第一章集成电路的基本制造工艺ppt课件.ppt
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1、第一章 集成电路的基本制造工艺,信息工程学院李薇薇,微电子学:Microelectronics微电子学微型电子学核心集成电路集成电路:Integrated Circuit,缩写IC通过一系列特定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路互连,“集成”在一块半导体单晶片(如硅或砷化镓)上,封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能,封装好的集成电路,硅单晶片与加工好的硅片,集成电路芯片的显微照片,集成电路的内部单元(俯视图),制造业,芯片制造过程,集成电路的制造需要非常复杂的技术,它主要由半导体物理与器件专业负责研究。VLSI设计者可以不去深入研究,但是作为从事系
2、统设计的工程师,有必要了解芯片设计中的工艺基础知识,才能根据工艺技术的特点优化电路设计方案。对于电路和系统设计者来说,更多关注的是工艺制造的能力,而不是工艺的具体实施过程。由于SOC(系统芯片)的出现,给IC设计者提出了更高的要求,也面临着新的挑战:设计者不仅要懂系统、电路,也要懂工艺、制造。,1.1 引言,半导体材料:硅1 电阻率: 从电阻率上分,固体分为三大类。在室温下: 金属: 10E4 cm2 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,且变化不明显。但硅的导电能力随温度上升而增加,且变化非常明显。,3半导体的导电能力随所含的微量杂质而发生显著变化 一般材料纯度在
3、99.9已认为很高了,有0.1的杂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:21400cm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:0.2cm。因此,可利用这一性质通过掺杂质的多少来控制硅的导电能力。4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、磁场的作用而发生变化,6 P型和N型半导体两种载流子:带负电荷的电子和带正电荷的空穴。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:T300K当硅中掺入族元素P时,硅中多数载流子为电子,这种半导体称为N型半导体。当硅中掺入族元素B时,硅中多数载流子为空穴,这种半导体称为P
4、型半导体。,集成电路制造工艺,集成电路是经过很多道工序制成的。其中最基础的工艺有:生产所需类型衬底的硅圆片工艺;确定加工区域的光刻工艺;向芯片中增加材料的氧化、淀积、扩散和离子注入工艺;去除芯片上的材料的刻蚀工艺。集成电路的制造就是由这些基础工艺的不同组合构成的。,硅圆片工艺,晶片: 只含有极少“缺陷”的单晶硅衬底圆片。,“切克劳斯基法”生长单晶硅,“切克劳斯基法”:将一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融硅中,然后在旋转籽晶的同时缓慢地把其从熔融硅中拉起。结果,就形成圆柱形的大单晶棒。生长时,可在熔融硅中掺入杂质来获得期望的电阻率 。,200mm商用直拉单晶硅,切割后、加工过电路的硅圆片,单晶硅棒 (
5、400mm),大单晶棒切成薄的圆片(wafer),在大多数CMOS工艺中,圆片的电阻率为0.05到0.1cm,厚度约为500到1000微米。,chip,硅片直径变大的好处,集成电路制造工艺简介一、氧化工艺一个MOS集成电路中,主要元件是;PMOS,NMOS,R,C,L及连线。MOS是Metal Oxide Semiconductor Silicon的缩写。MOS管有三种主要材料:金属、二氧化硅及硅构成。,氧化炉,改进的氧化炉,氧化:制备SiO2层SiO2的性质及其作用SiO2是一种十分理想的电绝缘材料,它的化学性质非常稳定,室温下它只与氢氟酸发生化学反应。氧化硅层的主要作用在MOS电路中作为M
6、OS器件的绝缘栅介质,器件的组成部分扩散时的掩蔽层,离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层作为集成电路的隔离介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料,SiO2的制备方法,热氧化法干氧氧化水蒸汽氧化湿氧氧化干氧湿氧干氧(简称干湿干)氧化法氢氧合成氧化化学气相淀积法热分解淀积法溅射法,进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图,二、掺杂工艺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向体内作用的。目前,有两种掺杂方式:扩散和离子注入。,1. 扩散:扩散炉与氧化炉基本相同,只是将要掺入的杂质如P或B的
7、源放入炉管内。扩散分为两步:STEP1 预淀积:将浓度很高的一种杂质元素P或B淀积在硅片表面。STEP2 推进:在高温、高压下,使硅片表面的杂质扩散到硅片内部。实验分析表明:P的浓度分布可由下式表示:其中,NT:预淀积后硅片表面浅层的P原子浓度 D:P的扩散系数 t :扩散时间 x:扩散深度只要控制NT 、T、t 三个因素就可以决定扩散深度及浓度。,扩 散,替位式扩散:杂质离子占据硅原子的位:、族元素一般要在很高的温度(9501280)下进行磷、硼、砷等在二氧化硅层中的扩散系数均远小于在硅中的扩散系数,可以利用氧化层作为杂质扩散的掩蔽层。间隙式扩散:杂质离子位于晶格间隙:Na、K、Fe、Cu、
8、Au 等元素扩散系数要比替位式扩散大67个数量级,杂质横向扩散示意图,固态源扩散:如B2O3、P2O5、BN等,利用液态源进行扩散的装置示意图,2、离子注入,离子注入:将具有很高能量的杂质离子射入半导体衬底中的掺杂技术,掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定,掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。 掺杂的均匀性好温度低:小于600可以精确控制杂质分布可以注入各种各样的元素横向扩展比扩散要小得多。可以对化合物半导体进行掺杂,离子注入系统的原理示意图,离子注入到无定形靶中的高斯分布情况,Rp:平均浓度p:穿透深度的标准差Nmax=0.4NT/ pNT:单位面积注入的离子数,即离子注入剂量,离子
