半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)

半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)第一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

提綱一、概論二、工藝流程實(shí)例（圖解）三、基本單項(xiàng)工藝技術(shù)1、擴(kuò)散－摻雜2、離子注入－摻雜3、氧化－薄膜生長(zhǎng)4、CVD－薄膜生長(zhǎng)7、金屬化（PVD）－薄膜，互連5、光刻－圖形轉(zhuǎn)移6、刻蝕－形成圖形8、清洗四、工藝集成開發(fā)第二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

集成電路制造工藝的技術(shù)性和實(shí)用性強(qiáng)，涉及面廣，發(fā)展依賴于基礎(chǔ)材料、器件物理、工藝原理、電子光學(xué)、離子光學(xué)、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、超凈和超純技術(shù)、真空技術(shù)、自動(dòng)控制、精密機(jī)械、冶金化工等方面的新成果。一、概論第三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(一)、集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展規(guī)律

Intel公司創(chuàng)始人摩爾于1975年總結(jié)出IC工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要規(guī)律，即摩爾定律：IC的集成度將每年翻一番。1980年摩爾定律被修改為：

IC的集成度每1.5年翻一番，即每3年乘以4。

IC發(fā)展的另一些規(guī)律為：

建立一個(gè)芯片廠的造價(jià)也是每3年乘以4。線條寬度每4~6年下降一半。芯片上每個(gè)器件的價(jià)格每年下降30%~40%。

晶片直徑的變化：60年：0.5英寸，65年：1英寸，70年：2英寸，75年：3英寸，80年：4英寸，90年：6英寸，95年：8英寸(200mm),2000年：12英寸(300mm)。第四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、集成電路的發(fā)展展望目標(biāo)：集成度、可靠性、速度、功耗、成本。努力方向：線寬、晶片直徑、設(shè)計(jì)技術(shù)。

1992

1995

1998

2001

2004

2007比特/芯片16M64M256M1G4G16G特征尺寸（μm）

0.5

0.35

0.25

0.18

0.12

0.07晶片直徑（mm）

200

200

200~400

200~400

200~400

200~400美國(guó)1992~2007年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃第五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日美國(guó)1997~2012年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃

1997

1999

2001

2003

2006

2009

2012比特/芯片256M1G4G16G64G256G特征尺寸（μm）

0.25

0.18

0.15

0.13

0.1

0.07

0.05晶片直徑（mm）

200

300

300

300

300

450

450第六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日世界硅微電子技術(shù)發(fā)展的預(yù)測(cè)

2000

2010

2020集成度1G64G256G

特征尺寸（μm）

0.18

0.10~0.07

0.05~0.01

晶片直徑（mm）

300

400

450第七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日可以看出，專家們認(rèn)為，至少在未來10年內(nèi)，IC的發(fā)展仍將遵循摩爾定律，即集成度每3年乘以4，而線寬則是每6年下降一半。硅技術(shù)過去一直是，而且在未來的一段時(shí)期內(nèi)也還將是微電子技術(shù)的主體。目前硅器件與集成電路占了3000多億美圓的半導(dǎo)體市場(chǎng)的95%以上。第八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日二、工藝流程實(shí)例1、以工藝分：雙極（Bipolar），互補(bǔ)雙極（ComplementaryBipolar）

MOS（硅/鋁柵,自/非自對(duì)準(zhǔn)CMOS，VDMOS）

BiCMOS（BiCMOS，CBiCMOS）、BCD2、以隔離技術(shù)分：

PN結(jié)隔離、LOCOS、深/淺槽隔離、SOI隔離3、以材料分：體硅，SiGe，AsGa，SOI（襯底）等4、以應(yīng)用分：

模擬IC、數(shù)字IC、混合信號(hào)IC、RF、微波IC等常見單片IC工藝流程第九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日硅柵非自對(duì)準(zhǔn)CMOS工藝流程PWELL光刻場(chǎng)氧化襯底硅片N-第十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日PWELL推進(jìn)硼注入注入預(yù)氧漂光注入預(yù)氧PSD光刻N(yùn)-第十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日NSD磷注入NSD光刻PSD硼注入LTOACTIVE光刻

柵氧化N-第十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

刻蝕PolyPoly摻雜Poly淀積LTOLCONT光刻濺射MET1N-P-N+N+P+P+MET1光刻第十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日摻雜工程： 熱擴(kuò)散、離子注入/退火、中子嬗變等薄膜制備： 包括氧化、蒸發(fā)、CVD、濺射(PVD)等圖形的轉(zhuǎn)移與形成： 包括光刻、刻蝕等工藝

三、基本單項(xiàng)工藝技術(shù)第十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§1.1概述

擴(kuò)散是將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入到硅片或其它晶體中，以改變其電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況都滿足要求。這是一種基本而重要的半導(dǎo)體技術(shù)。擴(kuò)散工藝用于形成雙極器件中的基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)、MOS器件中的源區(qū)與漏區(qū)，擴(kuò)散電阻、互連引線以及多晶硅摻雜等。濃度的差別越大，擴(kuò)散越快；溫度越高，擴(kuò)散也越快。1、擴(kuò)散摻雜第十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日間隙式雜質(zhì)（雜質(zhì)原子半徑較?。┨嫖皇诫s質(zhì)（雜質(zhì)原子與本體原子電子殼層和價(jià)電子數(shù)接近，半徑大小相當(dāng)）§1.2擴(kuò)散機(jī)構(gòu)第十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日半徑較小的雜質(zhì)原子從半導(dǎo)體晶格的間隙中擠進(jìn)去，即所謂“間隙式”擴(kuò)散；半徑較大的雜質(zhì)原子代替半導(dǎo)體原子而占據(jù)格點(diǎn)的位置，再依靠周圍空的格點(diǎn)（即空位）來進(jìn)行擴(kuò)散，即所謂“替位式”擴(kuò)散。對(duì)硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni等半徑較小的雜質(zhì)原子按間隙式擴(kuò)散，而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等半徑較大的雜質(zhì)原子則按替位式擴(kuò)散，間隙式擴(kuò)散的速度比替位式擴(kuò)散的速度快得多。

第十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§1.3擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散方程（一）、費(fèi)克第一定律——擴(kuò)散定律一維情況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直擴(kuò)散通過單位面積的粒子數(shù)——即擴(kuò)散流密度jp(x,t)與粒子的濃度梯度成正比。擴(kuò)散系數(shù)D與溫度T（K）之間有如下指數(shù)關(guān)系：

