第十章微電子工藝實驗ppt課件

1、第十章微電子工藝實驗第十章微電子工藝實驗實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容熱氧化生長二氧化硅：主要內(nèi)容包括熱氧化工熱氧化生長二氧化硅：主要內(nèi)容包括熱氧化工藝，二氧化硅膜的腐蝕，二氧化硅膜厚度丈量藝，二氧化硅膜的腐蝕，二氧化硅膜厚度丈量等。等。熱分散對硅片進展摻雜：主要內(nèi)容包括熱分散熱分散對硅片進展摻雜：主要內(nèi)容包括熱分散工藝，二氧化硅膜的腐蝕，方塊電阻的丈量等。工藝，二氧化硅膜的腐蝕，方塊電阻的丈量等。在硅片上蒸發(fā)鋁圖形：主要內(nèi)容包括光刻工藝，在硅片上蒸發(fā)鋁圖形：主要內(nèi)容包括光刻工藝，蒸發(fā)工藝，剝離法蒸發(fā)工藝，剝離法(lift-off)圖形化工藝等。圖形化工藝等。簡單簡單MOS器件的制備：主要內(nèi)容包括光刻工藝，

2、器件的制備：主要內(nèi)容包括光刻工藝，蒸發(fā)工藝，剝離工藝，分散工藝等。蒸發(fā)工藝，剝離工藝，分散工藝等。工藝復習工藝復習熱氧化工藝熱氧化工藝蒸發(fā)工藝蒸發(fā)工藝熱分散工藝熱分散工藝光刻工藝光刻工藝10.1 熱氧化工藝熱氧化工藝 內(nèi)容：熱生長二氧化硅薄膜的生長原理、內(nèi)容：熱生長二氧化硅薄膜的生長原理、制備技術和特性丈量。制備技術和特性丈量。 要求：了解干氧、濕氧情況下熱生長二氧要求：了解干氧、濕氧情況下熱生長二氧化硅層的生長規(guī)律，掌握熱生長二氧化硅化硅層的生長規(guī)律，掌握熱生長二氧化硅層的制備工藝和膜層特性的丈量方法。層的制備工藝和膜層特性的丈量方法。熱氧化工藝方法熱氧化工藝方法干氧法：硅和分子氧反響生成干

3、氧法：硅和分子氧反響生成SiO2特點：氧化速度慢，但氧化層致密。特點：氧化速度慢，但氧化層致密。水汽氧化：硅和水汽反響生成水汽氧化：硅和水汽反響生成SiO2特點：氧化速度快，但氧化層疏松。特點：氧化速度快，但氧化層疏松。濕氧法：硅和氧分子及水汽反響生成濕氧法：硅和氧分子及水汽反響生成SiO2特點：氧化速度介于干氧和水汽氧化之間。特點：氧化速度介于干氧和水汽氧化之間。生長厚氧化層時，常采用濕氧干氧；生長薄氧化層時，生長厚氧化層時，常采用濕氧干氧；生長薄氧化層時，那么采用干氧。那么采用干氧。氧化層運用氧化層運用Purpose: 在空氣中自然生成，是不希望生成的。在空氣中自然生成，是不希望生成的。C

4、omments: 厚度厚度20 左右左右p+ Silicon substrateSilicon dioxide (oxide)自然氧化層自然氧化層Native OxideNative Oxide場氧化場氧化Field OxideField OxidePurpose: 用作器件之間的隔離用作器件之間的隔離Comments: 場氧化層厚度從場氧化層厚度從 2,500 到到15,000 ，通常用濕，通常用濕氧化工藝生長。氧化工藝生長。Field oxideTransistor sitep+ Silicon substrate柵氧化柵氧化Gate OxideGate OxidePurpose: 用于用

5、于MOS的柵介質(zhì)層的柵介質(zhì)層Comments: 厚度從厚度從 30 到到 500 ，通常運用干氧工藝。，通常運用干氧工藝。Gate oxideTransistor sitep+ Silicon substrateSourceDrainGate緩沖氧化緩沖氧化Pad OxidePad OxidePurpose: 通常用于氮化硅與硅襯底之間的緩沖層，降低應通常用于氮化硅與硅襯底之間的緩沖層，降低應力。力。Comments: 厚度從厚度從100 到到 200 ，通常運用干氧工藝。，通常運用干氧工藝。屏蔽氧化層屏蔽氧化層Screen OxideScreen OxidePurpose: 通常在離子注入工

