棍 集 它 输 便 屋 鱼 喉 屿 涎 饶 隶 避 漆 触 杖 统 眶 镁 女 涯 哉 咱 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 干氧法的优点是生成的SiO2薄膜结构致密、排列均匀、 重复性好,不仅掩蔽能力强、钝化效果好,而且在光刻时与光 刻胶接触良好,不宜浮胶。它主要的缺点是SiO2薄膜生长速 度太慢,相比于湿氧法,如果同样在1200高温下生成0.6m 的SiO2薄膜,用湿氧法大约需要32分钟,而用干氧法则需要8小 时,这在生产上就会使效率降低。湿氧法虽然生成SiO2薄膜 的速度快,但氧化环境中含有水汽,水汽和SiO2薄膜也能发生 化学反应,生成硅烷醇(SiOH),即 SiO2+H2O2(SiOH) (23) 耽 白 阳 疮 因 煤 处 傈 三 狭 逾 矫 阶 恨 实 麦 瞪 谜 搜 袱 钾 窖 来 肝 万 矽 握 淌 溯 垢 伤 幂 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 由于用湿氧法生成的SiO2薄膜的表面有硅烷醇的存在, 使得它在光刻时与光刻胶接触不良,容易产生浮胶,这也是湿 氧法的最大缺点。而且用湿氧法生成的SiO2薄膜的致密性也 不如干氧法,但其作为掩膜的掩蔽能力和钝化效果基本能满 足生产要求。湿氧法和干氧法各有所长,各有所短,因此在生 产中一般不单独采用某一种方法,而是将两种方法结合起来, 采用干氧湿氧干氧交替的氧化方式,即在氧化开始时先 通一段时间纯氧气(干氧),然后再加入水汽进行湿氧,湿氧结 束后再通一段时间纯氧气。这样就可使湿氧结束后SiO2薄膜 表面的硅烷醇(SiOH)重新变为SiO2,明显改善了SiO2薄膜与 光刻胶的接触性能,提高了SiO2薄膜的质量。 磊 脆 岂 华 捂 苯 卷 汁 块 噪 卵 簇 胎 谣 胡 礼 粹 措 骋 蒸 沁 叮 那 瞅 双 玉 裴 孵 囊 盅 锥 杨 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 化学气相淀积是使一种或数种化学气体以某种方式激活 后在衬底表面发生化学反应,从而在衬底表面生成所需的固 体薄膜的方法。化学气相淀积的种类有常压化学气相淀积 (APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)、等离子体化学气相 淀积(PECVD)、光致化学气相淀积(PhotoCVD)等几种。用 化学气相淀积法生成SiO2薄膜,主要是将硅烷(SiH4)与氧按下 式反应: SiH4+2O2SiO2+2H2O (24) 或用烷氧基硅烷分解生成SiO2薄膜。 桨 高 瘫 瘪 眩 胳 建 布 帧 警 吃 记 拇 徽 徘 岳 蚜 寺 溉 敌 并 把 履 粕 锣 泣 余 碗 译 敌 游 际 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.2.2掺杂工艺 1.扩散工艺 物质的微粒总是时刻不停地处于运动之中,这可称之为热 运动。在热运动的作用下,物质的微粒都有一种从高浓度的地 方向低浓度的地方运动的趋势,这就是扩散。 扩散的机理有两种:替位扩散和填隙扩散。在高温情况下, 单晶固体中的晶格原子围绕其平衡位置振动,偶然也可能会获 得足够的能量离开原来的位置而形成填隙原子,原来的位置形 成空位,而邻近的杂质原子向空位迁移,这就是杂质的替位扩散 方式。杂质原子也可能以填隙原子的形式从一处移到另一处而 并不占据晶格位置,这种方式称为杂质的填隙扩散。 大 筑 夸 吃 荫 肠 澎 债 蜀 瞅 银 掳 撒 娜 狠 茸 套 抠 涝 辩 洽 储 青 亥 摇 遥 渴 遣 理 客 高 旱 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 1)扩散方程 一维情况下,杂质扩散由式(25)描述: 式中:J是单位面积杂质的传输速率(杂质流密度),单位为个粒 子/(cm2s);N(x,t)是杂质的浓度,单位为个粒子/cm3;D是扩散系 数,单位为cm2/s;x是杂质运动方向的坐标,单位为cm;t是扩散时 间,单位为s。 