半导体工艺课件

1、1半导体器件工艺原理衬底制备 薄膜生长 掺杂技术 图形加工技术 隔离 表面钝化绪论2绪 论半导体科学是最近几十年来迅猛发展起来的一门重要的新兴学科；是发展电子计算机、空间电子技术、雷达、通讯及工业自动化电子技术的基础。它的应用为农业、工业、国防和科学技术的现代化提供了极为有利的条件。半导体科学的发展与半导体器件制造技术的发展有着最紧密的联系。半导体器件制造技术主要由工艺设计、工艺制造、工艺分析和质量控制四部分组成。这些技术与电子计算机技术相结合，成为当今半导体工艺的一大特点。抓住以上四点，以硅外延平面工艺为主线，是学好本课程的关键。计算器工业转眼之间从最简单的四则运算器发展成为非常复杂、可编程

2、序的科研和商业用计算器。每一种新计算器的出现，都是集成电路技术向前发展一步的结果。 （美）查尔斯杰莫3晶体管集成电路大规模集成电路超大规模集成电路 半导体器件的发展构成现代微电子技术的基础194719594 器件的发展取决于工艺的发展，半导体工艺最早主要通过拉晶法和合金法来制造晶体管。 1959年，采用硅平面工艺生产集成电路，促进了双极型集成电路的出现和发展，也是MOS场效应管和MOS场效应集成电路诞生的必要和重要条件。5 衬底制备 薄膜制备 图形加工 掺杂技术切、磨、抛等外延、氧化、蒸发、淀积等 光刻、制版等扩散、离子注入等基本的平面工艺过程为：6硅外延平面晶体管管芯制造工艺流程剖面图 外

3、延 N+ N一次氧化 N+ N基区光刻 N+ N N背面蒸金 N+ N硼再分布 N+ N N N 引线孔光刻 N+ N N N衬底制备N+ 硼预扩散 N+ 发射区光刻 N+ 磷扩散 N+ 蒸 铝 N+ 反 刻 铝 N+7高温热氧化高温热氧化高温热氧化高温热氧化显影显影显影显影腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀将上述过程用连续动态过程表现出来8 双极型集成电路管芯制造工 艺流程剖面9 MOS晶体管和MOS集成电路管芯制造 工艺流程剖面图10硅栅MOS集成电路管芯制造工艺流程剖面图1.衬底制备2.一次氧化3.一次光刻4.二次氧化和多晶硅淀积5.二次光刻6.源漏扩散和低温淀积7.三次光刻8.蒸铝9.反刻铝11N沟

4、硅栅（L=23微米）E/DMOS工艺(1) N沟晶体管复合版图（2）原始衬底，P100550,50100.初氧化：9001050，80150nm。LPCVDSi3N4：80150nm。 光刻1：刻场区 (3) 等离子腐蚀Si3N4和场区注硼。E=100150Kev; D=6101261013cm-2(4) 场氧化：水汽氧化：9001050 ，t=615h。d=11.7m。12腐蚀氧化层；等离子去除氮化硅；腐蚀氧化层；栅区氧化：HCl氧化9001000 ；d=4070nm;光刻耗尽区；耗尽区砷注入：E=150700Kev; D=5101121012cm-2.（6）去胶；光刻增强区；增强区注入：E

5、=3050Kev; D=1101141011cm-2。(7) 去胶；光刻硅和多晶硅接触孔；Qf调整 ：在干N2中9001000退火、t=30min(8) 多晶硅生长：LPCVD法d=400600nm;光刻栅：等离子腐蚀多晶硅。13(9) 腐蚀源漏区的栅氧化层；磷预淀积；用10/1的HF溶液漂PSG；再扩散和氧化；测s及结深(10) LPCVD法淀积PSG：d=400800nm、掺磷79%；回熔：9001000；光刻接触孔。 (11) 溅射铂，形成铂-硅，去除铂。溅射钛-钨，淀积铝，光刻5及腐蚀金属层(12) 合金化，中测，淀积氧化层，光刻6及腐蚀压焊点。硅片减薄，蒸金及金的合金化14氧化物硅栅

6、CMOS工艺流程15原始材料3或4英寸N型硅片，晶向为100，电阻率在24一次氧化温度9001050，0.080.15m SiO2，测量氧化层厚度。淀积氮化硅 用LPCVD法，厚度为0.080.15 m 光刻1参阅图1-3a刻场区。本工序须在黄色光照明区进行1a 匀光刻胶；1b 前烘；1c 使版与硅片参考面对准（或将版和以前形成的图形对准）并曝光；1d 显影；1e 目视检查（测量关键尺寸）返修废片；1f 坚膜（如果用等离子腐蚀，或是在离子注入前，不一定要坚膜）；1g 等离子刻蚀氮化硅（这步刻蚀后不去胶，因为要用胶作为场注入的阻挡层）；1h 最后检查（检查关键尺寸）将报废片子除去氮化硅及氧化层并

7、进行返修。场注入（参阅图1-3b）在100150Kev条件下注磷：剂量：610126 1013离子/cm2（根据电路的工作电压范围来确定注入剂量）16去胶除去阻挡注入的光刻胶场氧化（参阅图1-3c）温度9501050水气氧化615h。氧化层厚1.01.7m。去除氮化硅 去掉氮化硅上的SiO2；用等离子腐蚀机除去氮化硅。光刻2P阱光刻。采用1a1e工艺流程。P阱注入（参阅图1-3d）在4080Kev条件下注入硼；剂量：1101321013离子/cm2（具体的注入剂量根据所要求的VT范围和以后的工序情况确定）。去胶除去阻挡注入的光刻胶。P阱扩散（参阅图1-3e）温度11501200，1224h17

