半导体工艺整理.doc

半导体工艺三热分解淀积氧化热分解氧化薄膜工艺是利用含硅的化合物经过热分解反应，在硅片表面淀积一层二氧化硅薄膜的方法。这种方法的优点是：基片本身不参与形成氧化膜的反应，而仅仅作为淀积二氧化硅氧化膜的衬底。衬底可以是硅也可以不是硅而是其它材料片。如果是硅片，获得二氧化硅膜也不消耗原来衬底硅，而保持硅片厚度不变，这是与热氧化法最根本的区别。因为这种方法可以在较低的温度下应用，所以被称作“低温淀积”。常用的热分解淀积氧化膜反应源物质（硅化合物）有正硅酸乙脂和硅烷两种。现分别介绍如下：1正硅酸乙脂热分解淀积淀积源的温度控制在20 oC左右，反应在真空状态下进行，真空度必须在10-2133.3Pa以上，淀积时间根据膜厚决定。淀积得到的二氧化硅氧化膜不如热生长的致密。但如果在真空淀积之后经过适当的增密处理可使其质量有所改善；方法是硅片在反应炉内加热升温到850900 oC半小时左右，之后再在干燥的氮、氩或氧气氛中继续加热一段时间即可。2硅烷热分解淀积反应方程式： SiH4 + 2O2 SiO2+ 2H2O （300400 oC）以上两种热分解淀积氧化膜的方法实际上是一种化学气相淀积（CVD）工艺。前一种是低压CVD（LPCVD）；后一种是常压CVD(APCVD)。特别是后一种硅烷加氧气淀积二氧化硅的方法，是目前生产中天天在用的常规工艺。以后我们将有专门的章节讲解CVD工艺。第二节 SiO2薄膜的质量与检测二氧化硅工艺质量是半导体器件质量的基础。下面就氧化质量要求，工艺检测，常见质量问题及对策等几个方面进行讨论。一质量要求SiO2薄膜质量优劣对器件性能和产品成品率都有很大影响。通常要求薄膜表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔等缺陷；厚度要求在指标范围内，且保持均匀一致；结构致密，薄膜中可动离子特别是钠离子量不得超标。二检测方法1厚度测量要求精度不高时，可用比色法、磨蚀法测量；精度高时，可用双光干涉法，电容电压法检测。精度高达1010 -10 m的椭圆偏振法，现在生产上已是常用测试手段。2表面质量通过目测或镜检可以直接观察到SiO2薄膜表面各种缺陷。颗粒可通过聚光灯照射形成亮点发现。针孔、龟裂、除了显微镜直接观察还可以通过氯气腐蚀后出现花斑来检查。3氧化层错将氧化片先经过腐蚀显示，再用显微镜观察，可看到许多类似火柴杆状的缺陷。4SiSiO2系统电荷硅二氧化硅系统中的固定电荷、界面态、可动Na和电离陷阱四种电荷，都可以通过电容电压法检测，但具体做法和算法有所不同。三常见质量问题和解决1厚度均匀性氧化膜厚度不均匀不仅影响氧化膜对扩散杂质的掩蔽作用和绝缘作用，而且在光刻腐蚀时容易造成局部沾污。要提高膜厚均匀性，首先要控制好氧气的流量，保证反应管里硅片周围氧气和水汽蒸汽压均匀；稳定炉温，保证足够长的恒温区，一定要把片子推进恒温区。此外，还要严格控制好水浴温度，氧化前做好硅片前处理，保证清洗质量和硅片表面质量。2表面斑点氧化层出现斑点时，斑点外的氧化膜对杂质的掩蔽能力降低，会造成器件性能变坏，甚至做不出管芯来。一些突起的斑点还会影响光刻的对准精度，造成光刻质量不好。因此，要保证氧化前硅片表面无微粒；石英管长期处于高温下易老化，内壁产生颗粒沾污硅片，要及时清洗、更换石英管，操作中注意避免水珠飞溅到硅片表面；硅片清洗后要烘干无水迹。3氧化膜针孔针孔会使氧化层扩散时的掩蔽作用失效，引起晶体管漏电增大，耐压降低甚至击穿，还会造成金属电极引线和氧化膜下面的区域短路，使器件变差或报废。为了减少针孔，须保证硅片表面质量无位错层错；硅片表面应平整光亮；加强整个器件工艺过程中的清洗处理。4热氧化层错由热氧化工艺诱生的热氧化层错这种微缺陷，会使氧化膜出现针孔等弊病，最终导致PN结反向漏电增大，耐压降低甚至穿通，使器件失效。在MOS器件中，SiSiO2系统中的层错会使载流子迁移率下降影响跨导和开关速度。所以一定要保证硅片表面抛光质量和表面清洗质量，采用掺氯氧化和吸杂技术，在硅片背面引入缺陷或造成很大应力来降低热氧化层错。第三节 氧化装置氧化装置主要由三部分构成：氧化炉、氧化源发生和输送系统、进出硅片推拉系统。而氧化炉又包括四个部分：1 炉体2 温度测量系统3 温度控制系统4 反应管炉体提供稳定的高温条件，用高温电热丝加热。炉管用绝缘性好的氧化铝管，电热丝绕套在炉管上，外面衬以保温材料，最外层是钢板制的炉罩。温度测量，用热电偶配上电位差计。温度控制分为自动和手动两部分。手动用调压变压器调控；自动用精密温度自控仪或电子计算机控制。反应管用耐高温不易变形的石英管或性能更好但价格较贵的碳化硅管。以干氧湿氧氧化为例的氧化装置示意图如下： 氧化工艺从二十世纪六十年代初用于半导体器件制造硅平面工艺到现在进入二十一世纪半个世纪当中，其设备发展早已今非昔比。最新的设备可以加工的硅片尺寸已达十几英寸，恒温区越做越长，温度控制更加精确。在空间上，设备任何部位；在时间上，工艺过程中任何时刻，都可以直观形象地在控制电脑荧屏上显示出来，操作时只要用手指指指点点就行。