芯片制造中的扩散工艺.docx

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1、芯片制造中的扩散工艺目录1 .半导体制造工艺概述21. 1.概述21.2. 光刻工艺31.3. 掺杂工艺31.4. 膜层生长工艺41.5. 热处理工艺42 .半导体芯片制造工艺过程52. 1.概述53. 2.增层64. 3.光刻65. 4.掺杂76. 5.热处理77. 6.电路设计88. 7.光刻母版和掩膜版99. 8.晶圆测试910. 9.集成电路的封装103 .什么是芯片制造中的扩散工艺？104 .半导体芯片工艺中的掺杂一一扩散和离子注入114.1概述114.2.扩散114.3.离子注入135.扩散工艺常见问题分析155.1.硅片表面不良155.2.漏电流大165.3.薄层电阻偏差175.

2、4.器件特性异常175.4.1.击穿点压异常175.4.2.Hfe异常原因185.4.3.电阻呈非线性181 .半导体制造工艺概述1.1. 概述半导体制造工艺是集成电路实现的手段，也是集成电路设计的基础。自从1948年晶体管发明以来，半导体器件工艺技术的发展经历了三个主要阶段：1950年采用合金法工艺，第一次生产出了实用化的合金结三极管；1955年扩散技术的采用是半导体器件制造技术的重大发展，为制造高频器件开辟了新途径；1960年平面工艺和外延技术的出现是半导体制造技术的重大变革，不但大幅度地提高了器件的频率、功率特性，改善了器件的稳定性和可靠性，而且也使半导体集成电路的工业化批量生产得以成为

3、现实。目前平面工艺仍然是半导体器件和集成电路生产的主流工艺。在半导体制造工艺发展的前35年，特征尺寸的缩小是半导体技术发展的一个标志，有效等比缩小(SCaHng-down)的努力重点集中在通过提高器件速度以及在成品率可接受的芯片上集成更多的器件和功能来提高性能。然而，当半导体行业演进到45nm节点或更小尺寸的时候，器件的等比缩小将引发巨大的技术挑战。其中两大挑战是不断增长的静态功耗和器件特性的不一致性。这些问题来源于CMOS工艺快要到达原子理论和量子力学所决定的物理极限。集成电路制造就是在硅片上执行一系列复杂的化学或者物理操作，简单讲，这些操作可以分为四大基本类：薄膜制作(Iayer)、刻印(

4、Pattern)、刻蚀和掺杂。这些在单个芯片上制作晶体管和加工互连线的技术综合起来就成为半导体制造工艺。1.2. 光刻工艺光刻是通过一系列生产步骤将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。被除去的部分可能形状是薄膜内的孔或是残留的岛状部分。光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，且在晶圆表面的位置要正确，而且与其他部件的关联也正确。通过光刻过程，最终在晶圆片上保留特征图形的部分。有时光刻工艺又被称为PhOtOmaSking,Masking,Photo1ithographyMicro1ithography,是半导体制造工艺中最关键的。在

5、光刻过程中产生的错误可造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响。1.3. 掺杂工艺硅片中的掺杂区丫？体制适技术byMkhac1QuirkandJu1ianSCniU电磊学凝微电f教耕案半寻住段务工邑师掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺过程，它有两种实现方法：热扩散（therma1diffusion）和离子注入（imp1antation）。热扩散是在Ioo（TC左右高温下发生的化学反应，晶圆暴露在一定掺杂元素气态下。扩散的简单例子就如同除臭剂从压力容器内释放到房间内。气态下的掺杂原子通过扩散化学反应迁移到暴露的晶圆表面，形成一层薄膜，在芯片应用中，热扩散也称为固

6、态扩散，因为晶圆材料是固态的。热扩散是一个化学反应过程。而离子注入是一个物理反应过程。晶圆被放在离子注入机的一端，掺杂离子源（通常为气态）在另一端。在离子源一端，掺杂体原子被离子化（带有一定的电荷），被电场加到超高速，穿过晶圆表层。原子的动量将掺杂原子注入晶圆表层，就好像一粒子弹从枪内射入墙中。掺杂工艺的目的是在晶圆表层内建立兜形区，或是富含电子（N型）或是富含空穴（P型）。这些兜形区形成电性活跃区的PN结，在电路中的晶体管、二极管、电容器、电阻器都依靠它来工作。1.4. 膜层生长工艺在晶圆表面生成了许多的薄膜，这些薄膜可以是绝缘体、半导体或导体。它们由不同的材料组成，是使用多种工艺生长或淀积

