集成電路與器件工藝原理

1、士蘭集成電路有限公司人力資源部編寫一。定義和用途 1.外延：指在單晶襯底上生長一層新單晶的技術。因是由襯底向外延伸，故稱外延。2.用途：根據(jù)需要，在單晶襯底上形成摻雜類型不同或摻雜濃度不同的均勻摻雜單晶層。 硅的氣相外延原理：利用硅的氣態(tài)化合物，在加熱的硅襯底表面，與 H2發(fā)生反應或自身發(fā)生熱分解，還原生成硅，以單晶形式淀積在襯底表面。反應方程：SiCl4 +2 H2 = Si+ 4HCl; 四氯化硅Si H2Cl2 = Si + 2HCl. 二氯二氫硅第二種源優(yōu)點：外延溫度低，缺陷少，外延質(zhì)量高。 外延過程：裝片通N2趕氣通 H2通電源、通水冷 H2處理HCl氣相腐蝕趕HCl，爐溫調(diào)至外延生

2、長標準外延生長（通 H2、硅源、摻雜氣） H2清洗（關硅源、摻雜氣）關電源降溫通N2趕 H2冷卻取片檢驗。 層錯的形成:局部原子層錯排：（1，1，1） 面上顯示正三角形，（1，0，0）面上顯示 正方形。實際上是正三棱錐和正四棱錐 （象倒金字塔）。 外延層測量： 1、厚度測量：層錯法、C-V法、紅外橢圓 儀法、紅外反射干涉法等。 2、 電阻率測量：四探針法、三探針法、 C-V法。 測試原理實際上是根據(jù)歐姆定律來測 中間兩針間的電壓。 外延工藝的特有質(zhì)量問題： 自摻雜效應：襯底的雜質(zhì)在外延過程中逸 出，摻入外延層中，造成電阻率失常甚至 反型。 防止：生長過度層，降低外延溫度。 外延工藝的優(yōu)點： 高

3、效率的獲得較厚的均勻摻雜單晶層。 不存在兩種雜質(zhì)相互補償問題，PN結兩邊 雜質(zhì)分布為突變結 外延工藝的優(yōu)點： 高效率的獲得較厚的均勻摻雜單晶層。 不存在兩種雜質(zhì)相互補償問題，PN結 兩邊雜質(zhì)分布為突變結 一一.氧化工藝：氧化工藝：在高溫爐中，使硅晶體表面生成一層氧化層的工藝。 二二. 氧化層的作用氧化層的作用: 1.掩蔽作用:磷、硼等雜質(zhì)在SiO2中的擴散速度較Si中慢很多，于是可用SiO2來進行摻雜時的掩蔽。 2.SiO2的表面保護和鈍化作用：可防止外部環(huán)境影響產(chǎn)品性能，鈍化表面，消除表面態(tài)，防鈉離子沾污.（Si片表面很容易生成SiO2，是它的大優(yōu)點，形成了一套完整的平面工藝.） 3.MOS

4、管的柵極絕緣材料；IC電容的層間介質(zhì)。 三SiO2的性質(zhì)：具有很好的電絕緣性， 電阻率達10的1517次方歐姆厘米。對各種 酸、堿氣氛有耐受性，但不耐HF腐蝕。 熱生長氧化膜是非晶態(tài)無定型結構，比較 疏松，只有四成空間被SiO2分子占據(jù)，密 度較低。 四熱氧化膜生長機理： 1. 干氧氧化：Si + O2 = SiO2 2.水汽氧化：Si + H2O = SiO2 + H2 3.濕氧氧化：是上述兩項的結合。在向氧化爐中通O2時，讓其從95的氧化水瓶中鼓泡后進入。 4.氫氧合成水汽氧化：將高純 H2和O2分別通入爐管，使其燃燒成水汽，對硅片進行氧化。2 H2 +O2 = 2 H2O。 一般 氫：氧