然而，不管设备换型如何日新月异，就其基本结构而言，说到底仍旧还是我们这里介绍的这些。后面将要讲到的其它工艺设备，如扩散、光刻、蒸发以及CVD等，情况也都是如此。第三章 扩散工艺 在前面“材料工艺”一章，我们就曾经讲过一种叫“三重扩散”的工艺，那是对衬底而言相同导电类型杂质扩散。这样的同质高浓度扩散，在晶体管制造中还常用来作欧姆接触，如做在基极电极引出处以降低接触电阻。除了改变杂质浓度，扩散的另一个也是更主要的一个作用，是在硅平面工艺中用来改变导电类型，制造PN结。第一节 扩散原理扩散是一种普通的自然现象，有浓度梯度就有扩散。扩散运动是微观粒子原子或分子热运动的统计结果。在一定温度下杂质原子具有一定的能量，能够克服某种阻力进入半导体，并在其中作缓慢的迁移运动。一扩散定义在高温条件下，利用物质从高浓度向低浓度运动的特性，将杂质原子以一定的可控性掺入到半导体中，改变半导体基片或已扩散过的区域的导电类型或表面杂质浓度的半导体制造技术，称为扩散工艺。二扩散机构杂质向半导体扩散主要以两种形式进行：1替位式扩散一定温度下构成晶体的原子围绕着自己的平衡位置不停地运动。其中总有一些原子振动得较厉害，有足够的能量克服周围原子对它的束缚，跑到其它地方，而在原处留下一个“空位”。这时如有杂质原子进来，就会沿着这些空位进行扩散，这叫替位式扩散。硼（B）、磷（P）、砷（As）等属此种扩散。2间隙式扩散构成晶体的原子间往往存在着很大间隙，有些杂质原子进入晶体后，就从这个原子间隙进入到另一个原子间隙，逐次跳跃前进。这种扩散称间隙式扩散。金、铜、银等属此种扩散。三 扩散方程扩散运动总是从浓度高处向浓度低处移动。运动的快慢与温度、浓度梯度等有关。其运动规律可用扩散方程表示，具体数学表达式略。五扩散杂质分布在半导体器件制造中，虽然采用的扩散工艺各有不同，但都可以分为一步法扩散和二步法扩散。二步法扩散分预沉积和再分布两步。一步法与二步法中的预沉积属恒定表面源扩散。而二步法中的再扩散属限定表面源扩散。由于恒定源和限定源扩散两者的边界和初始条件不同，因而扩散方程有不同的解，杂质在硅中的分布状况也就不同。1恒定源扩散在恒定源扩散过程中，硅片的表面与浓度始终不变的杂质（气相或固相）相接触，即在整个扩散过程中硅片的表面浓度NS保持恒定，故称为恒定源扩散。 2限定源扩散在限定源扩散过程中，硅片内的杂质总量保持不变，它没有外来杂质的补充，只依靠预沉积在硅片表面上的那一层数量有限的杂质原子向硅内继续进行扩散，这就叫限定源扩散或有限源扩散。 在讨论限定源扩散，即两步法的再分布时，必须考虑的一个因素是分凝效应。在“氧化工艺”中曾经分析过，由于热氧化，在再分布时杂质在硅片表面氧化层中会出现“吸硼排磷”现象，我们不能忽略这个因素；并且应当利用这些规律来精确的控制再分布的杂质表面浓度。第二节 扩散条件扩散条件选择，主要包括扩散杂质源的选择和扩散工艺条件的确定两个方面。一扩散源的选择选取什么种类的扩散杂质源，主要根据器件的制造方法和结构参数确定。具体选择还需要遵循如下原则：1 导电类型与衬底相反；2 先扩散的扩散系数要比后扩散的小；3 杂质与掩模之间的配合要协调，扩散系数在硅中要比在掩模中大得多；4 要选择容易获得高浓度、高蒸汽压、且使用周期长的杂质源；5 在硅中的固溶度要高于所需要的表面杂质浓度；6 毒性小，便于工艺实施。从杂质源的组成来看，有单元素、化合物和混合物等多种形式。从杂质源的状态来看，有固态、液态、气态多种。二扩散条件的确定扩散的目的在于形成一定的杂质分布，使器件具有合理的表面浓度和结深，而这也是确定工艺条件的主要依据。此外如何使扩散结果具有良好的均匀性、重复性也是选择工艺条件的重要依据。具体讲有：1温度对扩散工艺参数有决定性影响。对浅结器件一般选低些；对很深的PN结选高些。此外还需根据工艺要求实行不同工艺系列的标准化，以有利于生产线的管理。2时间调节工艺时间往往是调节工艺参数的主要手段，扩散时间的控制应尽量减少人为的因素。3气体流量流量是由掺杂气体的类别和石英管直径确定的，只有使扩散的气氛为层流型，才能保证工艺的稳定性，流量控制必须采用质量流量控制器MFC。第三节 扩散参数及测量扩散工艺中有三个参数非常重要，它们是扩散结深、薄层电阻及表面浓度，三者之间有着一个十分密切的有机联系。一扩散结深结深就是PN结所在的几何位置，它是P型与N型两种杂质浓度相等的地方到硅片表面的距离，用表示，单位是微米（）实际生产中直接通过测量显微镜测量。具体方法有磨角染色法、滚槽法、阳极氧化法等。二方块电阻扩散层的方块电阻又叫薄层电阻，记作R或RS，其表示表面为正方形的扩散薄层在电流方向（平行于正方形的边）上所呈现的电阻。由类似金属电阻公式可推出薄层电阻表达式为： （3-10）式中：、分别为薄层电阻的平均电阻率和电导率。为区别于一般电阻，其单位用/表示。实际生产中，RS(R)用四探针测试仪测量。三表面杂质浓度扩散后的表面杂质浓度NS是半导体器件设计制造和特性分析的一个重要结构参数，它可以采取放射性示踪技术通过一些专门测试仪器直接测量，但是实际生产中是先测出结深和方块电阻R，再用计算法或图解法间接得出。1计算法2图解法第四节 扩散方法扩散方法很多。