8、栅氧化除去有源区上的二氧化硅；生长栅氧化层：6090nm干氧，温度9001000；测栅氧化层厚度；测氧化层击穿电压淀积多晶硅 厚度0.40.6m，用LPCVD方法。多晶硅掺杂在9001000 温度下扩磷，测量薄层电阻（3040/）光刻3（参阅图1-3f）光刻栅区，按光刻1a1e工艺流程进行，但用等离子刻蚀多晶硅，并在刻蚀后去胶。然后检查硅片并检验关键尺寸。光刻4光刻P沟源-漏区。按光刻1a1e工艺流程进行。P沟源-漏区注入（参阅图1-3g）在4060Kev条件下注入硼：剂量410141015离子/cm2。去胶除去阻挡注入的光刻胶。18光刻5光刻N沟源-漏区。按光刻1a1e工艺流程进行。N沟源-

9、漏区注入（参阅图1-3h）在80150Kev条件下注入磷，或在150！200Kev 条件下注入砷：剂量8101441015离子/cm2。去胶除去阻挡注入的光刻胶。CVD淀积SiO2厚度0.40.8 m，含磷量911%（重量比）。回流温度9001000 ，回流磷硅玻璃并激活注入离子。光刻6（参阅图1-3i）光刻接触孔。按光刻1工艺流程进行，但腐蚀二氧化硅前须坚膜。腐蚀后去胶并检查硅片，检验关键尺寸。金属化前清洗酸洗并在稀HF中短时间浸一浸。淀积铝溅射或电子束蒸发淀积（0.60.8 m）。19光刻7（参阅图1-3j）光刻金属连线图形。按光刻1工艺流程进行，但在腐蚀铝前须坚膜。合金/退火温度4005

10、00 ，在含30%H2（或超过30%）的氮气中进行。电气测量测量晶体管的VT、击穿电压、电阻值等器件参数。超出规定值范围的硅片应拒收（返修或报废）。淀积防擦伤保护层厚度0.1 m不掺杂CVD二氧化硅；厚度0.4 m，24%含磷量（重量比）的CVD二氧化硅；厚度0.1 m不掺杂CVD二氧化硅。光刻8（参阅图1-3k）刻压焊点。按光刻1a1e工艺流程进行。用等离子腐蚀。背面处理/硅片减薄对硅片背面进行磨削或研磨以除去背面形成的二极管；并且由于功率耗散的原因将硅片减薄至所要求的厚度。蒸金为了以后芯片烧结的需要，在背面蒸发或溅射（0.20.4 m）金。20金的合金（参阅图1-3l）温度380420 ，

11、N2中进行。中测将不合格芯片打上标记。装配将合格芯片封装作进一步测试。目 录第一章第二章第三章第四章第五章第六章1-1 衬底材料1.对衬底材料的要求 2.衬底单晶材料的制备 3.杂质缺陷对器件工艺质量的影响4.多晶硅的结构性质1-2 衬底制备1.晶体定向 2.晶片加工参观实验室22第第 一一 章章231、对衬底材料的要求：a.导电类型 P或Nb.电阻率：0.001100000c.寿命 一般要求几到几千微秒d.晶格完整性e.纯度高 一般常说的9个9f.晶向 111及110等g.要求一定的直径和均匀性，并给出主次定位面一、衬底材料一、衬底材料242、衬底单晶材料的制备悬浮区熔法生长过程示意图单晶生

12、长水平区熔法示意图硅单晶直拉法生产过程示意图25二、衬底制备硅衬底制备工艺流程单晶锭滚磨整形确 定 定 位 面磨 定 位 面晶 体 定 向化 学 腐 蚀切 片磨 片倒 角清 洗 检 验抛 光减 薄返回目录26目 录第一章第二章第三章第四章第五章第六章2-1硅外延薄膜制备的原理1.外延生长动力学原理2.外延掺杂及其杂质再分布3.自掺杂效应2-2二氧化硅薄膜1.结构与性质2.热生长氧化膜的制备3.实现掩蔽扩散的条件参观实验室2-3热分解淀积氧化膜法1.烷氧基硅烷热分解淀积法 2.硅烷热氧化淀积法3.淀积法形成二氧化硅膜的特点27 薄 膜 制 备 制备薄膜所需要的原子或分子是由含其组元的化合物通过氧

13、化、还原或热分解等化学反应而得到。 它不经过中间化学反应，以源直接转移到衬底上形成薄膜。 在半导体器件中广泛使用着各种薄膜，制备薄膜的方法有：直接生长法：间接生长法：第二章第二章28一、硅外延薄膜制备的原理外延： 一定条件下，在一片表面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。同质外延：异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不同。生长的外延层与衬底材料相同。29 1、外延生长动力学原理 外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经被高频感应加热的硅片表面，当条件适当时便会在其上外延成膜.30 硅外延反应器31SiCl

14、4（气）（气）+2H2（气）（气）=Si（固）（固）+4HCl（气）（气）H H2 2还原还原SiClSiCl4 4法的化学反应式为：法的化学反应式为： 滞流层（附面层）： 接近基座表面的一薄层流体的速 度有较大变化，滞慢于其外面的自由 流体，把这个区域叫做滞流层。32混合气体流经基座时的情况 （a）滞流层 （b）微流体元及速度分布附面层附面层33滞留层里气体流速分布可表示为：U=U0 Y 0Y （2-4）yu流体流动时，在单位面积上产生的内应力与速度在垂直方向上的变化率成正比，即（2-5）称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在垂直于纸面方向上有一个单位长

15、度。忽略压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为34dxudxyufyx00（2-6）式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元内动量的变化。由于流体的流动是连续的，从ABC面流进来的流体必然全部要从CD面流出。作为近似，动量的变化可以看作是流体由BC面流入的结果。而单位时间内从BC面流入的流体带入的动量为duM20质量速度（2-7）该动量全部用在克服内摩擦力上，故有Mfx将式（2-6）和（2-7）带入上式，得到ddxu0等式两边积分，并取0; 0 x35 02uLxx（2-8）这就是滞流层厚度

16、的近似表达式，由此可求出平均滞流层厚为 LeLRLuLuLdxxL0003221（2-9）式中/0LuReL称为平板雷诺数，是一个无量纲数，用它可以判断流体的运动状态仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚度可以表示为N设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为GSGNN,0假定在质量附面层里反应剂浓度也呈线性分布即NNGSGGyyNNN0 ,0（2-10）36根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂粒子流密度为01yGGyNDj（2-11）式中GD为反应剂在氢气中的扩散系数，结合（2-10）式，得)()(1GSGOGGSGONGNNhNNDj（2-12）式中NGG