5、=2：1即可，但實際上O2是過量的，防止發(fā)生危險。這樣，其實質(zhì)也是一種濕氧氧化。爐口裝有燃燒部（注入器），配有報警系統(tǒng)，當氫氧比例失調(diào)，或溫度低于 H2燃燒點時，就會關斷 H2，充入N2。 優(yōu)點：由于 H2和O2純度可以很高，因此合 成的水汽中Na+含量可低于0.1PPB。氧化 層質(zhì)量高，均勻性好。 注意事項： H2噴口溫度必須高于585， 管道嚴禁泄露，開工時要先用N2充滿爐管，后按O2 H2的順序通氣，完工時按 H2O2的順序關氣，然后用N2清掃。 氧氣要過量。 5.熱氧化的微觀過程和氧化速率。 微觀過程：氧化過程中，O2和 H2O分子總 要穿過已經(jīng)形成的SiO2層，繼續(xù)向下穿 越，到達S

6、iO2Si界面，形成新的SiO2層。 因此氧化是越來越慢的。由于氧分子穿越 速度慢，故干氧氧化較慢。隨著爐溫的提 高，氧化速度將加快。 6.對于較短時間氧化，氧化層厚度tox近似 與時間成正比。對于較長時間氧化，氧化 層厚度tox與時間的開方成正比 7.摻氯氧化：Cl元素在SiO2Si界面可同硅的懸掛健結合，減少界面態(tài)。Cl在SiO2中可俘獲Na+，可與重金屬雜質(zhì)生成氯化物氣體排出，并減少熱氧化層錯。 C2H3CL3 + O2 = CL2 + HCL + CO2 + H2O; HCL + O2 = CL2 + H2O. .氧化膜厚度測量：可用測厚儀測。SiO2膜 的顏色隨厚度變化，呈現(xiàn)紅、橙、

7、黃、 綠、青、藍、紫的周期性變化，有經(jīng)驗工 人可粗略判斷氧化層厚度。這稱為比色法. 定義：在高溫爐中，通入含有所需雜質(zhì)的 氣體，使該雜質(zhì)向硅晶體體內(nèi)擴散。 用途：形成特定的P型或N型區(qū)。 1.恒定表面源擴散：通源擴散過程。 2.有限表面源擴散：實際上是雜質(zhì)的再分布（驅入）。 擴散方法：液-固擴散； 氣-固擴散； 固-固擴散（實質(zhì)上最終都是氣-固） 1.硼的液-固擴散：BBr3的擴散： 4 BBr3 + 3O2 = 2B2O3 + 6 Br2， B2O3則作為擴散源： 2B2O3 + 3Si = 4B + 3SiO2。 注意事項：該源怕潮、怕光，有毒，注意排風。 優(yōu)點：該源的蒸汽壓較高，可得到較

8、高表面濃度。 4 POCl3 + O2 = P4O10 + 6CI2， P4O10是P2O5的雙聚分子，繼續(xù)發(fā)生下列反應： P4O10 + 5Si = 5SiO2 + 4P。 使用方法：大N2和O2直接進爐，小N2攜帶源進爐。 3.注意事項：該源怕潮，有毒，注意排風。 優(yōu)點：可得到較高表面濃度，老牌源，工藝成熟。一般用四探針法測出Rs,稱為方塊電阻，通過它可判斷擴散濃度的大小。 一.離子注入原理：在接近真空的條件下,將 待摻雜元素電離成正離子，用強電場使其 加速，獲得足夠的能量，高速射入硅片體 內(nèi)。 二.用途：在硅片上形成特定的P型或N型區(qū)。 三 .離子注入設備：離子源，磁分析器，加 速管，聚

9、焦和掃描系統(tǒng)，靶室和后部處理 系統(tǒng)。 四.注入損傷：注入離子和晶格原子碰撞， 使其脫離原格點位置。 四.退火：將注入后的硅片在8001000爐管中烘烤，使離位硅原子在熱運動中歸位，消除缺陷。 實驗發(fā)現(xiàn)：500600烘烤反而使情況更糟，故在降溫時，應快速通過這一溫度范圍。 退火還有另一作用，就是激活所摻雜質(zhì)原子。 退火技術的新進展:快速退火技術(RTP技術). 特點:單片操作. 優(yōu)點: 1.雜質(zhì)濃度不變,并100%激活. 2.殘留晶格缺陷少,均勻性和重復性好. 3.加工效率高,可達200300片/h. 4.設備簡單,成本低. 通道效應及防止:因硅晶體空隙大,個別雜質(zhì) 離子可能速度極大,進入硅片深