常用的主要有： 液态源扩散气固扩散 粉态源扩散片状源扩散扩散法： 乳胶源扩散 固固扩散 CVD掺杂扩散PVD蒸发扩散这是以扩散中杂质源与硅片（固态）表面接触时的最终状态是气态还是固态来划分的。另外，按扩散系统来分，有开管式、闭管式和箱法三种；按杂质本来形态分有固态源、液态源、气态源三种。生产中习惯以杂质源类型来称呼扩散方法。一气固扩散液态或固态扩散杂质源最终呈现气态，与固态硅表面接触实现杂质扩散，叫气固扩散。1液态源扩散用保护性气体（如N2）通过液态源瓶（鼓泡或吹过表面）把杂质源蒸气带入高温石英管中，经高温热分解同硅片表面发生反应，还原出杂质原子并向硅内扩散。液态源扩散的优点是PN结均匀平整，成本低，效率高，操作方便，重复性好。通常液态源硼扩散，用硼酸三甲脂；液态源磷扩散，用三氯氧磷。2固态源扩散 （1）粉状源 （2）平面片状源 把片状杂质源（氮化硼片、硼或磷微晶璃片等）与硅片相间地放置在石英舟的“V”型槽上，并保持平行，用高纯度的N2保护，利用杂质源表面。挥发出来的杂质蒸气，浓度梯度，在高温下经过一系列化学反应，杂质原子向片内扩散，形成PN结。二固固扩散杂质源与硅片是固体与固体接触状态下进行扩散。在硅片表面沉积（化学气相沉积CVD；物理气相沉积PVD）或者涂布一层杂质或掺杂氧化物，再通过高温实现杂质向硅中的扩散。（1） 低温沉积掺杂氧化层法（CVD法）分两步进行。第一步在硅片表面沉积。一层具有一定杂质含量的二氧化硅薄膜作为第二步扩散时的杂质源；第二步是将已沉积过的硅片在高温下进行扩散。由于沉积，掺杂氧化膜是在400以下低温下完成，所以引进有害杂质Na+等以及缺陷的几率很小，因此这种方法也是完美单晶工艺（PCT）或半完美单晶工艺（1/2PCT）的重要环节之一。（2） 蒸发源扩散采用物理气相沉积的方法，先在硅片背面蒸发上一层杂质源金，然后再放进炉中扩散。这是开关晶体管的一道典型工艺，旨在减少晶体管集电区少子寿命，缩短储存时间，提高开关速度。开关二极管以及双极型数字逻辑电路，生产中也普遍使用这种扩散。（3） 二氧化硅乳胶源涂布扩散先在硅片表面涂敷一层含扩散杂质的乳胶状的源再进行扩散。这种方法只用一步扩散就可以同时达到所需的表面浓度和结深，具有浓度范围宽、高温时间短、离子沾污小、晶格完整性好的优点，同样具备PCT的工艺特征。各种不同的扩散方法只是供源方式不同，其扩散主体系统是一样的。从设备上看，扩散与氧化的区别，差不多也只在此。因此，扩散系统装置，我们就不再介绍，以避免与氧化雷同。第五节 扩散质量及常见质量问题扩散质量对半导体器件芯片的好坏有着决定性影响，其具体体现在表面质量、扩散结深、方块电阻和表面杂质浓度几个方面。在第三节中我们曾经就，R和NS进行了较为详细的介绍，下面对有关扩散工艺中常见的一些质量问题作些简要的阐述。一表面不良1 合金点： 主要原因是表面杂质浓度过高。2 黑点或白雾： 主要是酸性沾污、水气和颗粒沾污造成的。3 表面凸起物： 大多由较大颗粒经过高温处理后形成。4 玻璃层： 会造成光刻脱胶。扩散温度过高，时间过长造成。工艺过程中要控制好扩散温度、时间以及气体流量，并保证扩散前硅片表面干净干燥。5 硅片表面滑移线或硅片弯曲： 是由高温下的热应力引起，一般是由于进出舟速度过快、硅片间隔太小、石英舟开槽不适当等导致。6 硅片表面划伤、表面缺损等： 通常是由于工艺操作不当产生。二方块电阻偏差R一定程度上反映了扩散到Si片中的杂质总量的多少，与器件特性密切相关。携源N2中有较多的水份和氧气，Si片进炉前未烘干；杂质源中含水量较多，光刻没有刻干净，留有底膜，使扩散区域表面有氧化层影响了杂质扩散；扩散源使用时间过长，杂质量减少或源变质；扩散系统漏气或源蒸气饱和不充分；携源气体流量小而稀释气体流量大，使系统杂质蒸气压偏低；扩散温度偏低，扩散系数下降；扩散时间不足，扩散杂质总量不够等等原因会造成R偏大。相反，杂质蒸气压过大，温度偏高，时间过长会导致R偏小。如果在预沉积时发现R偏大或偏小，可在再扩散时通过适当改变通干氧、湿氧的先后次序或时间来进行调整，而这正是两步法扩散的一大优点。三结特性参数异常扩散工艺过程中要测单结和双结特性。根据单结和双结测试情况及时改变工艺条件。测单结主要看反向击穿电压和反向漏电流；测双结主要为调电流放大参数hFE。（1）PN结的反向击穿电压和反向漏电流，是晶体管的两个重要参数；也是衡量扩散层质量的重要标准。它们是两个不同的物理概念，但实际上又是同一个东西，反向漏电大，PN结击穿电压低。工艺中常见的不良反向击穿主要有：表面缺陷过多或表面吸附了水份或其他离子，会使表面漏电增大。氧化时由于清洗不好，有一些金属离子进入氧化层，如钠离子，从而增加漏电降低击穿。二氧化硅表面吸附了气体或离子以及二氧化硅本身的缺陷如氧空位等，使得SiO2带上了电荷，形成了表面沟道效应，增大了反向漏电流。硅片表面上沾污有重金属杂质，在高温下，很快扩散进Si片体内，沉积在硅内的晶格缺陷中，引起电场集中，发生局部击穿现象，造成很大的反向漏电流。此外，如光刻时图形边缘不完整，出现尖峰毛刺，表面有合金点、破坏点，引起了纵向扩散不均匀，PN结出现尖峰会形成电场集中，击穿将首先发生在这些尖峰上。