17、Dh/称为气相质量转移系数，它具有速度的量纲另一方面，在生长层界面上进行化学反应所消耗的粒子流密度为GSSNkj 2（2-13）Sk是表面化学反应速率常数。在稳定状态下，jjj21（2-14）根据siNjv/可分别得到在气体生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速率为：37GsGGShkNN10SiGOGsGsNNhkhkv由于气体的浓度常用摩尔分数表示，所以上式改为（2-15）（2-16）YNNhkhkvSiTGSGS（2-17）TN为混合气体中每立方厘米的分子总数；Y为反应剂的摩尔分数TGONNY/因为TGOTGOPPNN/TP是混合气体总压强在开管外延中，Y在数值上也等于以大气压为单位的反应

18、剂分压强GOP38表面反应控制：YNNkvNNkhSiTSGOGSSG，所以面化学反应进行的快慢生长速率主要取决于表乎是均匀分布的；外延附面层中反应剂浓度几可以充分供给，因此在，反应剂时，化学反应进行得慢当生长速率讨论生长速率讨论39质量转移控制：YNNhvNkhSiTGGSSG0所以表面的快慢应剂由气相转移到生长长速率主要取决于反应剂几乎为零，外延生硅，因此表面上的反剂分子瞬间就可以变为转移到表面上的反应应进行得相当快，凡是化学反时，在外延层表面上的当40影响外延生长速率的因素：生长速率和反应剂浓度的关系成正比41生长速率与外延温度的关系：较高温度下，速率与温度的关系不明显。较低温度下，速率

19、随绝对温度的增加呈指数急增。)(OGOGTTDD )/expkTEKKSOS（42生长速率与气体流量的关系：流量较小时，生长速率与流量的平方根成正比xU043与硅片位置等的关系：xUO生长速率和x的平方根成反比，解决办法：基座有一个小角度。44 2、外延掺杂及其杂质再分布（1 1）掺杂原理）掺杂原理: : 外延层中的杂质原子是在外延生长外延层中的杂质原子是在外延生长时加入到晶格点阵中去的。因而掺杂的动时加入到晶格点阵中去的。因而掺杂的动力学原理和外延生长相似。最终的杂质浓力学原理和外延生长相似。最终的杂质浓度将涉及反应剂和掺杂剂两者的化学动力度将涉及反应剂和掺杂剂两者的化学动力学性质以及温度，

20、气流等多种因素。学性质以及温度，气流等多种因素。45（2）外延过程中的杂质再分布衬底杂质的再分布衬底杂质的再分布tDxerfcNtxNsub11221),(tDvt1杂质的再分布杂质的再分布46掺入杂质的再分布掺入杂质的再分布tffDxerfcNtDxerfcNtxN222222211,总的杂质再分布总的杂质再分布21,NNtxN47各种典型外延结构的杂质再分布各种典型外延结构的杂质再分布48正面蒸发，蒸发速率由（2-33）（2-34）及vtxf给出。背面蒸发，逸出速率由（2-33）（2-34）及0v给出。上述两项在预烘焙期间更为严重。进行气相腐蚀时，也会使积蓄在附面层里的杂质大大增加。上述各

21、项逸出的杂质进入气相，将起到掺杂剂的作用，重新进入外延层。加热基座、外延系统和输入气体中沾污的杂质也会进入外延层中。可见，存在着杂质的非人为地掺入，一方面是由衬底杂质的固态扩散引起的，另一方面便是由上述各种原因引起的气相自掺杂，以上统称为自掺杂。自掺杂效应49气相自掺杂 在具有埋层结构的衬底上进行外延生长，不仅在埋层的正上方，而且在埋层之外的衬底上方也存在着自掺杂效应。我们把后者叫做横向自掺杂，是由气相自掺杂引起的。这种自掺杂对于元件密度高的双极型大规模集成电路的薄外延层生长，其危害更大。在大规模集成电路中我们可以把一个埋层看成一个点。稳态时流体中的杂质扩散方程为：xNUNDGGG02（2-4

22、8）GD为逸出杂质的扩散系数如果不考虑气体流动的影响，对于点质量源，空间中的浓度分布应是具有球对称的形式，设为 现在由于气体的流动，浓度 r分布必是偏离球对称分布，用函数 来修正这种偏离。从而xe reNxG（2-49）将表达式（2-49）代入（2-48）有 0202GDU如设 ，上式变为：GDU20022（2-50）50球坐标系下的拉普拉斯方程为：0sin1sinsin112222222rrrrrr并考虑到 只是 的函数，（2-50）式进一步简化为：r0222rrdrd（2-51），解此一元二阶常系数微分方程并将其解代入式（2-49）中，得：rrxGeCeCreN21（2-52）由边界条件定

23、出待定系数，并将系数代回（2-52）得：002exp4ZGGGxrDUrDN（2-53）由亨利定律可以得出0002expZGZGautxrDUrBNN（2-54）51横向自掺杂峰的分析上图上图是归一化横向自掺杂峰的分布曲线。由图可见1.从埋层源逸出的杂质不仅能顺着气流向下输运，而且由于扩散作用还可以逆流而上，引起自掺杂；2.离埋层越远，浓度越低，前方后方自掺杂前后是不对称的，下游比上游严重 。3.横向自掺杂左右是对称的。埋层群埋层群：在一定的埋层数目下，埋层之间的间距越小，彼此的影响就越大。气相自掺杂就越严重。当埋层的数目高达500以上，不管埋层间距远近，硅片各处的横向自掺杂趋于均匀，与横向