7、的。这些主要的工艺技术是生长二氧化硅膜和淀积不同材料的薄膜。通用的淀积技术是化学气相淀积（CVD）.蒸发和溅射。1.5. 热处理工艺热处理是简单地将晶圆加热和冷却来达到特定结果的工艺。在热处理的过程中，晶圆上没有增加或减去任何物质，另外会有一些污染物和水汽从晶圆上蒸发。在离子注入工艺后会有一步重要的热处理。掺杂原子的注入所造成的晶圆损伤会被热处理修复，这称为退火，温度一般在IOOOC左右。另外，金属导线在晶圆上制成后会有一步热处理。这些导线在电路的各个器件之间承载电流。为了确保良好的导电性，金属会在450热处理后与晶圆表面紧密熔合。热处理的第三种用途是通过加热在晶圆表面的光刻胶将溶剂蒸发掉，从

8、而得到精确的图形。目前，随着微电子技术和集成电路产业的发展，集成在一块芯片上的器件数仍在持续增长。电路集成度提高的重要挑战就是半导体制造能力，即在可接受的成本下改善加工技术，以生产高集成度的甚大规模集成电路芯片。在硅片制造厂，硅片的生产需要23个月的工艺流程，完成400多道工艺步骤。在集成电路制造的4个阶段一原料制作、单晶生长和晶圆的制造、集成电路晶圆的生产以及集成电路的封装中，需要经过上面介绍的包括清洗、成膜、光刻、刻蚀、掺杂和热处理等步骤加工等一整套工艺。所以说芯片的制造也是最为复杂的流程与技术之一。每天一句话，送给在IC、泛IC和投资圈奋斗的你我，让我们共勉一一优秀的人，不是与生俱来就领

9、先一步，也不一定比别人更加幸运。他们中的多数，只是在任何一件小事上，都对自己有所要求，不因舒适而散漫放纵，不因辛苦而放弃追求。雕塑自己的过程，必定伴随着疼痛与辛苦，那一锤一凿的敲打，终能让我们收获一个更好的自己。2 .半导体芯片制造工艺过程1. 1.概述芯片作为这几年走入大众耳目的一个话题越来越被国家和人民重视。但是芯片到底是什么，如何设计、又是如何制作出来、又是如何被装入电脑、手机、汽车、甚至人脑里面。芯片种类很多，不单单指手机、电脑等常见集成芯片。按照功能可以分为：集成电路，光电子，分立器件和传感器，而且集成电路占到83%,所以大部分人都把集成电路看成半导体产业。以下依集成电路为例介绍：芯

10、片的制造，分为4个阶段：原料制作、单晶生长和晶圆的制造、集成电路晶圆的生产、集成电路的封装。带你讲解：集成电路晶圆生产(WaferfabriCatiOn)是在晶圆表面上和表面内制造出半导体器件的一系列生产过程。晶圆表面各部分的名称如下：(1)器件或叫芯片(Chip,die,device,circuit,microchip,bar)：这是指在晶圆表面占大部分面积的微芯片掩膜。(2)街区或锯切线(Seribe1ines,saw1ines,streets,avenues)：在晶圆上用来分隔不同芯片之间的街区。街区通常是空白的，但有些公司在街区内放置对准靶，或测试的结构。(3)工程试验芯片(Engin

11、eeringdie,testdie)：这些芯片与正式器件(或称电路芯片)不同。它包括特殊的器件和电路模块用于对晶圆生产工艺的电性测试。(4)边缘芯片(Edgedie)：在晶圆的边缘上的一些掩膜残缺不全的芯片。由于单个芯片尺寸增大而造成的更多边缘浪费会由采用更大直径晶圆所弥补。推动半导体工业向更大直径晶圆发展的动力之一就是为了减少边缘芯片所占的面积。(5)晶圆的晶面(WaferCrysta1P1ane)：图中的剖面标明了器件下面的晶格构造。此图中显示的器件边缘与晶格构造的方向是确定的。(6)晶圆切面/凹槽(Waferf1ats/notche)：图中的晶圆有主切面和副切面，表示这是一个P型V1O0