因此，制造良好的扩散表面，保持表面清洁，严格清洗工艺，保证扩散系统清洁，保证气体纯度高，扩散源质量好，采用低位错密度材料，提高光刻质量或者采取吸杂工艺等，都能起到改善器件击穿特性的作用。（2）电流放大系数hFE是晶体管，同时也是扩散层的另一个重要参数。放大过大过小都不能满足用户要求。影响放大的因素很多，如基区宽度，发射区与基区杂质浓度比，表面是否有沾污和复合等。减薄基区宽度能使放大提高。提高发射区浓度，降低基区浓度，从而增大浓度梯度，可以提高注入效率，减少复合，提高放大。此外，材料中的位错密度大，有害金属杂质多，会降低少子寿命，缩短载流子扩散长度，导致放大下降。四扩散均匀性和重复性现在用户对半导体器件参数要求越来越苛刻。其中重要的一点，就是参数的一致性非常好，允许的技术指标范围非常窄。这就要求制造工艺，尤其是核心工艺扩散的均匀性、重复性要相当的好。（1）均匀性 指同一炉硅片中一片之内和各片之间技术参数基本在一个水平上，实际生产中造成硅片不均匀的原因主要有：a. 衬底材料本身参数的电阻率等不均匀。b. 扩散前硅片处理不好，硅片表面有局部的沾污或氧化物造成扩散进去的杂质原子的多少，结的深浅就与其他地方不一样。c. 杂质扩散系数和固溶度与温度有关，石英舟中各处的温度若有差异。就会影响扩散结果均匀性。d. 石英舟各处的杂质蒸气压不完全相同，同样也会导致扩散结果不均匀。（2）重复性 重复性不好是由于各次扩散过程中，炉温时间和石英管内杂质蒸气压变化较大，以及清洁处理不当造成的，为此，除了精确控制炉温和时间外，还需要设法使得石英管内的杂质蒸气压保持均衡，通常采用的方法是每天第一次扩散前将石英舟和石英管在源蒸气中饱和一定的时间，这在相当程度上可以解决重复性问题。第四章 离子注入半导体器件工艺中，通过掺杂制造PN结，除了扩散还有其他一些方法。如从前的点接触工艺、合金烧结工艺，以及前面讲过的异质外延工艺等都是。再有就是我们将要介绍的，现在生产中普遍应用的一种叫离子注入的工艺。第一节 离子注入原理所谓“离子注入”，就是利用高能粒子轰击掺杂的杂质原子或分子，使之电离，再加速到一定能量，使其直接射入半导体硅片内部，即“注入”到硅器件中，然后经过退火使杂质激活，达到掺杂的目的，形成PN结。杂质浓度和结深由杂质离子注入量和注入深度决定。离子注入过程是一种平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞逐步损失能量，最后停止下来。停下来的位置是随机的，离子注入的掺杂作用与扩散的物理过程是完全不同的。扩散是一种与温度有关的物理现象；而离子注入则依赖于离子运动的能量大小。第二节 注入杂质分布用离子注入法在Si片内部形成的杂质分布，与扩散法形成的杂质分布有很大不同，如图42所示。用扩散法获得的杂质分布通常为余误差函数分布或高斯分布。而用离子注入法形成的杂质分布，其浓度最大值不在硅片表面，而是在深入到Si体内一段距离的地方。这段距离的大小与注入离子能量大小有关。离子注入剂量（即表面处单位面积内包含的杂质离子数目）与注入的离子流的电流密度（通常称为束流密度）的大小及注入时间的长短有关。在有掩蔽介质存在的情况下，离子注入的杂质分布近似扩散再分布后的高斯函数分布。其近似程度取决于掩蔽介质的厚度及注入离子能量的大小。在图43中画出了二氧化硅作掩蔽膜时，注入杂质在硅内的高斯分布曲线.第三节 注入损伤和退火应用离子注入法制造PN结有很好的工艺可控性和重复性。但是经过离子注入的硅片表面会产生注入损伤，须进行退火加以消除。一注入损伤高能粒子注入硅靶体内时与硅原子核发生碰撞，并把能量传输给硅靶原子。当硅靶原子能量足够大时，可使靶原子发生位移。当位移原子的能量较大时，还可使其它硅原子发生位移，从而形成一个碰撞与位移的级连，在硅中形成无数空位和间隙原子。这些缺陷的存在使半导体中载流子的迁移率减小，少子寿命缩短，因而影响器件的性能。二退火工艺消除离子注入损伤的办法是退火。在N2保护下，使Si片在一定温度下保持一定时间，促使微观缺陷区下面未受损伤的硅单晶“外延生长”，从而使微观损伤区的晶体复原，习惯上把这种热处理过程称为“退火”。退火除了有消除微观损伤区的作用外，还可以使那些注入硅中的杂质离子进入替代硅原子的位置，成为电活性杂质离子，从而起到受主或施主的作用。退火温度与注入剂量有关退火工艺除了普通热退火，还有激光退火、电子束退火、离子束退火以及非相干退火等。第四节 离子注入设备离子注入总体结构：离子源分析器加速管扫描器靶室一离子源放电管里的少量自由电子在电磁场作用下获得足够能量后撞击分子或原子，使它们电离成离子，再经过吸收极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器。二磁分析器位于高压端的磁分析器利用不同荷质比的离子在磁场作用下运动轨迹的不同将离子分离，选出所需的杂质离子。被选离子束通过可变狭缝进入加速管。三加速管加速管一端接高压，一端接地，形成一个静电场。离子在静电场作用下，被加速到所需要的能量。