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1、 第三章第三章 集成电路工艺基础集成电路工艺基础 第一节第一节 引言引言2023-1-11 第二节 半导体材料：硅1、电阻率：电阻率：从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：从电阻率上分，固体分为三大类。在室温下：金属：金属：10E4 cm2导电能力随温度上升而迅速增加导电能力随温度上升而迅速增加 一般金属的导电能力随温度上升而下降，且变化不明一般金属的导电能力随温度上升而下降，且变化不明显。但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化非常显。但硅的导电能力随温度上升而增加，且变化非常明显。举个例子：明显。举个例子：Cu：30 C 100 C 增加不到一半（正温度系数）增加不到一半（正温度系数）Si

2、：30 C 20 C 增加一倍增加一倍（负温度系数）（负温度系数）2023-1-123半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化化 一般材料纯度在一般材料纯度在99.9已认为很高了，有已认为很高了，有0.1的杂的杂质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净质不会影响物质的性质。而半导体材料不同，纯净的硅在室温下：的硅在室温下：21400cm 如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为如果在硅中掺入杂质磷原子，使硅的纯度仍保持为99.9999。则其电阻率变为：。则其电阻率变为：0.2cm。因此，因此，可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电

3、可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力。能力。4半导体的导电能力随光照而发生显著变化半导体的导电能力随光照而发生显著变化5半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用而发生变化而发生变化2023-1-136、P型和型和N型半导体型半导体 两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的两种载流子：带负电荷的电子和带正电荷的空穴。空穴。纯净硅称为本征半导体。本征半导体中载流纯净硅称为本征半导体。本征半导体中载流子的浓度在室温下：子的浓度在室温下：T300K 当硅中掺入当硅中掺入族元素族元素P时，硅中多数载流子为时，硅中多数载流子为电子，这种半导体称为电子，这种半导

4、体称为N型半导体。型半导体。)/1(10*6.1310cmnpnincm22101(/)2023-1-14 当硅中掺入当硅中掺入族元素族元素B时，硅中多数载流子为时，硅中多数载流子为空穴，这种半导体称为空穴，这种半导体称为P型半导体。型半导体。第三节 集成电路制造工艺简介一、氧化工艺氧化工艺 一个一个MOSMOS集成电路电路中，主要元件是；集成电路电路中，主要元件是；PMOS,NMOS,R,C,LPMOS,NMOS,R,C,L及连线。及连线。MOSMOS是是Metal Oxide Metal Oxide Semiconductor SiliconSemiconductor Silicon的缩写

5、。的缩写。MOSMOS管有三管有三种主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。种主要材料：金属、二氧化硅及硅构成。Pcm22101(/)2023-1-15 氧化炉2023-1-16 改进的氧化炉石英舟滑道炉膛2023-1-17二、掺杂工艺掺杂工艺 在衬底材料上掺入五价磷或三价硼，以改变半在衬底材料上掺入五价磷或三价硼，以改变半导体材料的电性能。掺杂过程是由硅的表面导体材料的电性能。掺杂过程是由硅的表面向体内作用的。目前，有两种掺杂方式：扩向体内作用的。目前，有两种掺杂方式：扩散和离子注入。散和离子注入。GDS D G SP-si2023-1-181.扩散：扩散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的扩散：扩

6、散炉与氧化炉基本相同，只是将要掺入的杂质如杂质如P或或B的源放入炉管内。的源放入炉管内。扩散分为两步：扩散分为两步：STEP1 预淀积：将浓度很高的一种杂质元素预淀积：将浓度很高的一种杂质元素P或或B淀积在硅片淀积在硅片表面。表面。STEP2 推进：在高温、高压下，使硅片表面的杂质扩散到硅推进：在高温、高压下，使硅片表面的杂质扩散到硅片内部。片内部。实验分析表明：实验分析表明：P的浓度分布可由下式表示：的浓度分布可由下式表示：其中，其中，NT：预淀积后硅片表面浅层的预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度原子浓度 D：P的扩散系数的扩散系数 t：扩散时间扩散时间 x：扩散深度扩散深度只要控制只要控制N

