集成电路与器件工艺原理.ppt

集成电路与器件工艺原理,外延工艺,一。定义和用途 1.外延：指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。因是由衬底向外延伸，故称外延。 2.用途：根据需要，在单晶衬底上形成掺杂类型不同或掺杂浓度不同的均匀掺杂单晶层。,硅的气相外延原理：利用硅的气态化合 物，在加热的硅衬底表面，与 H2发生反 应或自身发生热分解，还原生成硅，以 单晶形式淀积在衬底表面。,反应方程： SiCl4 +2 H2 = Si+ 4HCl; 四氯化硅 Si H2Cl2 = Si + 2HCl. 二氯二氢硅 第二种源优点：外延温度低，缺陷少，外延质量高。,外延设备 主体反应室分卧式、立式、桶式,外延过程：装片通N2赶气通 H2通电源、通水冷 H2处理HCl气相腐蚀赶HCl，炉温调至外延生长标准外延生长（通 H2、硅源、掺杂气） H2清洗（关硅源、掺杂气）关电源降温通N2赶 H2冷却取片检验。,外延工艺的体缺陷,层错的形成:局部原子层错排：（1，1，1） 面上显示正三角形，（1，0，0）面上显示 正方形。实际上是正三棱锥和正四棱锥 （象倒金字塔）。,100面层错,111面层错,外延层测量： 1、厚度测量：层错法、C-V法、红外椭圆 仪法、红外反射干涉法等。 2、 电阻率测量：四探针法、三探针法、 C-V法。,四探针法测电阻率,测试原理实际上是根据欧姆定律来测 中间两针间的电压。,外延工艺的特有质量问题： 自掺杂效应：衬底的杂质在外延过程中逸 出，掺入外延层中，造成电阻率失常甚至 反型。 防止：生长过度层，降低外延温度。,外延工艺的优点： 高效率的获得较厚的均匀掺杂单晶层。 不存在两种杂质相互补偿问题，PN结两边 杂质分布为突变结,外延工艺的优点： 高效率的获得较厚的均匀掺杂单晶层。 不存在两种杂质相互补偿问题，PN结 两边杂质分布为突变结,氧化工艺,一.氧化工艺：在高温炉中，使硅晶体表面生 成一层氧化层的工艺。,二. 氧化层的作用: 1.掩蔽作用:磷、硼等杂质在SiO2中的扩散速度较Si中慢很多，于是可用SiO2来进行掺杂时的掩蔽。 2SiO2的表面保护和钝化作用：可防止外部环境影响产品性能，钝化表面，消除表面态，防钠离子沾污.（Si片表面很容易生成SiO2，是它的大优点，形成了一套完整的平面工艺.） 3.MOS管的栅极绝缘材料；IC电容的层间介质。,三SiO2的性质：具有很好的电绝缘性， 电阻率达10的1517次方欧姆厘米。对各种 酸、碱气氛有耐受性，但不耐HF腐蚀。 热生长氧化膜是非晶态无定型结构，比较 疏松，只有四成空间被SiO2分子占据，密 度较低。,二氧化硅的显微结构,四热氧化膜生长机理： 1. 干氧氧化：Si + O2 = SiO2 2.水汽氧化：Si + H2O = SiO2 + H2 3湿氧氧化：是上述两项的结合。在向氧化炉中通O2时，让其从95的氧化水瓶中鼓泡后进入。,4氢氧合成水汽氧化：将高纯 H2和O2分别通入炉管，使其燃烧成水汽，对硅片进行氧化。2 H2 +O2 = 2 H2O。 一般 氢：氧=2：1即可，但实际上O2是过量的，防止发生危险。这样，其实质也是一种湿氧氧化。炉口装有燃烧部（注入器），配有报警系统，当氢氧比例失调，或温度低于 H2燃烧点时，就会关断 H2，充入N2。