集成電路中基礎(chǔ)器件工藝綜述課件

集成電路中基礎(chǔ)器件工藝綜述

1.BIPOLOR（雙極型）IC工藝簡介

(1)平面三極管工藝

*制造工藝

摻雜窗口形成：摻雜掩膜的形成+光刻工藝摻雜工藝：擴散或離子注入引線工藝：接觸孔形成+淀積金屬膜+光刻金屬引線+金/半合金表面鈍化：淀積鈍化膜+光刻鍵合孔

硅平面三極管截面圖

緒論（2）雙極型IC工藝

*與三極管工藝的區(qū)別——各元件間電學性能隔離——埋層工藝—減小集電極串聯(lián)電阻a雙極型三極管截面圖b雙極型IC截面圖

(3)雙極型IC制造工藝流程2.MOSIC工藝簡介

(1)

Si柵MOSFET工藝原理圖

(2)CMOS工藝原理圖

3.IC發(fā)展史器件

年份世界上第一個晶體管

1947年

世界上第一個Ge單晶晶體管

1952年

世界上第一個Sl單晶晶體管

1954年

世界上第一個IC器件

1958年

世界上第一個IC產(chǎn)品

1961年

基本工藝清洗工藝氧化工藝擴散工藝光刻工藝蒸發(fā)及鍍膜工藝腐蝕工藝清洗工藝

吸附在物體表面的雜質(zhì)一般可分為：分子型離子型原子型

利用各種化學試劑和有機溶劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質(zhì)和油污發(fā)生化學反應和溶解作用一，去除分子型雜質(zhì)

H2SO4:H2O2=1:1配比，燒煮硅片表面的油脂，使其脫附二，去除離子型原子型雜質(zhì)

1.配制Ⅰ號液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:6(體積比)在電爐上煮沸幾分鐘，倒掉殘液，用去離子水沖洗幾遍2.配制Ⅱ號液HCl:H2O2:H2O=1:1:6(體積比)在電爐上煮沸10分鐘左右，倒掉殘液，用去離子水沖洗30次以上。二,SiO2膜在電路中的功能

1.雜質(zhì)選擇擴散的掩膜2.器件表面的保護和鈍化膜3.集成電路的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)4.MOS電容的介質(zhì)材料5.MOSFET的絕緣柵材料

三,熱氧化原理

1.干氧氧化的氧化膜生長機理Si+O2=SiO2

2.水汽氧化的氧化膜生長機理Si+2H2O=SiO2+2H2↑

Si,O反應速率

O2在SiO2中的擴散速率

生長速率熱氧化系統(tǒng)熱氧化方式----常規(guī)熱氧化

（通常采用:干氧+濕氧+干氧）

氧化方式氧化速率氧化膜質(zhì)量

水汽

很快

疏松,含水量大,與光刻膠粘附差,表面有蝕坑，掩蔽雜質(zhì)擴散力,鈍化效果都差.

干氧

很慢

致密,干燥,均勻性,重復性好,掩蔽雜質(zhì)擴散力強,鈍化效果好.

濕氧

快

致密性略差于干氧氧化膜,表面有Si-OH,與光刻膠粘附不好,表面有蝕坑,掩蔽雜質(zhì)擴散力及鈍化效果能滿足一般器件的要求.

熱氧化SiO2層的物理性能：氧化膜缺陷的檢測

1.針孔2.氧化層錯的檢測

Sirtle液腐蝕,TEM成像,X射線貌相法……

摻雜工藝

一，概述

1.

摻雜將所需雜質(zhì)按濃度和分布的需要，摻入到半導體中，改變半導體電學性能，以達到制備半導體器件的目的。2.

摻雜的意義（1）改變材料導電性能——形成電阻，歐姆接觸，互連線。（2）改變半導體的導電類型——形成pn結(jié)

合金氣-固擴散：液態(tài)源擴散擴散

粉末源擴散片狀源擴散

固-固擴散：摻雜SiO2乳膠源擴散CVD摻雜薄膜源擴散離子注入

3.摻雜的方法n-SiP-Sin-SiP-Siebcn+pn電阻及三極管示意圖２．兩步擴散

為獲得所需雜質(zhì)分布，往往要進行二步擴散*預淀積所需雜質(zhì)總量——恒定表面濃度擴散*獲得所需表面濃度及擴散深度——有限源擴散(再分布)

３.擴散氣氛和襯底晶向的影響

（1）

氧化增強擴散（OED）

*

在氧氣氛中，P，B等雜質(zhì)擴散得到增強。

*氧化增強擴散機理——雜質(zhì)可在缺陷(氧化堆垛層錯)處綴飾?！趸讯鈱渝e處晶體結(jié)構(gòu)不完整，原子鍵合不全，較易產(chǎn)生空位，增強替位式擴散。（2）

