(VLSI) 大规模集成电路 制造技术

1. (VLSI)大规模集成电路制造技术 • 重庆邮电学院 • 杨虹 光电工程学院

2. 目录 绪论 第一章衬底制备 第二章外延 第三章氧化 第四章光刻 第五章制版 第六章扩散 第七章隔离 第八章 电极制备及封装

3. 绪论 • 一、概念 • 集成电路（Integrated Circuits）――就其本质来说，是将晶体管、二极管等有源元件和电阻器、电容器等无源元件按一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片上，完成特定的电路或系统的功能。

4. 功能要求 行为设计（VHDL） 否 行为仿真 是 综合、优化——网表 否 时序仿真 是 布局布线——版图 后仿真 否 是 Sing off 集成电路芯片设计过程框架

5. 二、集成电路技术的发展 • 早在第二次世界大战期间，在陶瓷基片上制成的电阻阵列应是第一次集成化电路。 • 1948年，晶体管的发明产生了一次质的飞跃。此后不久，就出现了锗集成电路。

6. 集成电路是在平面晶体管发明以后，伴随着其它技术的发展才真正地发展起来。第一个有重要意义的突破是在硅片上热生长具有优良电绝缘性能、又能掩蔽杂质扩散的二氧化硅层。集成电路是在平面晶体管发明以后，伴随着其它技术的发展才真正地发展起来。第一个有重要意义的突破是在硅片上热生长具有优良电绝缘性能、又能掩蔽杂质扩散的二氧化硅层。

7. 50年代中期以后，又将印刷照相业中的光刻技术和透镜制造业中的薄膜蒸发技术引进到半导体工业中来，它们和扩散、外延等技术相结合，奠定了一整套集成电路制造工艺技术。50年代后期，集成电路的主要技术已基本形成。50年代中期以后，又将印刷照相业中的光刻技术和透镜制造业中的薄膜蒸发技术引进到半导体工业中来，它们和扩散、外延等技术相结合，奠定了一整套集成电路制造工艺技术。50年代后期，集成电路的主要技术已基本形成。

8. 1958年，制成了第一只单片集成电路。与以往电子装备相比，在缩小体积，降低成本，提高可靠性，降低功耗，提高速度，提高集成度等方面都体现了巨大的优越性。此后20年，集成电路进入“黄金”时期，发展速度惊人。集成度几乎每年翻一翻。1958年，制成了第一只单片集成电路。与以往电子装备相比，在缩小体积，降低成本，提高可靠性，降低功耗，提高速度，提高集成度等方面都体现了巨大的优越性。此后20年，集成电路进入“黄金”时期，发展速度惊人。集成度几乎每年翻一翻。 • Moore定律

9. 集成电路按规模分类： • 1.小规模集成电路（SSI）：集成度在100元件或10个逻辑门以下，50年代末期。 • 2.中规模集成电路（MSI）：集成度在100－1000个元件或10－100个逻辑门，60年代。

10. 3.大规模集成电路（LSI）：集成度1000个元件或100个逻辑门以上，70年代。3.大规模集成电路（LSI）：集成度1000个元件或100个逻辑门以上，70年代。 • 4.超大规模集成电路（VLSI）：集成度105以上，70年代后期。 • 5.特大规模集成电路（ULSI－Ultra Large Scale Integrated Circuits）：集成度106以上，目前。

11. 系统需求 设计 掩膜版 芯片制造过程 芯片检测 封装 测试 单晶、外延材料 三. 集成电路制造过程

12. 第一章衬底制备 • 将用作器件衬底的单晶材料，经切片、研磨和抛光等工序，获得具有一定厚度和晶向、表面高度平整、光洁、没有损伤层的单晶薄片。这种单晶材料的加工过程称为衬底制备。

13. 一．衬底材料 • 衬底材料主要有三种类型： • 1、元素半导体（Si、Ge） • 2、化合物半导体（GaAs） • 3. 绝缘体（蓝宝石、尖晶石）

14. 二、切片 • 采用切片机将单晶锭切割成园片。

16. 硅片 由氧化、淀积、离子注入或蒸发形成新的薄膜或膜层 曝 光 用掩膜版 重复 20-30次 刻 蚀 测试和封装

18. 集成电路芯片的显微照片

19. 集成电路的内部单元(俯视图)

