半导体制造技术课件

MEMS工藝

——半導體製造技術

積體電路製造過程一、摻雜與退火摻雜定義：就是用人為的方法，將所需的雜質（如磷、硼等），以一定的方式摻入到半導體基片規定的區域內，並達到規定的數量和符合要求的分佈，以達到改變材料電學性質、製作PN結、積體電路的電阻器、互聯線的目的。摻雜的主要形式：注入和擴散

退火：也叫熱處理，積體電路工藝中所有的在氮氣等不活潑氣氛中進行的熱處理過程都可以稱為退火。目的：啟動雜質消除損傷結構釋放後消除殘餘應力退火方式：爐退火快速退火1.擴散工藝定義：在一定溫度下雜質原子具有一定能量，能夠克服阻力進入半導體並在其中做緩慢的遷移運動。形式：替代式擴散和間隙式擴散恒定表面濃度擴散和再分佈擴散替位式擴散：雜質離子佔據矽原子的位：Ⅲ、Ⅴ族元素一般要在很高的溫度(950～1280℃)下進行磷、硼、砷等在二氧化矽層中的擴散係數均遠小於在矽中的擴散係數，可以利用氧化層作為雜質擴散的掩蔽層間隙式擴散：雜質離子位於晶格間隙：Na、K、Fe、Cu、Au等元素擴散係數要比替位式擴散大6～7個數量級擴散工藝主要參數結深：當用與襯底導電類型相反的雜質進行擴散時，在矽片內擴散雜質濃度與襯底原有雜質濃度相等的地方就形成了pn結，結距擴散表面的距離叫結深。薄層電阻Rs（方塊電阻）表面濃度：擴散層表面的雜質濃度。擴散的適用數學模型是Fick定律

式中：

F為摻入量

D為擴散率

N每單位基底體積中摻入濃度擴散方式液態源擴散：利用保護氣體攜帶雜質蒸汽進入反應室，在高溫下分解並與矽表面發生反應，產生雜質原子，雜質原子向矽內部擴散。固態源擴散：固態源在高溫下汽化、活化後與矽表面反應，雜質分子進入矽表面並向內部擴散。液態源擴散擴散源：硼酸三甲酯，硼酸三丙酯等擴散原理：硼酸三甲酯500C分解後與矽反應，在矽片表面形成硼矽玻璃，硼原子繼續向內部擴散，形成擴散層。硼B擴散系統：N2氣源、純化、擴散源、擴散爐擴散工藝：預沉積，去BSG，再分佈工藝條件對擴散結果的影響氣體流量、雜質源、溫度液態源擴散擴散源：POCl3，PCl3，PBr3等擴散原理：三氯氧磷600C分解後與矽反應，在矽片表面形成磷矽玻璃，磷原子繼續向內部擴散，形成擴散層。擴散系統：O2和N2氣源、純化、擴散源、源冷卻系統、擴散爐擴散工藝：預沉積，去PSG，再分佈磷P固態源擴散箱法B擴散

B2O3或BN源，石英密封箱片狀BN擴散氧氣活化，氮氣保護，石英管和石英舟，預沉積和再分佈片狀P擴散擴散源為偏磷酸鋁和焦磷酸矽固-固擴散（乳膠源擴散）擴散爐品質分析1．矽片表面不良：表面合金點；表面黑點或白霧；表面凸起物；表面氧化層顏色不一致；矽片表面滑移線或矽片彎曲；矽片表面劃傷，邊緣缺損，或矽片開裂等2．漏電電流大：表面沾汙引起的表面漏電；氧化層的缺陷破壞了氧化層在雜質擴散時的掩蔽作用和氧化層在電路中的絕緣作用而導電；矽片的缺陷引起雜質擴散時產生管道擊穿。3．薄層電阻偏差4．器件特性異常：擊穿電壓異常；hFE異常；穩壓二極體穩壓值異常。。工藝控制污染控制：顆粒、有機物、薄膜、金屬離子污染來源：操作者,清洗過程,高溫處理,工具•參量控制：溫度，時間，氣體流量(影響最大?)1.溫度控制：源溫、矽片溫度、升溫降溫、測溫2.時間：進舟出舟自動化,試片3.氣體流量：流量穩定，可重複性，假片2.離子注入定義：將摻雜劑通過離子注入機的離化、加速和品質分析，成為一束由所需雜質離子組成的高能離子流而投射入晶片（俗稱靶）內部，並通過逐點掃描完成整塊晶片的注入摻雜深度由注入雜質離子的能量和品質決定摻雜濃度由注入雜質離子的數目(劑量)決定