,优点：由于 H2和O2纯度可以很高，因此合 成的水汽中Na+含量可低于0.1PPB。氧化 层质量高，均匀性好。,注意事项： H2喷口温度必须高于585， 管道严禁泄露，开工时要先用N2充满炉管，后按O2 H2的顺序通气，完工时按 H2O2的顺序关气，然后用N2清扫。 氧气要过量。,氢氧合成水汽氧化,5热氧化的微观过程和氧化速率。 微观过程：氧化过程中，O2和 H2O分子总 要穿过已经形成的SiO2层，继续向下穿 越，到达SiO2Si界面，形成新的SiO2层。 因此氧化是越来越慢的。由于氧分子穿越 速度慢，故干氧氧化较慢。随着炉温的提 高，氧化速度将加快。,6对于较短时间氧化，氧化层厚度tox近似 与时间成正比。对于较长时间氧化，氧化 层厚度tox与时间的开方成正比,用TCA(三氯乙烷）进行的掺氯氧化,7掺氯氧化：Cl元素在SiO2Si界面可同硅的悬挂健结合，减少界面态。Cl在SiO2中可俘获Na+，可与重金属杂质生成氯化物气体排出，并减少热氧化层错。 C2H3CL3 + O2 = CL2 + HCL + CO2 + H2O; HCL + O2 = CL2 + H2O.,.氧化膜厚度测量：可用测厚仪测。SiO2膜 的颜色随厚度变化，呈现红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫的周期性变化，有经验工 人可粗略判断氧化层厚度。这称为比色法.,掺杂工艺（1）-扩散工艺,定义：在高温炉中，通入含有所需杂质的 气体，使该杂质向硅晶体体内扩散。 用途：形成特定的P型或N型区。,扩散过程,1.恒定表面源扩散：通源扩散过程。 2.有限表面源扩散：实际上是杂质的再分布（驱入）。,扩散方法： 液-固扩散； 气-固扩散； 固-固扩散（实质上最终都是气-固）,我公司目前扩散工艺：,1.硼的液-固扩散：BBr3的扩散： 4 BBr3 + 3O2 = 2B2O3 + 6 Br2， B2O3则作为扩散源： 2B2O3 + 3Si = 4B + 3SiO2。 注意事项：该源怕潮、怕光，有毒，注意排风。 优点：该源的蒸汽压较高，可得到较高表面浓度。,.磷的液-固扩散：POC l3的扩散,4 POCl3 + O2 = P4O10 + 6CI2， P4O10是P2O5的双聚分子，继续发生下列反应： P4O10 + 5Si = 5SiO2 + 4P。 使用方法：大N2和O2直接进炉，小N2携带源进炉。 3.注意事项：该源怕潮，有毒，注意排风。 优点：可得到较高表面浓度，老牌源，工艺成熟。,扩散参数的测量：,一般用四探针法测出Rs,称为方块电阻，通过它可判断扩散浓度的大小。,5掺杂工艺（2）-离子注入工艺,一.离子注入原理：在接近真空的条件下,将 待掺杂元素电离成正离子，用强电场使其 加速，获得足够的能量，高速射入硅片体 内。,二.用途：在硅片上形成特定的P型或N型区。,三 .离子注入设备：离子源，磁分析器，加 速管，聚焦和扫描系统，靶室和后部处理 系统。,四.注入损伤：注入离子和晶格原子碰撞， 使其脱离原格点位置。,四.退火：将注入后的硅片在8001000炉管中烘烤，使离位硅原子在热运动中归位，消除缺陷。 实验发现：500600烘烤反而使情况更糟，故在降温时，应快速通过这一温度范围。 退火还有另一作用，就是激活所掺杂质原子。,退火技术的新进展:快速退火技术(RTP技术). 特点:单片操作. 优点: 1.