集成电路制造技术 课件 第九章-集成电路虚拟制造技术

集成电路制造技术第九章集成电路虚拟制造技术一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真二、集成电路薄膜材料生长虚拟仿真一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真1.晶圆清洗工艺原理集成电路制造过程中常见的污染物有颗粒物、有机物、金属污染物和氧化物等。清洗工艺分湿法清洗和干式清洗。湿法清洗使用化学溶剂或者去离子水清洗晶圆。干式清洗是采用气体或等离子体进行清洗的工艺。湿法清洗中的RCA清洗工艺包括以下几种清洗液：APM(SC-1)：NH4OH/H2O2/H2OHPM(SC-2)：HCl/H2O2/H2OSPM(SC-3)：H2SO4/H2O2/H2OHF(DHF)：HF/H2O实验场景晶圆清洗实验场景实验步骤进入实验场景，找到并点击硅片篮，将硅片篮放入氧化腐蚀机的喷淋槽。点击氧化腐蚀机喷淋槽上部的按键启动喷淋，喷淋槽开始工作。计时结束，点击氧化腐蚀机上部的按键，关闭喷淋，将硅片篮拿出放在隔板上。123实验步骤打开甩干机舱门，取下硅片篮的提手，将硅片篮放入甩干机。点击甩干机开启按钮，甩干机关闭舱门并启动，完成甩干工作。计时结束，关闭甩干机，打开甩干机舱门，将硅片篮取出并组装，实验结束。456一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真2.氧化工艺工艺原理氧化工艺可以制备具有最低界面陷阱密度的最高质量的二氧化硅层，这些二氧化硅可以用于MOSFET的栅极氧化层。硅与氧气反应为干法氧化，硅与水蒸气反应为湿法氧化。在氧化初期，当表面反应是限制生长速率的主要因素时，氧化层厚度与时间成正比。当氧化层变厚，氧化剂必须扩散至硅与二氧化硅的界面才可反应，此时反应受限于扩散过程。氧化层生长变成与氧化时间的平方根成正比，故其生长速率为抛物线。一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真2.氧化工艺工艺原理氧化炉结构示意图实验场景氧化工艺实验场景实验步骤旋转电源旋钮，点击“加热启”按钮，启动加热。点击触摸屏“编辑”按钮，设置氧化实验的时间和温度两项参数，设置的参数需要满足可以生长约20nm厚的二氧化硅层的要求。点击镊子，将硅片移动至石英舟内。123实验步骤点击最下面炉口的炉门把手，打开炉门，将石英舟放入氧化炉内。点击石英管帽，将管帽放入氧化炉内，再次点击炉门把手，将加热阀门关闭。点击运行旋钮，开始氧化过程。氧化过程结束后，点击炉门把手，打开炉门，取走石英管帽。用石英拉杆拉出石英舟，将石英舟从氧化炉内取出，实验结束。456一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真3.光刻工艺工艺原理光刻是将掩模版上的几何图案转移至光刻胶上的一种工艺。光刻工艺需要在洁净度等级为10级甚至1级的净化室内进行。光刻工艺使用的设备为光刻机，光刻机的曝光方式分为遮蔽式曝光和投影式曝光。光刻机常用的光源波长有高压汞灯的436nm、405nm和365nm，还有KrF准分子激光器的248nm和ArF准分子激光器的193nm。一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真3.光刻工艺工艺原理光刻工艺的主要流程实验场景光刻工艺实验场景实验步骤打开光刻机开关进行预热。使用沾有丙酮或乙醇的无尘布擦拭承片台。找到硅片盒（花篮），将硅片盒移动到涂胶机处。使用涂胶机完成涂胶过程。将涂胶后的硅片放到烘箱中进行前烘。打开烘箱电源，设置温度参数为80℃，时间参数设为3分钟，按下启动开关。等待时间到后，关闭电源，取出硅片。123实验步骤将硅片放入光刻机待光刻位置，点击MASKLOAD按钮，从抽屉中拿出掩模版，将掩模版安装到光刻机上，再次点击MASKLOAD按钮。点击START按钮启动光刻机，按照实验提示完成实验后续步骤。显影结束后，将硅片盒放回桌子上，实验结束。