12、晶向的晶圆(参见第3章的切面代码)。300毫米晶圆都是用凹槽作为晶格导向的标识。芯片制造企业使用4种最基本的工艺方法，通过大量的工艺顺序和工艺变化制造出特定的芯片。这些基本的工艺方法是：增层、光刻、掺杂和热处理。2. 2.增层增层是在晶圆表面形成薄膜的加工工艺。从下图的简单MOS晶体管，可以看出在晶圆表面生成了许多的薄膜。下表列出了常见的薄膜材料和增层工艺。其中每项的具体情况、各种薄膜在器件结构内的功用等，在本书的后面章节中有阐述。表1薄层分类/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；

13、铝/硅合金；铝铜合金；银铭铁合金；黄金铐；钛；钳；铝/硅合金；铝铜合金3. 3.光刻光刻是通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺光刻加工过程光刻生产的目标是根据电路设计的要求，生成尺寸精确的特征图形，且在晶圆表面的位置要正确，而且与其他部件的关联也要正确。光刻是所有4个基本工艺中最关键的。光刻确定了器件的关键尺寸。-光刻过程中的错误可能造成图形歪曲或套准不好，最终可转化为对器件的电特性产生影响，图形的错位也会导致类似的不良结果。.光刻工艺中的另一个问题是缺陷。光刻是高科技版本的照相术，只不过是在难以置信的微小尺寸下完成的。在制程中的污染物会造成缺陷。事实上由于光刻在晶圆生产过程

14、中要完成5层至20层或更多，所以污染问题将会被放大。2. 4.掺杂掺杂是将特定量的杂质通过薄膜开口引入晶圆表层的工艺过程。掺杂有两种工艺方法：热扩散和离子注入，将后面详细阐述。(1)热扩散热扩散是在IOOOC左右的高温下，发生的化学反应。它是一个化学反应过程。晶圆暴露在一定掺杂元素气态下。扩散的简单例子就如同除臭剂从压力容器内释放到房间内。气态下的掺杂原子通过扩散化学反应迁移到暴露的晶圆表面，形成一层薄膜。在芯片应用中，热扩散也被称为固态扩散，因为晶圆材料是固态的。(2)离子注入离子注入是一个物理反应过程。晶圆被放在离子注入机的一端，掺杂离子源(通常为气态)在另一端。在离子源一端，掺杂体原子被

15、离子化(带有一定的电荷)，被电场加到超高速，穿过晶圆表层。原子的动量将掺杂原子注入晶圆表层，就好像一粒子弹从枪内射入墙中。3. 5.热处理热处理是简单地将晶圆加热和冷却，来达到特定结果的制程。在热处理的过程中，在晶圆上没有增加或减去任何物质，另外会有一些污染物和水汽从晶圆上蒸发。(1)在离子注入制程后会有一步重要的热处理。掺杂原子的注入所造成的晶圆损伤会被热处理修复，这称为退火，温度在IoO(TC左右。(2)另外，金属导线在晶圆上制成后会也会进行热处理。这些导线在电路的各个器件之间承载电流。为了确保良好的导电性，金属会在450C热处理后与晶圆表面紧密熔合。(3)热处理的第三种用途是：通过加热在晶圆表面的光刻胶，将溶剂蒸发掉，从而得到精确的图形。2.6.电路设计电路设计是产生芯片整个过程的第一步。(1)电路设计由布局、尺寸设计、设计电路上一块块的功能电路图开始，例如逻辑功能图(见下图)，这个逻辑图设计了电路要求的主要功能和运算。(2)接下来，设计人员将逻辑功能图转化为示意图(参见下图)，示意图标示出了各种电路元件的数量和连接关系。每一个元件在图上由符号代表。附在示意图后的是电路运行必需的电性能参数(电路