襯底晶向?qū)U散系數(shù)的影響*在氧化氣氛中，雜質(zhì)在不同晶向硅中擴散，其增強系數(shù)不同。*不同晶向氧化生長速率不同。三，擴散方法

擴散系統(tǒng)擴散方法：氣--固擴散：液相源——開管擴散

片狀源——開管擴散

粉末源——箱法或雙溫區(qū)擴散

固--固擴散：摻雜SiO2乳膠源——開管擴散

CVD摻雜薄膜源——開管擴散擴散工藝過程：擴散實例：氣--固擴散：片狀源

1.氮化硼

2.硼微晶玻璃(PWB)

3.磷微晶玻璃(LWP)

*擴散系統(tǒng)

*擴散原理

BN

4BN+3O22B2O3+2N2

2B2O3+3Si4B+3SiO2(1100--1150℃)

PWBB2O3+SiO2+Al2O3+(MgO+BaO)

2B2O3+3Si4B+3SiO2

LWBAl(PO3)3+SiP2O7

Al(PO3)3AlPO4+P2O5

SiP2O7SiO2+P2O5

2P2O5+5Si5SiO2+4P

（約950℃）

＊擴散質(zhì)量分析

影響薄層電阻Rs的因素：

氣體流量↑→RS↑

擴散溫度↑→RS↓

氣體功能：保護表面（流量過小，起不到保護作用）

雜質(zhì)輸運（流量過大產(chǎn)生渦流，影響擴散均勻性）

氣氛的影響：氧氣可阻止硼硅相的產(chǎn)生，使薄層電阻變小。

源片與硅片間距：間距小使薄層電阻小。

影響結(jié)深和表面濃度的因素：

結(jié)深：擴散溫度（T2）

擴散時間（t2）

表面濃度：

擴散溫度T1↑→D1↑→Ns↑

T

2↑→D2

↑→Ns↓

（D為擴散系數(shù)）

擴散時間t1↑→Ns↑

t2↑→Ns↓

＊擴散質(zhì)量分析

表面狀況：

表面合金點（表面雜質(zhì)濃度過高）

表面黑點和白霧（wafer表面被沾污）

pn結(jié)特性:

表面溝道（擴散掩膜太薄或雜質(zhì)沾污）

軟擊穿（雜質(zhì)沾污）四，擴散工藝的質(zhì)量檢測擴散工藝的污染控制（1）常規(guī)沾污①沾污種類：顆粒、薄膜、有機、金屬離子……顆粒：硅屑，石英屑，灰塵，操作者帶入的顆粒等——清洗薄膜：光刻膠的殘留膜、天然氧化膜有機：油脂（指紋），有機溶劑殘留——1#或3#清洗液金屬離子：化學清洗中的再沾污，金屬工具②預防措施：嚴格清洗，不用不潔器具與手接觸硅片。有機—1#或3#清洗液SiO2—HF：HNO3Ⅰ,Ⅱ?qū)佟?#清洗液重金屬—2#清洗液（2）高溫處理的污染控制①系統(tǒng)②定期清洗各類工具及器皿③C-V在線檢測，判斷系統(tǒng)的清潔度，常用HCl清洗爐管④系統(tǒng)撿漏2.擴散工藝的質(zhì)量檢測（1）常規(guī)檢測內(nèi)容及手段高溫系統(tǒng)氣體管道采用高純材料制備（2）Rs，Xj及N(x)的測量原理

①Rs的測量原理

四探針技術(shù)

②Xj的測量原理

·磨角染色法

·SEM成象

--樣品介離

--腐蝕法顯示pn結(jié)邊界

（HF:HNO3:CH3COOH=1:30:30）

--SEM成象③N（X）的測量原理

擴展電阻法

由于擴展電阻法可測得10-10cm3區(qū)域的電阻率，分辨率達1μ，比四探針測量的分辨率高，所以被廣泛用于測量淺結(jié)的雜質(zhì)濃度分布。當探針-半導體接觸面為半球面（ro∽2.5×10-3cm）時:

UORSP=UO/I當探針-半導體接觸面為圓盤形：

測試誤差（1）探針/半導體接觸形成整流接觸。（2）接觸點小，形成強電場，可改變載流子遷移率。（3）焦耳熱使觸點處局部升溫，形成溫差電勢，可改變載流子濃度及遷移率。當測試電壓小于1.5mv,這些因素造成的誤差可忽略，但仍需修正。