20. 三、研磨（磨片） • 切片后，表面存在一定程度（约20微米）的机械损伤层和表面形变，单晶片研磨就是除去切片时所造成的表面损伤和表面形变，使单晶片表面平整、光洁，并达到器件生产所要求的厚度。 • 研磨是利用大量硬度比被加工表面大的，具有复杂棱角的磨料，在外力的推动下，对被加工表面进行运动形式复杂的一种机械加工。

21. 四、抛光 • 抛光是一种表面微细加工技术。按作用可分为三种：机械抛光、化学抛光及化学机械抛光。

22. 1、机械抛光：与磨片一样，只是采用粒度更小的抛光料，同时抛光盘上覆盖抛光布（丝绒、海军呢或毛的确良等）进行软研磨。1、机械抛光：与磨片一样，只是采用粒度更小的抛光料，同时抛光盘上覆盖抛光布（丝绒、海军呢或毛的确良等）进行软研磨。 • 特点：平整度高，但功效低，材料消耗大，在表面留有与抛光料粒度相当的损伤层。

23. 2、化学抛光：利用化学作用进行表面加工的一种方式。分为液相抛光和汽相抛光。2、化学抛光：利用化学作用进行表面加工的一种方式。分为液相抛光和汽相抛光。 • 特点：液相（化学溶液）抛光速度快，表面光洁度高，没有残留损伤层，但平整度差。 • 汽相（腐蚀气体）抛光可以进一步消除抛光表面的残留损伤和应力。

24. 3、化学机械抛光：是利用化学腐蚀与机械作用相结合的表面精细加工技术。3、化学机械抛光：是利用化学腐蚀与机械作用相结合的表面精细加工技术。 • 特点：将化学抛光和机械抛光巧妙地结合起来，发挥各自的优点，克服各自的缺点。因而能获得质量更高的抛光面。 • 对Si的化学机械抛光，目前主要有铬离子抛光，二氧化硅化学机械抛光和铜离子抛光，其中以二氧化硅化学机械抛光效果最好，在生产中占主导地位。

25. 二氧化硅化学机械抛光是利用NaOH对硅进行腐蚀，使硅片表面的硅原子形成硅酸盐：二氧化硅化学机械抛光是利用NaOH对硅进行腐蚀，使硅片表面的硅原子形成硅酸盐： • Si+2NaOH+H2O→Na2SiO3+2H2↑ • Si+2NaOH+2H2O→Na2SiO4+3H2↑ • 通过微细柔软的二氧化硅微粒对硅片表面产生摩擦，使硅酸盐不断进入抛光液。

26. 沟道长度为0.15微米的晶体管

27. 栅长为90纳米的栅图形照片

28. 100 m 头发丝粗细 50m 30m 1m  1m (晶体管的大小) 90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较

29. 第二章 外 延 • 外延就是在一定的条件下，在一块经过仔细制备的单晶衬底片上，沿其原来的结晶方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层。 • 此单晶层叫外延层。

30. 同质外延： 生长的外延层与衬底材料相同。例如在硅衬底上外延硅，在GaAs衬底上外延GaAs。 • 异质外延： 生长的外延层在结构、性质上与衬底材料不同。如SiGe/Si异质结外延。 • 外延按生长机理可归纳为直接生长法和间接生长法

31. 直接生长法： 就是不经过中间化学反应，从源直接转移到衬底上，形成外延层。如分子束外延。 • 间接生长法： 就是生长外延层所需要的原子或分子是由含其组元的化合物（四氯化硅、三氯化砷等），经过还原、热分解等反应，沉积在衬底表面。如汽相外延等。

32. 本章着重介绍同质硅外延的生长机理，分析影响外延层生长速率和质量的主要因素，以及外延层参数检测手段。本章着重介绍同质硅外延的生长机理，分析影响外延层生长速率和质量的主要因素，以及外延层参数检测手段。