D=D∞e—ΔE/kT第十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（二）、費(fèi)克第二定律——擴(kuò)散方程體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量：第十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日 式中假定D為常數(shù)，與雜質(zhì)濃度N(x,t)無關(guān)，x和t分別表示位置和擴(kuò)散時(shí)間。針對(duì)不同邊界條件求出方程的解，可得出雜質(zhì)濃度N的分布，即N與x和t的關(guān)系。 兩種擴(kuò)散方式恒定表面源擴(kuò)散有限表面源擴(kuò)散第二十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日A、恒定表面源擴(kuò)散在整個(gè)擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)不斷進(jìn)入硅中，而表面雜質(zhì)濃度始終保持不變。雜質(zhì)濃度分布呈余誤差分布。第二十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

恒定表面源擴(kuò)散的主要特點(diǎn)如下：（1）表面雜質(zhì)濃度Ns由所擴(kuò)散的雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下（900℃~1200℃）的固溶度決定。（2）擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)散溫度越高，擴(kuò)散進(jìn)硅片內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量越多。（3）擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，擴(kuò)散深度越大。結(jié)深的位置：

稱為“擴(kuò)散長(zhǎng)度”第二十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（4）雜質(zhì)濃度梯度：對(duì)公式求導(dǎo)，可得出濃度梯度為：

將公式代入，可得結(jié)深處的雜質(zhì)濃度梯度為：

結(jié)論：1、NB和Ns一定，PN結(jié)越深，結(jié)深處的雜質(zhì)濃度梯度就越??；2、在相同擴(kuò)散條件下，Ns越大或D越小的雜質(zhì)，擴(kuò)散后的濃度梯度將越大。第二十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

B、有限表面源擴(kuò)散

擴(kuò)散開始時(shí)，表面薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量一定，而在以后的擴(kuò)散過程中不再有雜質(zhì)加入，此種擴(kuò)散稱為有限源擴(kuò)散。

第二十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日有限源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布為高斯分布，其表達(dá)式為：第二十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

有限源擴(kuò)散的特點(diǎn)如下：（1）雜質(zhì)分布：擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散得越深，表面濃度越低；擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí)，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散得也越深，表面濃度下降得越多；（2）在整個(gè)擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)總量Q保持不變。（3）表面雜質(zhì)濃度可控，任何t時(shí)刻的表面濃度為：（4）結(jié)深：根據(jù)NB=N（xj,t），可求出結(jié)深為：

第二十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日上式中A與比值（Ns/NB）有關(guān)，其數(shù)值可從高斯分布的計(jì)算曲線求得。表面濃度Ns與擴(kuò)散深度成反比，擴(kuò)散越深，則表面濃度越低；NB越大，結(jié)深將越淺；（5）雜質(zhì)濃度梯度：

第二十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（三）、兩步擴(kuò)散恒定表面源擴(kuò)散，難于制作低表面濃度的深結(jié)；有限表面源擴(kuò)散，難于制作高表面濃度的淺結(jié)。為了同時(shí)滿足對(duì)表面濃度、雜質(zhì)總量以及結(jié)深等的要求，實(shí)際生產(chǎn)中常采用兩步擴(kuò)散工藝：第一步稱為預(yù)擴(kuò)散或預(yù)淀積，在較低的溫度下，采用恒定表面源擴(kuò)散方式在硅片表面擴(kuò)散一層雜質(zhì)原子，其分布為余誤差函數(shù)，目的在于控制擴(kuò)散雜質(zhì)總量；第二步稱為再擴(kuò)散或再分布，將表面已沉積雜質(zhì)的硅片在較高溫度下擴(kuò)散，以控制擴(kuò)散深度和表面濃度。第二十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§1.4雜質(zhì)的擴(kuò)散方法擴(kuò)散方法很多，按所用雜質(zhì)源的形式來分，有：

固態(tài)源擴(kuò)散、液態(tài)源擴(kuò)散、氣態(tài)源擴(kuò)散；按所用擴(kuò)散系統(tǒng)的形式來分，有：

開管式擴(kuò)散、閉管式擴(kuò)散、箱法擴(kuò)散以及涂源法擴(kuò)散。(一)、硼擴(kuò)散擴(kuò)硼的雜質(zhì)源均是先分解或化合產(chǎn)生B2O3，再與表面硅反應(yīng)產(chǎn)生單質(zhì)B并向硅內(nèi)擴(kuò)散。2B2O3+3Si4B+3SiO2B2O3的性質(zhì)第二十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、磷擴(kuò)散磷擴(kuò)散源很多，其共性在于先生成P2O5，再與硅反應(yīng)生成單質(zhì)磷向硅內(nèi)擴(kuò)散。2P2O5+5Si4P+5SiO2

1、磷的固態(tài)源擴(kuò)散2、磷的液態(tài)源擴(kuò)散3、磷的氣態(tài)源擴(kuò)散(三)、砷擴(kuò)散(四)、銻擴(kuò)散(五)、金擴(kuò)散第三十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§1.5雜質(zhì)擴(kuò)散后結(jié)深和方塊電阻的測(cè)量(一)、結(jié)深的測(cè)量測(cè)量結(jié)深的方法主要有磨角法、磨槽法和光干涉法。1、磨角法首先將擴(kuò)散片磨成斜角（1~5），然后采用染色液對(duì)表面染色以區(qū)分N區(qū)和P區(qū)的界面位置。常用的染色液是濃氫氟酸加0.1~0.5體積的濃硝酸的混合液。最后通過以下兩個(gè)公式可求出結(jié)深：第三十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、磨槽法適用于測(cè)量淺結(jié)。

其中，R是磨槽圓柱體的半徑，a和b由顯微鏡測(cè)出。若R遠(yuǎn)大于a和b，則近似為：第三十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日3、光干涉法第三十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、擴(kuò)散層電阻第三十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日半無窮大樣品：

樣品尺寸有限：第三十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日離子注入是另一種對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜的方法。§2.1離子注入設(shè)備由以下幾個(gè)部分組成：

離子源

質(zhì)量分析器

加速器

中性束偏移器

聚焦系統(tǒng) 偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng) 工作室2、離子注入摻雜第三十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§2.2注入離子的濃度分布與退火離子注入過程：入射離子與半導(dǎo)體的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，從而損失其能量，經(jīng)過一段曲折路徑的運(yùn)動(dòng)，最后因動(dòng)能耗盡而停止在半導(dǎo)體中的某處。

第三十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(一)、注入離子濃度分布

φ注入劑量，單位為cm-2RP是平均投影射程，RP為射程偏差，與注入能量有關(guān)。第三十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

注入離子濃度分布的特點(diǎn)：

1、最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投影射程處：

(1)注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高； (2)注入離子的能量E（20~200KeV）越大，RP、RP相應(yīng)越大，濃度峰值越低。

2、在x=RP處的兩邊，注入離子濃度對(duì)稱地下降，且下降速度越來越快。第三十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日表3.1硅中離子注入能量(KeV)與射程(?)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

