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生产实习报告 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 李跃进 丁瑞雪 李娅妮 实习时间 分组情况 第 大组 第 小组 一 工艺原理 1 氧化 半导体工艺中的二氧化硅大多数是通过热生长氧化法得到的 也就是让硅片 晶圆 在高温下 与氧化剂发生反应而生长一层 SiO2 膜的方法 其化学反应 式如下 Si 固态 O2 气态 SiO2 固态 化学反应非常简单 但氧化几理并非如此 因为一旦在硅表面有二氧化硅 生成 它将阻挡 O2 原子与 Si 原子直接接触 所以其后的继续氧化是 O2 原子 通过扩散穿过已生成的二氧化硅层 向 Si 一侧运动到达界面进行反应而增厚的 通过一定的理论分析可知 在初始阶段 氧化层厚度 X 与时间 t 是线性关系 而后变成抛物线关系 以上介绍的是干氧氧化 氧化速率较慢 干氧氧化 氧化速率较慢 如果用水蒸气代替氧气做氧化剂 可 以提高氧化速率 用水蒸气氧化的工艺通常称为湿氧氧化湿氧氧化 其化学反应式如下 Si 固态 H2O 气态 SiO2 固态 2H2 气态 通常采用干氧 湿氧 干氧结合的氧化方式 2 扩散 杂质扩散机制 a 间隙式扩散 b 替位式扩散 扩散系数 非克 Fick 第一定律 C x t J x t D x J 为扩散粒子流密度 定义为单位时间通过单位面 扩散粒子流密度 扩散 粒子的浓度 积的粒子数 积的粒子数 C 是扩散粒子的浓度 D 为扩散系 数 是表征杂质扩散快慢的系数 是表征杂质扩散快慢的系数 非克第一定律 表达了 扩散的本质即浓度差越大 温度越高 扩散就越快 浓度差越大 扩 散的本质即浓度差越大 温度越高 扩散就越快 常用扩散杂质 形成 P 型硅的杂质 形成 P 型硅的杂质 B Ga Al 族元素 Ga Al 族元素 形成 N 型硅的杂质 形成 N 型硅的杂质 P As Sb 族元素 As Sb 族元素 IC 制造中常用的杂质 IC 制造中常用的杂质 B P As Sb As 制造中常用的杂质 B 硼 Ga 镓 Al 铝 Ga Al P 磷 As 砷 Sb 锑 As Sb 扩散杂质的分布 1 余误差函数分布 恒定表面源扩散属于此分布 其扩散方程 C z t CS1 z 2 Dt 0 z e d CSerf 2 Dt 2 误差函数分布的特点 a 杂质表面浓度由该种杂质在扩散温度下的固溶度所决定 当扩散温度不变时 表面杂质浓度 维持不变 扩散时间越长 扩散温度越高 硅片内的杂质总量 就越多 扩散时间越长 扩散温度越高 杂质扩散得越深 2 高斯分布 有限源扩散属于此分布 其扩散方程 QT C z t e Dt 高斯分布的特点 a 在整个扩散过程中 杂质总量保持不变 b 扩散时间越长 扩散温度越高 则杂质扩散得越深 表面浓度越低 c 表面杂质浓度可控 扩散工艺 常规深结 Xj 扩散采用两步扩散 第一步 预扩散或预沉积 温度一般较低 980 以下 时间短 小于 60 分 以下 此步扩散为恒定表面源扩散余误差分布 第二步 再扩散或结推进 温度一般较高 1200 左右 时间长 大于 120 分 同时生长 SiO2 此步扩散为有限表面源扩散高斯分布 3 光刻 光刻 将掩模版上的图形转移到硅片上 的过程 本质 把电路结构临时 复制 到硅片 上 光刻的成本在整个硅片加工成本中几乎 