集成电路制造工艺及常用设备

1、集成电路制造工艺及常用设备1. 高温氧化工艺高温氧化工艺1.1 硅的热氧化硅的热氧化 硅的热氧化是指在高温下，硅片表面同氧气或硅的热氧化是指在高温下，硅片表面同氧气或水进行反应，生成水进行反应，生成SiO2 。 硅的热氧化有：干氧、湿氧、水汽氧化三种。硅的热氧化有：干氧、湿氧、水汽氧化三种。 如果氧化前已存在厚度为如果氧化前已存在厚度为 t0 的氧化层，则（的氧化层，则（3-11）微分）微分方程的解为：（方程的解为：（tOX ：是总的氧化层厚度）：是总的氧化层厚度）tBAttOXOX2（4- 12）BAtt02012NDHPBggShkDA112式中式中在各种工艺条件下，参数在各种工艺条件下，

2、参数A和和B都是已知的，都是已知的，t 是氧化时间。是氧化时间。 是一个时间参数，单位是小时（是一个时间参数，单位是小时（h）。）。（3- 13）1.2 硅热氧化的厚度计算硅热氧化的厚度计算3.2 热氧化原理和方法热氧化原理和方法O2 扩散扩散反应反应SiO2SiSi + O2 = SiO2 硅的热氧化分干氧和湿氧两种。干氧是在硅的热氧化分干氧和湿氧两种。干氧是在高温下氧分子与硅表面的原子反应生成高温下氧分子与硅表面的原子反应生成SiO2 。1.3 不同的热氧化方式生长的不同的热氧化方式生长的 SiO2 膜性质比较膜性质比较 干氧氧化的干氧氧化的 SiO2 膜结构致密，干燥、均匀膜结构致密，干

3、燥、均匀 性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好，性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好， 与光刻胶的接触良好，光刻时不易浮胶。与光刻胶的接触良好，光刻时不易浮胶。 水汽氧化的水汽氧化的 SiO2 膜结构疏松，表面有斑点膜结构疏松，表面有斑点 和缺陷，含水量多，对杂质的掩蔽能力差，和缺陷，含水量多，对杂质的掩蔽能力差， 所以在工艺中很少单独采用。所以在工艺中很少单独采用。 湿氧氧化生长的膜致密性略差于干氧生湿氧氧化生长的膜致密性略差于干氧生长的长的 SiO2 膜，但它具有生长速率快的优点，膜，但它具有生长速率快的优点，其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件的其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件的要求

4、。其缺点是表面有硅烷醇存在，使要求。其缺点是表面有硅烷醇存在，使 SiO2 膜与光刻胶接触不良，光刻时容易浮胶。膜与光刻胶接触不良，光刻时容易浮胶。同时，湿氧氧化后的同时，湿氧氧化后的 Si 片表面存在较多的位片表面存在较多的位错和腐蚀坑。错和腐蚀坑。 在实际工艺应用中，生长高质量的几百在实际工艺应用中，生长高质量的几百 的的SiO2薄膜一般采用干氧的方式。薄膜一般采用干氧的方式。 SiO2薄薄膜厚度需要几千膜厚度需要几千以上时，一般采用干氧以上时，一般采用干氧湿湿氧氧干氧的方式，既保证了所需的厚度，干氧的方式，既保证了所需的厚度，缩短了氧化时间，又改善了表面的完整性缩短了氧化时间，又改善了表

5、面的完整性和解决了光刻时的浮胶问题。和解决了光刻时的浮胶问题。 热氧化生长的热氧化生长的SiO2薄膜质量好，但是反应薄膜质量好，但是反应温度比较高。衬底只能用于单晶硅表面。温度比较高。衬底只能用于单晶硅表面。 离子注入可以通过分别调节注入离子的离子注入可以通过分别调节注入离子的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和浓能量、数量，精确地控制掺杂的深度和浓度，所以可以制备理想的杂质分布。度，所以可以制备理想的杂质分布。离子注入的优点离子注入的优点2. 离子注入离子注入 扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系数及扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系数及 固溶度等方面的限制，而离子注入是一个物固溶度等方面的限制