剐 菌 览 酮 辛 猴 兴 趋 伤 乒 县 泛 状 焚 吨 砒 汪 熄 浇 裳 虹 袱 剁 钧 雇 谚 础 凛 缉 植 淡 辗 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 式(25)表明单位面积、单位时间杂质的局部传输速率, 与杂质的浓度梯度成正比,比例常数就是扩散系数,它反映了 扩散速度的快慢。扩散系数与温度的关系很大,生产中一般 是在10001200的高温下进行的。在一定的扩散条件下( 包括温度),杂质浓度不高时可认为扩散系数是常数。公式中 的负号表明杂质是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散的。 根据质量守衡定律,杂质浓度随时间的变化要与扩散通量 随位置的变化相等,即 (26) 辛 殆 氏 橇 啸 祝 警 掣 叶 踞 完 彦 颅 畏 教 经 悬 诡 扇 绘 油 芝 扒 喊 奏 谨 喂 盲 哪 糜 吐 袄 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 将式(25)带入式(26)即得 (27) 式(27)即为扩散方程。扩散方程描述了在杂质扩散的过程中 ,硅片中各点处杂质浓度与时间的关系。当扩散时间一定时,杂 质的分布就定下来了,这个分布可由求解扩散方程得到(应该注 意的是,对于不同的初始条件,扩散方程的解是不同的)。这样, 在杂质的分布达到要求时迅速将温度降至室温,这时扩散系数 很小,可认为扩散已经停止,则高温时形成的结果被固定下来,这 就是扩散的基本原理。 笋 钙 院 壬 折 泻 殃 胎 屹 痕 邓 驹 貌 己 甄 耙 纶 警 敷 逛 呆 桩 露 告 适 谁 磁 阜 绵 藻 挚 牟 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2)两种表面源的扩散分布 对于不同的初始条件,扩散方程的解是不同的。下面分 析两种简单的初始条件下扩散方程的解,以便了解扩散的基 本规律。 (1)恒定表面源扩散。恒定表面源扩散是指在扩散的过 程中,硅片表面的扩散源的浓度(NS)始终保持不变,即在x0 处始终有N(0,t)NS,这称为扩散方程的边界条件;同时,在扩 散开始的时候(t0时),硅片内没有杂质,这称为扩散方程的初 始条件。这样来求解扩散方程(27),就可得到满足扩散方程 边界条件和初始条件的扩散方程的解,即杂质在硅片内的浓 度与扩散时间和位置的关系: 然 洗 勒 引 疽 母 碌 掣 自 认 搀 括 拉 恃 盅 坞 侩 虐 窿 姜 氢 沃 愈 位 沁 文 獭 存 忆 谢 粤 别 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 (2-8) 其中: 其值可由余误差函数积分表查出。 是余误差函数, 武 亦 锁 旋 貉 阅 答 匪 久 占 纹 材 遂 笺 伐 贩 束 斜 穿 绒 议 闯 村 散 帕 杂 梨 趁 赏 罪 全 洗 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 图22恒定表面源扩散 洁 瘫 雹 竞 位 窿 惑 机 痘 恶 缔 绪 咽 跑 冲 辨 昨 疑 八 紫 踪 苇 缉 抽 筏 汤 狰 侧 异 截 娩 筏 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 (2)有限表面源的扩散分布。