占三分之一 光刻是集成电路中关键的 工艺技术 最 早的构想来源于印刷技术中的照相制版 最早在 1958 年就开始 了光刻技术 实现 了平面晶体管的制作 在讨论扩散和离子注入的过程中 涉 及 到采用 SiO 2 或者其他的一些掩膜材料来 覆盖硅片表面的部分区域 通过 光刻选择性地去除硅片表面限定区域的掩膜 就可形成集成电路所需的绝缘层 或者金属层的图形 ULSI 中对光刻的基本要求 1 高分辩率 2 高灵敏度的光刻胶 指胶的感光 速度 3 低缺陷 重复导致多数片子都变坏 4 精密的套刻对准 允许的 套刻误差为线 宽的 10 5 对大尺寸硅片的加工 光刻的工艺流程 光刻工艺的主要步骤 a 涂胶 甩胶 之前需要脱水烘 焙 甩胶 加 HMDS b 前烘 去溶剂 减少污染和显影损失 c 光刻胶 通过掩膜曝光 胶受光变为乙烯酮 再变为羧酸 易溶于碱液 d 显影后 的图形 图形检查 不合格的返工 用丙酮去胶 e 坚膜 除去光刻胶中的 剩余溶液 增加附着力 和抗蚀能力 温度高于前两种 f 刻蚀氧化层和去 胶 干法和湿法 4 金属化 金属化的作用 a 将有源元件按设计的要求联结起来形成一个完整的电路和系统 b 提供与外电源相连接的接点 互连和金属化不仅占去了相当的芯片面积 而且往往是限制电路速度的主要矛 盾之所在 金属材料的用途及要求 a 栅电极 与栅氧化层之间有良好的界面特性和稳定性 合适的功函数 满足 NMOS 和 PMOS 阈值电压对称的要求 多晶硅的优点 可以通过改变掺杂的类型和浓度来调节功函数 与栅氧化层有很好的界面特性 多晶硅栅工艺具有源漏自对准的特点 b 互连材料 电阻率小 易于淀积和刻蚀 好的抗电迁移特性 Al Cu c 接触材料 良好的金属 半导体接触特性 好的界面性和稳定性 接触电阻小 在半导体材 料中的扩散系数小 后续加工工序中的稳定性 保证器件不失效 Al 硅化物 PtSi CoSi 集成电路对金属化材料特性的要求 晶格结构和外延生长的影响 薄膜的晶格结构决定其特性 电学特性 电阻率 TCR 功函数 肖特基势垒高度等 机械特性 热力学特性以及化学特性 Al 的优点 电阻率低 与 n p 硅或多晶硅能形成低阻的欧姆接触 与硅和 BPSG 有良好的附着性 易于淀积和刻蚀 故成为最常用互连金属材料 金属铝膜的制备方法 PVD 真空蒸发法 电子束蒸发 利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源使之蒸发淀积在硅片表面 溅射法 射频 磁控溅射 污染小 淀积速率快 均匀性 台阶覆盖性好 二 二极管的制作 1 工艺流程 氧化生长氧化生长 氧化炉炉管预热到 600 之后 将载有 N 型衬底的硅片的石英舟中按照一定速 度慢慢推进炉管后 炉管加热升温至 1200 并且炉管中通入 O2 氧化一般 采用干氧 湿氧 干氧氧化的方式 在水汽发生装置的瓶中装入不超过 2 3 的纯 水 将其加热到 100 纯水沸腾 利用 O2 将水蒸汽携带或者直接进入炉管中 经过大约一定时间 视情况而定 氧化后 炉管内慢慢降低至 600 后 将石 英舟慢慢拉出 待硅片自然冷却后 利用膜厚测试仪测试硅片表面氧化层的厚度 光刻窗口光刻窗口 涂胶 涂胶是在 SVG 8000 8626 涂胶机上进行 非真空 目前采用的光刻胶的粘度主 要有有 30 60 100mPas 以及 PW 1500 等 一到四次光刻光刻胶一般采用负胶 