7、T、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度三个因素就可以决定扩散深度及浓度。eDtNDtTxxP4212)(2)()1(31015cmNT2023-1-192离子注入离子注入eNppRxxN2max22)()(p pNmax0Rp深度 X硼原子数0X2023-1-110其中：离子注入的分布有以下两个特点：离子注入的分布有以下两个特点：1离子注入的分布曲线形状（离子注入的分布曲线形状（Rp，pp），），只与离子的初始能量只与离子的初始能量E0有关。并杂质浓度最有关。并杂质浓度最大的地方不是在硅的表面，大的地方不是在硅的表面，X0处，而是在处，而是在XRp处。处。Rp：平均浓度p：穿透深度的标准

8、差Nmax=0.4NT/pNT：单位面积注入的离子数，即离子注入剂量2023-1-1112离子注入最大值离子注入最大值Nmax与注入剂量与注入剂量NT有关。有关。而而E0与与NT都是可以控制的参数。因此，离子都是可以控制的参数。因此，离子注入方法可以精确地控制掺杂区域的浓度及注入方法可以精确地控制掺杂区域的浓度及深度。深度。三淀积工艺三淀积工艺 淀积工艺主要用于在硅片表面上淀积一层材淀积工艺主要用于在硅片表面上淀积一层材料，如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃料，如金属铝、多晶硅及磷硅玻璃PSG等。等。1、金属化工艺、金属化工艺 淀积铝也称为金属化工艺，它是在真空设备淀积铝也称为金属化工艺，它是在真空设

9、备中进行的。在硅片的表面形成一层铝膜。中进行的。在硅片的表面形成一层铝膜。2023-1-112AL离子束wafer2023-1-1132、淀积多晶硅、淀积多晶硅 淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积（淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积（LPCVD）的的方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。方法。利用化学反应在硅片上生长多晶硅薄膜。适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够适当控制压力、温度并引入反应的蒸汽，经过足够长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。长的时间，便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。淀积淀积PGS与淀积多晶硅相似，只是用不同的化学反与淀积多晶硅相似，只是用不同的化学反应过程，

10、这里不一一介绍了。应过程，这里不一一介绍了。采用 在700C的高温下，使其分解：SiH42427000HSiSiHC2023-1-1142433412450430HNSiNHSiHC4SiN3NH2023-1-115五、光刻工艺 光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。作。掩膜版和光刻胶：掩膜版和光刻胶：掩膜版：亮版和暗版掩膜版：亮版和暗版 光刻胶：正胶和负胶光刻胶：正胶和负胶2023-1-116wafermask光源2023-1-117 光刻过程如下：光刻过程如下：1涂光刻胶涂光刻胶2掩膜对准掩膜对准3曝光曝光4显影显影5刻蚀：采用干法刻蚀（刻蚀：采用

11、干法刻蚀（Ery Eatching）6去胶：化学方法及干法去胶去胶：化学方法及干法去胶(1)丙酮中，然后用无水乙醇丙酮中，然后用无水乙醇(2)发烟硝酸发烟硝酸(3)等离子体的干法刻蚀技术等离子体的干法刻蚀技术2023-1-118 光刻工艺的发展：70年代的光刻只能加工年代的光刻只能加工35m线宽，线宽，4 5 wafer。那时的光刻机采用接触式的。那时的光刻机采用接触式的。如：如：canon，采用紫外线光源，分辨率较低。采用紫外线光源，分辨率较低。80年代发明了年代发明了1：1投影式光刻机，可加工投影式光刻机，可加工12m线宽，线宽，5 6 waferwafer。代表产品有美代表产品有美国的国

12、的UltrotecUltrotec。存在问题是：存在问题是：（1）Mask难做，要求平坦，不能有缺陷。难做，要求平坦，不能有缺陷。（2）Wafer与与Mask之间有间隙，使一些尘埃之间有间隙，使一些尘埃颗颗 粒加入，造成影响。另外，有光折射产粒加入，造成影响。另外，有光折射产生。生。2023-1-119光 源5 M a s kL e n sC h u c k T a b leW a fe r2023-1-120 80年代后期出现了年代后期出现了Wafer Stepper，10:1或或5:1，使芯片加工进入了，使芯片加工进入了0.8m的时代。的时代。代表产品有：美国的代表产品有：美国的GCA，日