杂质浓度不变,并100%激活. 2.残留晶格缺陷少,均匀性和重复性好. 3.加工效率高,可达200300片/h. 4.设备简单,成本低.,通道效应及防止:因硅晶体空隙大,个别杂质 离子可能速度极大,进入硅片深处,造成穿通. 防止:在硅片表面长薄层氧化层;让注入角度偏几度.,七公司常用离子源： Sb2O5, 五氧化二锑 ,（也用三氧化二锑) BF3, 三氟化硼 PH3, 磷烷 AsH3.砷烷,八.离子注入的优点： 1 可精确控制掺杂浓度和深度。 2 离子注入不存在横向扩散。 3 大面积均匀掺杂。 4 能容易地掺入多种杂质。 5 掺杂纯度较高。,九.离子注入的缺点： 1 成本较高。 2 有注入损伤，若退火不当，会应响成品 率。,.光刻工艺,一.光刻的基本原理：分“图形转移”和“刻蚀”两步。类似照相制版，在硅片上涂对光敏感的“光刻胶”，光透过光掩模版（光罩）-相当于底版，照在光刻胶上，形成“潜影”，经显影后完成“图形转移”。再对光刻胶刻出的窗口”进行刻蚀，光刻工作即告完成。在离子注入工序，光刻胶还可充当掩蔽膜的角色。,二.用途：在二氧化硅膜或其它绝缘膜上刻 出特定的窗口，将金属层刻成条状内引 线。,三.目前IC制造对光刻的基本要求： 1.高分辨率； 2.高灵敏度的光刻胶； 3.低缺陷； 4.精确的套刻对准； 5.大尺寸硅片。,四.正性光刻胶（光照到处可显掉）。 优点：可刻3微米以下细线条，分辨率高。缺点：粘附性差，不耐湿法腐蚀，价格高。 这是邻叠氮醌类化合物。经光照后成为羧酸（有机酸），可以被碱性的显影液所中和，反应生成的胺和金属盐可快速溶解在显影液中。,五.负性光刻胶（光照到处可交联成不溶物，显影中保留下来）。优点：价格低，耐湿法腐蚀，工艺成熟，可选品种多。缺点：因负胶在光刻腐蚀液中会膨胀，故刻不了细线条。 1.聚肉桂酸酯类光刻胶：老牌光刻胶。 2.聚烃类-双叠氮系光刻胶：又称环化橡胶系光刻胶。其中的双叠氮成分是交联剂。目前IC制造中常用的负性胶。优点：黏附性好，耐腐蚀。缺点：曝光后灵敏度会受O2的影响。,1.制程：预烤涂胶前烘对位曝光 显影检验（ADI）后烘（坚膜）刻 蚀检验 （AEI）去胶。,2.分步讲解：,预烤：在真空烘箱中150左右烘烤，同 时使增粘剂HMDS蒸汽进入，在硅片上均 布一薄层HMDS，将Si表面由亲水变成憎 水，增强光刻胶与Si表面粘和性能。 HMDS成分：六甲基乙硅氮烷。,。,涂胶：旋转涂布法，在自动涂胶机上进行，每片用胶大约一到几毫升。,前烘；在涂胶机的第二个台位上完成，热 板传导加热方式，12分钟即可，赶出胶 膜中的有机溶剂，使其固化。,对位曝光：用紫外灯透过光掩模（光刻 版）对胶膜曝光，除第一次光刻外，其它 各道都存在和前道的对准问题。,显影：对正胶，在四甲基氢氧化铵碱液中 溶去光照过的胶膜；对负胶，一般是在芳 香烃类有机溶剂中溶去未被光照过的胶 膜。图形转移即告完成。,F. ADI： 显微镜下检验显影质量。 G. 后烘：在烘箱中将Si片烘干。,.刻蚀（指湿法刻蚀，干法随后再述）： 一般是在SiO2上刻出窗口： SiO2 +4 HF = SiF4 +2 H2O ； 刻Al时则是： H3PO4 + Al = AlPO4 + H2.,AEI：刻蚀后检验。 去胶：一般是 H2SO4 + H2O2 中去胶。 但在有铝后，则在MUII（吡咯酮）中去 胶。(干法去胶在干法刻蚀中讲)。