6、，而离子注入是一个物 理过程，所以它可以注入各种元素。理过程，所以它可以注入各种元素。 扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂一扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂一 般在室温下进行（也可以在加温或低温下进般在室温下进行（也可以在加温或低温下进 行）。行）。 离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有 害物质进入硅片。害物质进入硅片。 热扩散时只能采用热扩散时只能采用SiO2 等少数耐高温的介质等少数耐高温的介质 进行局部掺杂，但是离子注入法可以采用光进行局部掺杂，但是离子注入法可以采用光 刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。 热

7、扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向 扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩 散很小。散很小。 在离子注入机中，利用电流积分仪测量注在离子注入机中，利用电流积分仪测量注入的离子总数入的离子总数N：tSidtqqQSNN01式中：式中：NS 单位面积的注入剂量（个单位面积的注入剂量（个/cm2 ），），S 是扫描面积是扫描面积（cm2 ），），q 是一个离子的电荷（是一个离子的电荷（1.610-19库仑），库仑），Q 是注是注入到靶中的总电荷量（库仑），入到靶中的总电荷量（库仑），i是注入的束流（安培），是注入的束流（安

8、培），t 是注入时间（秒）。是注入时间（秒）。电流积分仪电流积分仪（6 - 8）如果束流是稳定的电流如果束流是稳定的电流I，则：，则：qItSNSISqNtS（6 - 9）（6 - 10）其中：其中：NS 单位面积的注入剂量（个单位面积的注入剂量（个/cm2 ），），S 是扫描面积是扫描面积（cm2 ），），q 是一个离子的电荷（是一个离子的电荷（1.610-19库仑），库仑），I 是注是注入的束流（安培），入的束流（安培），t 是注入时间（秒）。是注入时间（秒）。 例题：如果注入剂量是例题：如果注入剂量是51015，束流，束流1mA，求注入一片求注入一片6英寸硅片的时间英寸硅片的时间 ISq

9、NtSt=（1.610-1951015 3.147.52）/ 1 10-3 =141秒秒根据公式根据公式（4-6） 注入剂量、标准偏差和峰值浓度之注入剂量、标准偏差和峰值浓度之间的近似关系：间的近似关系：pSRNN4 . 0max（6 - 14） 对于原来原子排列有序的晶体，由于离子注对于原来原子排列有序的晶体，由于离子注入，在晶体中将大量产生缺陷，如空位等。对入，在晶体中将大量产生缺陷，如空位等。对于高能、大剂量的重离子注入到硅单晶中，如于高能、大剂量的重离子注入到硅单晶中，如As+，将使局部晶体变成非晶体。，将使局部晶体变成非晶体。离子注入的损伤和退火效应离子注入的损伤和退火效应 注入的离

10、子在硅单晶中往往处于间隙注入的离子在硅单晶中往往处于间隙位置，一般不能提供导电性能，因此，必位置，一般不能提供导电性能，因此，必须要使注入的杂质原子转入替位位置以实须要使注入的杂质原子转入替位位置以实现电激活。现电激活。注入离子的激活注入离子的激活离子注入后的热退火离子注入后的热退火 高能粒子撞击硅片表面，造成晶格损伤，高能粒子撞击硅片表面，造成晶格损伤，因此为了消除离子注入造成的损伤和激活注因此为了消除离子注入造成的损伤和激活注入的杂质离子，离子注入后必须要进行热退入的杂质离子，离子注入后必须要进行热退火。最常用的是在火。最常用的是在950高温炉中在氮气保护高温炉中在氮气保护下，退火下，退火