类型有 OMR 83 环化光刻胶 HTR 80 环化光刻胶 HTR 3 50 HTR 3 100 光刻 胶等 而钝化层光刻采用聚酰亚胺光刻胶 它是正胶 也有部分聚酰亚胺负胶 但是很少用 涂胶的具体步骤为 1 上料 2 传送 3 预旋转 硅片旋转甩掉表面的脏物 4 停止旋转 滴胶 5 推胶 硅片旋转将胶慢慢涂布满整个硅片的表面 6 匀胶 将将胶涂匀在表面 光刻胶粘度越大 转速越高 这样得到的膜更均 匀 曝光 从烘箱内取出硅片让其冷却至室温 双面 TVS 将硅片置于曝光夹具的玻璃光刻板之间 并夹紧 单面 TVS 将硅片置于曝光夹具的玻璃板上 再扣下胶片光刻板 开真空阀将其吸牢 将曝光夹具推入曝光机中心 按下开关 开始曝光 完毕后退出 曝 光条件看是实际情况而定 曝光结束 松开吸片真空并将硅片放入到载片盒中 显影 找开显影缸盖 用载片盒手柄将曝光好的硅片放入显影缸中显影 并计好时间 注意 显影时应来回晃动载片盒数次 显影后将硅片晾干 然后放入坚膜烘箱内坚膜 30 分钟 显影完的硅片需要检查外观 如有显影不良 则不良硅片通知工程人员处理 腐蚀 在二氧化硅腐蚀清洗机中进行 腐蚀液是由 HF NH4F 与 H2O 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 掺磷浓度越高 腐蚀越快 掺硼则相反 SiO2 腐蚀速率对温度最敏感 温 度越高 腐蚀越快 具体步骤为 1 将装有待腐蚀硅片的片架放入浸润剂 FUJI FILM DRIWEL 中浸泡 10 15S 上下晃动 浸润剂 FUJI FILM DRIWEL 的作用是减小硅片的表面张力 使得腐蚀液更容易和二氧化硅层接触 从而达到充分腐蚀 2 将片架放入装有二氧化硅腐蚀液 氟化铵溶液 的槽中浸泡 上下晃动片架 使得二氧化硅腐蚀更充分 腐蚀时间可以调整 直到二氧化硅腐蚀干净为止 3 冲纯水 4 甩干 去胶 等离子体干法去胶 用 HDK 2 型等离子刻蚀去胶机去胶 在去胶机内通入刻蚀气体 O2 等离子体 内的活化氧使有机物在 50 100 下很快氧化 生成 CO2 CO H2O 等挥 发性成份 从而达到去胶目的 去胶后检查 1 有残胶 再去胶 2 有残液 再清洗 3 有残迹 用 1 号液清洗 4 窗口有二氧化硅或铝残留 P 型扩散型扩散 预淀积 扩散炉炉管预热到 1000 之后 将载有硅片的石英舟中按照一定速度慢慢推进 炉管后 炉管加热升温至 1200 并且炉管中通入 O2 和 N2 P 型扩散采用氮 化硼作为扩散源 利用 N2 携带的方式进入炉管 并且源温控制在 20 1 经过大约 110 10 min 视情况而定 通入氮化硼时间 预淀积后 炉管内 慢慢降低至 1000 后 将石英舟慢慢拉出 待硅片自然冷却后 需要测试预淀 积硅片表面的电阻率 电阻率的测试是利用陪片 首先用 40 的 HF 溶液将陪 片腐蚀 然后冲水后烘干 再利用四探针测试仪测试陪片表面电阻率 预淀积 后硅片表面的电阻率要求控制在一定范围 如果电阻率大于范围值 需要减少 预淀积时间 如果电阻率小于范围值 需要再进行预淀积 再扩散 主扩散是利用碳化硅舟进行 将硅片依次紧靠放入碳化硅舟中 硅片与硅片之 间以及舟底都要撒上二氧化硅粉 以免高温扩散时硅片粘结在一起 两端用碳 化硅挡板挡好 将扩散炉炉管预热到 800 之后 将载有硅片的碳化硅舟中按 照一定速度慢慢推进炉管后 炉管加热升温至 1286 经过大约 