摻雜的均勻性好溫度低：小於600℃可以精確控制雜質分佈可以注入各種各樣的元素橫向擴展比擴散要小得多可以對化合物半導體進行摻雜離子注入的優點：離子注入特點：橫向效應小，但結深淺；雜質量可控；晶格缺陷多基本原理：雜質原子經高能粒子轟擊離子化後經電場加速轟擊矽片表面，形成注入層裝置：離子源、聚焦、分析器、加速管、掃描、偏轉、靶室、真空系統離子注入系統的原理示意圖離子注入的步驟注入的離子在基底中的分佈根據Ruska(1987)，注入離子的濃度N（X）可遵循下麵方程式RP

為注入的範圍，umΔRP為分散度或者“離散度”

Q是離子束的劑量（原子數/cm2）矽中常用摻雜劑的離子注入離子範圍Rp，nm分散

Rp，nm在30keV能級硼（B）106.539.0磷(P)42.019.5砷(As)23.39.0在100keV能級硼（B）307．069．0磷(P)135．053．5砷(As)67．826．13、退火定義：一般是利用各種能量形式所產生的熱效應，來消除半導體片在其加工過程中所引起的各種晶格缺陷和內應力，或根據需要使表面材料產生相變和改變表面形態。定義：將注入離子的矽片在一定溫度和真空或氮、氬等高純氣體的保護下，經過適當時間的熱處理，部分或全部消除矽片中的損傷，少數載流子的壽命及遷移率也會不同程度的得到恢復，摻入的雜質也將的到一定比例的電啟動，這樣的熱處理過程稱為退火。分類普通熱退火硼的退火特性磷的退火特性擴散效應快速退火方式：熱退火：管式爐，保護氣氛，900C，

20~30min，用於再擴散鐳射退火：自淬火，局部加熱，製備歐姆接觸電子退火普通熱退火退火時間通常為15--30min，使用通常的擴散爐，在真空或氮、氬等氣體的保護下對襯底作退火處理。缺點：清除缺陷不完全，注入雜質啟動不高，退火溫度高、時間長，導致雜質再分佈。1區單調上升：點缺陷、陷井缺陷消除、自由載流子增加2區出現反退火性：代位硼減少，澱積在位錯上3區單調上升:

劑量越大，所需退火溫度越高。雜質濃度達1015以上時出現無定形矽退火溫度達到600℃～800℃二、表面薄膜技術在微電子技術以及在微結構、微光學和微化學感測器中，需要在由不同材料構成的大面積的薄膜層中構造功能完善的結構。功能：1、完成所確定的功能

2、作為輔助層方式：氧化(Oxidation)

化學氣相澱積(ChemicalVaporDeposition)

外延(Epitaxy)1、氧化定義：矽與氧化劑反應生成二氧化矽。原理：氧化劑被表面吸附，向膜中擴散，在二氧化矽和矽的接觸介面反應生成新的二氧化矽，接觸介面向深層逐步推進。種類：熱氧化、熱分解澱積、外延澱積。二氧化矽膜的五種用途：雜質擴散掩蔽膜a器件表面保護或鈍化膜b電路隔離介質或絕緣介質c電容介質材料d