11、15 30分钟。热退火后对杂质分布分钟。热退火后对杂质分布将产生影响，将产生影响，LSS理论的射程理论的射程RP和标准偏差和标准偏差Rp 要作修正。要作修正。 光刻胶应该具有以下基本性能：光刻胶应该具有以下基本性能：灵敏度高；分辨率高；同衬底有很好的粘附性，胶膜表灵敏度高；分辨率高；同衬底有很好的粘附性，胶膜表面沾性小；胶膜致密性好，无针孔；图形边缘陡直，无面沾性小；胶膜致密性好，无针孔；图形边缘陡直，无锯齿状；显影后留膜率高，不留底膜或其它颗粒物质；锯齿状；显影后留膜率高，不留底膜或其它颗粒物质；在显影液和其它腐蚀剂里抗蚀性强、抗溶涨性好；去胶在显影液和其它腐蚀剂里抗蚀性强、抗溶涨性好；去胶

12、容易，不留残渣；容易，不留残渣； 光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶两种：光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶两种：正胶是感光部分显影时溶解掉，负胶则相反。正胶是感光部分显影时溶解掉，负胶则相反。3. 光刻工艺光刻工艺 底膜是指显影后还有一层薄薄的胶。底膜是指显影后还有一层薄薄的胶。图形转移工艺图形转移工艺衬底衬底淀 积 薄 膜淀 积 薄 膜匀胶、前烘匀胶、前烘曝曝 光光掩模版掩模版紫外光紫外光显影、坚膜显影、坚膜腐腐 蚀蚀去去 胶胶正胶正胶负胶负胶匀胶匀胶正胶和负胶正胶和负胶曝光曝光掩膜版掩膜版紫外光紫外光显影显影正胶感光区域溶正胶感光区域溶于显影液于显影液负胶未感光区域负胶未感光区域溶于显影液溶

13、于显影液光学曝光的三种曝光方式光学曝光的三种曝光方式接触式曝光接触式曝光接近式曝光接近式曝光投影式曝光投影式曝光接触式曝光接触式曝光 接触式曝光是掩膜板直接同光刻胶接触，它接触式曝光是掩膜板直接同光刻胶接触，它具有设备简单、分辨率高的优点。它分成真空接具有设备简单、分辨率高的优点。它分成真空接触、硬接触和软接触三种方式，其中真空接触具触、硬接触和软接触三种方式，其中真空接触具有接触力均匀、掩膜变形小和可以消除氧气对光有接触力均匀、掩膜变形小和可以消除氧气对光刻胶的影响等优点。由于接触式曝光时掩膜版同刻胶的影响等优点。由于接触式曝光时掩膜版同光刻胶直接接触，所以掩膜版容易损伤，图形缺光刻胶直接接

14、触，所以掩膜版容易损伤，图形缺陷多、管芯成品率低、不适合陷多、管芯成品率低、不适合VLSI生产。生产。 接近式曝光接近式曝光 接近式曝光是掩膜版同光刻胶离开接近式曝光是掩膜版同光刻胶离开10 50 m，所以掩膜版不容易被损伤，所以掩膜版不容易被损伤，掩膜版的使用寿命长，图形的缺陷少，管掩膜版的使用寿命长，图形的缺陷少，管芯的成品率高，但是缺点是分辨率低，同芯的成品率高，但是缺点是分辨率低，同时机器操作比接触式曝光机复杂、价格也时机器操作比接触式曝光机复杂、价格也稍贵。稍贵。 投影式曝光投影式曝光 光刻工艺中的投影式曝光分光刻工艺中的投影式曝光分1 : 1、4 : 1、5 : 1几种。几种。 投

15、影式曝光的掩模版同硅片不接触，对投影式曝光的掩模版同硅片不接触，对于于4:1、5:1缩小的投影曝光，可以得到更小的缩小的投影曝光，可以得到更小的图形尺寸，可以减少掩模版上缺陷（如灰尘图形尺寸，可以减少掩模版上缺陷（如灰尘等颗粒）对成品率的影响。等颗粒）对成品率的影响。 stepper是是IC制造工艺中最重要的设备，也制造工艺中最重要的设备，也是最昂贵的设备，是最昂贵的设备，特殊的光刻工艺特殊的光刻工艺LIGA技术技术剥离技术（剥离技术（Lift Off）膜的工艺要求膜的工艺要求 好的台阶覆盖（好的台阶覆盖（step coverage）能力。）能力。 填充高的深宽比间隙的能力。填充高的深宽比间隙