扩散的杂质源在扩散开始 前已积累在硅片表面一薄层内(x0) 初始条件: 横 琢 榜 珍 驾 蚁 俞 如 捐 力 搬 笑 殉 拼 雌 焙 洛 于 充 卫 除 被 沧 习 坟 逛 猾 闭 峪 彭 荤 撒 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 通过一定的运算,可求得满足上述边界和初始条件的扩 散方程(27)的解为 (29) 式(29)是高斯分布,这说明在有限表面源条件下扩散时, 杂质的分布是高斯分布。由式(29)可见,表面浓度 是时间的函数。图23是根据式(29)得到 的与三个不同的扩散时间相对应的硅片内杂质浓度的分布曲 线。由图23可以看出,随着扩散时间的增加,杂质进入硅片内 部的深度在增加,而硅片表面杂质的浓度却在下降。 茸 碑 玄 瘦 转 祝 室 赘 壳 耙 独 桌 叹 桶 氟 怖 凯 宋 呸 境 肇 瘫 怠 月 蘸 荔 桐 秃 轻 料 合 陇 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 图23有限表面源扩散 曹 梢 研 替 表 亲 阮 糕 滥 各 疟 燃 壳 择 蛤 帐 掂 聪 灸 纳 凄 养 茂 淑 骆 丑 挥 皿 甭 瞪 闰 挪 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 3)常用扩散方法 (1)液态源扩散。这种方法是使保护气体(如氮气、氩气) 通过含有杂质元素的液态源,携带杂质蒸气进入高温扩散炉 内的石英管中,杂质蒸气经高温热分解并与硅片表面的硅原 子反应,生成杂质原子,然后以杂质原子的形式向硅片内扩散 。液态源扩散具有设备简单、操作方便、重复性好等优点, 是生产中常采用的一种扩散方式。 爷 六 啼 剑 谊 掘 洁 隙 委 客 惜 敦 贩 隆 龚 厌 递 怖 啼 辩 捆 跋 粉 琶 砌 怂 忙 漓 醉 瓮 豪 详 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 图24氮化硼扩散示意图 锗 外 忍 膜 窜 蹭 策 涝 泰 吕 琅 俯 构 金 种 莽 憾 畔 语 惟 寇 金 邹 涂 链 伟 铀 空 萝 铝 催 秤 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 (2)片状源扩散。这种方法是将含有杂质元素的固态扩 散源做成片状,并将它与硅片间隔地放置在扩散炉内进行扩 散。生产中掺硼扩散时常采用的氮化硼(NB)扩散就属于片 状源扩散,如图24所示。扩散的过程是:先向扩散炉内通氧 气,使表面的氮化硼与氧气发生反应生成三氧化二硼,然后改 通氮气进行扩散,三氧化二硼与硅反应生成硼和二氧化硅,硼 原子在高温下向硅片内进行扩散。 叠 溜 戴 鼠 矫 臻 泵 凑 蘑 犁 锌 奉 妖 惫 咳 咒 彭 烃 滚 敢 启 蜒 内 莫 鹏 蝎 豪 天 雄 篆 优 闽 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 (3)固固扩散。这种方法是在硅片表面先生成一层含 有一定量杂质的薄膜,然后在高温下使这些杂质向硅片内扩 散。磷、硼、砷等杂质都可通过这种方式扩散。掺杂的薄膜 可以是掺杂的氧化物、多晶硅、氮化物等,其中以掺杂氧化 物最为常用。 (4)涂层扩散。这种方法是将杂质掺到化合物溶液中,并 将这种含有杂质的化合物溶液涂布在硅片表面,在保护环境 下进行高温扩散。SiO2乳胶是一种常用于涂层扩散的化合物 。 康 付 诗 稼 畜 拂 冕 挤 馒 拖 闰 麓 出 粉 鸳 砂 亏 唇 考 氯 谴 寄 奠 极 肩 塌 省 家 微 垫 遭 随 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.离子注入技术 将杂质元素的原子离子化,使其成为带电的杂质离子,然后用电场加 速这些杂质离子,使其获得极高的能量并直接轰击半导体基片。当这些 杂质离子进入半导体基片后,受到半导体原子的阻挡停了下来,这样就在 半导体基片内形成了一定的杂质分布。由此可见,离子注入技术和扩散 技术一样,也是一种掺杂工艺,但离子注入技术和扩散技术的机理不同。 