,七.光刻的主要质量问题：,1.浮胶、钻蚀（光刻胶掀起，旁蚀刻）。,2 .过蚀刻。,3 蚀刻未净（小岛）。,4 铝线过细。 5 铝线桥接。 6 瞎窗。（尤其是引线孔光刻）。 7 铝发黄。 8 对准偏差。 9 引线孔未完全覆盖。,10. 针孔。,.干刻工艺-光刻工艺的新进展。,湿法腐蚀的缺点： A.使用大量酸液，安全性差，又污染环境。 B.侧向腐蚀严重，线条做不细。 C.刻Si3N4和多晶硅时，光刻胶对H3PO4 和HNO3 + HF的耐受性不好。,干刻原理：是利用接近真空条件下气体辉 光放电产生等离子体，其中的腐蚀性气体 的化学活性游离基与SiO2等被刻蚀表面发 生反应，且生成物是气体 。,A.刻SiO2：在反应室通入CF4，CHF3， C2F6，SF6，C3F8，NF3等气体，产生 F（游离基），于是： SiO2 + 4F*（游离基）= SiF4（气）+O2。 目前流行用CHF3 + Cl2来刻蚀。 通入少量 O2可加速反应。,B.刻铝：可在反应室通入SiCl4 ,BCl3， CCl4 + Cl2，BCl3 + Cl2等气体。 于是： AL + 3Cl*（游离基）= ALCl3（气）。氟化 物不行，因不能形成气体排走。注意:刻铝 后应立即冲水或在有机溶剂中漂洗,防止氯 离子残留腐蚀铝膜.,C.刻Si3N4：原则上刻SiO2的气体都可刻 Si3N4，但发现NF3效果较好。 于是：Si3N4 +12 F*（游离基） = 3SiF4 +2 N2。,D.刻多晶硅：一般常用Cl2，HCl，SiCl4等 气体，氟化物气体各向异性腐蚀的选择性 差。Si +4 Cl*（游离基）= SiCl4.,7.物理气相淀积-铝层贱射工艺（SPUTTUER）,原理：用高能粒子（等离子体）从金属的 表面撞出原子，然后让其淀积在硅片表面 的物理过程。,.欧姆接触的概念:线性和对称的伏安特性,接 触电阻小于材料体电阻.,用途:制作IC的内部条状互连线。,三溅射过程： 1.产生氩气离子并导向一个靶，（铝靶材）。 2.离子把靶表面的原子轰击出来。 3.被轰出的铝向硅片运动。 4.原子在表面上成膜。,影响溅射过程的因素： 1.工作压力，实质上是真空度。 2.工作架转速。 3.溅射电流。 4.硅片加热温度。一般为320，10分钟，可改善铝膜与硅片粘附性。 （因机台不同，情况各异，仅供参考）,铝硅接触的质量问题及解决办法,1.硅向铝中的溶解造成铝尖楔，可使PN结短路。 防止：采用铝中掺硅的靶材。一般：掺Si约12,铝导线上铝原子的电迁移,在通电时，铝原子会沿电流方向进行迁 移，造成铝膜断路。 防止：采用铝硅铜靶材。一般：（掺Si约 12，掺Cu约45）.我公司铝材含铜 0.5%.,铝的合金化工艺：（国外称为alloy）.实质 是在400左右通 H2和N2，让硅和铝的表 面形成微合金，构成牢靠的接触,CVD工艺原理 （化学气相淀积）,一.CVD原理：将各种反应气体导入反应 室，在硅片上方反应，生成物淀积到硅片 表面，形成一层薄膜。,一.CVD原理：将各种反应气体导入反应 室，在硅片上方反应，生成物淀积到硅片 表面，形成一层薄膜。,二.CVD工艺用途： 形成钝化保护层， 介质层， 导电层， 和掩蔽层,三.CVD技术分类： . 按淀积温度分： A 低温CVD（LT）：200-500。 B 中温CVD（MT）：500-1000。 