10、處,造成穿通. 防止:在硅片表面長薄層氧化層;讓注入角度偏幾度. 七.公司常用離子源： Sb2O5, 五氧化二銻 ,（也用三氧化二銻) BF3, 三氟化硼 PH3, 磷烷 AsH3.砷烷 八.離子注入的優(yōu)點： 1 可精確控制摻雜濃度和深度。 2 離子注入不存在橫向擴散。 3 大面積均勻摻雜。 4 能容易地摻入多種雜質(zhì)。 5 摻雜純度較高。 九.離子注入的缺點： 1 成本較高。 2 有注入損傷，若退火不當，會應響成品 率。 一.光刻的基本原理：分“圖形轉移”和“刻蝕”兩步。類似照相制版，在硅片上涂對光敏感的“光刻膠”，光透過光掩模版（光罩）-相當于底版，照在光刻膠上，形成“潛影”，經(jīng)顯影后完成“

11、圖形轉移”。再對光刻膠刻出的窗口”進行刻蝕，光刻工作即告完成。在離子注入工序，光刻膠還可充當掩蔽膜的角色。 二.用途：在二氧化硅膜或其它絕緣膜上刻 出特定的窗口，將金屬層刻成條狀內(nèi)引 線。 三.目前IC制造對光刻的基本要求： 1.高分辨率； 2.高靈敏度的光刻膠； 3.低缺陷； 4.精確的套刻對準； 5.大尺寸硅片。 四.正性光刻膠（光照到處可顯掉）。 優(yōu)點：可刻3微米以下細線條，分辨率高。缺點：粘附性差，不耐濕法腐蝕，價格高。 這是鄰疊氮醌類化合物。經(jīng)光照后成為羧酸（有機酸），可以被堿性的顯影液所中和，反應生成的胺和金屬鹽可快速溶解在顯影液中。 五.負性光刻膠（光照到處可交聯(lián)成不溶物，顯影中

12、保留下來）。優(yōu)點：價格低，耐濕法腐蝕，工藝成熟，可選品種多。缺點：因負膠在光刻腐蝕液中會膨脹，故刻不了細線條。 1.聚肉桂酸酯類光刻膠：老牌光刻膠。 2.聚烴類-雙疊氮系光刻膠：又稱環(huán)化橡膠系光刻膠。其中的雙疊氮成分是交聯(lián)劑。目前IC制造中常用的負性膠。優(yōu)點優(yōu)點：黏附性好，耐腐蝕。缺點缺點：曝光后靈敏度會受O2的影響。 1.制程：預烤涂膠前烘對位曝光 顯影檢驗（ADI）后烘（堅膜）刻 蝕檢驗 （AEI）去膠。 預烤：在真空烘箱中150左右烘烤，同時使增粘劑HMDS蒸汽進入，在硅片上均布一薄層HMDS，將Si表面由親水變成憎水，增強光刻膠與Si表面粘和性能。 HMDS成分：六甲基乙硅氮烷。涂膠：

13、旋轉涂布法，在自動涂膠機上進行，每片用膠大約一到幾毫升。前烘；在涂膠機的第二個臺位上完成，熱板傳導加熱方式，12分鐘即可，趕出膠膜中的有機溶劑，使其固化。對位曝光：用紫外燈透過光掩模（光刻版）對膠膜曝光，除第一次光刻外，其它各道都存在和前道的對準問題。 顯影：對正膠，在四甲基氫氧化銨堿液中 溶去光照過的膠膜；對負膠，一般是在芳 香烴類有機溶劑中溶去未被光照過的膠 膜。圖形轉移即告完成。 F. ADI：顯微鏡下檢驗顯影質(zhì)量。 G. 后烘：在烘箱中將Si片烘干。 .刻蝕（指濕法刻蝕，干法隨后再述）： 一般是在SiO2上刻出窗口： SiO2 +4 HF = SiF4 +2 H2O ； 刻Al時則是：

14、 H3PO4 + Al = AlPO4 + H2. AEI：刻蝕后檢驗。去膠：一般是 H2SO4 + H2O2 中去膠。但在有鋁后，則在MUII（吡咯酮）中去膠。(干法去膠在干法刻蝕中講)。 1.浮膠、鉆蝕（光刻膠掀起，旁蝕刻）。 4 鋁線過細。 5 鋁線橋接。 6 瞎窗。（尤其是引線孔光刻）。 7 鋁發(fā)黃。 8 對準偏差。 9 引線孔未完全覆蓋。 濕法腐蝕的缺點： A.使用大量酸液，安全性差，又污染環(huán)境。 B.側向腐蝕嚴重，線條做不細。 C.刻Si3N4和多晶硅時，光刻膠對H3PO4 和HNO3 + HF的耐受性不好。 干刻原理：是利用接近真空條件下氣體輝 光放電產(chǎn)生等離子體，其中的腐蝕性氣