33. 第一节硅外延的基本原理 • 一、外延生长过程和热力学原理 • 下面以目前最广泛应用的氢还原四氯化硅体系，来说明同质硅外延的一般生长过程。

34. 氢还原四氯化硅法是以氢气作为还原剂和运载及稀释气体。在高温下，四氯化硅被氢气还原析出硅，其化学反应为：氢还原四氯化硅法是以氢气作为还原剂和运载及稀释气体。在高温下，四氯化硅被氢气还原析出硅，其化学反应为： • SiCL4（气）＋2H2（气）＝Si（固）＋4HCL（气）

35. 实际反应比较复杂，还有许多中间步骤，但可归纳为下列过程：实际反应比较复杂，还有许多中间步骤，但可归纳为下列过程： • （1）反应剂质量转移到生长层表面； • （2）把反应剂分子吸附在生长层表面； • （3）在生长层表面进行化学反应得到硅原子和其它附产物； • （4）附产物分子向主气流的质量转移； • （5）硅原子形成晶核或加接到晶核上。

36. 二、外延层的生长速率 • 1、生长速率和反应剂浓度的关系 • 在较小的反应剂浓度范围内，生长速率和反应剂浓度成正比，但它们之间并不成线性关系。比如，对SiCL4外延，开始时生长速率随SiCL4浓度的增加而增大，在某一浓度下达到最大值，以后再增加SiCL4浓度，其腐蚀作用就达到不可忽视的地步，腐蚀反应式为： • SiCL4（气）＋Si（固）＝2SiCL2（气）

37. 由于SiCL4的腐蚀作用，降低了有效生长速率，甚至使Si表面被腐蚀。因此SiCL4浓度不能取得太大。典型的生长速率为1微米/分钟，对应的SiCL4摩尔数只有1∽2％左右。由于SiCL4的腐蚀作用，降低了有效生长速率，甚至使Si表面被腐蚀。因此SiCL4浓度不能取得太大。典型的生长速率为1微米/分钟，对应的SiCL4摩尔数只有1∽2％左右。

38. 2、生长速率和外延温度的关系 • 在较高的温度下(1200°C)，生长层表面的化学反应进行得相当快，表面的反应剂分子基本全部被还原，外延生长速率主要取决于气体分子转移到生长层表面的快慢，称为质量转移控制过程。由于汽相质量转移系数对温度的变化不敏感，所以，在质量转移控制下，生长速率与温度的函数关系不明显。

39. 在较低的温度下(<1100°C) ，生长速率主要由源分子在生长层表面进行化学反应的快慢决定，因而称为表面反应控制过程，此时，生长速率随绝对温度的增加呈指数式急增。 • (<700°C)还原无法进行.

40. 所以，在生产上为了控制方便，外延生长通常采用较高的温度，以致温度的微小波动不会引起生长速率的显著变化。所以，在生产上为了控制方便，外延生长通常采用较高的温度，以致温度的微小波动不会引起生长速率的显著变化。 • (1150~1250°C)

41. 3、生长速率和衬底取向的关系 • 外延生长速率与衬底取向有关，在相同条件下，生长速率v[110]>v[100] >v[111]。 • [111]易控制,价格便宜.

42. 三、外延层中的掺杂 • 不同的半导体器件对外延层的导电类型、电阻率均有不同的要求，因此，外延工艺必然涉及到掺杂。

43. 掺杂就是在外延过程中加入杂质原子（主要是杂质原子的氢化物，如硼烷、砷烷、磷烷等，它们分解成杂质原子），使它取代晶格点阵上的Si原子，利用杂质原子多出的电子或空穴使外延层呈现一定的导电类型。如果掺Ⅲ族元素，外延层呈p型；如果掺Ⅴ族元素，外延层呈n型。掺杂剂量的大小决定外延层的电阻率。

44. 制膜与外延: • 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

45. 化学汽相淀积(CVD) • 1.常压化学汽相淀积(APCVD) • 2.低压化学汽相淀积(LPCVD) • 3.等离子增强化学汽相淀积(PECVD)

46. APCVD反应器的结构示意图

47. LPCVD反应器的结构示意图

48. 平行板型PECVD反应器的结构示意图

49. 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：500～800℃ • 高温淀积：900℃左右

50. 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MOS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。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MOS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(780～820℃)的LPCVD或低温(300℃) PECVD方法淀积