入射能量雜質(zhì)20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177RP276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256RP90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991RP345981102122143161180198第四十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、晶格損傷與退火1、晶格損傷由離子注入所引起的空位和間隙原子對(duì)等點(diǎn)缺陷稱為晶格損傷，與注入離子的能量、質(zhì)量、劑量、靶溫和靶材料等有關(guān)。(1)在相同的入射能量和相同的靶材料下，輕離子注入損傷密度小，但區(qū)域較大；重離子注入損傷密度大，但區(qū)域很?。?2)注入劑量增大，靶的晶格損傷越嚴(yán)重。(4)注入劑量一定時(shí)，劑量率（單位時(shí)間通過單位面積注入的離子數(shù)）越高，注入時(shí)間越短；(5)避免溝道滲透效應(yīng)，沿某一晶向入射離子優(yōu)于隨機(jī)入射，偏離晶向5o左右。第四十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、退火

目的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替代位置而實(shí)現(xiàn)電激活。(1)熱退火溫度范圍：600℃~1200℃。低溫長(zhǎng)時(shí)間+高溫短時(shí)間。

(2)快速退火采用脈沖激光、脈沖電子束與離子束、掃描電子束、連續(xù)波激光、寬帶非相干光源（如鹵燈和高頻加熱）等退火，特點(diǎn)是瞬時(shí)內(nèi)使晶片的某個(gè)區(qū)域加熱到極高的溫度，并在較短的時(shí)間內(nèi)（10-3~10-2S）完成退火。第四十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§2.3離子注入的特點(diǎn)及參數(shù)（一）優(yōu)點(diǎn)1、離子注入擴(kuò)大了雜質(zhì)的選擇范圍；掩蔽膜可用SiO2、金屬膜或光刻膠。

2、注入溫度一般不超過400℃，退火溫度也較低（650℃），避免了高溫過程帶來的不利（如結(jié)的推移、熱缺陷等）。3、離子注入能精確控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，易制作極低濃度和淺結(jié)。4、離子注入可選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。5、離子注入的橫向擴(kuò)散很小，集成度高，高頻特性好。6、劑量在1011~1017離子/cm2較寬的范圍內(nèi)，同一平面內(nèi)雜質(zhì)分布的均勻性。7、無固溶度限制。

第四十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（二）缺點(diǎn)1、高能注入形成晶格缺陷、損傷；2、注入設(shè)備復(fù)雜。（三）、離子注入?yún)?shù)1、劑量2、能量：決定射程（投影射程Rp，標(biāo)準(zhǔn)偏差)第四十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§3.1SiO2的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途(一)、結(jié)構(gòu)分為結(jié)晶形和無定形兩類。結(jié)晶形SiO2由Si–O四面體在空間規(guī)則排列而成，如石英、水晶等；無定形SiO2是Si-O四面體在空間無規(guī)則排列而成，如熱生長(zhǎng)SiO2、淀積SiO2等。無定形SiO2中硅原子要運(yùn)動(dòng)須打斷四個(gè)Si-O鍵，而氧原子的運(yùn)動(dòng)最多打斷兩個(gè)Si-O鍵，因此，氧空位的出現(xiàn)易于硅空位。氧化的過程均是含氧的氧化劑穿過SiO2層到達(dá)Si-SiO2界面與Si反應(yīng)生成SiO2。

3、氧化第四十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、SiO2的主要性質(zhì)1、物理性質(zhì)性質(zhì)SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁帶寬度（eV）1.12~8介電常數(shù)11.73.9熔點(diǎn)（℃）14171700熱導(dǎo)率(W/cm.k)1.50.01擊穿電場(chǎng)(V/cm)3χ1056χ106第四十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅被HF酸腐蝕。

(三)、SiO2膜在集成電路中的應(yīng)用1、用作選擇擴(kuò)散的掩膜；2、用作表面保護(hù)及鈍化；3、用作絕緣介質(zhì)（隔離、絕緣柵、多層布線絕緣、電容介質(zhì)等）；4、離子注入中用作掩蔽層及緩沖介質(zhì)層等。第四十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§3.2

SiO2的掩蔽作用(一)、雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)

其中：E為雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散激活能；D0為表觀擴(kuò)散系數(shù)。

SiO2中雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)：B、P、As、Sb、Au等擴(kuò)散系數(shù)較小；Ga、Na、K、H2、H2O等擴(kuò)散系數(shù)較大。

SiO2層為無定形體，不是晶體，故雜質(zhì)在SiO2中不存在固溶度的概念。第四十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、SiO2掩蔽層厚度的確定

SiO2層起掩蔽作用的條件：（1）具有一定厚度；（2）Dsi>>DSiO2

雜質(zhì)在SiO2層中的分布大部分按余誤差函數(shù)分布：定義N(x)/NS的比值為10–3時(shí)對(duì)應(yīng)SiO2的xmin：第四十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§3.3高溫氧化（熱氧化）高溫氧化法生長(zhǎng)的SiO2結(jié)構(gòu)致密，掩蔽性能良好。氧化層厚度x0與消耗掉的硅厚度x的關(guān)系：

x=0.44x0氧化方法：

1、高質(zhì)量氧化：干氧氧化或分壓氧化；2、厚層的局部氧化或場(chǎng)氧化：干氧（10min）+濕氧+干氧(10min)或高壓氧化；3、低表面態(tài)氧化：摻氯氧化、濕氧氧化加摻氯氣氛退火或分壓氧化（H2O或O2+N2或Ar或He等）。第五十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§3.4熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)(一)、熱氧化過程1、氧化劑擴(kuò)散穿過滯留層達(dá)到SiO2表面，其流密度為F1。

2、氧化劑擴(kuò)散穿過SiO2層達(dá)到SiO2-Si界面，流密度為F2。

3、氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2，流密度為F3。

4、反應(yīng)的副產(chǎn)物離開界面。第五十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日1）DSiO2>>KSx0

SiO2的生長(zhǎng)速度主要由Si表面的化學(xué)反應(yīng)速度決定，稱為反應(yīng)控制。2）DSiO2<<KSx0

SiO2的生長(zhǎng)速度主要由氧化劑的擴(kuò)散速度決定，稱為擴(kuò)散控制。

第五十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、SiO2的生長(zhǎng)厚度計(jì)算1）在氧化的初期，t+<<A2/4B，為線性氧化規(guī)律：

B/A為線性速率常數(shù)，SiO2生長(zhǎng)速率由SiO2–Si表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)KS決定。2）氧化進(jìn)行一段時(shí)間后，t>>，t>>A2/4B，為拋物線氧化規(guī)律：

x02=Bt第五十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(三)、決定氧化速率的各種因素1、氧化劑分壓的影響2、氧化溫度的影響3、硅表面晶向的影響