15、體 的化學活性游離基與SiO2等被刻蝕表面發(fā) 生反應，且生成物是氣體 。 A.刻SiO2：在反應室通入CF4，CHF3， C2F6，SF6，C3F8，NF3等氣體，產(chǎn)生 F（游離基），于是： SiO2 + 4F*（游離基）= SiF4（氣）+O2。 目前流行用CHF3 + Cl2來刻蝕。 通入少量 O2可加速反應。 B.刻鋁：可在反應室通入SiCl4 ,BCl3， CCl4 + Cl2，BCl3 + Cl2等氣體。 于是： AL + 3Cl*（游離基）= ALCl3（氣）。氟化 物不行，因不能形成氣體排走。注意注意:刻鋁 后應立即沖水或在有機溶劑中漂洗,防止氯 離子殘留腐蝕鋁膜. C.刻Si3

16、N4：原則上刻SiO2的氣體都可刻 Si3N4，但發(fā)現(xiàn)NF3效果較好。 于是：Si3N4 +12 F*（游離基） = 3SiF4 +2 N2。 D.刻多晶硅：一般常用Cl2，HCl，SiCl4等 氣體，氟化物氣體各向異性腐蝕的選擇性 差。Si +4 Cl*（游離基）= SiCl4. 原理：用高能粒子（等離子體）從金屬的 表面撞出原子，然后讓其淀積在硅片表面 的物理過程。 .歐姆接觸的概念:線性和對稱的伏安特性,接 觸電阻小于材料體電阻. 用途:制作IC的內(nèi)部條狀互連線。 三.濺射過程： 1.產(chǎn)生氬氣離子并導向一個靶，（鋁靶材）。 2.離子把靶表面的原子轟擊出來。 3.被轟出的鋁向硅片運動。 4

17、.原子在表面上成膜。 影響濺射過程的因素： 1.工作壓力，實質(zhì)上是真空度。 2.工作架轉速。 3.濺射電流。 4.硅片加熱溫度。一般為320，10分鐘，可改善鋁膜與硅片粘附性。 （因機臺不同，情況各異，僅供參考） 1.硅向鋁中的溶解造成鋁尖楔，可使PN結短路。 防止：采用鋁中摻硅的靶材。一般：摻Si約12 在通電時，鋁原子會沿電流方向進行遷 移，造成鋁膜斷路。 防止：采用鋁硅銅靶材。一般：（摻Si約 12，摻Cu約45）.我公司鋁材含銅 0.5%. 鋁的合金化工藝：（國外稱為alloy）.實質(zhì) 是在400左右通 H2和N2，讓硅和鋁的表 面形成微合金，構成牢靠的接觸 一.CVD原理：將各種反應

18、氣體導入反應 室，在硅片上方反應，生成物淀積到硅片 表面，形成一層薄膜。 一.CVD原理：將各種反應氣體導入反應 室，在硅片上方反應，生成物淀積到硅片 表面，形成一層薄膜。 二.CVD工藝用途： 形成鈍化保護層， 介質(zhì)層， 導電層， 和掩蔽層 三.CVD技術分類： . 按淀積溫度分： A 低溫CVD（LT）：200-500。 B 中溫CVD（MT）：500-1000。 C 高溫CVD（HT）：1000-1200 按反應壓力分（常采用此分法）： A 常壓CVD（APCVD）：一個大氣壓，101Kpa. B 低壓CVD （LPCVD）：100Pa左右。 .按反應器壁溫可分為： 熱壁； 冷壁。 按反