6、藝中作為非晶阻撓層，降低溝通常在離子注入工藝中作為非晶阻撓層，降低溝道效應。道效應。Comments: 厚度厚度200 左右，通常運用干氧工藝。左右，通常運用干氧工藝。掩蔽氧化層掩蔽氧化層Masking OxideMasking OxidePurpose: 熱分散或離子注入摻雜時，作為掩蔽膜。熱分散或離子注入摻雜時，作為掩蔽膜。Comments: 厚度厚度5000 左右，運用濕氧工藝。左右，運用濕氧工藝。阻撓氧化層阻撓氧化層Barrier OxideBarrier OxidePassivation layerILD-4ILD-5M-3 M-4Interlayer oxideBonding pa

7、d metalPurpose: 用途層與層之間的隔離用途層與層之間的隔離Comments: 采用淀積方法制備采用淀積方法制備犧牲氧化犧牲氧化Scrificial OxideScrificial OxidePurpose: 通常用于硅片外表清潔，通常用于硅片外表清潔，MEMS器件制備器件制備Comments: 厚度根據(jù)工藝要求而定，熱氧化或淀積工藝均厚度根據(jù)工藝要求而定，熱氧化或淀積工藝均可?？伞５蠣柛窳_夫模型迪爾格羅夫模型2()oxoxtAtB t120112 ()2sggoADkhDHPBNtAtBB/A被稱為線性速率系數(shù)；而被稱為線性速率系數(shù)；而B被稱為拋物線被稱為拋物線速率系數(shù)速率系數(shù)影

8、響氧化速率的要素影響氧化速率的要素溫度：氧化速率隨溫度升高而增大。溫度：氧化速率隨溫度升高而增大。氣氛：摻氯氣氛添加氧化速率。氣氛：摻氯氣氛添加氧化速率。氣壓：氧化速率與氧化劑分壓成正比。氣壓：氧化速率與氧化劑分壓成正比。硅襯底摻雜：普通情況下硅中的摻雜會添加氧硅襯底摻雜：普通情況下硅中的摻雜會添加氧化速率?；俾省９杵颍汗柙用芏却蟮木嫔涎趸俾蚀螅杵颍汗柙用芏却蟮木嫔涎趸俾蚀?，R(111)R(110)R(100)。一塊硅樣品在一塊硅樣品在1200下采用干氧氧化下采用干氧氧化10分鐘，再在分鐘，再在1200 采用濕氧氧化采用濕氧氧化40分鐘，再分鐘，再1200 下干氧氧下干

9、氧氧化化30分鐘，最終得到的氧化層有多厚？分鐘，最終得到的氧化層有多厚？二氧化硅厚度測試方法二氧化硅厚度測試方法二氧化硅膜厚度丈量方法主要包括：臺階法、干涉條紋二氧化硅膜厚度丈量方法主要包括：臺階法、干涉條紋法、橢偏光法等；法、橢偏光法等；臺階法：先將氧化層刻蝕出臺階，然后利用探針繪制出臺階臺階法：先將氧化層刻蝕出臺階，然后利用探針繪制出臺階曲線；曲線；干涉條紋法：利用氧化層和硅襯底對入射光的反射干涉景象干涉條紋法：利用氧化層和硅襯底對入射光的反射干涉景象丈量氧化層厚度，不同厚度的氧化層的干涉光的顏色不丈量氧化層厚度，不同厚度的氧化層的干涉光的顏色不一樣；一樣；橢偏光法：也是利用氧化層和硅襯底