B與硅晶向無關(guān)；B/A與硅原子晶向有關(guān)：

第五十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日4、雜質(zhì)的影響(1)氧化層中高濃度Na+將增大B和B/A；

(2)氧化劑中Cl2、HCl、（C2HCl3）將增大B和B/A，有利于改善SiO2質(zhì)量和SiO2–Si界面性質(zhì)；(3)重?fù)诫s硅氧化得比輕摻雜硅快。第五十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§3.5熱氧化過程中雜質(zhì)的再分布(一)、熱氧化時(shí)硅中雜質(zhì)再分布產(chǎn)生的原因1、雜質(zhì)在Si、SiO2中平衡濃度不同分凝系數(shù)m=

2、雜質(zhì)在Si、SiO2中擴(kuò)散速度不同3、氧化速度與氧化層厚度第五十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日熱氧化中雜質(zhì)在SiO2-Si界面再分布的四種情況(a)氧化層中慢擴(kuò)散（硼）；(b)氧化層中快擴(kuò)散（硼，在H2氣氛下）；(c)氧化層中慢擴(kuò)散（磷）；(d)氧化層中快擴(kuò)散（鎵）第五十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、熱氧化過程中硅中雜質(zhì)的再分布1、硅中摻磷(1)溫度一定時(shí)，水汽氧化（濕氧氧化）導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度較大，其NS/NB大于干氧氧化；(2)同一氧化氣氛下，氧化溫度越高，磷向硅內(nèi)擴(kuò)散的速度越快，表面堆積現(xiàn)象減小，NS/NB趨于1。2、硅中摻硼(1)溫度一定時(shí)，水汽氧化（濕氧氧化）導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度增大，NS/NB小于干氧氧化；(2)同一氧化氣氛下，氧化溫度越高，硼向硅表面擴(kuò)散速度加快，補(bǔ)償了雜質(zhì)的損耗，NS/NB趨于1。第五十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§3.6氧化膜質(zhì)量檢測(cè)及應(yīng)用(一)、氧化膜厚度測(cè)量方法表4.6SiO2層厚度與顏色的關(guān)系顏色氧化層厚度（?）~灰100

~黃褐300

~藍(lán)800

紫10002750465065008500深藍(lán)14003000490068008800綠18503300520072009300黃20003700560075009600橙22504000600079009900紅250043506250820010200第五十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、氧化膜缺陷檢測(cè)包括氧化膜針孔、氧化層錯(cuò)的檢測(cè)。(三)、介電系數(shù)和擊穿特性測(cè)量計(jì)算介電系數(shù)公式：其中：Cmax代表電容器的最大電容;0代表真空電容率;tox代表氧化膜厚度；A代表氧化層的面積。(四)、應(yīng)力測(cè)量圓盤彎曲法；基片彎曲法；X射線和電子衍射技術(shù)。

第六十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(五)、熱生長(zhǎng)SiO2–Si系統(tǒng)中的電荷

與熱氧化有關(guān)電荷的名稱及位置示意圖Qf：固定氧化物電荷，Qit：界面陷阱電荷，

Qm：可動(dòng)離子電荷，Qot：氧化物陷阱電荷。第六十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§4.1CVD的薄膜及技術(shù)分類化學(xué)氣相淀積（ChemicalVaporDeposition）是指單獨(dú)地或綜合的利用熱能、輝光放電等離子體、紫外光照射、激光照射或其它形式的能源，使氣態(tài)物質(zhì)在固體的熱表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在該表面上淀積，形成穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)的工藝過程。4、化學(xué)氣相淀積（CVD）第六十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(一)、CVD分類1、按溫度分，可分為低溫（200-500oC）、中溫（500-1000oC）、和高溫（1000-1300oC）CVD。

2、按壓力分，可分為常壓CVD（APCVD）和低壓CVD（LPCVD）。

3、按反應(yīng)室壁溫度分，可分為熱壁CVD和冷壁CVD。熱壁是指壁溫高于晶片溫度，通常是在反應(yīng)室外采用電阻發(fā)熱方式透過室壁對(duì)晶片進(jìn)行加熱。冷壁是指壁溫低于晶片溫度，可采用射頻感應(yīng)或電阻發(fā)熱方式在反應(yīng)室內(nèi)對(duì)基座進(jìn)行加熱。4、按反應(yīng)激活方式分，可分為熱激活、等離子激活（PECVD）和紫外光激活等。5、按氣流是水平還是垂直流動(dòng)，可分為臥式CVD和立式CVD。第六十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、CVD薄膜分類半導(dǎo)體集成電路制造中所用的薄膜材料，包括介質(zhì)膜、半導(dǎo)體膜、導(dǎo)體膜以及超導(dǎo)膜等，幾乎都能用CVD工藝來制備。介質(zhì)膜：SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、PSG、BSG、Si3N4

半導(dǎo)體：Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs、V2O3導(dǎo)體：Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2、摻雜多晶硅超導(dǎo)體：Nb3Sn、NbN、Nb4N5

第六十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(三)、CVD淀積方法淀積方法壓力Pa淀積溫度（℃）反應(yīng)能量提供方式特點(diǎn)常壓CVDAPCVD100K370~1250高頻加熱，電阻加熱裝備簡(jiǎn)單、工藝成熟；膜均勻性差，產(chǎn)量低、成本高，需大量攜帶氣體，高頻射線對(duì)人體有害低壓CVDLPCVD27~270350~900電阻加熱膜的質(zhì)量和均勻性好；產(chǎn)量高，成本低，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，國(guó)內(nèi)外普遍采用等離子體增強(qiáng)CVDPECVD13~270250~400射頻能量激活氣體分子，產(chǎn)生輝光放電等離子體（襯底需用電阻加熱）膜厚均勻性好，產(chǎn)量高，成本低，因淀積溫度低，可用于器件表面鈍化光-CVDPCVD40~13050~200遠(yuǎn)紫外光或激光照射（襯底用電阻加熱）反應(yīng)溫度低，薄膜質(zhì)量好，尚在實(shí)驗(yàn)研究階段第六十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(四)、CVD工藝特點(diǎn)1、CVD成膜溫度遠(yuǎn)低于體材料的熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)，因而減輕了襯底片的熱形變，減小了沾污，抑制了缺陷生成，減輕了雜質(zhì)的再分布，適于制造淺結(jié)分立器件以及VLSI電路；2、薄膜的成分精確可控、配比范圍大，重復(fù)性好；3、淀積速率一般高于PVD（物理氣相淀積，如蒸發(fā)、濺射等）；厚度范圍從幾百?至數(shù)毫米，生產(chǎn)量大；4、淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好，臺(tái)階覆蓋性能好。第六十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§4.2化學(xué)氣相淀積生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)(一)、薄膜生長(zhǎng)過程1、氣體分子擴(kuò)散到襯底表面2、氣體分子被襯底表面吸附3、被吸附的分子在襯底表面上反應(yīng)，生成薄膜及化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物4、反應(yīng)副產(chǎn)物分子從襯底表面脫附5、副產(chǎn)物分子擴(kuò)散離開襯底表面第六十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、化學(xué)氣相淀積模型

