微电子工艺综述和超净环境在线视频

诸位同学好

我是清华大学微纳研究所的钱鹤

我和吴华强老师

共同承担微纳加工技术

这门课的教学

很高兴有机会与大家共同学习

我今天要讲的是微纳加工技术

课程的第二章

微电子工艺综述和超净环境

首先让我们看

微电子工艺综述

微电子产业的主体是集成电路

让我们以集成电路产业为例

看一看微纳加工技术

在其中的作用

完成一款集成电路的研发和生产

需要三块工作

集成电路的设计 集成电路的制造

和测试封装

那么图中的方块的内容呢

就是集成电路制造

它是由一系列的微纳加工技术

组合完成的

那么集成电路的制造过程呢

实际上是很复杂的

典型的集成电路制造呢

需要几百步的微纳加工工艺

来完成

但是呢 归纳起来呢

这些微纳加工工艺呢

可以归纳成以下几类

第一呢是光刻

它呢 是先把在硅片上

涂上光刻胶

然后呢通过曝光显影的办法呢

把集成电路设计中

所设计的图形

也就是版图投影到

硅片上的光刻胶

光刻呢 是集成电路制造中

用的最多的一种微纳加工工艺

几乎每一种结构

都要用到这个光刻技术

来定义图形

第二类技术呢是刻蚀

它的作用呢

是除去裸露部分的硅

或者介质材料

从而把光刻胶上的图形呢

转移到硅片上

具体的工艺手段呢

又分为湿法腐蚀和干法刻蚀

第三类课时加工技术呢

是掺杂不同区域内

掺N型和P型的杂质呢

是构成微电子器件的基础

往硅片的特定的区域

掺杂的手段呢主要有两种

一种是离子注入

一种是热扩散

第四类这个微纳加工的手段呢

是热处理过程

这也是一类广泛应用的加工手段

它主要呢 包括热氧化

来制备介质膜

杂质的热扩散

离子注入后的热退火

以及硅化物形成

过程中的热处理等等

第五类这个加工技术呢

是介质膜的沉积

微电子器件和集成电路中

需要大量的各种介质层和隔离结构

所以呢 介质的制备呢

也是一种这个常用的手段

尤其是在低温下的制备

那么它的具体做法呢

是通过化学气相沉积

也就是CVD技术来实现的

第六种这个加工技术呢

是化学机械抛光

就是CMP

这是一种平坦化的技术

在现代集成电路中呢

布线中呢

我们也用它来做图形加工

就是所谓的大马士革工艺

那么这个工艺的具体过程呢

我们会在后续的课程中

详细给同学们介绍

第七类这个加工技术呢

是金属化

它的作用呢 是形成器件的引出电极

以及电路的互连线

金属化的手段呢

主要是溅射和电镀

整个集成电路制造的过程呢

就是根据目标器件

和电路结构的要求

循环往复的运用我上述说的

几类的微纳加工的手段

最后呢 达到目的

那么这幅图呢

给出了典型的 CMOS 器件电路

和器件的这个结构

我们微纳加工技术的目标呢

就是要制作出这样的一个结构

这幅图的底层呢

是 CMOS 器件及其隔离的结构

相应的制造过程呢

我们称之为前道工序

也就是Front end process

之上的部分呢

是互连线的部分

现在的集成电路

互连线呢 达到十层以上之多

而且是一个非常庞杂的网络

其最细的线宽呢

达到几十纳米

它的总长度加起来呢

到公里这个量级

所以是一个很复杂的制造过程

那么相应的制造过程呢

我们叫后道工序

就是backend process

结构的细节呢

同学们暂时可以不去追究

我们在后续的课程中呢

会详细的讲授

这里给同学们展示这幅图的目的呢

是希望同学们树立这样一个意识

就是微纳加工技术的运用呢

是为了形成目标结构服务的

在这个具体微纳加工

具体技术的选取和优化的过程中呢

我们首先需要明确的

就是目标器件

或者结构的加工的要求是什么

那么明确了这样一个要求呢

我们才能根据要求来选择

不同的加工技术

以及它的优化的方法

为了给同学们一个感性的认识呢

我们看一段集成电路制造过程中的

影像资料

硅片显影是为了移除曝光后的光刻胶

然后清洗，干燥