光刻概述*光刻技術(shù)的重要性：IC制造中的重要工藝技術(shù)之一，可形成局部摻雜區(qū)域，多晶硅柵，金—半歐姆接觸孔，互連圖形等。*光刻技術(shù)：圖象復印與刻蝕相結(jié)合的技術(shù)。*光刻質(zhì)量的判別：由分辨率，光刻精度（條寬及套刻精度）以及缺陷密度來標稱。*影響光刻質(zhì)量的因素：

光刻膠，曝光方式（曝光系統(tǒng)）及刻蝕方式等。*光刻工藝簡介

*光刻工藝簡介光刻膠的種類和感光原理光刻膠：高分子聚合物，增感劑，溶劑及添加劑按一定比例配制而成。

1.

光刻膠的種類光刻膠種類

性

能

負

膠

聚肉桂酸酯類

對環(huán)境因素不敏感，感光速率高，與硅片粘附性能好，抗蝕能力強，分辨率差。

聚羥類

正膠

鄰-疊氮醌類

有極高分辨率，較強的抗干法刻蝕及抗熱處理能力，與硅片粘附差，抗?jié)穹ǜg力差。

2.光刻膠的感光原理

光刻膠感光機理負膠聚肉桂酸酯類在紫外光輻照下，引起聚合物分子間的交聯(lián)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡陲@影液的物質(zhì)。

聚羥類在紫外光輻照下，交聯(lián)劑(雙疊氮交聯(lián)劑)放出氮氣，轉(zhuǎn)變?yōu)殡p氮烯自由基，并和聚羥類樹酯作用，在聚合物分子鏈間形成橋鍵，成為三維結(jié)構(gòu)的不溶性物質(zhì)。

正膠鄰-疊氮醌類在紫外光輻照下放出氮氣，分子結(jié)構(gòu)重新排列，產(chǎn)生環(huán)收縮，在堿性水溶液中生成可溶性羥酸鹽?！?.2.2光刻膠的主要性能

主要性能定義對光刻質(zhì)量的影響感光度SS=K/H*(曝光量)H=光照度×曝光時間

影響光刻水平-R()△d:掩膜面與膠/硅片界面的間距

λ:曝光源波長

分辨率R1/R=1/W(最小線條寬度)能獲得圖形的最小尺寸粘附性膠/襯底間粘附強度

抗蝕性能經(jīng)受濕(干)腐蝕的最長時間

影響合格率-缺陷密度

針孔密度單位面積的針孔數(shù)

留膜率(d1/d2)曝光顯影后與曝光前膠膜厚度之比

*H：光刻膠在標準條件下，發(fā)生光化學反應所需的最小能量?！?.3光刻工藝光刻流程：襯底預處理-勻膠-前烘-對位曝光-顯影-后烘-腐蝕-去膠

1.

襯底預處理：清潔，增粘處理清潔處理：去除顆粒-化學清洗，刷片去除有機沾污-化學清洗增粘處理：高溫焙烘(≥800℃，N2或O2)

使用增粘劑(二甲基二氯硅烷，六甲基二硅亞胺)增粘處理的原理：

2.勻膠工藝要求：膠膜均勻，無缺陷，厚度適當。均勻無缺陷膠膜的獲得:環(huán)境相對濕度低,凈化級別高。

膠膜厚度(d)的確定:

d∝R——d↓d↑→針孔密度↓——d↑

膠膜厚度需相應考慮*膠膜過厚，表面光吸收強：負膠-粘附性差；

正膠-顯影后有底膜。

3.前烘

目的：去除膠膜中的溶劑，增強粘附性，提高膜的機械強度。方式：烘箱-生產(chǎn)率高，溫度不均勻。紅外-溶劑揮發(fā)充分，前烘效果好。

熱板-生產(chǎn)率高，溫度均勻，能自動傳送硅片。

4.對位曝光*光源：光源為平行光，與襯底片垂直，并根據(jù)光敏圖譜，選擇曝光波長。

*正確控制曝光量，過量曝光可導致條寬精度下降。#

曝光量與留膜率

正膠-H>HT(略大于)

負膠-H>H0(略大于)#曝光量與線寬控制

5.顯影顯影工藝：顯影，漂洗，干燥。顯影中的常見問題：(1)

負膠經(jīng)顯影保留下來的膜會膨脹，使窗口變小?！みx擇膨脹效應較弱的顯影液?！みx擇可使光刻膠收縮的漂洗液?！みx擇最佳顯影方式(噴顯)?！ふ莆者m當?shù)娘@影時間。(2)正膠經(jīng)顯影保留下來的膠膜未經(jīng)曝光，與顯影液不浸潤，不會膨脹，分辨率高。6.