F1=hG（CG-CS）

F2=kSCS

F1：到達(dá)襯底表面的反應(yīng)物流量F2：膜生長(zhǎng)時(shí)消耗的反應(yīng)物流量CG：主氣流中反應(yīng)物的濃度CS：襯底表面上的反應(yīng)物濃度

hG：氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)

kS：表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)第六十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日薄膜的生長(zhǎng)速率（淀積率）其中：N1為淀積膜的密度（1）高溫區(qū)，hG<<kS即：高溫下，淀積率受氣相質(zhì)量遷移速率hG決定。（2）低溫區(qū)，hG>>kS因，故即：低溫下，淀積率受表面反應(yīng)速率控制。

第六十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(三)、滯留層（附面層或速度邊界層）與hG的關(guān)系

：襯底表面滯留層的厚度（與氣體流速平方根成反比）

DG：氣體分子通過滯留層向襯底表面擴(kuò)散的速率

1、常壓CVD中，質(zhì)量遷移速率hG與表面反應(yīng)速率kS常屬同一數(shù)量級(jí)。總的淀積速率由兩者決定，受反應(yīng)室的幾何尺寸、氣體流速、基座形狀及放置方式影響大；2、LPCVD及PECVD中，壓力從105Pa降到十幾~270Pa。DG1/P，故DG增加1000倍以上；比常壓增大3~10倍。因此hG=DG/增大100~300倍，hG>>kS，反應(yīng)主要受溫度控制。

第七十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§4.3化學(xué)氣相淀積工藝(一)、APCVD

化學(xué)反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，APCVD常用于淀積二氧化硅，特別是摻雜的SiO2，如磷硅玻璃（PSG）。產(chǎn)量低，片內(nèi)及片間均勻性較差，易產(chǎn)生霧狀顆粒、粉末等。為提高均勻性，須提高稀釋氣體流量，同時(shí)降低淀積溫度。目前普遍采用LTCVD（常壓下低溫化學(xué)氣相淀積）SiO2和摻雜SiO2膜。第七十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日第七十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

1、基本化學(xué)反應(yīng)稀釋的SiH4（硅烷）同過量O2反應(yīng)在熱襯底上生長(zhǎng)SiO2：

SiH4+O2SiO2+2H2稀釋的SiH4和PH3（磷烷）同過量O2反應(yīng)生成磷硅玻璃（PSG），PSG是一種兩元玻璃質(zhì)化合物：(1-x)SiH4+2xPH3+3[O2](SiO2)1-x(P2O5)x+[H2]第七十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

2、常壓LTCVD工藝特點(diǎn)（1）溫度升高，淀積速率增大，淀積溫度選擇在400~450℃；（2）SiH4或O2流量增大，淀積速率增大；SiH4流量幾十到幾百毫升/分，總氣體流量幾到幾十升/分，淀積速率幾百?至幾微米/分；（3）在保證足夠淀積速率下，應(yīng)選擇足夠大的稀釋氣體（N2）流量，避免大量SiO2白色粉末的形成，同時(shí)提高均勻性；（4）淀積的SiO2或PSG膜均需在700~1000℃溫度下（N2或惰性氣體）處理5~15min，目的在于提高膜的密度、抗蝕性及介電擊穿強(qiáng)度。第七十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、LPCVD

1、LPCVD的一般工藝流程裝片；爐子恒溫并對(duì)反應(yīng)室抽真空到1.3Pa；充N2氣或其它惰性氣體進(jìn)行吹洗；再抽真空到1.3Pa；完成淀積；關(guān)閉所有氣流，反應(yīng)室重新抽到1.3Pa；回充N2氣到常壓，取出硅片。

2、LPCVD工藝的一般特點(diǎn)（1）LPCVD都在65~130Pa氣壓下進(jìn)行，硅片垂直于氣流方向背靠背密集豎直放置，裝片量大，能保證膜厚及膜組分的高度均勻性，臺(tái)階覆蓋性能好；（2）與APCVD相比，LPCVD在更寬的溫度范圍內(nèi)，其淀積速率的對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系；（3）LPCVD的淀積速率隨反應(yīng)氣體分壓的升高而增大；（4）淀積溫度與反應(yīng)氣體分壓恒定時(shí)，增加反應(yīng)氣體的流量，淀積速率增大，淀積速率一般為幾十至幾百?。第七十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日3、LPCVD淀積SiO2

4、LPCVD淀積Si3N4

第七十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日5、LPCVD淀積多晶硅。特點(diǎn)：(a)LPCVD熱分解硅烷淀積多晶硅的溫度一般為600~750℃，低于600℃淀積出的是非晶硅，高于此溫度才能生長(zhǎng)出多晶硅;(b)LPCVD多晶硅膜中通常包含（111）、（110）、（100）、（311）等取向的晶粒，各成分的含量主要取決于淀積溫度；(c)多晶硅中晶粒尺寸取決于淀積溫度，淀積溫度升高，晶粒尺寸增大；淀積溫度在625~750℃時(shí)，晶粒尺寸在720~870?；

(d)淀積過程中摻入硼將增大多晶硅淀積速率；摻磷或砷時(shí)，多晶硅淀積速率減小；(e)熱處理溫度越高，晶粒生長(zhǎng)越大；(f)多晶硅摻雜將促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)。第七十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(三)、PECVD工藝（Plasma-EnhancedCVD）

等離子增強(qiáng)CVD，輝光放電等離子場(chǎng)中的高能電子撞擊反應(yīng)物氣體分子，使之激活并電離，產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)很活潑的自由基團(tuán)，并使襯底產(chǎn)生更為活潑的表面結(jié)點(diǎn)，從而啟動(dòng)并加快了低溫下的化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相淀積的技術(shù)。