24、距离无关。52二、1 1、二氧化硅膜的结构和性质、二氧化硅膜的结构和性质（1 1）结构特点：）结构特点： “ “长无序，短有序长无序，短有序”，即从较大范围看，即从较大范围看， 原子排列是混乱的、无规则的，结构疏松原子排列是混乱的、无规则的，结构疏松 而不均匀；从小范围看，是由硅而不均匀；从小范围看，是由硅氧四面氧四面 体组成的三维网络。体组成的三维网络。二氧化硅薄膜53（2 2）二氧化硅的性质：）二氧化硅的性质： 二氧化硅属于酸性氧化物，是硅的最二氧化硅属于酸性氧化物，是硅的最稳定化合物，有极高的化学稳定性，不溶稳定化合物，有极高的化学稳定性，不溶于水，能耐多种强酸、强碱的侵蚀；但极于水，能

25、耐多种强酸、强碱的侵蚀；但极易与氢氟酸作用；在一定的温度下，也有易与氢氟酸作用；在一定的温度下，也有可能被铝、氢气等还原。可能被铝、氢气等还原。542、热生长氧化膜的制备（1 1）热生长氧化法的氧化机理）热生长氧化法的氧化机理 热生长氧化法是让硅片在高温下，与热生长氧化法是让硅片在高温下，与氧化剂发生反应而生长出一层二氧化硅膜氧化剂发生反应而生长出一层二氧化硅膜的方法。的方法。根据氧化气氛分为：根据氧化气氛分为：干氧氧化干氧氧化湿氧氧化湿氧氧化水汽氧化水汽氧化55干氧氧化法：干氧氧化法： 在高温下当氧气与硅片接触时，氧分子与其表面的硅原子反应生成 起始层，由于起始层阻碍了氧分子与硅表面直接接触

26、，其后的继续氧化是氧扩散穿过已生成的 向里运动，到达 界面进行反应。SiSiO22SiO2SiO 实践表明：干氧氧化速率慢，氧化层实践表明：干氧氧化速率慢，氧化层结构致密，不易产生浮胶现象。结构致密，不易产生浮胶现象。56 实践表明：干氧氧化速率慢，实践表明：干氧氧化速率慢，氧化层结构致密；表面是非极性氧化层结构致密；表面是非极性的硅的硅氧烷结构，所以与光刻胶氧烷结构，所以与光刻胶黏附良好，不易产生浮胶现象。黏附良好，不易产生浮胶现象。硅氧烷结构硅氧烷结构57水汽氧化法：水汽氧化法： 在高温下水汽与硅片表面的硅原子作用，生成二氧化硅起始层，其后的继续氧化一种认为：是水分子扩散通过已生成的氧化层

27、；另一种认为：是水分子先与表面的二氧化硅反应生成硅烷醇结构，生成的硅烷醇再扩散穿过二氧化硅层抵达 界面处，与硅反应。SiSiO258 实践表明：水汽氧化的速率快，但氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化好，特别是氧化层表面是硅烷醇，极易吸附水，所以氧化层表面与光刻胶黏附性差。硅烷醇结构与水结合59湿氧氧化：湿氧氧化： 湿氧氧化是让氧气在通入反应室之前，先通过加热的高纯去离子水，使氧气中携带一定量的水汽（水汽的含量一般由水浴温度和气流决定，饱和的情况下只与水浴温度有关）。所以湿氧氧化兼有干氧和水汽两种氧化作用，氧化速率和质量介于两者之间。60（2）热氧化生长动力学二氧化硅薄膜的增厚是通过如下几个步骤完

28、成的： 氧化剂从气相内部输运到气体氧 化 层界面； 扩散穿过已经生成的氧化层，抵达二氧化硅硅界面；在界面处与硅发生氧化反应；反应的副产物扩散出氧化层，并向主气流转移。61热生长氧化的一般表达式：热生长氧化的一般表达式：141220020BAttAxttBAxx及其中：其中：BAxxtNNDBhkDAiis2100111262此时时为表面反应控制，当参量ttBA42ttABx0此时时为扩散控制当参量ttBA42ttBx0习题课63氧化温度氧化温度影响氧化层厚度的因素返回习题课64氧化剂分压氧化剂分压11000KT65氧化气氛氧化气氛热氧化与水浴温度的关系66与衬底取向及其掺杂与衬底取向及其掺杂

29、浓度的关系浓度的关系100110111000dtdxdtdxdtdx67加速自建场的影响加速自建场的影响（a）加速作用（b）时间常数与温度的关系空间电荷区对氧化的影响68薄氧化层薄氧化层随着大规模集成电路的发展，对薄和超薄氧化层的需求越来越突出。为了保证薄氧化膜生长的均匀性和重复性，氧化速率必须足够慢，解决的途径必是低温或低压(在900-1000,0.25-2Pa条件下已经生长出314纳米的薄氧化层)。在1MPa的蒸气下，于750经30min生长的氧化层为30纳米。693、实现掩蔽扩散的条件（1）掩蔽扩散对扩散系数的要求原则上只要氧化层厚度 满足不等式0 xDDAAxxxxjjoj000但实际

30、上，只有对扩散系数 的杂质，用 膜掩蔽才有实用价值DD02SiO70杂质在二氧杂质在二氧化硅中的扩散化硅中的扩散系数系数习题课71（2 2）杂质扩散掩蔽膜最小厚度的确定）杂质扩散掩蔽膜最小厚度的确定气相osNoBsmNN oBN2SiOSiminoxx杂质通过 层的扩散2SiOSi掩蔽膜最小厚度：KerfctDNNerfctDxxxOSOBojoo1010min2272 双极型器件要求，杂质扩穿 层进入Si中，Si表面的杂质浓度不得超过本底掺杂浓度的一半即2SiO50 BSNN取 即符合双极器件的要求610K所以tDerfctDxo0610min8 . 610273 MOS器件的要求比双极型的