19、應器形狀分： A.立式，（又可細分為鐘罩式和桶式）； B.臥式。 新進展:PECVD，稱等離子體CVD，既是低溫：100400，又是低壓（與LPCVD同）?？捎迷跒R射鋁層以后CVD操作，可防止鋁尖楔的產(chǎn)生。 最主要優(yōu)點：工作時加熱溫度低。 APCVD的缺點： 1.硅片水平放置，量產(chǎn)受限，易掉渣污染。 2反應速度受多種因素影響，反應室尺寸、氣體流速、硅片位置等都會影響速度。 3均勻性不太好。 LPCVD的優(yōu)勢： 1在低壓下，反應速率基本上由溫度決定，而溫度較易控制，故均勻性、重復性好。 2在低壓下，化學反應效率高，故片子可豎裝密排，提高了裝片量又防止了掉渣。 3設備簡單，基本上與擴散爐相似。 化

20、學反應式： SiH4 + PH3 + O2 -SiO2 + P2O5 + H2； 或：SiH4 + PH3 + N2O -.SiO2 + P2O5 + H2 + N2。 .LPCVD生長Si3N4： 化學反應式：SiH4 + NH3 -Si3N4 + H2 或：Si H2Cl2 + NH3 -Si3N4 + HCl + H2 PECVD生長SiON膜：在已經(jīng)有了金屬層以 后，我公司鈍化層常采用低溫生長氮氧化 硅.的方法。 反應式：SiH4 + N2O+ NH3 -SiON + N2 + H2。 爐溫為380。 雙層鋁連線工藝：在IC的結構較復雜以 后，為解決交叉布線問題，特設計了雙鋁 層。 雙

21、鋁層之間的絕緣，采用了SiON-SOG- SiON的三明治結構。 SiON的應力較小，SOG主要解決平坦化問題 .SOG涂覆工藝：這是旋轉ON-玻璃的縮 寫，實際上是SiO2和有機溶劑的混和液， 可用與涂膠機相似的設備，在硅片上涂一 層，可填平片子表面的臺階，可先在熱板 上烤一下，再經(jīng)400固化，成為一層氧化 膜。工藝簡單實用。 硅片清洗的必要性:半導體對雜質(zhì)極其敏感，百萬分之一微量雜質(zhì)，就會有物理性質(zhì)的改變。污染是絕對的，故必須清洗。 另外從圖形的納米化的角度講，任何小的顆粒對芯片而言就像一座大山。 1.硅片表面狀態(tài)： 理想表面； 潔凈表面（真空中剝SiO2的表面）； 真實表面（有薄氧化層幾

22、十埃）； SiO2表面（SiO2200埃）。 2.污染源: 硅片成型過程中的污染-（切、磨、拋過程）。 環(huán)境污染-微粒（塵埃；纖維、金屬屑、皮屑；微生物等） /有害氣體 水污染。/ 化學試劑污染。/氣體污染：特氣污染。 器材污染。（爐管，石英舟，鑷子等）。 人體污染（正常人一天吃鹽10克左右，NA+為1.0E23個，皮膚、肺排出一半。） 3.污染物分類： 微粒（有機的、無機的）； 膜層。 .化學清洗的一般步驟： 1.先去除分子型雜質(zhì)（蠟，膠，油等）。 2.去除離子型雜質(zhì)（K+，NA+，CL-，F(xiàn)-等）。 3.去除原子型雜質(zhì)（Au，Ag, Cu, Fe 等）。 1.一號液：一號液： NH4OH：

23、 H2O2： H2O = 1：1：4 。 絡合劑 氧化劑 主要性質(zhì)： A.有很好的去油作用，也可去金屬雜質(zhì)。 B. H2O2揮發(fā)性極強，故洗液穩(wěn)定性較差。室溫下，其半衰期為11小時。應現(xiàn)配現(xiàn)用。公司一般規(guī)定洗多少片后換液。 C. H2O2揮發(fā)后，氨水會腐蝕硅片，溫度超過70C，也會對硅片有腐蝕。 所以每次清洗前應添加 H2O2， 且清洗時間不宜過長，一般5分，最多10分 鐘。 清洗溫度7075度即可。 2.二號液：二號液： HCl： H2O2： H2O = 1：1：4。 絡合劑 氧化劑 主要性質(zhì)： A.對金屬雜質(zhì)有極好的清洗作用，且洗后表面較好，因此常安排在最后的清洗位置。 B H2O2揮發(fā)性