MOS管的絕緣柵材料e二氧化矽膜的性質（1）1.二氧化矽膜的化學穩定性極高，不溶於水，除氫氟酸外，和別的酸不起作用。利用這一性質作為掩蔽膜，光刻出IC製造中的各種窗口。2.二氧化矽膜的掩蔽性質B、P、As等雜質在SiO2的擴散係數遠小於在Si中的擴散係數。Dsi>Dsio2SiO2膜要有足夠的厚度。一定的雜質擴散時間、擴散溫度下，有一最小厚度二氧化矽膜的性質（2）3.二氧化矽膜的絕緣性質熱擊穿、電擊穿、混合擊穿：

a.最小擊穿電場（非本征）－－針孔、裂縫、雜質。

b.最大擊穿電場（本征）－－厚度、導熱、介面態電荷等；氧化層越薄、氧化溫度越高，擊穿電場越低。介電常數3～～4（3.9）二氧化矽膜的性質（3）4.Si--SiO2的介面特性及解決（1）可動離子電荷：如Na+離子---Si表面負電荷（N型溝道）－－清洗、摻氯氧化工藝－－PSG－SiO2（2）固定氧化物電荷----過剩的Si+（3）介面陷阱電荷(快態介面)－分立、連續能級、電子狀態（4）氧化物陷阱電荷：Si－SiO2介面附近（109～1013/cm2）---300℃退火（5）氧化層上的離子沾汙常壓氧化技術種類：水汽氧化、幹氧氧化、濕氧氧化幹氧：二氧化矽膜乾燥緻密，掩蔽能力強，與光刻膠粘附性好，但氧化速度慢。濕氧：速度快，但二氧化矽疏鬆，與光刻膠粘附性不好，易脫落。實際工作中，往往用幹氧、濕氧、幹氧的方法，速度快粘附性好。水汽氧化速度更快，但是品質差，一般不用。常壓氧化技術設備：氧化源、加熱器、氧化爐、熱電偶氧化效果分析厚度檢測：比色法、干涉法針孔檢測：腐蝕法、電化學法C-V性能檢測其他氧化技術高壓水汽氧化：VLSI應用等離子體氧化熱分解澱積二氧化矽烷氧基矽烷分解澱積矽烷在氧氣中分解在矽基上產生二氧化矽最經濟的方法就是熱氧化。此工藝中的化學反應如下：二氧化矽的熱氧化設備a)氧化初始階段b)氧化層的形成c）氧化層的生長由顏色來確定氧化層厚度2、化學氣相澱積技術CVD：ChemicalVaporDeposition定義：使用加熱、等離子體和紫外線等各種能源，使氣態物質經化學反應（熱解或化學合成），形成固態物質澱積在襯底上。相對的蒸發和濺射為物理氣相澱積。特點：溫度低、均勻性好、通用性好、臺階覆蓋性能好，適合大批量生產。化學氣相澱積技術（CVD）分類：按照澱積溫度：低溫（200－500）中溫（500－1000）高溫（1000－1200）按照反應壓力：常壓、低壓按反應壁溫度：熱壁、冷壁按反應激化方式：熱啟動等離子體啟動光啟動常用CVD常壓冷壁：（APCVD）用於生長摻雜與不摻雜的二氧化矽低壓熱壁：（LPCVD）用於生長多晶矽與氮化矽等離子體啟動（PECVD）可以降低反應所需溫度，常用於生長氮化矽，作最後鈍化層使用CVD中的化學反應常用三種薄膜的化學反應：二氧化矽氮化矽多晶矽CVD工藝特點：（1）CVD成膜溫度遠低於體材料的熔點或軟點。因此減輕了襯底片的熱形變，減少了玷污，抑制了缺陷生成;設備簡單，重複性好；（2）薄膜的成分精確可控、配比範圍大；（3）澱積速率一般高於PVD（物理氣相澱積，如蒸發、濺射等）；厚度範圍廣，由幾百埃至數毫米。且能大量生產；（4）澱積膜結構完整、緻密，與襯底粘附性好。化學氣相澱積LPCVD：成本低，均勻性好，臺階覆蓋好，片子乾淨PECVD：溫度低，易於腐蝕，針孔密度小系統：氣體輸入：正矽酸乙酯，矽烷和氨氣，矽烷啟動能源：電阻加熱（熱壁），射頻或紫外光（冷壁）氣體排出：氮氣或氬氣保護旋轉裝置：保證均勻性常壓化學氣相澱積特點:用於SiO2的澱積◆PWS－5000：SiH4+O2=SiO2+H2Oφ100mm：10片，φ125mm:8片Time:15minTemp:380～450℃±6℃厚度均勻：<±5％低壓化學氣相澱積應用情況多晶矽：SiH4/Ar(He)620℃Si3N4:SiH2Cl2+NH3750~800℃PSG:SiH4+PH3+O2450℃BSG:B2H6+O2450℃SiO2:SiH2Cl2+NO2910℃等離子體化學氣相澱積◆特點：溫度低200~350℃，適用於佈線隔離Si3N4:SiH2Cl2+NH3