31、要高只有 才行，所以最小掩蔽膜的厚度应为910KtDerfctDxo0910min6 . 8102习题课742-3 热分解淀积氧化膜法 该方法是利用含硅的化合物，经过热分解反应，在基片表面淀积一层二氧化硅。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的衬底。所以基片可以是硅片，也可以是金属片或陶瓷片等。这是与热生长氧化法最根本的区别。由于这种方法对基片的温度要求不高，故也称为“低温淀积”。作为热分解淀积二氧化硅膜常用的硅化合物有烷氧基硅烷和硅烷二类，分别介绍如下：1.烷氧基硅烷热分解淀积法 它是利用多数烷氧基硅烷加热到一定温度（600800度），即可分解出二氧化硅这

32、一性质，在硅片表面淀积一层二氧化硅膜，方程式如下：CSiOSiO气态有机原子团烷氧基硅烷2从反应式看出，烷氧基硅烷加热后，分解出二氧化硅75但也随之生成了一些副产物。一般是些分子量大小不一的碳氢有机化合物，有的易于挥发，随抽气排除系统，有的就难以排除。特别当系统中有水汽或氧气漏进时，在分解温度下，容易与这些分解出的化合物起反应，其反应生成物随二氧化硅一起淀积在硅片上，使二氧化硅膜表面发乌，还会使光刻腐蚀出现反常现象等。反应物中的一氧化硅和碳的含量对氧化膜质量也有很大影响。如果采用含氧原子较多的（一般单个分子中含有三个或四个氧原子）烷氧基分子，如正硅酸乙酯（又叫四乙氧基硅烷， ）则生成的一氧化硅

33、很少。而碳的产生与热分解温度有密切关系，如果温度不超过750度，生成的碳不会多的。烷氧基硅烷热分解淀积二氧化硅膜又有两种方法，一种是惰性气体携带法，一种是真空淀积法。惰性气体携带法和真空淀积法的装置分别如下图所示：452)(HOCSi76两种方法相比，携带法淀积的二氧化硅膜均匀性较差，容易引入外来杂质。因此，目前多采用真空淀积法，淀积源选用正硅酸乙酯。它的热分解反应是62422452)(HCCHCOHSiOHOCSi反应温度一般选在750度左右，淀积源温度控制在20度左右，真空度要求达到0.01托即可，淀积时间根据膜厚来定。77用淀积法生长的二氧化硅膜不如热生长法的质地致密，但在淀积后经过适当

34、的增密处理，可使二氧化硅的质量有所改善。增密处理是在真空淀积之后，使硅片继续在反应炉内加热一段时间（30分钟左右）后，再用干燥的氮气、氩气或在氧的气氛中继续加热处理一段时间，温度控制在800度左右。2.硅烷热氧化淀积法 硅烷热氧化淀积法是将硅烷在氧气中加热，反应生成二氧化硅，淀积在硅片或其它基片上：)(2)()(2)(2224气固气气OHSiOOSiH这种反应不生成气态的有机原子团等副产物，反应温度也低得多。衬底加热至300度左右，即可生成质量较高且均匀性好的氧化膜。78硅烷的沸点是-111.8度，室温下以气态存在，遇空气会自燃，生成一种胶质状的二氧化硅粉末的淀积物。为了使反应易于控制和保证安

35、全，可在反应前先用高纯氮气将硅烷稀释到与氮气的体积比在3%以下，并贮藏在钢瓶中。3.淀积法形成二氧化硅膜的特点 热分解或热氧化淀积二氧化硅膜与热生长二氧化硅膜相比较有以下特点：（1）.可以在金属、陶瓷及其它半导体材料（如锗、砷化镓等）基片上淀积二氧化硅膜。这是热生长无法做到的。（2）淀积法所需温度较低，对于一些不宜作高温处理而又需要在表面形成二氧化硅膜的样品，用此法较为适宜。（3）可以淀积较厚的二氧化硅膜。79二氧化硅膜厚度的检测二氧化硅膜厚度的检测一、比色法 直接观察硅片表面的氧化膜的颜色，可以比较方便的估计出氧化膜的厚度。由于光的干涉作用，不同厚度的氧化膜可以表现出不同的颜色，其对应关系如

36、下图：氧化膜颜色氧 化 膜 厚 度（埃）第一周期第二周期第三周期第四周期灰 色100 黄 褐 色300 棕 色500 蓝 色800 紫 色1000275046506500深 蓝 色1500300049006850绿 色1850330052007200黄 色2100370056007500橙 色225040006000 红 色250043006250 不过，使用时要注意他们的关系是周期性的。80二、干涉法：这是最常用的方法，优点：设备简单，测量方便，也比较准确；缺点：是破坏性测试，超薄氧化层无法测量。将已氧化的硅片用蜡或真空脂保护一部分，然后放入氢氟酸中，未被保护区域的二氧化硅将被腐蚀掉，最后用

37、有机溶剂将蜡或真空脂去掉，这时就出现了nNx202SiOSi干涉条纹二氧化硅的斜坡。当已知波长的单色光束垂直照射在斜坡上时，就会出现干涉条纹利用下列公式能够计算出二氧化硅的厚度。81三、椭圆偏振法：三、椭圆偏振法： 此法是由激光器发出一定波长的激光束经起偏器变为线偏振光，并确定其偏振方向，再经1/4波长片，由于双折射现象，使其成为相位相差/2的两部分光，它们的偏振方向互相垂直，所以变为椭圆偏振光。椭圆的形状由起偏器方位角确定。椭圆偏振光以一定角度入射到样品上，反射后偏振状态发生改变，一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的方位和形状改变了。用 ， 描述反射时偏振光状态的变化。定义如下： spiRRetg式

38、中， 的意义是相对振幅衰减 是相位tg移动之差， 为P波分量与S波分量的总反射系数。光路图如下：spRR ,82在波长、入射角、衬底等参数一定时， 和 是膜厚 和膜折射率n的函数，对于一定厚度的某种膜，转动起偏器，总可以找到某一方位角，使反射光变为线偏振光，这时再转动检偏器，当检偏器的方位角与反射线偏振光偏振方向垂直时，光束不能通过，出现消光现象。消光时 ， 和 分别由起偏器方位角p和检偏器方位角A决定：dAPP26302270(P在0度到135度之间）（P大于135度）这时d 和n 也是P和A的函数，可由计算机计算得到（P，A）-（d，n）关系表绘制出关系图，根据已知的P、A求出d和n。例如