16、的能力。 好的厚度均匀性。好的厚度均匀性。 高纯度和高密度。高纯度和高密度。 受控制的化学剂量。受控制的化学剂量。 高度的结构完整性和低的膜应力。高度的结构完整性和低的膜应力。 好的电学性能。好的电学性能。 对衬底材料或下层膜好的粘附性。对衬底材料或下层膜好的粘附性。4. 薄膜工艺薄膜工艺4.1 CVD法制作法制作SiO2薄膜薄膜 APCVD、LPCVD、PECVD或溅射等或溅射等方式都可以得到方式都可以得到SiO2薄膜。这种制作二氧薄膜。这种制作二氧化硅薄膜的方法同硅的热氧化制作二氧化化硅薄膜的方法同硅的热氧化制作二氧化硅有着本质上的区别：前者是同衬底材质硅有着本质上的区别：前者是同衬底材质

17、没有关系，二氧化硅是淀积到衬底上去的；没有关系，二氧化硅是淀积到衬底上去的；后者是硅衬底直接同氧或水在高温下进行后者是硅衬底直接同氧或水在高温下进行化学反应生成二氧化硅。化学反应生成二氧化硅。 采用采用LPCVD、PECVD或溅射等方式制作薄膜或溅射等方式制作薄膜的最大优点是工作温度比较低，其中的最大优点是工作温度比较低，其中LTO 的工作的工作温度是温度是620左右，左右， PECVD方式淀积方式淀积SiO2的温度可以的温度可以在在200 以下。不同的淀积方式、用不同的源淀积以下。不同的淀积方式、用不同的源淀积的的SiO2在密度、折射率、应力、介电强度、台阶在密度、折射率、应力、介电强度、台

18、阶覆盖和腐蚀速率等各方面性能上都有很大差别。覆盖和腐蚀速率等各方面性能上都有很大差别。溅射方式制作溅射方式制作SiO2薄膜薄膜 的温度低、质量好，但是的温度低、质量好，但是效率低、成本高。效率低、成本高。 Si3N4在器件制造中可以用作钝化膜、局在器件制造中可以用作钝化膜、局部氧化扩散掩膜、硅湿法腐蚀的掩蔽膜、绝缘部氧化扩散掩膜、硅湿法腐蚀的掩蔽膜、绝缘介质膜以及杂质或缺陷的萃取膜。它最重要的介质膜以及杂质或缺陷的萃取膜。它最重要的性质是对性质是对H2O、O2 、Na、Al、Ga、In等都具等都具有极强的扩散阻挡能力。特别是对有极强的扩散阻挡能力。特别是对H2O和和Na 的的强力阻挡作用，使它

19、成为一种较理想的钝强力阻挡作用，使它成为一种较理想的钝化材料。化材料。4.2 Si3N4薄膜的性质薄膜的性质匀胶、曝光、显影、匀胶、曝光、显影、坚膜、刻蚀坚膜、刻蚀Si3N4 去胶、清洗、场去胶、清洗、场区氧化区氧化1m Si3N4作为硅片高温局部氧化的掩蔽层作为硅片高温局部氧化的掩蔽层Si3N4 膜膜 100/ 111的腐蚀比达的腐蚀比达400：1 Si3N4 Si3N4作为硅片湿法腐蚀的掩蔽膜作为硅片湿法腐蚀的掩蔽膜Si3N4作为硅芯片的保护膜作为硅芯片的保护膜铝焊盘铝焊盘钝化层钝化层钝化结构钝化结构SiO2/Si PSG/SiO2 /SiSi3N4 /SiSi3N4 / SiO2 / S