四聚焦和扫描系统离子束离开加速管后进入控制区。先由静电聚焦透镜使其聚焦，再进行X、Y方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转后注入到靶上。偏转的目的是为了使束流传输过程中产生的中性粒子流不会到达靶上。五靶室和后台处理系统包括测量电荷的法拉第杯，全自动装片和卸片机构及控制电流和总电量的微机。离子注入机电器部件很多，为提高控制精度，控制系统全是由电脑操作。六真空系统离子束必须在真空中加速以便积累能量，离子注入机整个就是一个真空系统，通常离子注入机除了有供离子通行的主管道外，还配备一套抽气设备（真空泵组）、测量设备及其它附属设备。离子注入机真空度一般要达到（10-510-6）133.3Pa。下面是现在生产中正在使用的一种进口型号离子注入机，反应腔体和真空系统示意图：第五节 离子注入的应用离子注入技术迅速发展是半导体器件集成电路发展的需要。它具有一般热扩散不具备的优势。一般深结高浓度器件适用扩散工艺；而浅结低浓度对于热扩散就只能是勉为其难了。而这正是离子注入的强项，它能充分保证结深的一致性、重复性，从而确保器件参数的一致性，尤其是hFE放大对档率。一离子注入工艺 用于双极型晶体管制造，可使基区变薄，结电容及发射极电阻变小。因而可以提高截止频率，增加开关速度，降低微波管的噪声。二集成注入 逻辑电路（I 2 L）采用离子注入，适当调整发射区、基区浓度分布，可大大提高速度，降低功耗。三用于MOSFET可有效调整开启电压；用于自对准掺杂，可减小栅与源漏的电容，提高速度。尤其适于制造短沟道器件。四CMOS电路中应用，可控制开启，提高速度，降低功耗。五用来制造PN结二极管，可做出分布很陡的PN结，并能严格控制结深。六肖特基势垒二极管采用离子注入，能精确地控制势垒高度。七在太阳能电池制造中，用磷离子注入到高阻PSi（多晶硅）上产生一层很浅的N+层，有利于少子复合，大大提高能量转换率。八变容二极管用离子注入制造一个超变结，可以得到各种形状杂质剖面分布，得到各种CV特性曲线。总而言之，需要严格控制杂质浓度和分布的器件，采用离子注入工艺都能得到很大的技术效益。特别应当提出的是，离子注入没有横向扩散，因此，用来做细线条分立器件和大面积高集成电路尤为适宜。* * *离子注入与热扩散现在是半导体器件生产中普遍采用的两种常规PN结制造工艺。在扩散一章我们已详尽介绍了有关PN制造中的工艺质量问题，关于离子注入的一些质量要求及质量分析本章就不再赘述。第五章 光刻工艺光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工综合性技术。在平面晶体管和集成电路生产过程中，光刻的目的就是按照器件设计要求，在氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金属铝薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属薄模布线的目的。它先用照相复印的方法将光刻掩模的图形精确地复印到涂在待刻材料表面的光致抗腐剂（也称光刻胶）上面，然后在抗蚀剂的保护下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻材料上得到所需要的图形。第一节 光刻胶光刻胶是光刻的基础材料。光刻胶又称感光胶。一般由感光剂、增感剂和溶剂组成。感光剂是一种对光特别敏感的高分子化合物。当其受到适当波长光的照射时，能吸收一定波长的光能量，使之发生交联、聚合或分解等化学反应，使光刻胶改变性能。没有光刻胶就没有光刻工艺。其质量优劣对光刻工艺质量有很大影响，所以必须选择和配制尽可能理想的光刻胶。一光刻胶的性能指标光刻胶性能指标主要包括感光度、分辨率、粘附性、抗蚀性、针孔密度、留膜率、稳定性等几个方面。1感光度感光度是用来表征光刻胶感光性能的。感光度不同，表示对光的敏感程度不同，曝光所需的曝光量不一样。这就是说，感光度与曝光量成反比。光刻胶的曝光量越小，它的感光度越高。在同一光源、一定光强的情况下，曝光时间越短。2分辨率分辨率是表征光刻精度或清晰度能力的标志之一。它是指用某种光刻胶光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。其不仅与光刻胶本身有关，还与光刻工艺条件和操作技术等因素有关。分辨率通常是以每毫米最多可以容纳的线条数来表示。3抗蚀性生产上要求光刻胶对酸、碱化学腐蚀液具有良好的抗蚀性能，即能经受住较长时间酸、碱腐蚀液的腐蚀。当然，实际上光刻只有在针孔密度小、粘附性能良好的情况下才能有良好的抗蚀能力。4针孔密度单位面积光刻胶上针孔数称为针孔密度。如果光刻胶膜上有针孔，腐蚀之后会在二氧化硅等薄膜相应位置上形成针孔，直接影响光刻质量。5粘附力光刻胶与衬底（氧化硅SiO、氮化硅SiN、多晶硅PSi、铝Al等）之间粘附的牢固程度直接影响到光刻的精度。其不仅与胶有关，还与衬底性质、它的表面状况有关。如果衬底是SiO2，应要求其表面平整致密、清洁干燥，这才有利于胶的附着。