39、 在确定n的条件下根据关系表绘出的（P、A）-d关系图如下图所示可求得膜厚d。 用椭圆偏振法测量膜厚不用损坏样品，精度高，测量范围0.001-1微米8384金金 属属 化化集成电路中器件的互连是通过金属化来实现的，通常用铝来作为互连线，这里我们定性讨论常规铝互连工艺所遇到的一些问题，并介绍代替常规铝互连的方法。常规铝互连工艺铝互连是通过将硅片放在真空室中，用蒸发铝的方法来 实现的。然后利用光刻技术去除不需要的铝。在蒸铝时，用的是钨丝，由于钨丝因制作上的原因而含大量的钠，这对器件性能的影响是极坏的。所以在制造MOS器件时应该用电子束蒸发来淀积铝。85在除去不需要的金属以后，把硅片放进烧结炉中烧结

40、几分钟，以便改善铝和硅之间的欧姆接触和增强铝膜的强度。烧结温度控制在450度左右，温度过高，时间过长，铝将渗入硅中，从而使器件被破坏。86人们在广泛使用铝膜作为集成电路互连条的实践中，发现了金属薄膜的大电流密度效应。这种称为电迁移的现象，是铝互连条在使用时发生累进失效的原因。人们认为，热激发的铝离子在与导电电子碰撞时获得能量，并通过迁移离开接触区。当这些铝离子离开接触区后，便在接触区留下空位；由于没有别的铝离子可以填充这些空位，所以这些空位逐渐扩大，最后发展到切断铝互连条，从而引起失效。如果在铝膜上淀积一层厚度为几千埃的玻璃层，便可降低铝膜的失效率。业已证明，采用铝作接触和互连条具有如下几个优

41、点：1.具有良好的导电性能；2.与硅有较高的低共熔点；3.与铝和二氧化硅有良好的粘附性；4.易于蒸发和腐蚀；5.与大多数封装材料不起化学反应。87金属化中遇到的问题在金属化中存在着台阶覆盖问题、金属的合金组份问题、如何获得低接触电阻问题、金属层的刻蚀问题。半导体工业中采用的真空淀积技术有四种：1.灯丝加热淀积；2.电子束蒸发；3.闪烁蒸发；4.溅射（分二极溅射和磁控溅射）。淀积方法88氧化部分习题课氧化部分习题课类型一、已知氧化条件，求氧化层厚度。类型二、已知氧化条件和初始氧化层厚度，求硅表面的台阶高度。类型三、已知扩散条件，求最小掩蔽层厚度。典型习题一：在PMOS集成电路工艺中，一次氧化的工

42、艺条件是，氧化温度为1200摄氏度，时间是10+180+10（min），水温是95度，开管氧化，求氧化层厚度？解：开管氧化即为常压氧化，可利用图2-34求得抛物线氧化速率常数然后代入氧化层厚度表达式，经计算得到结果。如果初始氧化层厚度为零，则 ，如果初始氧化层厚度不为零，则通过上式求出 ，然后再代入上式，经计算得到结果。0tt89典型习题二、硅表面已经有2000埃厚度的氧化层，经过光刻后，再次氧化，其条件是氧化温度是1200度，时间是60min，水温是95度。求窗口区与非窗口区的氧化层厚度，并求出硅表面的台阶高度？解：利用上题所说的方法，求出两个区域的氧化层厚度，然后利用公式 计算，得到不同区

43、域硅的新表面相对原始表面的距离，再求出台阶高度。0145.0 xx典型习题三、PMOS工艺中，源漏再扩散的条件是：扩散温度为1150度；时间是60min，求最小掩蔽层厚度？解：根据题给条件，先通过图表查出杂质在二氧化硅中的扩散系数再利用公式计算，得到结果。返回目录90目 录第一章第二章第三章第四章第五章第六章参观实验室3-1扩散1.扩散原理2.扩散层杂质原子的浓度分布3.扩散方法4.敏感度5.扩散层质量分析与检验6.扩散条件的选择7.理论分布与实际分布的差异3-2 离子注入掺杂1.离子注入设备 2.离子注入的浓度分布3.离子注入的掩蔽技术3-3 合金法91第第 三三 章章921、杂质原子的微观

44、扩散机构及其宏观描述 (1)(1)间隙式扩散间隙式扩散 杂质原子从一个原子间隙运动到相邻的另一个原子间隙，是通过晶体中原子间的间隙进行的，这种依靠间隙运动方式而逐步跳跃前进的扩散机构，称为间隙式扩散。间隙原子势能间隙原子势能原子的间隙运动及其势能曲线原子的间隙运动及其势能曲线Eix一、扩散93替位原子势能原子的替位运动及其势能曲线原子的替位运动及其势能曲线iEx(2)替位式扩散 与间隙式扩散不同，替位式杂质原子从一个替位位置运动到相邻另一个替位位置，只有当近邻格点处有一个空位时，替位杂质原子才有可能进入邻近格点而填充这个空位。因此，替位原子的运动 必须以其近邻处有空位存在为前提.94两种扩散的

45、扩散系数可表示为:KTEDDaexp0慢扩散杂质在（111）硅中的扩散系数快扩散杂质在（111）硅中的扩散系数95菲克第二定律：22xNDtN物理意义：存在浓度梯度的情况下，随 着时间的推移，某点x处杂质 原子浓度的增加（或减少）是扩 散杂质粒子在该点积累（或流失） 的结果。菲克第一定律：NDj2、扩散层杂质原子的浓度分布96（1）恒定表面源扩散分布 是指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度 始终是保持不变的。SN它的初始条件和边界条件为：00 ,xN初始条件：边界条件：SNtN, 00, tN可得菲克第二定律式解的表达式NNsNx1x2x3x1t2t3tDtxerfcNtxNS2,97(2)有限