1、設(shè)備的組成反應(yīng)室和襯底加熱系統(tǒng)、射頻功率源、供氣及抽氣系統(tǒng)。第七十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、PECVD淀積Si3N4的工藝流程：（1）裝硅片；（2）抽真空到0.13Pa；（3）回充N2，再抽真空，反復(fù)2~3次，實(shí)現(xiàn)真空清洗；（4）硅襯底加熱到淀積溫度；（5）反應(yīng)室充N2，壓力維持在67~133Pa，起輝10min，干法清洗硅片；（6）調(diào)節(jié)氣體（SiH4、NH3、N2）到預(yù)定的流量；（7）接通RF電源，完成淀積；（8）斷電，切斷SiH4、NH3，對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行N2清洗；（9）整個(gè)系統(tǒng)充N2到常壓，斷N2，開爐，取片。第七十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

3、工藝參數(shù)對(duì)淀積的影響（1）射頻功率增大，淀積速率幾乎線性上升（2）襯底溫度對(duì)淀積速率影響小，但對(duì)薄膜的物理性質(zhì)影響較大。溫度在250℃~350℃，膜應(yīng)力小，抗酸腐蝕。（3）氣體流量是影響淀積速率的主要因素。為保證淀積的均勻性，氣體流量應(yīng)維持在1000~2500ml/min范圍內(nèi)。（4）反應(yīng)室壓力增大，淀積速率增大，壓力在27~270Pa范圍內(nèi)可保持穩(wěn)定的輝光放電等離子體、均勻性與重復(fù)性良好的薄膜。（5）氣體總流量恒定時(shí)，SiH4百分比濃度增大，淀積速率增大。第八十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

4、PECVD淀積薄膜反應(yīng)式

（1）3SiH4+4NH3Si3N4+12H2

（2）SiH4+2N2OSiO2+2N2+2H2

（3）SiH4Si+2H2

（4）(1-x)SiH4+xPH3Si1-xPx+[H2]第八十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、CVD法的反應(yīng)發(fā)生在SiO2

膜的表面，膜厚與時(shí)間成線性關(guān)系。而在氧化法中，一旦SiO2

膜形成以后，反應(yīng)劑須穿過SiO2

膜，反應(yīng)發(fā)生在SiO2/Si界面上。CVD法氧化法化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)SiO2SiO2SiSi3、CVD法用的溫度較低，但膜的質(zhì)量較差。而氧化法則正好相反。(四)、氧化制備的SiO2膜與CVD制備的SiO2

膜比較

1、CVD法SiO2膜中的硅來自反應(yīng)氣體，而氧化法SiO2膜中的硅來自硅襯底。第八十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§5.1概述(一)、金屬化工藝的作用金屬化工藝是根據(jù)集成電路的設(shè)計(jì)要求，將各種晶體管、二極管、電阻、電容等元器件用金屬薄膜線條（互連線）連接起來，形成一個(gè)完整的電路與系統(tǒng)，并提供與電源、接地、輸入、輸出等外電路相連接的接點(diǎn)。金屬化系統(tǒng)和金屬化工藝的優(yōu)劣將影響整個(gè)電路的電特性和可靠性。為提高電路速度與集成度，應(yīng)盡可能縮短互連線，或采用多層金屬化系統(tǒng)。5、金屬化（PVD）第八十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、對(duì)金屬化系統(tǒng)的要求1、電導(dǎo)率高，能提供低阻的互連引線；2、與高摻雜硅或高摻雜多晶硅能形成低阻的歐姆接觸；3、與硅、SiO2的粘附能力強(qiáng)；4、抗電遷移能力強(qiáng)；5、抗電化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)；6、易于淀積和刻蝕；7、便于超聲或熱壓鍵合，且鍵合點(diǎn)能經(jīng)受長(zhǎng)期工作；8、多層互連時(shí)，層與層之間不互相滲透和擴(kuò)散。第八十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(三)、金屬-半導(dǎo)體接觸1、肖特基接觸肖特基接觸的特點(diǎn)是金屬-半導(dǎo)體接觸區(qū)具有整流特性，即單向?qū)щ娦浴?、歐姆接觸歐姆接觸的特點(diǎn)是流過金屬-半導(dǎo)體接觸區(qū)的電流與電壓成正比關(guān)系，近似服從歐姆定律，接觸電阻上的電壓降與硅體內(nèi)的電壓降相比可忽略。

對(duì)于金屬化系統(tǒng)來說，要求形成歐姆接觸。措施：（1）半導(dǎo)體高摻雜；（2）選取適當(dāng)?shù)慕饘匐姌O（如Pt

、Ti等），使其與半導(dǎo)體接觸的勢(shì)壘較低。第八十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§5.2金屬薄膜的制備方法(一)、真空蒸發(fā)鍍膜1、概念及過程真空蒸發(fā)技術(shù)是對(duì)淀積薄膜的源材料施加熱能或動(dòng)能，使之分解為原子或原子的集合體，并輸運(yùn)到硅片表面后結(jié)合或凝聚在硅片表面而形成薄膜。蒸發(fā)過程：（1）被蒸發(fā)物質(zhì)由凝聚相（固體或液體）轉(zhuǎn)化為汽相。（2）汽相原子或分子在真空系統(tǒng)中輸運(yùn)。（3）汽相原子或分子到達(dá)襯底后在襯底上淀積、成核和生長(zhǎng)。第八十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、對(duì)真空蒸發(fā)的要求（1）真空蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)具有加熱源，以便將被蒸發(fā)材料加熱到足夠高的溫度，形成汽相原子或分子。（2）蒸發(fā)必須在真空室中進(jìn)行，真空度應(yīng)在1.3310-2Pa~1.3310–5Pa，使金屬蒸發(fā)原子在系統(tǒng)中輸運(yùn)時(shí)的平均自由程遠(yuǎn)大于蒸發(fā)源與襯底間的距離。第八十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日3、電阻加熱蒸發(fā)（1）對(duì)制作電阻加熱器的材料的性能要求（a）熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于蒸發(fā)源的熔點(diǎn)，且蒸汽壓極低；（b）蒸發(fā)過程中不軟化，不與蒸發(fā)源生成合金；（c）容易加工成所需要的各種形狀。常用的電阻加熱器材料有：鎢、鉬、鉭。加熱器的形狀有：金屬絲、金屬舟。第八十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日第八十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日基片加熱器基片架基片真空室鐘罩蒸發(fā)料蒸發(fā)源加熱電極電阻加熱金屬舟抽氣第九十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（2）蒸發(fā)工藝流程（以鎢絲加熱器蒸鋁膜為例）