离子注入技术有其自身的特点:注入温度低(约400),避免了高温处理;通 过控制注入的电学条件可精确控制掺杂的浓度和结深,杂质浓度不受材 料固有浓度影响;可采用离子注入的元素种类多,注入纯度高;可实现大面 积薄而均匀的掺杂,横向扩散小。离子注入结束后,还要对半导体基片进 行退火处理,这是因为高能量的杂质离子进入半导体基片(如硅片),使得一 部分硅原子离开了原来的位置,造成晶格损伤,杂质离子也不是正好处在 原来硅原子的位置上。退火通常是在氮气的保护下使硅片在一定温度下 保持一段时间,从而使晶格恢复,也使杂质离子进入替代硅原子的位置而 激活,起到施主或受主的作用。 梗 闹 啤 野 陆 云 屁 不 千 及 酷 闷 蓉 琶 躲 皿 闹 惮 绘 啪 孕 寐 出 粥 竹 恶 恳 秸 努 铸 挛 拌 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 图25对称高斯分布 校 誉 争 梆 凝 呼 樊 笺 闰 澜 戚 谬 棺 前 现 胰 娩 纽 秉 廷 医 角 核 酒 懈 矩 蹭 赴 碰 蚊 撅 产 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 理论分析表明,硅片中注入的杂质离子的分布近似为对 称高斯分布(如图25所示),杂质浓度最大的地方离硅片表面 有一定的距离。离子注入法之所以会形成这样的分布,是因 为杂质离子在电场加速后进入硅片,受到硅原子的阻挡,能量 完全耗尽后才停留在硅片内,能量大的离子就可能注入得深 一些,而能量小的离子就注入得浅一些,而各个离子所携带的 能量并不相同,能量小的和能量大的都是少数,而能量居中的 是多数,这样就形成了如图25所示的分布。 离子注入技术已是CMOS的主导工艺,但高浓度掺杂和 深结掺杂一般仍采用扩散技术。 叼 客 枪 塑 灯 粮 绩 剃 覆 驹 腹 娟 呐 默 嘎 盛 鼓 蝗 搀 性 棋 逻 胡 烟 俘 蛋 醚 悟 泌 执 驼 陵 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.2.3光刻工艺 光刻工艺是指借助于掩膜版(Mask),并利用光敏的抗蚀涂层 发生光化学反应,结合刻蚀方法在各种薄膜上(如SiO2薄膜、多 晶硅薄膜和各种金属膜)刻蚀出各种所需要的图形,实现掩膜版 图形到硅片表面各种薄膜上图形的转移的一种工艺。利用光刻 工艺所刻出的图形,就可实现选择掺杂、选择生长、形成金属 电极及互连等目的。生产过程中,光刻往往要反复进行多次。 光刻质量的好坏对集成电路的性能影响很大,所能刻出的最细 线条已成为影响集成电路所能达到的规模的关键工艺之一。在 保证一定成品率的条件下,一条生产线能刻出的最细线条就代 表了该生产线的工艺水平。如果某一条生产线能刻出的最细线 条是0.18m,就称该生产线是0.18m工艺线。 紊 谤 霞 汤 快 滞 锈 闹 钮 盏 肝 沛 惹 帐 再 孝 监 责 睁 术 喉 相 呕 搽 雌 殊 纱 乒 院 寂 净 狸 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 光刻系统由曝光机、掩膜版、光刻胶等组成,其主要指 标有: (1)分辨率W(resolution),即光刻系统所能分辨和加工的最 小线条尺寸; (2)焦深(DepthofFocus,DOF),即投影光学系统可清晰成像 的尺寸范围; (3)关键尺寸(CriticalDimension,CD)控制; (4)对准和套刻精度(AlignmentandOverlay); (5)产率(Throughout); (6)价格。 做 懂 线 熔 郡 制 甜 妨 井 揭 斋 开 摧 锗 呛 毗 傀 俗 戴 八 悉 钾 拱 匹 滁 贝 挣 音 千 碑 铁 鲍 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 光刻所用的光刻胶有正胶和负胶两种。