46、表面源扩散 是指在扩散过程中，杂质源限定于扩散前淀积在硅片表面极薄层内的杂质总量Q，没有补充或减少，依靠这些有限的杂质向硅片内进行的扩散。设开始时Q是均匀分布在厚度为的薄层内，则初始条件为：边界条件为： xttNxtxNxNDJx, 00,0, 00|00或 xxNxNQxNS00 ,00 ,98 根据初始条件和边界条件得到菲 克第二定律的解为：DtxDtQtxN4exp,2Ns1Ns2Ns3Nt1t2t3xj1xj2xj3xN0Ns1Ns2Ns3Nxxj1xj2xj3 T1T2T3t3t2t1T3T2T1(a)扩散温度相同，时间不同（b）扩散时间相同，温度不同有限源扩散的杂质浓度分布99固溶

47、度：是指杂质在一定温度下，能溶入固体硅中的最大浓度。在通常的扩散条件下，表面杂质浓度可近似取其扩散温度下的固溶度。800 900 1000 1100 1200 1300 140015161718192021221010101010101010温度（）杂质在硅中的固溶度固溶度（cm）100 在较低温度下采用恒定表面源扩散的方 式在 硅片表面淀积一定量Q的杂质原子。 由于扩散温度低，扩散时间短，杂质原 子在硅片表面的扩散深度极浅。 杂质浓度遵循余误差函数分布，即11112,tDxerfcNtxNS 杂质总量可表示为：1112tDNQS第一步：预淀积3、硅器件生产中的两步扩散工艺101第二步：再分布

48、 采用有限表面源扩散，把经预淀积的硅片 放入另一扩散炉内加热，使杂质向硅片内 部扩散，重新分布，达到所 要求的表面浓 度和扩散深度。 杂质浓度遵循高斯分布：2222224exp,tDxtDQtxN102（一）恒定表面浓度的扩散分布 在半无界空间求解如下定解问题 22xNDtN0 x0t00 ,xN0 xsNtN, 00t这是一个具有第一类非齐次边界条件的定解问题扩散方程的解扩散方程的解103首先使边界条件齐次化 令：txuNtxNs,于是有0,00,22tuNxuxuDtus000,0txtx显然，只要求出 ，原扩散方程的解可求txu,104我们利用分离变量法对变换后的方程求解 设方程的特解为

49、 tTxXtxu,将其代入方程并整理得等式DTTXX 由于两边分别为互不相关的独立变量，因此使等式成立的唯一可能是两边同等于某一常数a，考虑到扩散过程的不可逆性，a应取负值（否则由于aDTT有aDtCeT 随着 的增长 将无限制地快速增大因而tT导致 无限制增大，这显然是不合理的）txu,105若记 （ 可为任意正、负实数）则有：2a2 DTTXX由此得到两个常微分方程 DTTXX22它们的通解是 DtEetTxBSinxACosxX2把解式代入齐次边界条件 00,0tTXtu可定出任意常数 ，因此满足齐次边界条件的特解为：0AxSinCetxuDt2,BEC 前面已经指出， 可为 上的任意实

50、数，对于不同的 值，有不同特解。线性方程的理论认为，全部特解的线性迭加就是偏微分方程的一般解,106因此有： xdSineCtxuDt2,该式是傅立叶积分，当这个一般解进一步满足初始条件时，就得到我们所需要的解，由初始条件sNxu0 ,得到xdSinCNs这是奇函数的傅立叶逆变式，根据奇函数的傅立叶变换公式 002121xdxSinxfxdxSinxfFxdSinFxdSinFxf可得021xdxSinNFCs107将上式中的积分变量 改写为 代回傅立叶积分式中得x 02,dSinxSinedNtxuDts002122dxCosxCosedNDts 00022ddxCosedxCoseNDtD

51、ts利用积分公式0422222taBtaetadCosBe令Dtxy2Dtxz2可以得到DtxDtxzysdzedyeNtxu2222,108在第一积分式中作变换 并交换第二积分式的上、下限，则有 yyDtxDtxzysdzedyeNtxu2222,DtxDtxsdeN222DtxsdeN2022到此，已解出了txu,于是原方程的解是DtxssdeNtxuNtxN20221,109由于 ，上式可进一步表示为： 1202de020222,DtxsdedeNtxNDtxsdeN222DtxerfcNs2由上面分析可知，恒定表面浓度的扩散分布是一种余误差函数分布110NNsX0t1t2t3t1t2（

52、110）（100）顺序变化，其原因可用晶体取向对氧化速率的影响来解释。 （3）在使钠离子漂移的温度-偏压条件下，固定电荷密度不会发生变化。但实验表明，在更高的温度（如300400度）和负偏压作用下，它也会发生变化，且随着负偏压的增加而增加。值得注意的是，这与钠离子向二氧化硅-硅界面漂移所要求的条件相反，且达到稳定状态的速率比钠离子重新排列的速率慢得多。三、界面态 界面态位于二氧化硅-硅界面上，它和杂质一样，在硅的禁带中引入一系列分立的或连续的能级，因而在电学性质上，界面态可以是施主或受主，也可以是少数载流子的复合-产生中心。界面态是由界面处硅的不饱和键（或称为悬挂键）产生的；同时半导体表面处的

53、晶格缺陷、机械损伤和杂质沾污都可以在禁带中引进能级，使界面态密度增加；除此之外，界面态还与氧化层中存在252的固定电荷有关，界面态有如下一些性质： （1）界面态可以同半导体交换电荷。 （2）界面态的复合-产生作用。 （3）界面态密度与衬底的晶向和工艺条件密切相关。该密度取决于最后的热处理过程（气氛和温度）。减少界面态最重要和最有效的方法是“低温退火”，即最后在250度到500度的氢气或氮氢混合气体（95%氮气加入5%的氢气）中退火。四、陷阱缺陷 在二氧化硅层中经常存在一些由结构缺陷等原因引起的载流子陷阱。它们具有“慢俘获”作用，并且当器件受到电磁辐射时，还可以产生一种正空间电荷电离陷阱。辐射产