10、對入射偏振光的反射差橢偏光法：也是利用氧化層和硅襯底對入射偏振光的反射差別來丈量氧化層厚度，不同厚度的氧化層對偏振光的改別來丈量氧化層厚度，不同厚度的氧化層對偏振光的改動不一樣。動不一樣。臺階儀丈量膜厚臺階儀丈量膜厚橢偏儀丈量厚度橢偏儀丈量厚度根本原理是：一束橢圓偏振光作為探針照射到樣品上，由于樣品對根本原理是：一束橢圓偏振光作為探針照射到樣品上，由于樣品對入射光入射光p分量和分量和s分量有不同的反射、折射系數(shù)，因此從樣品上出射分量有不同的反射、折射系數(shù)，因此從樣品上出射的光，其偏振形狀相對于入射光來說要發(fā)生變化，利用該變化測出的光，其偏振形狀相對于入射光來說要發(fā)生變化，利用該變化測出厚度。厚

11、度。干涉條紋丈量厚度干涉條紋丈量厚度 任務原理是：氧化層外表的反射光與硅片外表的任務原理是：氧化層外表的反射光與硅片外表的反射光發(fā)生干涉景象；反射光發(fā)生干涉景象； 丈量方法：用丈量方法：用HF酸刻蝕掉部分氧化層，構(gòu)成坡狀酸刻蝕掉部分氧化層，構(gòu)成坡狀臺階，根據(jù)顏色的周期性變化，對照顏色表得到臺階，根據(jù)顏色的周期性變化，對照顏色表得到大致厚度。大致厚度。顏色厚度對照表顏色厚度對照表10.2 10.2 熱分散工藝熱分散工藝 內(nèi)容：半導體集成電路中硼分散的機理、內(nèi)容：半導體集成電路中硼分散的機理、方法和特性丈量。方法和特性丈量。 要求：熟習硼分散工藝中予淀積和再分布要求：熟習硼分散工藝中予淀積和再分布

12、的操作方法，掌握薄層電阻的丈量方法。的操作方法，掌握薄層電阻的丈量方法。分散爐表示圖分散爐表示圖組成部分：氣路安裝、爐體、石英舟。組成部分：氣路安裝、爐體、石英舟。擴散源擴散源固態(tài)源：含有雜質(zhì)的固態(tài)片狀物；氮化硼固態(tài)源：含有雜質(zhì)的固態(tài)片狀物；氮化硼(BN)、五氧化、五氧化二磷二磷(P2O5)、三氧化二砷、三氧化二砷(As2O3)。通常將它們壓成和。通常將它們壓成和硅片大小類似的片狀。硅片大小類似的片狀。液態(tài)源：硼酸三甲酯液態(tài)源：硼酸三甲酯B(CH3O)3、溴化硼、溴化硼(BBr3)、三氯氧磷三氯氧磷(POCl3) 、氯化砷、氯化砷(AsCl3)等；等；氣態(tài)源：乙硼烷氣態(tài)源：乙硼烷(B2H6)、

13、磷烷、磷烷(PH3)和砷烷和砷烷(AsH3)等。等。對于每種分散雜質(zhì)都要自配一套分散系統(tǒng)，不得混用，對于每種分散雜質(zhì)都要自配一套分散系統(tǒng)，不得混用，以防雜質(zhì)相互污染。對于硅分散，以防雜質(zhì)相互污染。對于硅分散，B是最常用的是最常用的P型摻雜型摻雜劑，劑，P，As是最常用的是最常用的N型摻雜劑。型摻雜劑。液態(tài)源分散安裝液態(tài)源分散安裝液態(tài)源和氣態(tài)源分散流程液態(tài)源和氣態(tài)源分散流程液態(tài)源和氣態(tài)源和輸運氣體一同進入反響液態(tài)源和氣態(tài)源和輸運氣體一同進入反響室；室；雜質(zhì)源在高溫下分解，構(gòu)成氧化物淀積在雜質(zhì)源在高溫下分解，構(gòu)成氧化物淀積在硅外表；硅外表；雜質(zhì)氧化物與硅反響生成二氧化硅和雜質(zhì)雜質(zhì)氧化物與硅反響生成