SiO2表面含有高浓度磷(P)杂质，容易出现浮胶或钻蚀。光刻胶的配比、前烘条件和显影液的配方等因素也都会对胶的粘附性产生影响。5 留膜率留膜率是指曝光显影后的非溶性胶膜厚度与曝光前胶膜厚度之比。由于对腐蚀起保护作用的是曝光、显影后的胶膜，故要求光刻胶有较高的留膜率。留膜率除与胶本身有关，还与工艺条件如膜厚、前烘温度、曝光气氛、曝光量以及显影液成分等因素关系密切。用椭圆偏振仪或其他膜厚测试仪测出显影前后的光刻胶膜厚度即可算出留膜率。7稳定性光刻胶应当性能稳定，不发生暗反应，杂质含量少，显影后无残渣。二光刻胶的种类根据光刻胶在曝光前后溶解特性的变化，可将光刻胶分出两大类：负性胶和正性胶1负性胶这种胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮等）是可溶性的。曝光后发生光聚合反应，不再溶于上述有机溶剂。当用它光刻时，在衬底表面得到与光刻掩模版遮光图案完全相反的图形，如图5-1（a），故称负性胶。2正性胶这种胶在曝光前对某些有机溶剂是不溶的。而曝光后却变为可溶性的。使用这种胶能得到与掩模版遮光图案相同的图形，故称正性胶。正胶和负胶从性能上讲各有千秋。大体说来，负胶抗蚀性好；而正胶分辨率高。开细小的孔，正胶适合；刻细线条宜用负胶。用正胶时，腐蚀工序最好用干法刻蚀，因为正胶抗湿法腐蚀性较差。正胶、负胶特性的比较如下表。表5-1 正胶、负胶性能的比较项目负性胶正性胶化学稳定性稳定稍不稳定感光度高低分辨率稍低高台阶覆盖不充分充分耐湿法腐蚀良好差粘附性良好差机械强度强弱三光刻胶的配制光刻胶的性能与其配比有关。感光剂、增感剂、溶剂配比的选择原则是：既要使光刻胶具有良好的抗蚀能力，又要有较高的分辨率。这二者往往是矛盾的。因此应当根据不同光刻对象和要求，适当选取不同的配比，现在生产厂家能提供各种规格的光刻胶，根据不同器件不同要求适当选用就是了。第二节 光刻工艺流程在平面晶体管和集成电路生产中，为了进行定域扩散，形成电极以及元件间的互联线，制作管芯的硅片必须经过多次光刻。虽然每次光刻的目的要求不同，但其工艺过程基本上是相同的。一般分为涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶七个工序。一涂胶在圆片表面敷盖一层光刻胶。涂胶的要求是：胶膜均匀，达到预定的厚度；胶层内无点缺陷（针孔，回溅斑等）；涂层表面没有尘埃、碎屑等颗粒。光刻胶与衬底间粘附力的大小对光刻质量有极大影响，而对粘附力影响最大的是衬底的表面处理。在真空烘箱中通以HMES或OAP等液体增粘剂的蒸气，使其与硅表面二氧化硅作用，能提高光刻胶与硅片表面的粘附力。二前烘其目的是促使胶膜体内的溶剂充分挥发使胶膜干燥，以增加胶膜与衬底的粘附性和胶膜的耐磨性。前烘不足，在胶膜与硅片界面处溶剂未充分挥发，曝光时就会阻碍抗蚀剂中分子的交联，显影时一部分胶被溶除，造成浮胶或图形走样。烘焙过分，会导致胶膜翘曲硬化，该显除的胶膜残留造成显影不干净或胶面发皱、发黑，失去抗蚀能力。前烘的方式通常有烘箱对流加热、红外线辐射加热或热板传导加热。现生产中涂胶机上有前后两块热板，涂好胶的硅片进入片架之前自动经过两块热板完成前烘。三对位曝光这是光刻中最关键的工序。它直接关系到光刻的分辨率、留膜率、条宽控制和套准精度。影响曝光分辨率和条宽控制的因素很多。如掩模版与光刻胶接触不良，曝光光线平行不够，光线与掩模版表面的垂直性不良，光的衍射和散射效应等都将使曝光分辨率下降，条宽控制困难。此外，曝光量和光刻掩模版的质量也会直接影响曝光质量。套刻精度主要由曝光设备决定，曝光光源常用的是高压汞灯发出的紫外光。四显影用溶剂去除曝光部分（正胶）或未曝光部分（负胶），在硅片上形成所需的光刻图形。显影时影响条宽控制精度的因素主要是显影时间。对于负胶，时间越长，光刻胶的膨胀程度越重，条宽变化越大。因此，负胶显影应合理选择既能保证显影充分，又不至于使条宽变化过大的显影条件。对于正胶，已曝光部分的溶蚀速度决定了显影时间的长短。显影方式通常有显影槽内浸渍显影和显影机上旋转喷雾显影。五后烘后烘也叫坚膜，目的是去除显影后保留下来的胶层内残留的溶剂，使腐蚀时胶膜有更好的抗腐性。选择后烘条件应综合考虑对粘附性、图形尺寸精度以及生产效率的因素。后烘方式基本上与前烘相同。六腐蚀目的是去除显影后裸露出来的介质层，氧化硅、氮化硅、多晶硅、金属铝（AL）等。腐蚀应考虑的问题有：腐蚀均匀性、方向性、选择性、腐蚀速率、公害和安全实施及经济性等。1湿法腐蚀腐蚀在液相中完成的是湿法腐蚀。下面分不同的腐蚀对象一一介绍：aSiO2腐蚀腐蚀液由HF、NH4F与H2O（纯水）按一定比例配成的缓冲溶液。腐蚀温度一定时，腐蚀速率取决于腐蚀液的配比和SiO2掺杂情况。掺磷（P）浓度越高，腐蚀越快。掺硼（B）相反。SiO2腐蚀速率对温度最敏感，温度越高，腐蚀越快。掺磷（P） 的SiO2是磷硅玻璃PSG，如果PSG是长在AL上作钝化层的，这时采用上述腐蚀液腐蚀会伤及AL层，所以一般采用配方如下的腐蚀液：（HF6%，NH4F30%）：醋酸2：1。bAl腐蚀一般采用磷酸、硝酸、冰醋酸与纯水组成的混合腐蚀液。