54、生的电离陷阱，可在氢或惰性气体中加热到300度以上迅速淬火的方法消除。另外使用抗辐射的介质膜作为表面钝化膜，可以提高器件的抗辐射能力。如三氧化二铝-二氧化硅、氮化硅-二氧化硅、磷硅玻璃-二氧253化硅等钝化膜都比单一的二氧化硅抗辐射能力强，其中又以三氧化二铝为最强。五、氧化物外表面电荷 半导体器件芯片放置在空气中。或者经各种物理、化学处理后，在氧化物的表面不可避免地沾污有电子、其他电荷及中性杂质。中性杂质在有水存在的情况下，一般都会有一定的电离，产生离子电荷。这些以离子形式为主的氧化物外表面电荷，平时是杂乱无章地分布的，总的净电荷为零。但当器件的金属极板上加有电压时，位于金属外表面的离子在极板

55、间电场的作用下将重新分布，在氧化物外表面出现由离子组成的电导薄层。因此，氧化物外表面沾污的离子使金属极板的有效面积增大，且由于离子的漂移需要时间，金属极板的延伸是逐渐进行的。这将使器件工作时大面积的硅表面电势发生相当程度的变化，不仅影响器件频率和稳定性等性能，而且外表面电导层还可能使电极间直接导通，造成表面漏电。254为了避免氧化物外表面电荷的影响，一方面要减少杂质沾污，另一方面应设法使样品表面保持干燥。此外，在器件图形设计上采用等位环结构，也能有效地削弱或消除氧化物外表面电荷的影响。它是将适当的金属电极沿氧化物表面延伸，使这部分氧化物外表面与金属电极电位相等，因此叫等位环。于是等位环下面的硅

56、将不会受到外表面电荷的影响。255上图是两个采用等位环结构的晶体管。对于pnp晶体管，由于集电极电位一般低于基极电位，因而使等位环与集电极电位相等并覆盖于集电结上。这样，集电极延伸电极在消除氧化物外表面电荷影响的同时，还可抵消二氧化硅层内部的正电荷。为了进一步防止集电区表面反型，集电结256延伸到硅片侧面，并在集电区使用了 沟道截止环。根据同样道理，npn晶体管的基极等位环覆盖与集电结。此外，降低n型半导体和提高p型半导体的表面掺杂浓度也可以防止n型化。实验发现，高温下从硅片背面或者在较低温度（如750度）下从硅片正面窗口（刻有二氧化硅窗口的片子）扩散金，可以在二氧化硅-硅界面产生负电荷效应，

57、从而减少或消除二氧化硅-硅系统中的正电荷作用。p6-2 氯化氢氧化工艺 人们在努力探索能够避免钠离子沾污和克服钠离子漂移的新工艺中，发现掺氯氧化工艺具有良好效果，而且操作方便，不需要增加额外的工艺程序和复杂的设备，因而受到重视并普遍用于生产。所谓掺氯氧化，是指硅热氧化时，在干氧气氛中添加微量的氯、氯化氢或三氯乙烯等含氯的气态物质，进行二氧化硅生长的工艺。目前比较广泛采用的是三氯乙烯氧化工艺。257一、作用： （1）减少可动钠离子浓度；（2）提高器件电性能和可靠性。二、工艺 氯化氢氧化工艺应在高温下进行（大于1000度）氯化氢含量控制在68%摩尔比。采用氯化氢清洗炉管时，其含量可以高一些（如10

58、%）。氯化氢氧化可以与热氧化同时进行，也可以在已有氧化层的基础上进行。因为氯可以扩散穿过原有的氧化层进入新生成的二氧化硅层中，积累在靠近二氧化硅-硅界面附近。氯化氢氧化一般是在热氧化过程中的最后干氧氧化时进行，此时应避免水的存在，否则氯不会结合到氧化层中去。氯化氢氧化的氧化速率比干氧氧化快。在掺氯氧化中，氯化氢和氯都有较强的腐蚀作用，而三氯乙烯是非腐蚀性的有机物，操作安全，设备勿需防腐要求，氧化时对样品的腐蚀性也小，因此是一种很有发展前途的氯源。2586-3 磷硅玻璃钝化工艺 一、磷硅玻璃膜的作用 在热生长二氧化硅表面形成一层含有五氧化二磷的二氧化硅薄膜（常简称为PSG），能明显地削弱钠等可动

59、离子对半导体表面性质的影响，这是由于PSG薄膜对钠离子有提取、固定和阻挡的作用。二、PSG膜的制备 形成磷硅玻璃的方法有多种，在双极型集成电路和器件中，多采用磷蒸气合金工艺。即将反刻铝后的片子在合金的过程中通入适当的磷蒸气，既达到合金的目的，又在二氧化硅表面形成一层磷硅玻璃层（习惯上统称为磷蒸气合金工艺）。在操作过程中必须兼顾这两方面。所用磷源通常为三氯氧磷。用氮或惰性气体作稀释气体，使硅烷、磷烷发生反应，来淀积磷硅玻璃也是常用的方法。OHSiOOSiH222422OHOPOPH25223342259为了使淀积膜厚度均匀，采用冷壁立式旋转反应器。适当控制硅烷、磷烷、氧气和氮气流量及衬底温度，可

60、以调节淀积速率和淀积膜的成份。用这种方法淀积磷硅玻璃，具有生长温度低（300470度），针孔密度小，与二氧化硅和铝膜黏附性能好，硬度高等优点，因此常用于器件的最后钝化。6-4 氮化硅钝化工艺 由于磷硅玻璃具有极化效应，使其应用受到一定的限制。在寻求比二氧化硅具有更好钝化能力的新型介质膜方面，氮化硅是一种日益受到重视，并不断得到广泛应用的新型钝化膜。 一、氮化硅膜的性质 应用于半导体器件的氮化硅薄膜通常是无定型结构。氮化硅是一种较二氧化硅更为理想的绝缘介质和表面钝化膜。它结构致密，针孔密度小，气体和水汽难于侵入，因此掩蔽能力强；呈疏水性，可削弱介质层外表面杂质的影响；化学稳定性好，除氢氟酸和热磷