PSG:SiH4+PH3+O2

三種主要CVD工序的總結和比較CVD工藝壓強/溫度通常的澱積速率10-10米/分優點缺點應用APCVD100—10kPa350~400℃SiO2：700簡單、高速、低溫覆蓋度較差微粒污染摻雜或非摻雜氧化物LPCVD1—8汞柱℃550~900℃SiO2：50—180Si3N4：30—80多晶矽：30—80純度高和均勻性高，晶片容量大溫度高高澱積速率摻雜或非摻雜氧化物、氮化物、晶體矽、鎢PECVD0.2—5汞柱300~400℃Si3N4：

300—350較低的襯底溫度快、好的附著性易受化學污染在金屬上和鈍化物的低溫絕緣體3.外延沉積概念：在單晶體基底生長同樣單晶體材料的薄膜特點：生長的外延層能與襯底保持相同的晶向外延層厚度比氧化和CVD得到的厚度都大利用外延層可以有效控制准三維結構深度微電子工業中有幾種技術可用於外延沉積氣相外延(VPE)分子束外延(MBE)金屬有機物CVD(MOCVD)互補金屬氧化物半導體(CMOS)外延用於外延澱積的反應物氣體反應物蒸氣正常工藝溫度℃正常澱積速率μm/min需要的能量供給eV評論SiH410000.1~0.51.6~1.7沒有模式轉變SiH2Cl211000.1~0.80.3~0.6有些模式轉變速SiHCl311750.2~0.80.8~1.0有大的模式轉變SiCl412250.2~1.01.6~1.7有非常大的模式轉變在上頁中用SiH4蒸氣在矽襯底上生長矽膜是其中最簡單的一種。在約1000℃時，通過簡單的分解可生產矽，如下式所示：系統示意圖外延生長程式(1)N2預沖洗260L/min4min(2)H2預沖洗260L/min5min(3)升溫1850ºC5min(4)升溫21170ºC6min(5)HCl排空1.3L/min1min(6)HCl拋光1.3L/min3min(7)H2沖洗(附面層)260L/min1min分子束外延（MBE）工藝一、分子束外延技術◆分子束外延（MBE）是一種超高真空蒸發技術，廣泛用於半導體單晶的沉積。特別是Ⅲ－Ⅴ，Ⅱ－Ⅵ族化合物半導體和Si，Ge的沉積。也可用於多種金屬和金屬氧化物。◆在超高真空（UHV）條件下進行，生長速度非常低，通常在1μm/h左右。◆超高真空的環境、低溫和慢的生長速度，同時給碰撞原子提供了足夠時間，使之沿襯底邊沿擴散，進入適當的晶格格點，形成完美晶體。MBE生長室的基本結構示意圖三、光刻(Lithography)定義：光刻是一種圖形複印和化學腐蝕相結合的精密表面加工技術種類：接觸式，接近式，投影式重要性：是唯一不可缺少的工藝步驟，是一個複雜的工藝流程工藝過程：備片清洗烘乾甩膠前烘對準曝光顯影堅膜腐蝕工藝等去膠光刻的目的:

在二氧化矽或金屬薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對應的幾何圖形從而實現選擇性擴散和金屬薄膜佈線的目的。分步重複曝光光學原理圖各種曝光方式的比較四、金屬化：濺射和蒸發蒸發和濺射是製備金屬結構層和電極的主要方法。是物理氣相澱積的方法。金屬材料的要求良好的導電性容易形成良好的歐姆接觸與矽和二氧化矽粘附性好能用蒸發或濺射的方法形成薄膜易於光刻，實現圖形化常用金屬材料：Al,Au,Ag,Pt,W,Mo,Cr,Ti積體電路對金屬化的要求1.對P+或N+形成歐姆接觸,矽/金屬接觸電阻越小越好，良好的導電性2.低阻互連線,引線電阻越小越好3.抗遷徙4.良好的附著性5.耐腐蝕6.易於澱積和光刻7.易鍵合8.層與層之間不擴散1、蒸發定義：將制膜材料和被制膜基板在真空室中加熱到相當高的溫度，使之蒸發或昇華形成金屬蒸汽，在矽片表面澱積形成金屬薄膜的工藝。分類：電阻、高頻、鐳射、電子束加熱真空鍍膜機：真空鍍膜室：鐘罩、加熱器、擋板、底盤抽氣系統：10-5~10-2Pa,真空泵和擴散泵真空測量儀器：熱偶、熱陰極電離、高頻火花蒸發Al工藝掛置Al絲，清洗並放置矽片抽真空：機械泵、擴散泵，710-3Pa襯底加熱熔球，預蒸發和蒸發冷卻、取出矽片合金化，形成歐姆接觸。<577C品質分析厚度控制和測量：時間控制，電阻法，天平稱量鋁膜表面氧化電子束蒸發原理：利用經過高壓加速並聚焦的電子束，在真空中直接打到源表面，將源蒸發並澱積到襯底表面形成薄膜。設備：偏轉電子槍真空鍍膜機優點澱積的Al膜純度高，鈉離子玷污少臺階覆蓋性能好採用紅外線加熱襯底，工作效率高缺點：X射線破壞矽表面晶體；壓力大於10²Pa時會引起放電。2、濺射原理：惰性氣體（Ar）在真空室中高電場作用下電離，產生的正離子被強電場加速形成高能離子流轟擊濺射靶，靶（源）原子和分子離開固體表面，以高速濺射到陽極（矽片）上澱積形成薄膜。分類：直流濺射、等離子體濺射、高頻濺射、磁控濺射直流濺射設備：陰極（濺射源）、陽極（矽片），距離3~10cm氬氣壓強1~10Pa3~5V直流電壓，輝光放電特點：結構簡單，可得到大面積均勻薄膜；放電電流容易隨電壓和氣壓變化，速率不易控制