14、二氧化硅和雜質(zhì)原子，經(jīng)過硅片外表向內(nèi)部分散。原子，經(jīng)過硅片外表向內(nèi)部分散。322524326POClOPOCl以三氯氧磷為雜質(zhì)源，首先在硅片上反響構(gòu)以三氯氧磷為雜質(zhì)源，首先在硅片上反響構(gòu)成磷硅玻璃，成磷硅玻璃，2522545POSiPSiO接著用硅取代磷，磷被釋放出來后分散進入接著用硅取代磷，磷被釋放出來后分散進入硅，同時硅，同時Cl2被排出被排出留意：留意：1、在磷分散時通入少量的氧氣，是為了使源充分、在磷分散時通入少量的氧氣，是為了使源充分分解，否那么源分解不充分而淀積在硅片外表，難以腐蝕；分解，否那么源分解不充分而淀積在硅片外表，難以腐蝕；2、三氯氧磷有毒，所以系統(tǒng)要密封，排出氣體通進通

15、風、三氯氧磷有毒，所以系統(tǒng)要密封，排出氣體通進通風管道；管道；3、三氯氧磷在室溫下蒸汽壓很高，為堅持蒸汽壓、三氯氧磷在室溫下蒸汽壓很高，為堅持蒸汽壓穩(wěn)定，分散時源要放在冰水中；穩(wěn)定，分散時源要放在冰水中；4、三氯氧磷易水解，系、三氯氧磷易水解，系統(tǒng)要堅持枯燥。統(tǒng)要堅持枯燥。500 C332322()B CH OB OCOCH O 以硼酸三甲酯為液態(tài)雜質(zhì)源，首先以硼酸三甲酯為液態(tài)雜質(zhì)源，首先B(CH3O)3在硅片外表分解，在硅片外表分解，2322343B OSiBSiO接著用硅取代硼，硼被釋放出來后分散進入硅接著用硅取代硼，硼被釋放出來后分散進入硅留意：留意：1、思索到石英管壁的吸收，在正式分散

16、之前、思索到石英管壁的吸收，在正式分散之前先通源一段時間；先通源一段時間；2、思索到硼酸三甲酯分解產(chǎn)物中、思索到硼酸三甲酯分解產(chǎn)物中有有C生成，對石英管和硅片均有腐蝕作用，因此盡量生成，對石英管和硅片均有腐蝕作用，因此盡量縮短通源時間和流量；縮短通源時間和流量；3、硼酸三甲酯易水解，因此、硼酸三甲酯易水解，因此系統(tǒng)要密封和運用枯燥輸運氣體。系統(tǒng)要密封和運用枯燥輸運氣體。固態(tài)源分散安裝固態(tài)源分散安裝固態(tài)源有：氮化硼固態(tài)源有：氮化硼(BN)、五氧化二磷、五氧化二磷(P2O5)、三氧化二砷三氧化二砷(As2O3)。通常將它們壓成和硅片。通常將它們壓成和硅片大小類似的片狀。大小類似的片狀。分散過程：分

17、散過程：以氧化物的方式淀積到硅片外表；以氧化物的方式淀積到硅片外表；然后與硅反響生成二氧化硅和雜質(zhì)原子，同然后與硅反響生成二氧化硅和雜質(zhì)原子，同時向硅內(nèi)部分散。時向硅內(nèi)部分散。對于對于BN，分散前要使其通氧活化，生成，分散前要使其通氧活化，生成B2O3，然后進展一步的分散。，然后進展一步的分散。摻雜流程摻雜流程窗口刻蝕窗口刻蝕光光 刻刻除去雜質(zhì)氧化物除去雜質(zhì)氧化物雜質(zhì)再分布雜質(zhì)再分布直線四探針VRAIW其中，其中，A為修正因子，通?？梢匀樾拚蜃樱ǔ？梢匀?.5325。四探針法丈量薄層電阻四探針法丈量薄層電阻方塊電阻方塊電阻上圖為結(jié)深為上圖為結(jié)深為xj的正方形分散層，由于半導體存在雜質(zhì)分布

18、的正方形分散層，由于半導體存在雜質(zhì)分布梯度，所以分散層的電阻率用平均電阻率來表示：梯度，所以分散層的電阻率用平均電阻率來表示：根據(jù)歐姆定律，上述方形的薄層電阻值為：根據(jù)歐姆定律，上述方形的薄層電阻值為：jjllRSl xx由上式可見，方形的薄層電阻與薄層平均電阻率成正比，由上式可見，方形的薄層電阻與薄層平均電阻率成正比，與薄層厚度成反比，而與正方形的連長無關，所以這一類與薄層厚度成反比，而與正方形的連長無關，所以這一類電阻稱為方形電阻電阻稱為方形電阻RS。進而根據(jù)電導率和雜質(zhì)濃度的。進而根據(jù)電導率和雜質(zhì)濃度的關系式，求出方塊電阻與雜質(zhì)濃度的關系為：關系式，求出方塊電阻與雜質(zhì)濃度的關系為：01(