后烘去除顯影后膠膜內(nèi)殘留的溶液，增加膠膜與襯底間粘附性，使光刻膠更致密，抗蝕性更強。7.

腐蝕(1)

濕法腐蝕-化學反應-各向同性-線寬～5μ常用薄膜的濕法腐蝕

﹟SiO2—HF:NH4F:H2OHF(49%):腐蝕速率大，腐蝕時間難以控制，有剝離光刻膠的侵向。NH4F:減緩HF對SiO2的腐蝕,抑制對光刻膠的剝離。H2O:調(diào)節(jié)腐蝕液濃度。影響腐蝕速率的因素：溶液配比，腐蝕溫度，SiO2

的致密性，摻雜情況，腐蝕方式。

﹟Si3N4—H3PO4(～180℃)

(溫度較高，光刻膠抗蝕性下降。)H3PO4:HF4B(100～110℃)(不傷害光刻膠，但可同時腐蝕SiO2)﹟Poly-Si—HF:HNO3:CH3COOH（腐蝕質(zhì)量差）﹟Al—H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O﹟BPSG—〔HF(6%)+NH4F(30%)〕:CH3COOH=2:1薄膜的濕法腐蝕工藝薄膜腐蝕工藝備注SiO2HF:NH4F:H2O(~30℃)HF:腐蝕劑NH4F:緩沖劑BPSG〔HF(6%)+NH4F(30%)〕:CH3COOH=2:1Si3N41#：H3PO4(～180℃)2#：H3PO4:HF4B(100～110℃)1#：腐蝕溫度過高，傷害光刻膠2#：能腐蝕SiO2Poly-SiHF:HNO3:CH3COOHHF：腐蝕劑HNO3：氧化劑CH3COOH：緩沖劑AlH3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O(~40℃)H3PO4:腐蝕劑HNO3:腐蝕劑CH3COOH:潤濕劑H2O：稀釋劑——濕法腐蝕之不足：﹟化學藥品具有毒性及腐蝕性。

﹟各向同性腐蝕，不利于提高分辨率。﹟Si3N4,Poly-Si腐蝕液可溶解光刻膠，使圖形畸變。

——干法腐蝕方式：﹟等離子腐蝕*-靠活性分子或游離基團腐蝕-各向同性腐蝕﹟反應離子刻蝕*-靠活性分子或離子腐蝕-各向異性腐蝕

﹟離子束-物理腐蝕-各向異性腐蝕

(2)干法腐蝕——等離子腐蝕的原理：在10-1-10-3范圍，利用RF電源使反應室產(chǎn)生輝光放電，同時反應氣體被激活，產(chǎn)生活性游離基，與被腐蝕材料反應，產(chǎn)生揮發(fā)性氣體并排出。不同材料需采用不同氣體進行腐蝕，從而實現(xiàn)選擇性腐蝕。腐蝕完畢用氧離子進行去膠。——反應離子刻蝕（RIE）#反應離子刻蝕的優(yōu)越性：反應離子刻蝕同時具有化學，物理腐蝕原理，因此刻蝕速率各向異性效應更強，有利于提高光刻的分辨率。#反應離子刻蝕系統(tǒng)

等離子刻蝕系統(tǒng)反應離子刻蝕系統(tǒng)8．光刻膠的剝離(去膠)

(1)

濕法剝離技術(shù)#介質(zhì)膜上光刻膠的剝離：H2SO4:H2O2=3:1(120℃,5’)H2SO4:HNO3=88:12(100℃,5’)#金屬膜上光刻膠的剝離：采用有機類溶液浸泡，對金屬無腐蝕作用。(2)

干法剝離技術(shù)#O2等離子去膠+600℃N2退火#紫外光分解，使膠分解成CO2,H2O

接觸與互連（蒸發(fā)工藝）

一，概述1.金屬化的意義：作為IC中各元件的接觸和互連金屬/半導體間形成低阻歐姆接觸2.互連材料電阻率足夠低互連線的臺階覆蓋性好3.

VLSI/ULSI金屬化：(1)多層布線技術(shù)：單層金屬接觸與互連金屬層間的絕緣與互連(2)淺結(jié)（sub-μm,deepsub-μm）接觸：接觸界面的平整度金屬/半導體間的擴散阻擋層金屬化的基本要求二，歐姆接觸（一）歐姆接觸的基本原理1．歐姆接觸：金-半接觸的伏-安特性呈線性，并關(guān)于原點對稱。2．描寫歐姆接觸性能的參數(shù)—比接觸電阻RC

（qVb：M-S接觸勢壘高度；N：硅摻雜濃度）3．

實際接觸電阻R=RC/S(S為接觸面積)（二）歐姆接觸與整流接觸

a.