其中磷酸约占80，主要起腐蚀Al的作用。硝酸占15，其与Al反应生成溶于水的硝酸盐，有了它可提高腐蚀速率，但含量过多会影响光刻胶抗蚀能力。醋酸占10左右，它能降低腐蚀液的表面张力，增加Si片与腐蚀液的浸润效果，提高腐蚀均匀性，同时具有缓冲作用。纯水占5左右。这种腐蚀液可在较低的温度下使用。c氮化硅的腐蚀也可采用上述氧化硅腐蚀液腐蚀，但速率慢。氮化硅和氧化硅有相反的腐蚀特性。后者湿法腐蚀快，而前者干法腐蚀能有较好的速度和腐蚀质量。2干法腐蚀该腐蚀是在气相中完成的，故称干法腐蚀。化学干法腐蚀英文缩写为CDE，它能克服湿法腐蚀工艺中的不少问题。如钻蚀、图形边缘难于控制；对操作人员身体的危害，化学药品的处理等。干法腐蚀可改善图形的分辨率、控制腐蚀图形剖面，提高成品率，在半导体器件制造中有着广泛的应用。目前，常用的CDE工艺有等离子腐蚀和反应离子腐蚀两种。a等离子腐蚀给气体加上大于临界值的电场，气体原子（或分子）产生电离，具有电导性，形成等离子体。这里的电场一般是射频电场。标准频率13.56MH，也可以是微波电场，频率更高，能量更大。产生的等离子体是由电子、正负离子、中性原子、处于激发态的分子以及十分活跃的游离基组成的成分复杂的物质的第四状态，既非气体也非液体更不是固体。在CF4中加少量氧气（58）可以加快腐蚀速率，但是加多了要腐蚀光刻胶降低选择比。加氧所以能加快刻蚀速率，一方面氧能抑制F*在反应腔壁的损失；另一方面还与下列过程有关：所产生的F*与Si3N4反应，从而加快了腐蚀速率。等离子腐蚀速率除了与射频功率、反应压力、装片多少（负载效应）以及反应气体流量有关外，还与所用气体种类有关。刻蚀多晶硅用SF6 ; 刻氮化硅用CF4O2;刻氧化硅用CHF3(三氟甲烷)或CF4H2。如果不加H2，腐蚀SiO2时会在表面形成一层屏蔽物妨碍反应继续进行。有了氢，可以发生还原反应化解这层掩蔽物使反应不断往下进行。刻蚀氮化硅时，如在反应气体中添加少量NF3，能够大大提高刻蚀速率。我们器件制造工艺中要用到厚度高达1.5m的超厚氮化硅薄膜，工艺是从日本东芝引进的。东芝公司用的刻蚀机是CDEVII型微波高速刻蚀机。我们引进他们的技术，但缺少这种刻蚀设备（当时受“巴统”控制）。恰好这时国内一家氟系特气生产厂家根据国外资料正在研制新的气体NF3，于是我们协议，一方免费供气，一方免费试用，结果获得成功。就这样我们用高速刻蚀气体代替高速刻蚀设备，在这条引进线通线时，打通了氮化硅刻蚀工序。b反应离子刻蚀（RIE）在等离子刻蚀基础上，对设备和工艺条件作些变更，降低反应气体压力，变承片盘阳极为阴极，减少阴极面积（或增大阳极面积），将阳极面积与阴极面积之比提高到2 ：1左右，使到达阴极的正离子具有更高的能量和指向阴极的方向性轰击被刻蚀介质，从而产生各向异性腐蚀。这就是反应离子刻蚀RIE。腐蚀本身是化学反应，同时又具有电场效应，离子直接轰击被腐蚀物质是物理作用。RIE的优点是各向异性腐蚀，侧向腐蚀少，理论上讲不存在侧向腐蚀；刻蚀选择性好；线条边缘整齐，刻蚀精度可到达亚微米级。七去胶常用的去胶方法有三种：湿法去胶、等离子去胶、通氧去胶。1湿法去胶用3号洗液（SH液，配方是H2SO4: H2O2=3:1）浸泡，对非金属衬底上的胶进行湿法去除。用有机去胶剂，如J-100、OMR502、OMR83等对金属衬底湿法去胶。2等离子去胶原理同等离子刻蚀，腐蚀气体用O2。等离子体中的活化氧使有机物在50100度温度下（设备不一定直接加热）很快氧化，生成CO2、CO和H2O等挥发性成分，从而达到去胶目的。其优点是操作安全简便，环境污染少，生产效率高。3通氧去胶在450530的炉内通入大流量的氧气，使光刻胶被氧化，生成H2O、CO2等挥发性氧化物而被氧气流带出炉管。缺点是温度较高，污染较重。我们曾试验用N2O代替O2进行等离子去胶和通氧去胶，结果由于N2O通常情况下比O2稳定，通氧去胶速率不及用O2，但N2O是双元素分子（离解能1.68ev），比单元素双原子分子O2离解能（5.12ev）低得多，所以其用在等离子去胶及等离子刻蚀时工艺速率比用O2要高。由于笑气（N2O）在一般情况下比氧气稳定而电离时却又有较高的离解率，所以在用PECVD等离子工艺淀积生长氧化硅时就用N2O，而不用O2。第三节 光刻设备从光刻工艺过程中可以看出，光刻设备应包括：涂胶机、烘片烘箱、对位曝光机（光刻机）、显影槽（采用喷淋显影时，需要显影机）、腐蚀槽和去胶槽。如干法腐蚀和去胶，则需要等离子刻蚀机和等离子去胶台。涂胶前为使光刻胶与硅片有很好的粘附，硅片先进烘箱进行预烘处理，同时通入增粘剂AOP液或HMDS液蒸气。这种烘箱需要是真空烘箱，但真空度不是很高。前烘是直接在涂胶机（或称匀胶机“通道”）上的两只热板上完成的。后烘（坚膜）用普通烘箱不抽真空通N2保护。涂胶机：为了保证光刻质量，涂胶机应置于超净（100级）环境中工作。涂胶方法有浸涂法、喷涂法和旋转法等。生产中普遍使用自动涂胶机。上料、传片、吸片、滴胶、旋转匀胶、前烘、下料完全自动操作。自动涂胶机有单通道、双通道、三通道等机型。