半導(dǎo)體器件物理ppt課件

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第四章集成電路制造工藝 1 2 3 芯片制造過程 4 圖形轉(zhuǎn)換 將設(shè)計在掩膜版 類似于照相底片 上的圖形轉(zhuǎn)移到襯底上 摻雜 根據(jù)設(shè)計的需要 將各種雜質(zhì)摻雜在需要的位置上 形成晶體管 接觸等 制膜 制作各種材料的薄膜 基本步驟 硅片準(zhǔn)備 外延 氧化 摻雜 淀積 刻蝕 光刻 5 硅片準(zhǔn)備 6 光刻 Lithography 圖形轉(zhuǎn)移 將設(shè)計在掩膜版 類似于照相底片 上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上 光刻的基本原理 利用光敏抗蝕涂層 光刻膠 發(fā)生光化學(xué)反應(yīng) 結(jié)合刻蝕方法在各種薄膜上生成合乎要求的圖形 以實現(xiàn) 形成金屬電極和布線或表面鈍化的目的 7 光刻工藝流程 8 光刻三要素 光刻膠 掩膜版和光刻機(jī) 光刻膠又叫光致抗蝕劑 它是由光敏化合物 基體樹脂和有機(jī)溶劑等混合而成的膠狀液體 光刻膠受到特定波長光線的作用后 導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變 正膠 曝光后可溶 分辨率高 在超大規(guī)模集成電路工藝中 一般只采用正膠 負(fù)膠 曝光后不可溶 分辨率差 適于加工線寬 3 m的線條 9 插圖fig 4 6 正膠 曝光后可溶負(fù)膠 曝光后不可溶 10 亮場版和暗場版 11 曝光的幾種方法 接觸式光刻 分辨率較高 但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷 接近式曝光 在硅片和掩膜版之間有一個很小的間隙 10 25mm 可以大大減小掩膜版的損傷 分辨率較低 投影式曝光 利用透鏡或反射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法 目前用的最多的曝光方式 特征尺寸 0 25 m 超細(xì)線條光刻技術(shù) 特征尺寸 0 10 m 甚遠(yuǎn)紫外線 EUV 電子束光刻X射線離子束光刻 特征尺寸 工藝水平的標(biāo)志 在保證一定成品率的最細(xì)光刻線條 12 圖4 7 13 圖形轉(zhuǎn)移 刻蝕技術(shù) 濕法刻蝕 利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行刻蝕的方法 濕法化學(xué)刻蝕在半導(dǎo)體工藝中有著廣泛應(yīng)用 磨片 拋光 清洗 腐蝕 優(yōu)點是選擇性好 重復(fù)性好 生產(chǎn)效率高 設(shè)備簡單 成本低 缺點是鉆蝕嚴(yán)重 對圖形的控制性較差 濕法刻蝕一般都是各向同性的 即橫向和縱向的腐蝕速率相同 14 干法刻蝕 主要指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基 處于激發(fā)態(tài)的分子 原子及各種原子基團(tuán)等 與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的 濺射與離子束銑蝕 通過高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕 各向異性性好 但選擇性較差 等離子刻蝕 PlasmaEtching 利用放電產(chǎn)生的游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng) 形成揮發(fā)物 實現(xiàn)刻蝕 選擇性好 對襯底損傷較小 但各向異性較差 反應(yīng)離子刻蝕 ReactiveIonEtching 簡稱為RIE 過活性離子對襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕 具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點 同時兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點 目前 RIE已成為VLSI工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù) 15 16 摻雜工藝 Doping 摻雜 將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中 以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì) 形成PN結(jié) 電阻 歐姆接觸 摻入的雜質(zhì)主要是 磷 P 砷 As N型硅硼 B P型硅摻雜工藝主要包括 擴(kuò)散 diffusion 離子注入 ionimplantation 17 18 擴(kuò)散 擴(kuò)散由雜質(zhì) 溫度物質(zhì)決定的擴(kuò)散系數(shù)來決定 替位式擴(kuò)散 溫度高 擴(kuò)散系數(shù)低 間隙式擴(kuò)散 溫度低 擴(kuò)散系數(shù)高 比替位式擴(kuò)散大6 