等離子四極濺射熱陰極發射電子，在陰極和陽極間產生等離子體。用電磁線圈產生的磁場可使等離子體在中心軸附近聚焦成等離子柱。靶上加負高壓，等離子體中的正離子在電場作用下轟擊靶，使源原子濺射到接地的矽片上。特點：真空度要求低，澱積膜厚度容易控制，金屬膜的純度高。等離子磁控濺射源示意圖1.濺射膜厚度感測器2.行星盤轉動機構3.溫度檢測熱偶4.行星盤5．擋板6.真空室放氣閥7.濺射靶（園環形）8.熱偶規9.高真空閥10.低真空閥11.機械泵12.前置（管道）閥13.熱偶規14.擴散泵加熱器15.擴散泵16.液氮冷阱17.靶體冷卻水及功率源饋管18.離子規19.環狀等離子體20.磁力線21.真空室22.電源櫃23.控制櫃24.陽極高頻濺射在絕緣材料的背面加上一個金屬電極，加上高頻電壓，使絕緣材料中產生位移電流，實現絕緣材料的濺射澱積。頻率：10MHz特點：不需要熱陰極，能在較低的氣壓和電壓下進行濺射，可以濺射多種材料的絕緣介質膜。磁控濺射可濺射各種合金和難熔金屬；磁控濺射中襯底可不加熱，從陰極表面發射的二次電子由於受到磁場的束縛而不再轟擊矽片，避免了矽片的溫升及器件特性的退化。平板型磁控濺射源示意圖由於在陰極面上存在極強的磁場，電子受洛倫茲力作用而被限制在陰影區內，沿著類似擺線的軌跡運動（虛線），於是增加了電子與氣體的碰撞次數，增加了等離子體的密度，提高了濺射速率。真空蒸發與濺射成膜的比較蒸發濺射沉積速度較快較慢（磁控除外）膜的緻密性很好更好膜與基板結合力較差牢固膜中含氣量很少較多膜材選擇性各材蒸汽壓相差大各材濺射率相差小操作要求操作要求較高，工藝重複性差工藝重複性好，易實現自動化合金化目的：使接觸孔中的鋁與矽之間形成低歐姆接觸，並增加鋁與二氧化矽之間的附著力，使互連線和壓焊點牢固的固定在矽片上。關鍵：合金溫度和合金時間的控制。五、刻蝕選用適當的腐蝕劑，將掩膜層或襯底刻穿或減薄，以獲得完整、清晰、準確的光刻圖形或結構的技術腐蝕必須具有選擇性，腐蝕劑應對光刻膠或掩膜層不腐蝕腐蝕因數：腐蝕深度與橫向腐蝕量之比分類：幹法等離子體腐蝕和濕法腐蝕VLSL對圖形轉移的要求---保真度VLSL對圖形轉移的要求---選擇性VLSL對圖形轉移的要求---均勻性VLSL對圖形轉移的要求---清潔度刻蝕方法--濕法刻蝕•濕法刻蝕:利用溶液與預刻蝕材料之間的化學反應來去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而達到刻蝕目的。•三個步驟：1）反應物擴散到被刻蝕的材料表面；2）反應物與被刻蝕薄膜反應；3）反應後的產物從刻蝕表面擴散到溶液中，並隨溶液被排出。刻蝕方法--幹法刻蝕•特點:利用刻蝕氣體輝光放電形成的等離子體進行刻蝕。•優點:各向異性好，選擇比高，可控性、靈活性、重複性好，細線條操作安全，易實現自動化，無化學廢液，處理過程未引入污染，潔淨度高。•缺點：成本高，設備複雜。•分類：物理性、化學性、物理化學性刻蝕。物理性刻蝕•機理：利用輝光放電將惰性氣體解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，轟擊被刻蝕物的表面，並將被刻蝕物材料的原子擊出。•設備：離子銑•特點：1.純粹的機械過程，對所有材料都可實現強的各向異性刻蝕。2.選擇比差；3.刻出物易再澱積；4.易對下麵結構造成損傷；5.單片刻蝕。化學性刻蝕•機理：設備：高壓等離子體刻蝕機•特點：1.主要依靠化學反應進行刻蝕，選擇性好；2.各向異性差；3.對基底的損傷小4.刻蝕速度低。以CF4為刻蝕氣體刻蝕Si為例：e-+CF4→CF2+2F+e-Si+4F→SiF4Si+2CF2→SiF4+2C物理化學性刻蝕•機理：物理性的離子轟擊和化學反應相結合實現的刻蝕。•設備：反應離子刻蝕機（RIE)•傳統的RIE設備結構簡單、價格較低廉。通過適當選擇反應氣體、氣壓、流量和射頻功率，可以得到較快的