（a）掛鋁絲（99.99%純度），將硅片置于襯底加熱器上，轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)擋板，使之位于蒸發(fā)源與硅片之間，蓋好鐘罩。（b）抽真空：開動(dòng)機(jī)械泵，打開低真空閥，待真空度高于1.3Pa后，關(guān)低真空閥，開高真空閥，轉(zhuǎn)到用擴(kuò)散泵抽高真空。（c）硅片加熱：當(dāng)真空度抽到6.710-3Pa后，開始加溫，使襯底溫度升到約400℃，恒溫?cái)?shù)分鐘以除去硅片表面吸附的污物，然后降溫。（d）蒸發(fā)：襯底溫度降至150℃且真空度達(dá)到6.710-3Pa以上，逐步加熱蒸發(fā)源使之熔化后附在鎢絲上，先使鋁中高蒸汽壓雜質(zhì)揮發(fā)掉（提高鋁的純度），然后迅速增大加熱電流到一定值，打開擋板，使鋁蒸發(fā)到硅片上。蒸發(fā)完畢轉(zhuǎn)回?fù)醢澹⑼Ｖ拐舭l(fā)源加熱。（e）取片：待硅片溫度降至150℃以下，關(guān)閉高真空閥，關(guān)閉擴(kuò)散泵電源，對(duì)真空室放氣，打開鐘罩，取出硅片。

第九十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（3）特點(diǎn)（a）優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生電離輻射。（b）缺點(diǎn)：可能受到來自加熱器的污染，如鎢絲加熱器會(huì)引入K、Na離子的沾污，而鉭絲或鉭舟則幾乎不會(huì)引入沾污；只能蒸發(fā)熔點(diǎn)在2000℃以下的材料；裝載量小而限制了薄膜的最終厚度。第九十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日4、電子束蒸發(fā)（1）原理電子束蒸發(fā)是利用陰極電子槍發(fā)射出電子，電子束在電場(chǎng)作用下穿過加速極陽極進(jìn)入磁場(chǎng)空間，通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度控制電子束的偏轉(zhuǎn)半徑，準(zhǔn)確地打到坩堝內(nèi)的蒸發(fā)源上（Al或Ti等），將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬熔化并蒸發(fā)到硅片表面上，形成薄膜。第九十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日第九十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（2）特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：K、Na離子沾污輕；能夠蒸發(fā)熔點(diǎn)在2000℃以上的材料或難熔金屬；蒸發(fā)速率大；臺(tái)階覆蓋性好；膜厚控制好。

缺點(diǎn)：導(dǎo)致輻射損傷；蒸發(fā)合金時(shí)，蒸發(fā)所得薄膜的成分與蒸發(fā)源的成分會(huì)有差異。蒸發(fā)后應(yīng)當(dāng)采用退火的方法來消除輻射損傷。退火條件：380℃~500℃，N2或N2+H2混合氣氛中退火15~40min。第九十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日5、蒸發(fā)工藝中影響薄膜質(zhì)量的因素（1）金屬膜淀積前硅片的清洗2號(hào)清洗劑（HCl:H2O2:H2O=1:2:8）煮，2.5%HF酸腐蝕90秒，冷去離子水沖洗，甩干。（2）蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率過低，金屬膜不光亮，電阻大，鍵合困難；蒸發(fā)速率過高，會(huì)在硅片表面形成金屬原子團(tuán)淀積小丘，影響光刻，且厚度也不易控制。（3）蒸發(fā)源的合金成分為了防止合金化時(shí)硅向鋁中溶解而引起PN結(jié)穿通，可采用Al-Si(1~2%)合金蒸發(fā)源；為了提高鋁膜的抗電遷移能力，可采用Al-Cu(1~4%)或Al-Si-Cu(含Cu4%，含Si1%)合金源。第九十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（4）襯底溫度較高的襯底溫度可使蒸發(fā)薄膜與Si、SiO2粘附得更好，有利于降低接觸電阻，膜的晶粒越大，臺(tái)階處的連續(xù)性越好。（5）蒸發(fā)后金屬膜的合金化將光刻好金屬化布線的硅片在真空中或干N2或N2+H2（3:1）混合氣體的保護(hù)下加熱到一定溫度并保持足夠時(shí)間的過程。目的：改進(jìn)金屬化薄膜與襯底（Si或SiO2）之間的粘附性，并與硅之間形成良好的歐姆接觸；消除電子束蒸發(fā)引起的輻射損傷；保證雙層布線間的良好接觸。合金溫度：380℃~450℃，時(shí)間：15~30min。第九十七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、濺射鍍膜1、濺射鍍膜的基本原理用高能粒子（經(jīng)電場(chǎng)加速的正離子）沖擊作為陰極的固態(tài)靶，靶原子與這些高能粒子交換能量后從表面飛出，淀積在作為陽極的硅片上，形成薄膜。直流二極濺射臺(tái)第九十八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日