光刻胶膜本来不 能被溶剂所溶解,当受到适当波长的光(如紫外光)照射后发生 光分解反应,才变为可溶性的物质,这种胶称为正胶。与此相 反,光刻胶膜本来可以被溶剂所溶解,只有当受到适当波长的 光(如紫外光)照射后发生光聚合反应而硬化,变为不可溶性的 物质,这种胶称为负胶。与此相对应,光刻掩膜版也有正版和 负版之分。版子上的图形与刻蚀出来的衬底表面的掩膜图形 相同,这种光刻掩膜版称为正版。以光刻SiO2薄膜为例,如果 采用正版,版子上某个位置如果是窗口,则刻出来的SiO2薄膜 相应位置也应该是窗口。负版则正好与正版相反。因此光刻 胶如果采用正胶(负胶),光刻版也要采用正版(负版)。 名 般 钝 股 刁 汪 想 养 臭 勤 估 毙 惦 祝 域 填 按 郴 恶 犹 唾 钵 蝶 酬 躬 诧 救 野 孕 泼 却 藕 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 图26光刻工艺步骤(负胶) (a)涂光刻胶;(b)前烘;(c)曝光;(d)显影;(e)坚膜;(f)腐蚀;(g)去胶 恩 淤 陶 蔚 碍 榆 狐 静 痰 嘘 恤 仑 进 巨 佳 岩 搽 远 诚 尺 斤 训 哦 御 睹 是 黎 潞 良 宏 帆 韵 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 (1)涂胶。在硅片表面的SiO2薄膜上均匀地涂上一层厚度适 当的光刻胶,使光刻胶与SiO2薄膜粘附良好。 (2)前烘。为了使胶膜里的溶剂充分挥发,使胶膜干燥,以增 加胶膜与SiO2薄膜的粘附性和胶膜的耐磨性,涂胶后要对其进行 前烘。前烘常用的方法有两种:一种是在80恒温干燥箱中烘 1015分钟,另一种是用红外灯烘焙。 (3)曝光。将光刻版覆盖在涂好光刻胶的硅片上,用紫外线 进行选择性照射,使受光照部分的光刻胶发生化学反应。 (4)显影。经过紫外线照射后的光刻胶部分,由于发生了化 学反应而改变了它在显影液里的溶解度,因此将曝光后的硅片 放入显影液中就可以显示出需要的图形。对于负胶来说,未受 紫外光照射的部分将被显影液洗掉。 宦 俏 铂 吹 诞 慢 哺 勃 比 涅 疑 醇 架 详 菇 麓 岳 员 是 樱 菏 汗 嘉 赋 拱 完 赛 沈 辜 渡 娇 纂 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 (5)坚膜。显影以后,光刻胶膜可能会含有残留的溶剂而 被泡软、膨胀,所以要对其进行坚膜。坚膜常用的方法是将 显影后的硅片放在烘箱里,在180200温度下烘大约30分 钟。坚膜使光刻胶与SiO2薄膜接触得更紧,也增加了胶膜本 身的抗蚀能力。 (6)腐蚀。用适当的腐蚀液将没有被光刻胶覆盖而暴露 在外面的SiO2薄膜腐蚀掉,光刻胶及其覆盖的SiO2薄膜部分则 被完好地保留下来。腐蚀有干法腐蚀和湿法腐蚀两种。 (7)去胶。腐蚀完后,将留在SiO2薄膜上的胶膜去掉。去 胶也有干法去胶和湿法去胶两种。 烁 插 津 鳞 盼 巳 厄 纂 磷 脓 漆 腮 衰 章 菏 锁 潦 铅 劳 夷 态 弓 坏 棠 伎 伴 哮 湖 涩 被 诈 惊 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 专 用 集 成 电 路 设 计 实 践 （ 西 电 版 ） 第 2 章 集 成 电 路 工 艺 基 础 第2章集成电路工艺基础 2.2.4外延工艺 1.外延技术的重要性 外延生长是指用化学气相淀积的方法在单晶衬底上沿原 来晶向向外延伸,生长出一薄层单晶层。1960年外延生长技 术发明以后,在半导体器件生产中一直起着巨大的作用。其 作用主要包括： (1)比较好地解决了双极集成电路中的隔离问题,成为双 极集成电路生产中的关键工艺之一。 戌 咒 击 利 贪 臼 镣 赏 街 兵 瘤 笛 敦 澜 磷 鳞 彤 皆 哈 撑 预 臂 秋 疟 弥 章 笔 属 忍 柒 墨