13、本的日本的Canon，Nikon及荷兰的及荷兰的ASM。另外，美国的另外，美国的KLA更加先进，它带有更加先进，它带有Mask检查及修正系统。它将检查及修正系统。它将Mask上的图上的图形缩小形缩小5倍后投影到硅片上，因此，使缺倍后投影到硅片上，因此，使缺陷缩小很多。它使用的光源仍是紫外线，陷缩小很多。它使用的光源仍是紫外线，但是用的是但是用的是g-line，波长在波长在436nm，可加工：可加工：0.81.0m（大生产），大生产），0.50.8m（科科研）芯片。研）芯片。2023-1-121 90年代对年代对Stepper的改进大致两个方面，的改进大致两个方面，一是在光源上：一是在光源上：（

14、1）用）用I-line的紫外线，波长在的紫外线，波长在365nm，可加工可加工0.50.6m的芯片。的芯片。（2）若用准分子激光光源）若用准分子激光光源KrF下，波长大约下，波长大约248nm，可加工：可加工：0.250.5m（大生产），大生产），0.070.1m（科研）的芯片。科研）的芯片。（3）还有用电子束（）还有用电子束（EBeam）光源的，主要用于光源的，主要用于做做Mask。二是在制作二是在制作Mask上下功夫，并带有上下功夫，并带有Mask的的修正功能，可通过检测修正功能，可通过检测Mask上的缺陷，调整上的缺陷，调整曝光过程。曝光过程。2023-1-122第四节 CMOS集成电路

15、加工过程简介一、硅片制备一、硅片制备二、前部工序二、前部工序 Mask掩膜版 CHIP2023-1-123 掩膜1：P阱光刻阱光刻具体步骤如下：具体步骤如下：1生长二氧化硅：生长二氧化硅：Si-衬底 P-well S i-衬底 S i O22023-1-1242P阱光刻：阱光刻：涂胶、掩膜对准、曝光、显影、刻蚀涂胶、掩膜对准、曝光、显影、刻蚀3去胶去胶4掺杂：掺入掺杂：掺入B元素元素涂 胶 显 影 刻 蚀 去 胶 掺 杂2023-1-125掩膜2：光刻有源区光刻有源区 淀积氮化硅淀积氮化硅 光刻有源区光刻有源区 场区氧化场区氧化 去除有源区氮化硅及二氧化硅去除有源区氮化硅及二氧化硅 生长栅氧生

16、长栅氧 淀积多晶硅淀积多晶硅2023-1-126淀积氮化硅 光刻有源区 场区氧化去除氮化硅及二氧化硅 长栅氧 淀积多晶硅2023-1-127掩膜3 ：光刻多晶硅光刻多晶硅掩膜4 ：P+区光刻区光刻 1、P+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入B+，栅区有多晶硅做掩蔽，称栅区有多晶硅做掩蔽，称为硅栅自对准工艺。为硅栅自对准工艺。3、去胶、去胶 光刻 多晶 硅2023-1-128掩膜5：N+区光刻区光刻 1、N+区光刻区光刻 2、离子注入、离子注入P+3、去胶去胶 P+区 光刻B+2023-1-129掩膜6 ：光刻接触孔：光刻接触孔 N+区光刻P+光刻接触孔2023-1-130掩膜7：光刻铝引线：

17、光刻铝引线1、淀积铝、淀积铝 2、光刻铝、光刻铝 光刻铝ALPSG场氧Poly栅氧P+N+P 阱N 硅衬底2023-1-131掩膜8：刻钝化孔：刻钝化孔 中测打点chip circuitpad CHIP2023-1-132三、后部封装三、后部封装（在另外厂房）（在另外厂房）（1）背面减薄）背面减薄（2）切片）切片（3）粘片）粘片（4）压焊：金丝球焊）压焊：金丝球焊（5）切筋）切筋（6）整形）整形（7）所封）所封（8）沾锡：保证管脚的电学接触）沾锡：保证管脚的电学接触（9）老化）老化（10）成测）成测（11）打印、包装）打印、包装 划片2023-1-133金 丝劈加 热 压 焊2023-1-134