C 高温CVD（HT）：1000-1200,按反应压力分（常采用此分法）： A 常压CVD（APCVD）：一个大气压，101Kpa. B 低压CVD （LPCVD）：100Pa左右。,.按反应器壁温可分为： 热壁； 冷壁。,按反应器形状分： A.立式，（又可细分为钟罩式和桶式）； B.卧式。,新进展:PECVD，称等离子体CVD，既是低温：100400，又是低压（与LPCVD同）。可用在溅射铝层以后CVD操作，可防止铝尖楔的产生。 最主要优点：工作时加热温度低。,APCVD的缺点： 1.硅片水平放置，量产受限，易掉渣污染。 2反应速度受多种因素影响，反应室尺寸、气体流速、硅片位置等都会影响速度。 3均匀性不太好。,LPCVD的优势： 1在低压下，反应速率基本上由温度决定，而温度较易控制，故均匀性、重复性好。 2在低压下，化学反应效率高，故片子可竖装密排，提高了装片量又防止了掉渣。 3设备简单，基本上与扩散炉相似。,.磷硅玻璃PSG淀积：,化学反应式： SiH4 + PH3 + O2 -SiO2 + P2O5 + H2； 或：SiH4 + PH3 + N2O -.SiO2 + P2O5 + H2 + N2。,.LPCVD生长Si3N4： 化学反应式：SiH4 + NH3 -Si3N4 + H2 或：Si H2Cl2 + NH3 -Si3N4 + HCl + H2,PECVD生长SiON膜：在已经有了金属层以 后，我公司钝化层常采用低温生长氮氧化 硅.的方法。 反应式：SiH4 + N2O+ NH3 -SiON + N2 + H2。 炉温为380。,.多重内连线与平坦化工艺,双层铝连线工艺：在IC的结构较复杂以 后，为解决交叉布线问题，特设计了双铝 层。 双铝层之间的绝缘，采用了SiON-SOG- SiON的三明治结构。 SiON的应力较小，SOG主要解决平坦化问题,.SOG涂覆工艺：这是旋转ON-玻璃的缩 写，实际上是SiO2和有机溶剂的混和液， 可用与涂胶机相似的设备，在硅片上涂一 层，可填平片子表面的台阶，可先在热板 上烤一下，再经400固化，成为一层氧化 膜。工艺简单实用。,化学清洗原理（兼谈化学试剂的安全使用）,硅片清洗的必要性:半导体对杂质极其敏感，百万分之一微量杂质，就会有物理性质的改变。污染是绝对的，故必须清洗。 另外从图形的纳米化的角度讲，任何小的颗粒对芯片而言就像一座大山。,二.硅片表面洁净度,1.硅片表面状态： 理想表面； 洁净表面（真空中剥SiO2的表面）； 真实表面（有薄氧化层几十埃）； SiO2表面（SiO2200埃）。,2.污染源: 硅片成型过程中的污染-（切、磨、抛过程）。 环境污染-微粒（尘埃；纤维、金属屑、皮屑；微生物等） /有害气体 水污染。/ 化学试剂污染。/气体污染：特气污染。 器材污染。（炉管，石英舟，镊子等）。 人体污染（正常人一天吃盐10克左右，NA+为1.0E23个，皮肤、肺排出一半。）,3.污染物分类： 微粒（有机的、无机的）； 膜层。,.化学清洗的一般步骤： 1.先去除分子型杂质（蜡，胶，油等）。 2.去除离子型杂质（K+，NA+，CL-，F-等）。 3.去除原子型杂质（Au，Ag, Cu, Fe 等）。,.主要的清洗剂。,1.一号液： NH4OH： H2O2： H2O = 1：1：4 。 络合剂 氧化剂 主要性质： A.有很好的去油作用，也可去金属杂质。 