接着硅片用Plasma进行刻蚀

这样自由原子被暴露的氮化物刻蚀

光刻胶移除之后

硅圆片再次放进氧化炉

此时厚的氧化隔离层会在氮化物移除的地方进行生长

为了生长厚的氧化层

氧化物与氮化物结合物

被引入到硅片上，这样的隔离降低了表面与有源区之间的电流

通过显微镜观察，填充的氧化物为视野中白色分界线

它挡住了器件之间的电流

允许成千上万的晶体管坐落在很小的面积之内

对于多余的氮化物用干法或湿法刻蚀去除掉

接下来向硅片内注入Be离子

其会穿过薄的氧化层注入到衬底里面

这提供了为晶体管组建具有独特性质的区域

然而这层薄的氧化层容易被离子注入所破坏

因此该氧化层会被移除，新的氧化层需要在栅极区域再次生长

在这垂直炉中，通过淀积多晶硅来形成栅极

多晶硅是由许多小的硅晶体形成

会在熔炉里形成而且将其N型掺杂

使其电导性能提升

利用光刻胶和下一个掩膜版

多晶硅层会被刻蚀掉

来制作可控制晶体管开断的栅极

为了谨慎地控制刻蚀步骤

多晶硅采用干法刻蚀

通过栅极来确定晶体管源漏之间距离

从而来提高电路速度

多余的光刻胶再次被移除

栅极成为第一层连接晶体管的导电层

接下来的第四步是在晶体管沟道区

高掺杂N型离子注入

来填充N型晶体管的源漏区

第五步是覆盖p型晶体管区域并向其注入高浓度Be

形成p型注入来制作晶体管源漏级

去掉光刻胶，清洗硅片

在熔炉中，硅片进行退火

来修复因离子注入引起的缺陷

接下来淀积厚隔离玻璃

先前淀积所有不同的，有图形的层被厚玻璃覆盖

为了确保衬底上所有掩膜版都用高聚焦进行图形转移

表面必须进行平坦化处理

化学抛光剂用来抛光硅片表面厚的氧化层

这样提供了平坦化的表面

来进行高精度的图形转移

光刻和第六块光刻板确定了金属线布线空间

来作为每个晶体管源极、漏极、栅极的互联

通过氧plasma刻蚀介质层，形成过孔

透过显微镜可以看到
过孔就是显微镜中的小点

在大部分芯片中，过孔如此之小

以至于必须先用金属塞去填充

来确保金属互联

Ti金属淀积在硅片表面

去填充这些微小过孔

在金属刻蚀机，钨被刻蚀掉，直到抛光面为止

这样就在过孔留下了钨金属塞

便于连接源漏、栅极

接下来金属Al层淀积到硅圆片上

并成为第一层电路互连线

接下来第七步对Al进行图形转移

这样完成了第一层布线，使得晶体管之间互相连接

来复杂模块的互联

多余的铝线利用干法刻蚀移除

然后去除完成任务的光刻胶

这样使得晶体管之间铝线连接

完成了第一层布线

在具体的电路中，互连线是如此复杂

以至于单层布线满足不了电路布线要求

多层布线往往出现在同一个电路中

这张照片展示了两层布线的情况

这个剖面图展示了五层布线

每多一层布线意味着多两个掩膜版

和更多的后续步骤

淀积二氧化硅用于一层金属与衬底之间电气隔离

光刻掩膜和刻蚀用于打开金属与即将淀积金属的过孔

在过孔处淀积金属塞

来确保金属布线层和平坦表面好的电气连接

新的上层铝合金淀积和图形转移

当所有的金属互连线完成时

淀积最后一层氮化物

来保护用于互连的铝线

在最后一步的光刻

只有在引线上的氮化物被刻蚀掉

所有的铝垫都沿着在芯片的边缘分布

这些都是与外界互连线和集成电路的接触点

然后去掉硅圆片上的光刻胶

至此集成电路制造回合结束

最后硅圆片为测试和封装做好准备

那么现在我们看第二节超净环境

为了保证零缺陷

在集成电路加工过程中呢

要避免以下两类的影响

第一个呢

是避免引入颗粒

大家知道自然环境的空气中呢

含有大量的颗粒

我们熟知的PM2.5

就是指的空气中悬浮的

直径0.25微米左右的

这样的颗粒

那么相比于我们集成电路里头的

特种尺寸只有几十纳米的

这样的一个情况呢

2.5微米的颗粒

俨然是一个庞然大物

足以使得器件造成毁灭性的影响

所以呢 微纳加工呢

一定要在一个没有

或者很少颗粒的人工环境下进行

这就是所谓的这个超静环境

第二类要避免的影响

