西安交通大学：《芯片制造－半导体工艺实用教程》 第四章 芯片制造概述

第四章芯片制造概述 概述本章将介绍基本芯片生产工艺的概况, 主要阐述4中最基本的平面制造工艺,分别是: 薄膜制备工艺掺杂工艺光刻工艺热处理工艺 薄膜制备是在晶体表面形成薄膜的加工工艺。 图44是MOS晶体管的剖面图,可以看出上面有 钝化层<SisN4、AO3)、金属膜(A)、氧化层(SiO2) 制备这些薄膜的材料有:半导体材料(Si、 GaAs等),金属材料(Au、A等),无机绝缘 材料(SO2、SiN4、AO3等),半绝缘材料 (多晶硅、非晶硅等)

第四章 芯片制造概述 概述 本章将介绍基本芯片生产工艺的概况， 主要阐述4中最基本的平面制造工艺，分别是： 薄膜制备工艺 掺杂工艺 光刻工艺 热处理工艺 薄膜制备 是在晶体表面形成薄膜的加工工艺。 图4.4是MOS晶体管的剖面图，可以看出上面有 钝化层(Si3N4、Al2O3)、金属膜(Al)、氧化层(SiO2) 制备这些薄膜的材料有：半导体材料（Si、 GaAs等），金属材料（Au、Al等），无机绝缘 材料（ SiO2 、Si3N4 、Al2O3 等），半绝缘材料 （多晶硅、非晶硅等）

生长工艺如图所示。其中蒸发工艺、溅射等 可看成是直接生长法-以源直接转移到衬底上 形成薄膜;其它则可看成是间接生长法-制备 薄膜所需的原子或分子,由含其组元的化合物, 通过氧化、还原、热分解等反应而得到。 增层的制程 淀积 钝化层 淀积 金属膜 生长法 淀积法 生长 氧化工艺 化学气相淀积工艺 氧化层 P 氮化硅工艺 蒸发工艺 溅射

生长工艺如图所示。其中蒸发工艺、溅射等 可看成是直接生长法------以源直接转移到衬底上 形成薄膜；其它则可看成是间接生长法-----制备 薄膜所需的原子或分子，由含其组元的化合物， 通过氧化、还原、热分解等反应而得到。 淀积 钝化层 淀积 金属膜 生长 氧化层 N N P 增层的制程 生长法 淀积法 氧化工艺 化学气相淀积工艺 氮化硅工艺 蒸发工艺 溅射

薄膜分类/工艺与材料的对照表 热氧化化学气相 层别 工艺 淀积工艺 蒸发工艺 溅射工艺 绝缘层 二氧化硅 二氧化硅 氧化硅 氮化硅 氧化硅 半导体层 外延单晶硅 多晶硅 导体层 铝/硅合金钛 铝铜合金 钼 镍铬铁合金铝/硅合金 黄金 铝铜合金

薄膜分类/工艺与材料的对照表 层别 热氧化 工艺 化学气相 淀积工艺 蒸发工艺 溅射工艺 绝缘层 二氧化硅 二氧化硅 氮化硅 二氧化硅 一氧化硅 半导体层 外延单晶硅 多晶硅 导体层 铝 铝 硅合金 / 铝铜合金 镍铬铁合金 黄金 钨 钛 钼 铝 硅合金 / 铝铜合金

光刻利用光刻胶的感光性和耐蚀性,在各种薄膜 上复印并刻蚀出与掩摸版完全对应的几何图形 以实现选择性掺杂和金属膜布线的目的。是一种 非常精细的表面加工技术,在器件生产过程中广 泛应用,因此光刻精度和质量将直接影响器件的 性能指标,同时也是影响制造成品率和可靠性的 重要因素。光刻过程如图47所示。 光刻制程 正胶工艺-开孔 有薄膜的晶圆 或 负胶工艺一留岛

光刻 利用光刻胶的感光性和耐蚀性，在各种薄膜 上复印并刻蚀出与掩摸版完全对应的几何图形。 以实现选择性掺杂和金属膜布线的目的。是一种 非常精细的表面加工技术，在器件生产过程中广 泛应用，因此光刻精度和质量将直接影响器件的 性能指标，同时也是影响制造成品率和可靠性的 重要因素。光刻过程如图4.7所示。 有薄膜的晶圆 光刻制程 正胶工艺 开孔 - 或 负胶工艺 留岛 -

掺杂人为地将所需要的 杂质以一定的方式(热扩 散、离子注入)掺入到硅 片表面薄层,并使其达到 热扩散 规定的数量和符合要求的 分布形式,是改变器件 “丛向”结构的重要手段 不仅可以制造PN结,还 可以制造电阻、互连线等 和外延掺杂的最大区别是离子源一- 实现“定域”,而不是大 面积的均匀掺杂。如图 49所示。 离子注入

掺杂 人为地将所需要的 杂质以一定的方式（热扩 散、离子注入）掺入到硅 片表面薄层，并使其达到 规定的数量和符合要求的 分布形式，是改变器件 “丛向”结构的重要手段， 不仅可以制造PN结，还 可以制造电阻、互连线等。 和外延掺杂的最大区别是 实现“定域” ，而不是大 面积的均匀掺杂。如图 4.9所示。 热扩散 离子源 离子注入

图49晶片表面的N型和P型掺杂区的构成 有氧化膜 的晶圆 掺杂的N型 和P型区域

图4.9 晶片表面的N型和P型掺杂区的构成 有氧化膜 的晶圆 掺杂的 型N 和 型区域 P

热处理热处理是简单地将硅片加热和冷却来达 到特定结果的一个工艺,在热处理过程中,在晶 园上不但没有增加或减去任何物质,反而会有 些污染物和水气从晶园上蒸发。 实际上这个工艺主要是针对离子注入的,因 为离子注入后注入离子会在晶体内部产生很多缺 陷,必须通过退火才能给予消除

热处理 热处理是简单地将硅片加热和冷却来达 到特定结果的一个工艺，在热处理过程中，在晶 园上不但没有增加或减去任何物质，反而会有一 些污染物和水气从晶园上蒸发。 实际上这个工艺主要是针对离子注入的，因 为离子注入后注入离子会在晶体内部产生很多缺 陷，必须通过退火才能给予消除

典型LS规模两层金属集成电路结构的剖面图 M2 M2 M2 M2 M1 装M 缓M1/ 感N图 务能 ∷钨插塞M=第一层金属M=第二层金属

典型VLSI规模两层金属集成电路结构的剖面图 内连接 平坦化 的氧化层 场氧化层 多晶硅 功能区 :: 插塞 钨 M1 = 一层金属 第 M2 = 二层金属 第 内连接 多晶硅

掩膜版 氧化 光刻胶 掩膜版-硅片 曝过光的 光刻胶 (场氧) 涂胶 准与曝光 光刻胶 显影 多 离子化的 氧化硅 光刻胶 氧化 多晶硅 多晶硅 刻蚀 去除 (栅氧化硅) 淀积 光刻与刻蚀 扫离子束 离子注入 有源区 氮化硅 接触 淀积 金属淀积与 刻蚀 刻蚀 图9.1CMOS工艺流程中的主要制造步骤(承蒙 Advanced Micro Devices公司允许使用)

集成电路多层布线结构图 METAL 7(Cu) PASSIVATION 2 METAL 6 (Cu) e METAL 5(Cu) METAL 4 (Cu) METAL 3(Cu) 曰 凵口曰 METAL 2(Cu) adha METAL 1(W)

集成电路多层布线结构图