7個數(shù)量級 必須嚴(yán)防間隙雜質(zhì)進(jìn)入擴(kuò)散 氧化 退火系統(tǒng) 選擇性擴(kuò)散 用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層 縱向擴(kuò)散的同時 存在橫向擴(kuò)散 0 8xj 擴(kuò)散方法主要有固態(tài)源擴(kuò)散和液態(tài)源擴(kuò)散 兩步擴(kuò)散法 事先進(jìn)行預(yù)擴(kuò)散 預(yù)淀積 再擴(kuò)散使擴(kuò)散層推進(jìn)到預(yù)期的深度 再擴(kuò)散 擴(kuò)散適于結(jié)較深 0 3 m 線條較粗 3 m 器件 19 插fig 13 fig 14 fig2 8擴(kuò)散方法 液態(tài)源擴(kuò)散 固態(tài)源擴(kuò)散 20 21 離子注入 將具有很高能量的雜質(zhì)離子射入半導(dǎo)體襯底中的摻雜技術(shù) 摻雜深度由注入雜質(zhì)離子的能量和質(zhì)量決定 摻雜濃度由注入雜質(zhì)離子的數(shù)目 劑量 決定 離子注入的深度由注入離子的能量和離子的質(zhì)量決定 可以得到精確結(jié)深 尤其是淺結(jié) 低溫 600oC 摻雜均勻性好 離子注入劑量可精確控制 重復(fù)性好 橫向擴(kuò)散比縱向擴(kuò)散小得多 可以注入各種各樣的元素并可以對化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜 多數(shù)注入離子停留在與硅晶格位置不一致的位置上 不具有電活性 需要退火處理 激發(fā)電活性 離子注入 22 23 24 退火 Annealing 退火 也叫熱處理 集成電路工藝中所有的在氮氣等不活潑氣氛中進(jìn)行的熱處理過程都可以稱為退火 激活雜質(zhì) 使不在晶格位置上的離子運動到晶格位置 以便具有電活性 產(chǎn)生自由載流子 起到雜質(zhì)的作用 消除損傷退火方式 爐退火 快速退火 脈沖激光法 掃描電子束 連續(xù)波激光 非相干寬帶頻光源 如鹵光燈 電弧燈 石墨加熱器 紅外設(shè)備等 25 氧化 Oxidation 氧化 制備SiO2層SiO2是一種十分理想的電絕緣材料 它的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定 室溫下它只與氫氟酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)熱氧化法干氧氧化水蒸汽氧化濕氧氧化干氧 濕氧 干氧 簡稱干濕干 氧化法氫氧合成氧化化學(xué)氣相淀積法濺射法 26 氧化硅層的主要作用 在MOS電路中作為MOS器件的絕緣柵介質(zhì) 器件的組成部分 擴(kuò)散時的掩蔽層 離子注入的 有時與光刻膠 Si3N4層一起使用 阻擋層 作為集成電路的隔離介質(zhì)材料 作為電容器的絕緣介質(zhì)材料 作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料 作為對器件和電路進(jìn)行鈍化的鈍化層材料 27 化學(xué)汽相淀積 CVD 化學(xué)汽相淀積 ChemicalVaporDeposition 通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過程 CVD技術(shù)特點 具有淀積溫度低 薄膜成分和厚度易于控制 均勻性和重復(fù)性好 臺階覆蓋優(yōu)良 適用范圍廣 設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點 CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜 例如摻雜或不摻雜的SiO2 多晶硅 非晶硅 氮化硅 金屬 鎢 鉬 等 28 常壓化學(xué)汽相淀積 APCVD 低壓化學(xué)汽相淀積 LPCVD 等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積 PECVD 29 物理氣相淀積 PVD 蒸發(fā) Evaporation 在真空系統(tǒng)中 金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子 淀積在晶片上 按照能量來源的不同 有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種 30 濺射 Sputtering 真空系統(tǒng)中充入惰性氣體 在高壓電場作用下 氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場加速 轟擊靶材料 使靶原子逸出并被濺射到晶片上 31 圖形轉(zhuǎn)移 光刻 接觸光刻 接近光刻 投影光刻 電子束光刻 刻蝕 干法刻蝕 濕法刻蝕摻雜 離子注入退火 擴(kuò)散制膜 氧化 干氧氧化 濕氧氧化等 CVD APCVD LPCVD PECVD PVD 蒸發(fā) 濺射 工藝小結(jié) 32 工藝集成 NMOS晶體管熱擴(kuò)散法制備工藝流程 33 集成電路制造工藝可分為光刻 摻雜 氧化 淀積四大類 每一類各包括什么工藝技術(shù) 光刻的工藝步驟是什么 思考題 34