9、注入的分布有以下两个特点:1离子注入的分布曲线形状(Rp,p),只与离子的初始能量E0有关。并杂质浓度最大的地方不是在硅的表面,X0处,而是在XRp处。2离子注入最大值Nmax与注入剂量NT有关。 而E0与NT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深度。,三、化学汽相淀积(CVD),化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition):通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。CVD技术特点:具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要
10、的各种薄膜,例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等,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PSG等。,1、金属化工艺 淀积铝也称为金属化工艺,它是在真空设备中进行的。在硅片的表面形成一层铝膜。,2、淀积多晶硅淀积多晶硅一般采用化学汽相淀积(LPCVD)的方法。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,经过足够长的时间,便可在硅表面淀积一层高纯度的多晶硅。 淀积PGS与淀积多晶硅相似,只是用不同的化学反应过程。,采用 在700C的高温下,使其分解:,化学汽相淀积(CVD),常压化学汽相淀积(APCVD)低压
11、化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积(PECVD),APCVD反应器的结构示意图,LPCVD反应器的结构示意图,平行板型PECVD反应器的结构示意图,化学汽相淀积(CVD),单晶硅的化学汽相淀积(外延):一般地,将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延,生长有外延层的晶体片叫做外延片。二氧化硅的化学汽相淀积:可以作为金属化时的介质层,而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜,甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源。 低温CVD氧化层:低于500中等温度淀积:500800高温淀积:900左右,化学汽相淀积(CVD),多晶硅的化学汽相淀积:利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MO
12、S集成电路技术的重大突破之一,它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高,而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入,使MOS集成电路的集成度得到很大提高。氮化硅的化学汽相淀积:中等温度(780820)的LPCVD或低温(300) PECVD方法淀积。,物理气相淀积(PVD),蒸发:在真空系统中,金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子,淀积在晶片上。按照能量来源的不同,有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种。溅射:真空系统中充入惰性气体,在高压电场作用下,气体放电形成的离子被强电场加速,轰击靶材料,使靶原子逸出并被溅射到晶片上。,四、钝化工艺在集成电路制作好以后,为
13、了防止外部杂质,如潮气、腐蚀性气体、灰尘侵入硅片,通常在硅片表面加上一层保护膜,称为钝化。目前,广泛采用的是氮化硅做保护膜,其加工过程是在450C以下的低温中,利用高频放电,使 和 气体分解,从而形成氮化硅而落在硅片上。,五、光刻工艺光刻工艺是完成在整个硅片上进行开窗的工作。掩膜版和光刻胶: 掩膜版:亮版和暗版 光刻胶:正胶和负胶,几种常见的光刻方法接触式光刻:分辨率较高,但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光:在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025m),可以大大减小掩膜版的损伤,分辨率较低。投影式曝光:利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法,目前用的最多的曝光方
14、式。,三种光刻方式,掩膜版,光学系统,光源,光刻胶,硅片,接触式,接近式,投影式,光刻过程如下:1涂光刻胶2掩膜对准3曝光4显影5刻蚀:采用干法刻蚀(Ery Eatching)6去胶:化学方法及干法去胶 (1)丙酮中,然后用无水乙醇 (2)发烟硝酸 (3)等离子体的干法刻蚀技术,光刻工艺的发展:70年代的光刻只能加工35 m线宽,4 5 wafer。那时的光刻机采用接触式的。如:canon,采用紫外线光源,分辨率较低。80年代发明了1:1投影式光刻机,可加工12m线宽,56wafer。代表产品有美国的Ultrotec。 存在问题是:(1)Mask难做,要求平坦,不能有缺陷。(2)Wafer与M
15、ask之间有间隙,使一些尘埃颗粒加入,造成影响。另外,有光折射产生。,80年代后期出现了Wafer Stepper,10:1或5:1,使芯片加工进入了0.8 m的时代。代表产品有:美国的GCA,日本的Canon,Nikon及荷兰的ASM。另外,美国的KLA更加先进,它带有Mask检查及修正系统。它将Mask上的图形缩小5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,但是用的是g-line,波长在436nm,可加工:0.81.0 m (大生产),0.50.8 m (科研)芯片。,90年代对Stepper的改进大致两个方面,一是在光源上:(1)用I-line的紫外线,波长在365
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