过去讲的涂布扩散源的涂胶机，后面将要讲的聚酰亚胺涂胶机，和这里的涂胶机完全是一种装置。喷雾式显影装置工作原理和机构，与自动涂胶机大同小异；只是滴光刻胶变成喷淋显影液。光刻机是光刻工艺中主要设备，它是一种专用设备，也是一种精密光学仪器。对光刻机的基本要求是有良好的对准装置，即具有精密的微调和压紧机械系统，以及一个合适的光学观察系统。等离子刻蚀和等离子去胶机，外形各异。但除了输入的反应气体不尽相同。目的不一样而外，设备的结构方框是完全相同的。去胶机功率大，去胶时间长，为减少等离子损伤，硅片不直接放在两极板之间的等离子场内。前面提到的CDE-VII型微波等刻机类似，也是先在一个腔体内产生等离子体，再导入反应腔对硅片实施刻蚀。等离子刻蚀和等离子去胶设备都由以下几个部分组成：机械泵加罗茨泵构成的真空抽气系统；反应气体供气系统；加热和冷却系统；射频或微波功率源；程序运行控制系统以及终端监测装置等。事实上，不仅等离子刻蚀、等离子去胶，后面将要讲的等离子淀积设备也是以上几大块组成。我们在一条引进的生产线通线时，没有等离子刻蚀机，等刻氮化硅就是在等离子淀积台上完成的。第四节 光刻质量及控制光刻工艺是半导体制造关键工艺之一，光刻质量好坏决定着器件的性能、成品率和可靠性。通常光刻质量要求是：*光刻图形完整，尺寸精确，边缘整齐，线条陡直。*图形内无小岛，不染色，刻蚀干净。*硅片表面清洁，不发花，没有残留被腐蚀物质。*图形套合十分准确。光刻工艺是十分精密和细致的工作。影响其质量的因素是多方面的，主要包括光刻胶、曝光方式，以及刻蚀方法等。具体工艺质量表现在以下内容当中。 一。分辨率影响分辨率的因素通常有以下几个方面：1。光刻掩模版与光刻胶膜的接触。若接触不好，哪怕只有几微米的不平度，就足以影响光刻精度。接触不良的原因一般有硅片高温处理后产生的弯曲；硅片上有凸状物或灰尘；光刻胶膜的厚度不够或定位设备不良等。2。曝光的平行度。曝光光线通过透镜应成平行光束，并与掩模版和胶膜表面垂直。否则光刻图形产生变形或图形模糊而影响分辨率。3。掩模版的质量。掩模版套准精度直接影响光刻的精度。掩模版图形边缘过薄也会使分辨率下降。4。光刻胶膜厚度和质量。在不影响光刻质量的前提下，尽量使胶稀一些，干燥后胶膜较薄，这可提高分辨率。采取过滤方法去除胶中固体杂质微粒，也是提高分辨率的一个有效措施。5。小图形引起的光衍射。光线通过细小间隙的图形边缘会引起衍射现象，使应遮蔽部分的胶膜感光，显影后会留下一层薄的胶膜，在腐蚀时形成递减过度区，影响分辨率。6曝光时间的影响。由于光的衍射和散射，曝光时间越长，分辨率越低；但曝光不足则光聚合不充分，也影响分辨率。7。衬底反射的影响。由于铝膜反射比SiO2强，光刻铝膜和氧化膜分辨率不同。除了曝光工序外，显影和腐蚀也影响分辨率。掩模版的分辨率，光刻胶的性能等也都有关。 二。针孔针孔是指在腐蚀后，在SiO2或铝膜上，留有针尖状小孔，一般为微米量级。1。针孔的存在会使SiO2掩蔽失效。若针孔在PN结上会破坏PN结的电流和电压特性，使反向漏电流增大，击穿电压降低。若光刻引线孔时留下针孔，会导致不该连线的区域相互连接，造成短路或漏电流增大。2。产生针孔的原因和消除方法大致如下：a。光刻掩模版质量不好。b。涂敷光刻胶时操作环境中灰尘污染。c。光刻胶涂敷太薄，或光刻胶抗蚀性太差。d。曝光时间没有控制好。曝光时间短，光刻胶交联不充分；曝光时间过 长，膜层发生皱皮，使掩蔽失效，这些都会造成针孔。e。腐蚀液配比选择不当。氢氟酸过量，腐蚀速率过快，也会形成较多针孔。f。扩散氧化后，硅片表面上有凸状物。减少或消除针孔，应当针对以上产生原因逐一寻求解决办法。加强光刻版的检验，光刻及涂胶，必须在超净环境下进行。胶膜厚薄、曝光时间、腐蚀液配比均要选择得当，扩散氧化后硅片表面要保持清洁光亮，平整无异物突出。在显影前采用二次涂胶或显影后烘烤一下再涂胶，再用另一块相同图形的版套刻一次；也可以在蒸铝前采用低温淀积生长一层氧化硅换掩模版套刻再蒸铝。三。小岛1。小岛对器件的影响。小岛指应该刻除氧化层进行扩散的区域内，留有局部细小区域的氧化层。小岛的存在妨碍了该区域的正常扩散，导致器件反向漏电增大、击穿电压低、特性不正常。例如光刻基区时，若有小岛留在发射区位置上，发射区扩散后会使集电结和发射结间反向电流变大、击穿特性变坏，甚至发生两极间（发射极E和集电极C）短路。2。产生原因和消除方法a。光刻掩模版上有针孔。b。显影不干净。c。腐蚀液不纯，特别是沾有灰尘等污物。减少或消除小岛，应采取针对性措施。对光刻版进行修改或调换新版，适当增加显影时间；保持腐蚀液的纯洁度。此外同样可以采取两次套刻的办法，将第一次光刻留下的小岛光刻掉。四。浮胶浮胶是指应该有胶的地方，在显影或腐蚀时发生脱落现象，因此也称脱胶。这样就使该区域的氧化层或铝层也被腐蚀掉，光刻图形遭到破坏，成为废品。造成浮胶的主要原因是硅片表面不干净，影响了胶与硅片的粘附性。浮胶常在显影和腐蚀时发生。1。显影时浮胶。显影时硅片表面胶膜皱起呈桔皮状，或胶膜大片剥离，形成显影浮胶。产生的原因：a。涂胶前硅片表面不清洁，或沾有油污水汽等。b。光刻胶配制不当或胶液陈旧，胶的光化学