456一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真4.刻蚀工艺工艺原理刻蚀工艺是一种在材料表面上制造微米或纳米级别微细结构的加工技术。利用物理或化学的方式去除材料的部分区域，从而形成所需结构和图案。刻蚀主要分为湿法和干法刻蚀两类。刻蚀工艺是微纳加工中的关键技术之一，广泛应用于半导体制造、光学元件制造、微纳米器件制造等领域。干法刻蚀已广泛应用于半导体工业中，它利用等离子体进行半导体薄膜材料的刻蚀加工。干法刻蚀基本上包括离子轰击与化学反应两种刻蚀机制。实验场景刻蚀工艺实验场景实验步骤打开空气开关、冷水机电源开关和控制柜总电源。点击“放气阀”，点击主界面“←”，打开反应炉。按照实验提示完成真空系统部分的实验设置。打开射频电源和射频自动匹配器的电源开关，预热后调节射频功率至放电功率80W。1234实验步骤56进入流量控制系统，在“流量控制”界面，开启AV1。等待气体反应完成之后，关闭加热电源，等待温度降低，之后开启放气阀，等待气压逐渐增强到大气压使用镊子将硅片取出，将硅片放入硅片盒，关闭反应炉、分子泵、机械泵。关闭插板阀，等待气压下降，关闭总开关和仪器总电源，实验结束。7一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真5.离子注入工艺原理离子注入技术是一种材料改性方法，通过将掺杂剂的离子引入固体材料，在所选区域形成一个具有特殊性质的表面层（注入层）。离子注入是微电子工艺中的一种重要的掺杂技术，这一过程在真空系统中进行，使用经过加速的离子束照射（注入）固体材料。同时会在半导体中产生一些晶格缺陷，因此在离子注入后需用低温退火或激光退火来消除这些缺陷。离子注入的杂质浓度一般呈现高斯分布，并且浓度最高处不是在表面，而是在表面以内的一定深度处。实验场景离子注入工艺实验场景实验步骤输入命令，打开靶室门，用沾有酒精的无尘布擦拭靶盘表面。根据提示输入命令,关闭靶室门。将CONTRLPOWER（控制电源）的钥匙转动至OFF位置。拿起接地棒，进行放电。给离子注入机插入钥匙，钥匙顺时针旋转90°，钥匙旋至READY。1234实验步骤56点击一系列按钮，设置FILAMENT(灯丝电源)、ARC(弧流)和MAGNET(源磁场)。打开靶室门，用镊子钳起硅片，依次将硅片注入靶盘中。根据提示输入一系列的命令,完成离子注入实验。7一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真6.快速热退火工艺原理快速热退火是一种在半导体加工工艺中常用的技术手段，主要用于激活半导体材料中的掺杂元素和将由离子注入造成的非晶结构恢复为完整晶格结构。快速热退火通常指的是将晶片从环境温度快速加热至特定高温（如1000~1500K），晶片在高温下保持数秒钟后完成淬火的过程。

快速热退火适用于半导体工艺，特别是在离子注入后对半导体进行处理，以恢复晶体的结构和消除缺陷。此外，它还有激活施主杂质和受主杂质的功能，即将处于间隙位置的杂质原子通过退火让它们进入替代位置。这种技术相对于炉管退火，具有热预算少、硅中杂质运动小、玷污少和加工时间短等特点。实验场景快速热退火工艺实验场景实验步骤打开空气开关,打开冷水机。根据实验提示进行操作,完成热退火实验。等待温度降低，使用镊子将反应完成的硅片取出，将硅片放回硅片盒。关闭反应炉，关闭总开关和仪器总电源，实验结束。1234二、集成电路薄膜材料生长虚拟仿真1.化学气相沉积工艺原理化学气相淀积是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质在衬底表面进行化学反应生成薄膜的方法，分为常压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)和等离子体增强化学气相淀积(PECVD)。。一、集成电路基本制造工艺虚拟仿真1.化学气相沉积工艺原理PECVD设备示意图实验步骤打开空气开关，打开冷水机电源，调节温度为19℃。开启控制柜总电源，点击触摸屏，显示主界面。点击放气阀，点击主界面“向左的箭头”，打开反应炉。用镊子夹取硅片放置到CVD仪器内部。点击主界面“向右的箭头”，关闭反应腔。