20、i可动离子可动离子密度密度(/ cm2) 1013 4.31012 6.510106.61010不同材料的阻钠能力不同材料的阻钠能力 虽然虽然Si3N4/Si结构具有最好的阻钠能力，实际上由结构具有最好的阻钠能力，实际上由于界面存在极大的应力与极高的界面态密度，所以都于界面存在极大的应力与极高的界面态密度，所以都采用采用Si3N4/ SiO2/ Si 结构。结构。4.3 铝布线的优缺点铝布线的优缺点能长期工作能长期工作优点优点 同硅或多晶硅能形成欧姆接触同硅或多晶硅能形成欧姆接触 电阻率能满足微米和亚微米电路的要求电阻率能满足微米和亚微米电路的要求 与与 SiO2 有良好的附着性有良好的附着性

21、 台阶的覆盖性好台阶的覆盖性好 易于淀积和刻蚀易于淀积和刻蚀易于键合易于键合缺点缺点 在大电流密度下容易产生金属离子在大电流密度下容易产生金属离子 电迁移现象，导致电极短路。电迁移现象，导致电极短路。 铝硅之间容易产生铝硅之间容易产生“铝钉铝钉”，深度可，深度可 达达1m，所以对于浅结工艺很容易造，所以对于浅结工艺很容易造 成成PN结短路。结短路。5.1 溅射溅射 根据采用的电源种类，等离子体溅射有两根据采用的电源种类，等离子体溅射有两种方式：直流阴极溅射和射频溅射。种方式：直流阴极溅射和射频溅射。 直流阴极溅射是荷能粒子（一般采用正直流阴极溅射是荷能粒子（一般采用正离子）轰击处在阴极的靶材，

22、把靶材上的原离子）轰击处在阴极的靶材，把靶材上的原子溅射到阳极的硅片上。子溅射到阳极的硅片上。5. 等离子体加工技术小结等离子体加工技术小结 如果靶材是绝缘介质或导电靶上受绝缘如果靶材是绝缘介质或导电靶上受绝缘介质污染时，相当于在等离子体与阴极之间介质污染时，相当于在等离子体与阴极之间有一个电容器，采用直流电源实现溅射存在有一个电容器，采用直流电源实现溅射存在困难，所以对于绝缘靶的溅射一般采用射频困难，所以对于绝缘靶的溅射一般采用射频（RF）电源，但是它必须要在硅片与靶之间）电源，但是它必须要在硅片与靶之间加一个直流偏压。加一个直流偏压。 射频溅射射频溅射直流溅射直流溅射+ E C 靶靶载片台

23、载片台5.2 PECVD PECVD是让两种反应气体在衬底表是让两种反应气体在衬底表面发生化学反应，如：面发生化学反应，如：PECVD淀积淀积Si3N4 。3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2 它的化学反应同它的化学反应同LPCVD完全一样，完全一样，差别就是反应的温度不同。差别就是反应的温度不同。 射频溅射射频溅射E C 溅射同溅射同PECVD的差别的差别RF电源电源真空泵真空泵反应气体反应气体靶靶载片台载片台PECVD 溅射通常使用溅射通常使用Ar气，荷能正离子把靶材气，荷能正离子把靶材上的原子溅射到硅片上，而上的原子溅射到硅片上，而PECVD是两种是两种反应气体在等离子体中分解为具有高活性反应气体在等离子体中分解为具有高活性的反应粒子，这些活性反应粒子在衬底表的反应粒子，这些活性反应粒子在衬底表面发生化学反应生成薄膜。面发生化学反应生成薄膜。5.3 等离子体刻蚀等离子体刻蚀 物理方法干法刻蚀是利用辉光放电将惰物理方法干法刻蚀是利用辉光放电将惰性气体，例如氩气（性气体，例如氩气（Ar），解离成带正电的），解离成带正电的离子，再利用偏压将离子加速，轰击被刻蚀离子，再利用偏压将离子加速，轰击被刻蚀物的表面，并将被刻蚀