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1、第二章 半导体制造工艺,白雪飞 中国科学技术大学电子科学与技术系,硅制造 光刻技术 氧化物生长和去除 扩散和离子注入 硅淀积和刻蚀 金属化 组装,提纲,2,硅制造,冶金级多晶硅 石英矿和碳加热至2000，得到液态熔融硅 冷却后形成由大量细小晶粒结合在一起的多晶硅 SiO2 + 2C Si + 2CO 半导体级多晶硅 冶金级硅与HCl气体在高温和催化剂下反应，生成三氯硅烷SiHCl3 三氯硅烷常温下为液态，经蒸馏提纯 用氢气将纯净的三氯硅烷还原为多晶硅单质 SiHCl3 + H2 Si + 3HCl,多晶硅制造,4,Czochralski (CZ) 工艺,晶体生长,5,晶体生长过程,6,硅锭,7
2、,单晶硅锭,晶圆制造工序 切除硅锭两端锥形头 打磨硅锭至合适直径 确定晶向，打磨晶向标记平面 切片，得到晶圆 (Wafer) 抛光 倒角 晶向 晶圆表面方向决定了晶圆的很多特性 不同切割方向暴露出的原子结构不同，形成电子器件的电学特性也不同,晶圆制造,8,晶圆成品,9,300mm晶圆和Pizza,晶圆成品,硅晶圆的解理特征,10,光刻技术,淀积和刻蚀 大多数淀积和刻蚀工艺不具有选择性 少数选择性工艺的速度太慢或成本过于高昂 光刻 复杂图形照相式的复制到晶圆表面 所得版式可以用于选择性的阻挡淀积或刻蚀,光刻技术,12,光刻胶 一种光敏乳胶剂 对一定波长的光非常敏感 粘附于晶圆上形成均匀薄膜 溶剂
3、蒸发并烘烤后变硬便于处理 正胶 曝光的正胶在紫外线下分解，变得可溶 未曝光的负胶在显影液中不可溶 正胶使用更多 负胶 曝光的负胶在紫外线下聚合，变得不可溶 未曝光的负胶在特定溶剂中可溶,光刻胶,13,曝光简图,曝光,14,显影剂 由有机溶剂的混合物组成 可溶解部分光刻胶 显影 显影剂溶解部分光刻胶，暴露出晶圆表面 淀积或刻蚀只能影响到暴露的区域 定影 用更具腐蚀性的溶剂混合物剥除光刻胶 或者在氧气氛围中采用反应离子刻蚀对光刻胶进行化学破坏 光刻胶不能作为能够抵挡高温的掩模层,显影,15,氧化物生长和去除,二氧化硅的特性 能够形成性能良好的二氧化硅 可以通过在氧化气氛中简单加热生长 能够抵抗大多
4、数普通溶剂 易溶于氢氟酸溶液 极好的绝缘体 氧化工艺 干法：在纯净干燥的氧气中加热，速度缓慢，质量很高，用于器件 湿法：在氧气混合水蒸气中加热，速度加快，质量降低，用于场氧化层 淀积：在非硅材料上形成二氧化硅，通过气态硅化合物和气态氧化剂反应值得，用于两层导体之间的绝缘层或保护层,二氧化硅和氧化工艺,17,氧化炉简图,18,氧化物去除,19,湿法刻蚀 使用稀释的氢氟酸溶液 干法刻蚀 反应离子刻蚀 (RIE) 等离子刻蚀 化学气相刻蚀,氧化物刻蚀,20,反应离子刻蚀,21,对晶圆表面形貌的影响,22,氧化分凝机制,23,杂质增强氧化效应,24,硅的局部氧化 (LOCOS),25,Kooi效应,2
5、6,扩散和离子注入,扩散工艺,28,磷扩散工艺,29,横向扩散,30,改变扩散速率的机制,31,离子注入,32,自对准源漏区,33,硅淀积和刻蚀,单晶硅 在暴露的单晶硅表面，可以淀积单晶硅薄膜 多晶硅 在氧化物或氮化物薄膜上，将形成多晶硅,硅淀积,35,低压化学气相淀积 (LPCVD),外延,36,N型埋层 (NBL) 的形成,掩埋层形成及外延,37,硅介质隔离,38,浅槽隔离,39,金属化,单层金属系统,41,铝淀积,42,蒸铝的台阶覆盖,43,难熔阻挡金属(RBM)溅射,44,塞状钨通孔系统,45,硅化,46,现代金属化系统,47,铝的缺点 电阻比铜大，在亚微米工艺下表现明显 电迁徙问题 铜的优点 导电性能好 提高抗电迁徙特性,铜金属化,48,双大马士革工艺,49,功率铜,50,组装,晶圆结构,52,DIP-8线框简图,安装与键合,53,球焊工艺,54,塑模成形 修整引线 标记芯片型号、号码、其他标识码等 测试 包装,封装,55,本章结束,