19、 )jSxRqN x dx可見方塊電阻取決于分散到硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量，雜質(zhì)越多，可見方塊電阻取決于分散到硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量，雜質(zhì)越多， RS越小越小r點電流源的電場分布點電流源的電場分布2jIIJArxdrRdA2jIdIJdAdArx2jIdVRdIdrrx間隔電流注入間隔電流注入r的地方，電流密度為：的地方，電流密度為：該處體積單元的電阻值為：該處體積單元的電阻值為：流經(jīng)該處的電流為：流經(jīng)該處的電流為：該處體積單元的電壓降為：該處體積單元的電壓降為：221121ln22VrVrjjrIIVdVdrrxxr間隔電流注入間隔電流注入r1和和r2兩點處的兩點處的電壓為：電壓為：同理，電流流出的探針可

20、看作一個負的同理，電流流出的探針可看作一個負的點電流源。由電場疊加原理，空間恣意點電流源。由電場疊加原理，空間恣意兩點的電位差，為兩個電流源兩點的電位差，為兩個電流源I和和-I在此在此兩點產(chǎn)生的電壓和。對于四探針情況，兩點產(chǎn)生的電壓和。對于四探針情況，P1和和P4兩根探針經(jīng)過的電流在兩根探針經(jīng)過的電流在P2和和P3之間產(chǎn)生的電壓和為：之間產(chǎn)生的電壓和為：2424121313lnln(lnln)222jjjrrrrIIIVVVxrxrxrrln24.53242ln2SjjIVVVRxxII假設探針排成一條直線，而且針尖間隔相等，那么有：假設探針排成一條直線，而且針尖間隔相等，那么有：四探針法丈量

21、薄層電阻四探針法丈量薄層電阻方形四探針(范德堡法)其中，其中，F(xiàn)為外形修正因子，為外形修正因子，對于正方形，對于正方形，F(xiàn)1。233412413441122314ln2VVVVRIIIIRF R在硅片上預淀積雜質(zhì)磷，雜質(zhì)劑量為在硅片上預淀積雜質(zhì)磷，雜質(zhì)劑量為1011cm-2。然。然后在硅片上覆蓋一層后在硅片上覆蓋一層Si3N4，以防止任何分散，然，以防止任何分散，然后在后在950 下對圓片進展下對圓片進展600分鐘的再分布。只思索分鐘的再分布。只思索輕摻雜，忽略一切重摻雜效應。輕摻雜，忽略一切重摻雜效應。a. 退火后外表磷的退火后外表磷的濃度是多少？濃度是多少？b. 假設硅片是假設硅片是P型，

22、本底硼型，本底硼B(yǎng)濃度濃度為為1014 cm-3，請問結(jié)深是多少？，請問結(jié)深是多少？10.3 10.3 蒸發(fā)蒸發(fā) 內(nèi)容：真空蒸發(fā)制備圖形化金屬鋁薄膜工內(nèi)容：真空蒸發(fā)制備圖形化金屬鋁薄膜工藝。藝。 要求：了解蒸發(fā)鍍膜的原理，掌握蒸發(fā)鍍要求：了解蒸發(fā)鍍膜的原理，掌握蒸發(fā)鍍膜的技術、鋁層薄膜質(zhì)量與工藝參數(shù)的關膜的技術、鋁層薄膜質(zhì)量與工藝參數(shù)的關系。系。蒸發(fā)臺表示圖蒸發(fā)臺表示圖蒸發(fā)必需在一定真空度下進展，蒸發(fā)必需在一定真空度下進展，這是由于真空度太低，蒸氣分這是由于真空度太低，蒸氣分子會與空氣分子碰撞而損失能子會與空氣分子碰撞而損失能量，改動運動方向，從而到達量，改動運動方向，從而到達不了晶片外表。不