高頻濺射臺(tái)第九十九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、濺射鍍膜方法離子濺射鍍膜過程分為三步：離子的產(chǎn)生、離子對(duì)靶的轟擊引起濺射、從靶材料濺射出來的粒子對(duì)基片的淀積。其中前兩步與離子濺射刻蝕相同。在第三步中，從靶材料濺射出來的粒子，在真空環(huán)境中向基片作渡越運(yùn)動(dòng)，碰撞到基片后被基片吸附而淀積成薄膜。離子濺射鍍膜技術(shù)有直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、離子束濺射、反應(yīng)濺射等。第一百頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日3、濺射鍍膜的特點(diǎn)(1)由于淀積粒子的能量較高，膜與襯底的粘附性更好。(2)可用于難熔金屬膜的淀積。(3)濺射膜的合金成份與靶的合金成份比例基本相同。(4)濺射膜對(duì)襯底的臺(tái)階覆蓋更好。(5)與電阻加熱器蒸發(fā)相比，減小了K、Na離子的沾污。(6)與電子束蒸發(fā)相比，濺射電壓較低，尤其是磁控濺射，電壓約為300~700V，從而大大降低了硅片的輻射損傷。(7)淀積速率比蒸發(fā)慢。第一百零一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(三)、化學(xué)氣相淀積（CVD）技術(shù)包括常壓、低壓、等離子增強(qiáng)CVD等技術(shù)。優(yōu)點(diǎn)：(1)薄膜的成分精確可控。(2)淀積速率一般高于物理氣相淀積，如蒸發(fā)、濺射等。(3)厚度范圍廣，由幾十納米至數(shù)毫米，且能大量生產(chǎn)。(4)膜的結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好，臺(tái)階覆蓋性好。第一百零二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日§5.3金屬化互連技術(shù)(一)、金屬化系統(tǒng)金屬化互連線分為兩大類：(1)以鋁為主的金屬化系統(tǒng)，可以不加接觸層、粘附層和阻擋層等，工藝簡(jiǎn)單，容易與鋁絲鍵合，產(chǎn)品價(jià)格低廉，因而獲得了廣泛的使用。但抗電遷移能力差。(2)以金為主的金屬化互連，抗電遷移能力強(qiáng)，特別是采用金絲球形熱壓鍵合，鍵合點(diǎn)特別牢固，適于特殊要求的高可靠集成電路。第一百零三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日硅集成電路的金屬化系統(tǒng)第一百零四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日互連線在接觸孔處的縱向結(jié)構(gòu)第一百零五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(二)、常用金屬化系統(tǒng)及其特點(diǎn)1、純鋁系統(tǒng)鋁是三價(jià)元素，在硅中是強(qiáng)P型雜質(zhì)，與P型硅能形成低阻歐姆接觸。N型硅表面當(dāng)雜質(zhì)濃度超過1019cm-3時(shí)，鋁能與其形成低阻歐姆接觸。雙極及MOS兩類集成電路，無論是單層布線或多層布線，均廣泛采用鋁作互連材料。（1）優(yōu)點(diǎn)能單獨(dú)作金屬化布線，工藝簡(jiǎn)單。材料價(jià)格低廉。電阻率低。能用電阻絲加熱蒸發(fā)，工藝簡(jiǎn)單。第一百零六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日與SiO2粘附性強(qiáng)。容易腐蝕，且在腐蝕鋁時(shí)對(duì)SiO2和Si不產(chǎn)生腐蝕。鋁能夠穿透引線孔內(nèi)殘余的氧化層，容易形成歐姆接觸。鋁與硅的接觸處無空隙，粘附牢固。鋁與P型硅及高濃度N型硅均能形成低歐姆接觸。固溶在鋁引線內(nèi)的硅對(duì)鋁引線的電阻率影響不大。鋁互連線與內(nèi)引線鍵合容易。第一百零七頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（2）缺點(diǎn)鋁布線的電遷移現(xiàn)象比較嚴(yán)重。高溫下與SiO2反應(yīng)，使鋁膜變薄，電阻變大，SiO2受侵蝕金絲與鋁互連線鍵合會(huì)產(chǎn)生黃斑和紫斑，可靠性差。鋁是軟金屬，容易擦傷。當(dāng)鋁與硅在較高溫度下熱處理時(shí)，由于硅在鋁中的溶解和擴(kuò)散，會(huì)導(dǎo)致淺PN結(jié)退化甚至穿通。第一百零八頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（3）克服鋁系統(tǒng)缺點(diǎn)的措施在鋁中摻入銅（2~4%），可以有效減緩電遷移。采用鋁絲鍵合技術(shù)，可以克服黃斑和紫斑。采用鈍化層保護(hù)，可以避免鋁膜的擦傷。在鋁中摻入硅（1~2%），使硅在鋁膜中達(dá)到飽和，可以克服鋁對(duì)硅的溶解。第一百零九頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、鋁-硅（1~2%）合金系統(tǒng)(1)避免硅在鋁中溶解，保護(hù)PN結(jié)。(2)抗電遷移能力強(qiáng)。3、鋁-銅（2~4%）-硅（1~2%）合金系統(tǒng)(1)抗電遷移能力強(qiáng)。(2)熱處理過程中能阻止鋁、硅的再結(jié)晶，減小膜中小丘的產(chǎn)生，對(duì)多層布線有利。4、Al–TiW–Pt–Si互連系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：(1)Pt與P型硅及高濃度N型硅能形成阻值極低的歐姆接觸。(2)抗電遷移能力強(qiáng)，可靠性高。(3)適于超淺結(jié)電路。第一百一十頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日5、多晶硅和難熔金屬硅化物復(fù)合柵結(jié)構(gòu)和互連（1）多晶硅柵的優(yōu)點(diǎn)可采用自對(duì)準(zhǔn)方式，減小了晶體管的尺寸和柵電極與源、漏電極間的交疊電容，從而提高器件的集成度與工作速度。多晶硅可以高溫氧化，對(duì)多層布線非常有利。閾值電壓低（取決于硅與硅的功函數(shù)差）。有利于利用比縮法則。耐擊穿時(shí)間長(zhǎng)。第一百一十一頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日第一百一十二頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（2）多晶硅柵的缺點(diǎn)隨著集成電路的發(fā)展，器件和薄膜的縱向尺寸和橫向尺寸都將按比例縮小，作為互連材料的多晶硅薄膜，其過高的電阻率成為限制集成電路速度的因素之一。延遲時(shí)間常數(shù)RC與電阻率和方塊電阻的關(guān)系如下：

式中為多晶硅的方塊電阻，重?fù)诫s時(shí)，l

、w和d分別為多晶硅互連引線的長(zhǎng)度、寬度和厚度，ox、tox分別為多晶硅互連引線下面的絕緣層的介電常數(shù)和厚度。第一百一十三頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日（3）難熔金屬硅化物的優(yōu)點(diǎn)難熔金屬硅化物具有類似金屬的低電阻率（約為多晶硅的十分之一或更低）。高溫穩(wěn)定性好，抗電遷移性能好?？芍苯釉诙嗑Ч枭系矸e難熔金屬，經(jīng)加溫處理形成硅化物，工藝與現(xiàn)有硅柵工藝兼容。第一百一十四頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日適于制作柵和互連的硅化物材料有：

TiSi2（二硅化鈦）、TaSi2（二硅化鉭）、MoSi2（二硅化鉬）和WSi2（二硅化鎢）。適于制作歐姆接觸的材料有：

TiSi（硅化鈦）、PtSi（硅化鉑）和PdSi2（二硅化鈀）。（4）多晶硅和難熔金屬硅化物復(fù)合柵和互連的制作工藝先淀積一層多晶硅（約500?），離子注入或擴(kuò)散摻入磷，再淀積一層硅化物（4000?~5000?），一般采用濺射工藝以確保硅化物組分?；蛟诙嗑Ч枭系矸e難熔金屬后，再經(jīng)加溫處理形成硅化物。第一百一十五頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日(三)、金屬化互連系統(tǒng)中的失效及改進(jìn)措施1、鋁尖楔現(xiàn)象（結(jié)穿刺現(xiàn)象）這是由于硅溶解到鋁中，特別是在幾個(gè)點(diǎn)上大量溶解形成的。它使鋁像尖釘一樣刺入硅中，造成PN結(jié)的短路失效。改進(jìn)措施：（1）Al-重?fù)诫s多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)（2）Al-阻擋層結(jié)構(gòu)如Al-TiN或TiW(阻擋層)-PtSi或PdSi2(接觸層)-

Si。第一百一十六頁，共一百七十三頁，2022年，8月28日2、電遷移現(xiàn)象這是一種導(dǎo)電材料內(nèi)的質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象，是由在外電場(chǎng)影響下導(dǎo)體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的電子，將其動(dòng)能傳給金屬離子所引起的。改進(jìn)措施：(1)Al-Cu（4%）合金或Al-Si（1~2%）-Cu（2~4%）合金