24、極強，故洗液穩(wěn)定性較差。室溫下，其半衰期為50小時，建議每次清洗前 添H2O2。 3.三號液：三號液： H2SO4： H2O2 = 3：1 主要性質(zhì)： A有極強的脫水性和強氧化性，可將光刻膠等有機物脫水成C（碳），然后再將C氧化成CO2。主要用來濕法去膠。 B對油膜和金屬雜質(zhì)的清洗作用效果良好。 C每次清洗前也應補充 H2O2。 D對于 H2SO4，只可將其倒入水中，嚴禁將水倒入硫酸中。 4HF的清洗作用的清洗作用：將SiO2和其上的臟物 一起剝掉。 特別要注意，HF沾上沒有任 何感覺，它會慢慢滲入皮膚，腐蝕骨頭！ 沾上任何不明液體，都應沖水。 確實沾上 HF，應涂葡萄糖酸鈣軟膏或氧化鎂溶液，

25、 并到職業(yè)病醫(yī)院注射葡萄糖酸鈣針劑。 5注意：以上洗液配制時，注意倒入順 序，一般先加水，這樣可減少酸堿的揮 發(fā)。各種試劑瓶子很象，切勿拿錯！ 沾上酸、堿液體，最好的處理方法就是馬上沖水！ 二二.鋁金屬膜的電子束蒸發(fā)工藝鋁金屬膜的電子束蒸發(fā)工藝 1.原理原理:利用經(jīng)高壓加速并聚焦的電子束利用經(jīng)高壓加速并聚焦的電子束,在在真空中直接打到蒸發(fā)源真空中直接打到蒸發(fā)源(鋁材鋁材)表面表面,當功率當功率密度足夠大時密度足夠大時,使蒸發(fā)源金屬熔化使蒸發(fā)源金屬熔化,并蒸發(fā)并蒸發(fā)淀積到硅片表面形成薄膜淀積到硅片表面形成薄膜.(熔點熔點3千度以上千度以上的金屬也可蒸的金屬也可蒸). .背面蒸金,摻金的作用:給硅

26、片摻金,可以減 短載流子壽命,提高開關二極管的開關速度. 2.設備 A.電子槍:電流通過螺旋狀鎢燈絲,使其發(fā)熱后發(fā)射電子,經(jīng)加速陽極孔射出,形成電子束. B. 磁偏轉系統(tǒng):使電子在磁場中受洛侖茲力作作用,偏轉270度,打到鋁材上. C. 水冷坩堝:放置鋁材. D.行星式支架和行星鍋:裝待蒸發(fā)硅片. E.抽真空系統(tǒng). 一.電鍍原理:在溶有欲鍍金屬的鹽類的鍍液 中,以欲鍍金屬為陽極,通以直流電,陽極發(fā)生 金屬的溶解,使欲鍍金屬的離子在陰極上放 電而沉積下來. 我公司電鍍目的:在二部二極管產(chǎn)品上形成 半球狀電極. 三.電鍍銀工藝: 在陽極: Ag = Ag+ + e ,在陰極(硅片在此): Ag+

27、+ e = Ag. 在陰極還可能有下列反應: Ag(CN)2- = Ag + 2CN- . 電鍍液的組分是很復雜的,除含鍍層的鹽外,還有絡合劑,導電鹽,緩沖劑,陽極話化劑,光亮劑,潤濕劑等. 但鍍銀液中主要成分是氰化銀鉀:KAg(CN)2. 以及氰化鉀:KCN. 四.注意事項:氰化物有劇毒,注意自我保護. 電鍍廢水要經(jīng)過處理才能排放,否則污染環(huán) 境. 氰化物在堿性環(huán)境中較穩(wěn)定，在酸性環(huán)境中會放出氰氫酸氣體，故一定要保證電鍍液的PH值大于7！ 一一.生產(chǎn)環(huán)境的內(nèi)涵：生產(chǎn)環(huán)境的內(nèi)涵：空氣，人身，水，氣體，化學試劑，工具，電磁環(huán)境等。 1.空氣潔凈度?？諝鉂崈舳?。 定義：指空氣中含塵量定義：指空氣中含塵量指標。指標。 按美國聯(lián)邦按美國聯(lián)邦209E標準：標準：10級凈化：指級凈化：指1立立方英尺方英尺0.5微米塵埃少于微米塵埃少于10個，換算成個，換算成1立立方米時為少于方米時為少于350個。（個。（1立方米