形成寬度為δ的耗盡層，阻擋電子穿越—整流接觸b.

形成寬度為δ的載流子積累層—歐姆接觸

WM＞W(wǎng)S—整流接觸WM＜WS—歐姆接觸

WM＞W(wǎng)S—歐姆接觸WM＜WS—整流接觸∴n-Si

P-Si

*金-半表面態(tài)的存在，使幾乎所有金屬與半導體接觸均形成勢壘—整流接觸；當qVb＜0.3eV,反向電流If≥100A/cm2,近似認為歐姆接觸。三，接觸與互連材料的選擇：

（一）選擇原則1．良好的導電性2．與Si形成低阻歐姆接觸3．與wafer表面粘附良好，并不發(fā)生不良反應4．抗電遷移能力強5．抗龜裂6．能經(jīng)受后續(xù)高溫工藝（多層布線BPSG回流……）7．易于淀積成膜8．易于圖形化9.易于鍵合封裝工藝可行性降低功耗，提高信號傳輸速度高可靠性（二）Al—常用接觸互連材料1．

Al用于金屬布線的優(yōu)越性（1）ρ=2.65μΩcm（2）Al-Si（n+,p）具有良好的歐姆接觸。（3）易于淀積（真空蒸發(fā)，濺射），圖形化，鍵合。2．

Al作接觸互連之不足（1）

Al-Si共熔點低（577℃）—不利于多層互連工藝。（2）Al-Si互溶性強—Al-Si界面不平整，不利于淺結(jié)接觸。（3）

抗電遷移性能差—可靠性差。（4）

Al化學性能過于活潑—可靠性差。4Al+3SiO2→2Al2O3+3Si2Al+6HCl→2AlCl3+3H2↑2Al+3H2SO4→Al2(SO4)3+3H2↑Al2O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2↑

1.鋁合金電極(1)AlSi(Si:1~2wt%)*改善M/Si界面平整度。*抗電遷移性能提高。*提高機械強度。（2）AlCu(Cu:2~4wt%)*改善電遷移。*抗龜裂。2.金屬阻擋層（1）M/Si界面平整。（2）協(xié)調(diào)M/Si間的應力，提高抗龜裂性。（三）VLSI/ULSI的接觸與互連Poly-Si

（1）Poly-Si/Crys-Si界面平整。（2）無接觸勢差，良好歐姆接觸。（3）能承受高溫回流工藝。難熔金屬及其硅化物（1）M/Si界面平整。（2）能承受高溫回流工藝。（3）電阻率大大低于Poly-Si。四，金屬薄膜形成的方法（一）電子束蒸發(fā)克服鎢絲阻熱蒸發(fā)之不足：（1）Na沾污（2）形成鋁鎢合金（4Al+W→WAl4）

（3）不能蒸發(fā)難熔金屬（4）蒸發(fā)合金時成分難以控制

電子束蒸發(fā)：經(jīng)高壓加速并聚焦的電子束轟擊金屬源，將能量交給金屬源，使之溫度升至汽化點，產(chǎn)生蒸發(fā)，并淀積在樣品上。

電子束蒸發(fā)的優(yōu)點：淀積膜純度高，沾污少，可蒸發(fā)難熔金屬，合金材料的成分可控（采用多坩堝，多槍技術(shù)）（二）磁控濺射濺射：在真空中充入惰性氣體(Ar)，施加一強電場，使靶子置于陰極，在電場作用下使氣體放電，產(chǎn)生大量離子；正離子在電場加速下轟擊靶子,當離子的動能超過靶材的結(jié)合能時，靶表面原子脫離表面，濺射到樣品上，淀積成膜，稱為二極濺射。磁控濺射：在陰極上加一磁場，使磁場與電場成正交，電子受洛倫茨力作用，在陰極表面附近作回旋運動，有更多機會撞擊氣體分子，增加了等離子體密度，從而提高了濺射速率。磁控濺射的優(yōu)點：（1）可濺射氣化點很高，蒸汽壓強較?。ú贿m宜蒸發(fā)）的材料。（2）

采用多靶共濺或鑲嵌靶，可濺射合金，且成分穩(wěn)定。（3）

二次電子受洛倫茨力作用，不轟擊樣品，損傷小。（4）在電磁場作用下，提高了氣體分子的離化率，可在較低氣壓下濺射，使淀積膜純度提高。

五，合金化合金的目的通過熱