B. H2O2挥发性极强，故洗液稳定性较差。室温下，其半衰期为11小时。应现配现用。公司一般规定洗多少片后换液。 C. H2O2挥发后，氨水会腐蚀硅片，温度超过70C，也会对硅片有腐蚀。,一号液使用注意事项,所以每次清洗前应添加 H2O2， 且清洗时间不宜过长，一般5分，最多10分 钟。 清洗温度7075度即可。,2.二号液： HCl： H2O2： H2O = 1：1：4。 络合剂 氧化剂 主要性质： A.对金属杂质有极好的清洗作用，且洗后表面较好，因此常安排在最后的清洗位置。 B H2O2挥发性极强，故洗液稳定性较差。室温下，其半衰期为50小时，建议每次清洗前 添H2O2。,3.三号液： H2SO4： H2O2 = 3：1 主要性质： A有极强的脱水性和强氧化性，可将光刻胶等有机物脱水成C（碳），然后再将C氧化成CO2。主要用来湿法去胶。 B对油膜和金属杂质的清洗作用效果良好。 C每次清洗前也应补充 H2O2。 D对于 H2SO4，只可将其倒入水中，严禁将水倒入硫酸中。,4HF的清洗作用：将SiO2和其上的脏物 一起剥掉。 特别要注意，HF沾上没有任 何感觉，它会慢慢渗入皮肤，腐蚀骨头！ 沾上任何不明液体，都应冲水。 确实沾上 HF，应涂葡萄糖酸钙软膏或氧化镁溶液， 并到职业病医院注射葡萄糖酸钙针剂。,5注意：以上洗液配制时，注意倒入顺 序，一般先加水，这样可减少酸碱的挥 发。各种试剂瓶子很象，切勿拿错！ 沾上酸、碱液体，最好的处理方法就是马上冲水！,.电子束蒸发工艺原理,二.铝金属膜的电子束蒸发工艺 1.原理:利用经高压加速并聚焦的电子束,在真空中直接打到蒸发源(铝材)表面,当功率密度足够大时,使蒸发源金属熔化,并蒸发淀积到硅片表面形成薄膜.(熔点3千度以上的金属也可蒸).,.背面蒸金,掺金的作用:给硅片掺金,可以减 短载流子寿命,提高开关二极管的开关速度.,2.设备 A.电子枪:电流通过螺旋状钨灯丝,使其发热后发射电子,经加速阳极孔射出,形成电子束. B. 磁偏转系统:使电子在磁场中受洛仑兹力作作用,偏转270度,打到铝材上. C. 水冷坩埚:放置铝材. D.行星式支架和行星锅:装待蒸发硅片. E.抽真空系统.,.电镀银工艺.,一.电镀原理:在溶有欲镀金属的盐类的镀液 中,以欲镀金属为阳极,通以直流电,阳极发生 金属的溶解,使欲镀金属的离子在阴极上放 电而沉积下来.,我公司电镀目的:在二部二极管产品上形成 半球状电极.,三.电镀银工艺: 在阳极: Ag = Ag+ + e , 在阴极(硅片在此): Ag+ + e = Ag. 在阴极还可能有下列反应: Ag(CN)2- = Ag + 2CN- . 电镀液的组分是很复杂的,除含镀层的盐外,还有络合剂,导电盐,缓冲剂,阳极话化剂,光亮剂,润湿剂等. 但镀银液中主要成分是氰化银钾:KAg(CN)2. 以及氰化钾:KCN.,四.注意事项:氰化物有剧毒,注意自我保护. 电镀废水要经过处理才能排放,否则污染环 境. 氰化物在碱性环境中较稳定，在酸性环境中会放出氰氢酸气体，故一定要保证电镀液的PH值大于7！,15.洁净室知识 IC线的生产环境控制,一.生产环境的内涵：空气，人身，水，气体，化学试剂，工具，电磁环境等。,二.空气环境控制：,1.空气洁净度。 定义：指空气中含尘量指标。 按美国联邦209E标准：10级净化：指1立方英尺0.5微米尘埃少于10个，