关闭放气阀，打开旁抽阀，打开机械泵。123实验步骤真空计示数变化，直至真空抽至5Pa。关闭旁抽泵，打开分子泵，等待分子泵转速稳定在400Hz。。关闭分子泵，等待分子泵转速变为0。合上热开关，设置温度为800℃。点击启动开始加热至设置温度，按照实验提示完成后续步骤。关闭加热，温度降至60℃。点击放气阀，点击主界面“向左的箭头”，打开反应腔。使用镊子将硅片取出，放入硅片盒。点击主界面“向右的箭头”，关闭反应腔。关闭放气阀，关闭机械泵，关闭插板阀，关闭总开关，关闭空气开关，实验结束。456二、集成电路薄膜材料生长虚拟仿真2.金属蒸镀工艺原理金属热蒸发是在高真空环境下，利用电阻式蒸发原理，通过大电流在蒸发舟上加热待蒸镀材料，使其在高温下熔化、蒸发，从而在样品上沉积所需要的薄膜。这个过程可以通过调节所加电流的大小来方便地控制镀膜材料的蒸发速率。实验场景金属蒸镀工艺示意图实验步骤基底的准备。选择合适的基底材料，对基底进行清洁处理。腔体的准备。将基底放置在真空腔体中，确保腔体内的真空度达到要求。金属样品的加热。将金属样品放置在加热源附近，金属样品加热到蒸发温度后，金属原子开始蒸发并形成金属蒸气。123实验步骤45蒸发控制。通过控制金属蒸发源的加热功率和温度，控制蒸发速率和薄膜的厚度。沉积薄膜。蒸发的金属蒸气会通过扩散作用在基底表面沉积成薄膜。靶材的替换和薄膜的再生。当金属蒸发源材料消耗殆尽后，需要替换成新的靶。6二、集成电路薄膜材料生长虚拟仿真3.电子束蒸镀工艺原理电子束蒸发镀膜是物理气相沉积的一种。该技术是在真空条件下利用电子束直接加热蒸发材料，使蒸发材料气化并向基板输运，在基底上凝结形成薄膜的方法。二、集成电路薄膜材料生长虚拟仿真3.电子束蒸镀工艺原理电子束蒸发镀膜示意图实验步骤拿起样品，将样品移动至外间白光区，放在桌面上；打开水冷机开关，单击上/下箭头设定水冷机温度，打开阀门开启水冷机，并进行开机。单击start启动泵，单击vent和seal，打开腔门和样品盘，将样品盘放在桌上并放置样品，将样品盘放回腔室，开始抽真空。在设备操作界面，单击ProcessMenu→2_Ti_single→Edit→FinalThickness行→Edit.→ToMain，打开坩埚电源，旋转旋钮，打开电源开关，打开灯丝电压开关，单击电流开关。123实验步骤开始薄膜沉积，单击ProcessMenu，开始Au的沉积，打开操作界面，单击seal→vent→seal→cycle进行取样。按提示单击各按钮进行关机，完成电子束蒸发镀膜步骤。454.磁控溅射工艺原理溅射成膜是工业生产中广泛应用的一种气相薄膜沉积技术。溅射时，在腔室内充入气体（通常为惰性氩气等），位于阴极的靶材和位于阳极的基板之间加一电场，阴极附近产生大量电子在该电场中加速飞向阳极基板，在这一过程中高速运动的电子与腔室内的气体分子相撞使其电离形成等离子体，等离子体中的正离子经电场加速后高速轰击靶材，使靶材表面的分子或原子获得足够能量脱离靶材飞溅出来，在衬底上沉积成膜。4.磁控溅射工艺原理磁控溅射原理实验步骤点击磁控溅射机的操作界面，开始进行实验，点击放气阀进行放气，待放气结束后打开舱门，并通过控制界面打开样品挡板。用镊子拿起衬底片，安装衬底片，关闭舱门，开始进行抽真空，点击自动启动按钮，关闭电离按钮，打开阀门和进气口。12实验步骤设置进气量，打开调节阀门，打开启动开关，开始镀膜。镀膜结束后，点击操作面板，关闭样品挡板，接着关闭进气阀、进气口。打开舱门，将衬底片取出放在实验台上，实验结束。3455.原子层沉积工艺原理原子层沉积（ALD）是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应腔，并在沉积基片上化学吸附并反应而形成沉积膜的一种技术。当前驱体到达沉积基片表面时，它们会在基片表面化学吸附并发生表面反应。在前驱体脉冲之间需要用惰性气体对原子层沉积反应器进行清洗。前驱体能否在基片表面化学吸附是实现原子层沉积的关键，选择合适的反应前驱体源是很重要的。原子层沉积的表面反应具有自限制性，实际上这种自限制性特征正是原子层沉积技术的基础。不断重复这种自限制反应就形成所需要的薄膜。5.原子层沉积工艺原理ALD生长