是金属离子

很多重金属

例如金、铂等

在硅中呢都是快扩散杂质

和深能级陷阱

那么这些这个深能级陷阱呢

会对 CMOS 器件的高频特性呢

造成严重的影响

还有呢 很多碱金属

例如钠钾离子

在二氧化硅中呢

是呈现快 这个移动电荷

它会使得CMOS期间的阈值呢 漂移

那么避免金属离子沾污的

主要办法呢

那么工艺上呢

实际上就是清洗

我们首先看一下

超净间呢

是以级来划分的

每立方英尺中

超过0.1微米直径的颗粒

不超过10个的叫十级超净

百个的叫百级超净

千个的叫千级超净

所以数字越小

表明超净的级别越高

光刻工艺是硅片暴露时间最长的

一种工艺

一般呢 光刻工艺呢

需要在十级的超净下进行

而其他的工艺呢

则可在百级的超净环境中进行

进入超净的空气呢

是经过粗中高

三级过滤来除去

空气中的这个颗粒

然后呢 再自顶向下的呢 形成层流

从而创造一种超净的人工环境

维持这种高级别的超净环境

所需的动力成本是非常高的

所以呢 通常只有光刻间

维持在整体十级的环境当中

其他的工艺呢

仅仅是设备操作界面

在百级的超净环境中

而设备的机身

和附属的真空泵气柜等呢

都在所谓的灰区中

灰区的净化级别呢

通常只有千级 甚至于万级的水平

引入颗粒的一个重要因素是人

进入超净间,超净间工作人员呢

必须经过严格的标准程序

穿戴特制的超净服

经过风淋才能进入超净间

即使这样呢

集成电路生产中

也需要以尽量的减少

进厂人员的操作

设备的工艺参数设置

和进出片的操作呢

尽可能的采用远程的

自动控制来进行

另外一项重要的措施呢

就是所谓的SMIF系统的引入

SMIF就是Standard mechanical interface

它是一个具有标准接口的盒子

可以与各个工艺设备呢 来对接

实现了硅片在工艺设备和盒子

之间的这个阐述

硅片从一个设备向另一个设备的

这个转移呢

也是通过该盒子

借助这个轨道天车自动进行

中间不暴露在环境当中

正是这种自动传输系统的应用呢

降低了对超净级别的这个要求

另一个方面的要求呢

是防止金属离子沾污

这主要是严格的

这个清洗程序

首先呢 清洗用的水

要是所谓的超纯水

大家知道通常水是导电的

而超纯水的电阻率呢

却可以达到18MΩ.cm的

这个水平

几乎近乎是绝缘的

这样的水的里头的含的溶质

是非常非常少的

那么小于0.03个PPM

超纯水的制备呢

是通过多级的数值过滤

和反渗透离子交换来实现的

一般的超净间旁边都有一个制造

超纯水的这样一个水站

而超纯水的输运呢

也要通过特殊的聚四氟的管道来进行

标准的硅片清洗流程呢

叫做RCA清洗

是以美国的一家无线电公司的名字

命名的

它的主要的内容呢

实际上是包括了第一步的

浓硫酸加双氧水的这个去除

有机物的过程

那么氢氟酸去除二氧化硅的过程

那么氨水加上双氧水

去除可能的重金属离子沾污的过程

以及盐酸去除碱金属离子沾污

还有最后的超纯水漂洗

等一系列的过程

那么在具体的这个微纳加工工艺的

实际操作中呢

往往会根据特定的工艺要求

对该清洗流程

做适当的裁减

原则上讲呢

集成电路的每一步工艺

在他的之前和之后

都要进行一步这个硅片清洗的

这样一个过程

好 同学们

现在我们小结一下

本章的要点

那么本章的要点呢 有三点

一是那个微纳加工的种类呢

是很多的

大致呢 可以分成光刻 刻蚀

掺杂 热处理 介质沉积

平坦化和金属化等几大类

那么第二呢 微纳加工技术呢

是为了完成特定的器件

和电路结构服务的

这就要求我们

要了解清楚目标结构的具体要求

是什么

根据这个呢 来选择具体的加工工艺

和他的优化方法

第三呢 微纳加工需要在

超净的环境下进行

以避免颗粒的影响

同时呢 还要有严格的清洗工艺

来避免金属离子的沾污

好 今天的课就是这样

谢谢大家