200 小时 视 情况而定 扩散后 炉管内慢慢降低至 800 后 将舟慢慢拉出 待硅片自然冷却后 需要测试硅片表面的参数 1 电阻率 利用四探针测试 仪测试 2 结深 在结深测试仪上利用微细刚玉粉将硅片的边缘磨出一个斜面 并且用 溶剂对扩散区域进行染色 利用显微镜可以测出斜面染色区域的长度和斜面长 度以及硅片厚度 根据三角形相似的方法可以求出结深 3 表面 检验硅片的翘曲 沾污等 光刻接触孔光刻接触孔 光刻接触孔步骤还是同光刻窗口 只不过是在曝光时所用版图不同 步骤如下 涂胶 烘干 曝光 显影 腐蚀 烘干 去胶 金属淀积金属淀积 金属层的形成主要采用物理汽相沉积 Pysical Vapor Deposition 简称 PVD 技术 主要有两种 PVD 技术 蒸发和溅射 蒸发是通过把被蒸镀物体加热 利用被蒸 镀物在高温 接近其熔点 时的饱和蒸汽压 来进行薄膜沉积的 而溅射是利用 等离子体中的离子 对被溅射物体电极 也就是离子的靶 进行轰击 使汽相 等离子体内具有被溅镀物的粒子 如原子 这些粒子沉积到硅片上就形成了薄 膜 铝是用于互连的最主要的材料之一 因为铝的价格相对低廉 并且铝能够很容 易和二氧化硅反应形成氧化铝 这促进了二氧化硅和铝之间的粘附性 在生产 中采用电子束蒸发工艺淀积铝膜 大致步骤为 圆片在清洗液中清洗干净后浸 入 HF 溶液中去除表面的氧化层 去离子水冲洗后离心甩干 将圆片装上行星 盘 把行星盘装回蒸发台后就可以开始根据程序淀积薄膜 可以根据需要觉得 是否对蒸发的圆片衬底加热 前处理 清洗 对应不同的产品有不同的清洗方式 泡酸 将圆片浸入 5 的 HF 溶液中浸泡 20S 左右 然后冲水后甩干 对于肖特 基产品采用 1 的 HF 溶液浸泡 30S 泡酸后的圆片在 2 小时之内必须正蒸 否 则要重新泡酸 防止放置过长时间产生氧化层 正面蒸铝 将泡酸完的圆片装在行星盘上 放入蒸发台中 按照程序进行蒸发淀积 蒸发 的铝层的厚度一般根据芯片功率的大小来确定 从 1 4 m 到 7 5 m 不等 一 般肖特基等二极管铝层厚度在 5 m 左右 如果芯片面积大的话加到 7 5 m 目前用的蒸发台有 ULVAC EBX 2000 和 ei 5z 都是电子束蒸发台 铝蒸发的 工艺温度为 110 厚度不同 蒸发速度有所不同大致为 15A S 铝反刻铝反刻 反刻铝的主要作用 刻蚀掉电极引线以外的铝层 留下电极窗口处的铝作为电极 内引线 步骤同上面的光刻 合金化合金化 合金化 蒸发在硅表面的铝和硅之间的接触不是欧姆接触 必须通过合金化使 其变成欧姆接触 为了在铝和硅之间形成欧姆接触 还必须在惰性气体或者还原的氢气环境中进 行一次热处理 这一加热过程称为合金化或者低温退火 当铝硅界面的温度达 到 300 以上时 硅会以一定比例固溶到铝中 从而在界面处形成一层铝硅合 金 铝通过合金层与接触孔下面的掺杂半导体接触 从而获得金属和硅的欧姆 接触 合金过程中比较重要的控制参数有 温度 一般为 500 左右 时间 气流速 度等 测试测试 主要测试二极管的击穿电压 从而测量制造出的二极管是否良好 2 工艺条件及 3 工艺测试结果 氧化 温度 1143 时间 干氧 5min 湿 50min 干氧 5min 氧化层厚度 5400 氧气流量 50 格 光刻一 曝光时间 3s 显影时间 2min 腐蚀时间 3min20s 去胶时间 8min 硼预淀积 温度 940 时间 26min 流量氮气