第二章 cmos集成电路制造工艺

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------第二章CMOS集成电路制造工艺人类社会已经进入硅器时代！一、半导体材料-硅1、什么是半导体？6-1固体材料：超导体:大于10(Ωcm)从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制导64-1体:10~10(Ωcm)4-10-1半导体:10~10(Ωcm)-10-1绝缘体:小于10(Ωcm)从沙子(硅)到晶圆沙子硅单晶棒

2、硅片地球上丰富度仅次于氧的硅是天然半导体，先拉成晶锭，后制作出晶圆3、半导体硅特性1）纯净的硅电导率随温度的上升而指数增加（不同于金属）2）两种载流子参加导电3）硅中杂质的种类和数量决定它的电导率4）掺杂元素、光照、高能电子注入会使得纯净的硅导电能力显著增加5）在半导体材料中可以实现非均匀掺杂——————————————————————————————————————-----------------------------------------------------------------------

3、-------------------------4、硅的结构金刚石结构硅共价键结构2.1半导体材料—硅5、P型硅和N型硅Ⅴ族元素：P、As、SbШ族元素:B、Al、Ga硅基集成电路:以硅单晶片为单位制作平面工艺，多层加工chip硅片(wafer)NMOS晶体管截面图纵向：3层结构横向：3个区4个电极，四端器件二、芯片具体工艺步骤z制膜:制作各种材料的薄膜。如SiO2、互连线氧化工艺：干氧氧化、湿氧氧化等淀积工艺：CVD（APCVD、LPCVD、PECVD）PVD（蒸发、溅射）z掺杂：改变材料的电阻率或杂质

4、类型扩散工艺、离子注入、退火z图形转换：将掩膜版上的图形转移到半导体单晶片上光刻工艺：接触光刻、接近光刻、投影光刻刻蚀：干法刻蚀、湿法刻蚀二、氧化膜的性质1）理想的电绝缘材料：Eg大于8eV——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------2）化学性质非常稳定3）室温下只与氢氟酸发生化学反应4

5、）能很好地附在大多材料上5）可生长或淀积在硅圆片上三、氧化膜的用途1）光刻掩蔽(选择扩散的掩蔽层，离子注入的阻挡层)2）MOS管的绝缘栅材料（gateoxide)3）电路隔离介质或绝缘介质，包括多层金属间的介质4）电容介质材料5）器件表面保护或钝化膜四、热氧化工艺1、干氧氧化：直接通氧气氧化剂：干燥氧气反应温度：900~1200℃反应式：Si+O2→SiO22、湿氧氧化：同时有氧气和水蒸气，载体气体如氮或氯氧化剂：高纯水（95℃左右）+氧气3、水汽氧化氧化剂：高纯水反应温度：高温反应式Si+2H2O→SiO

6、2+2H2——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图z三种氧化法比较—干氧氧化：结构致密但氧化速率极低—湿氧氧化：氧化速率高但结构略粗糙，制备厚二氧化硅薄膜—水汽氧化：结构粗糙---不可取z实际生产：—干氧氧化+湿氧氧化+干氧氧化5分钟+（视厚度而定）+

7、5分钟—常规三步热氧化模式既保证了SiO2表面和界面的质量，又解决了生长速率问题§2.2.2扩散工艺一、扩散工艺作用将需要的杂质掺入特定的半导体区域中，以达到改变半导体电学性质，形成PN结、电阻、欧姆接触—磷(P)、砷(As)——N型硅—硼(B)——————P型硅掺杂技术：1）扩散—高温过程（结较深，线条较粗）2）离子注入—常温下进行，注入后需要高温退火处理（结浅，线条细）1、扩散法z替位式扩散：杂质离子占据硅原子的位——————————————————————————————————————-------

8、-----------------------------------------------------------------------------------------–Ⅲ、Ⅴ族元素–一般要在很高的温度(950～1280℃)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z间隙式扩散：杂质离子位于晶格间隙–Na、K、Fe、Cu、Au等元素–扩散系数要