集成电路中基础器件工艺综述.ppt

集成电路中基础器件工艺综述,1.BIPOLOR（双极型）IC工艺简介(1)平面三极管工艺,*制造工艺 掺杂窗口形成：掺杂掩膜的形成+光刻工艺 掺 杂 工 艺：扩散或离子注入 引 线 工 艺：接触孔形成+淀积金属膜+光刻金属引线+金/半合金 表 面 钝 化：淀积钝化膜+光刻键合孔,硅平面三极管截面图,绪 论,（2）双极型IC工艺*与三极管工艺的区别 各元件间电学性能隔离 埋层工艺减小集电极串联电阻,a 双极型三极管截面图 b 双极型IC截面图,PN 结 隔 离 及 埋 层 的 功 能,(3)双极型IC制造工艺流程,2.MOS IC工艺简介(1)Si 栅 MOS FET 工艺原理图,(2)CMOS 工艺原理图,（3）NMOS 工艺流程,3.IC 发展史,基本工艺,清洗工艺氧化工艺扩散工艺光刻工艺蒸发及镀膜工艺腐蚀工艺,清洗工艺,吸附在物体表面的杂质一般可分为：分子型 离子型 原子型 利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附在被清洗物体表面上的杂质和油污发生化学反应和溶解作用,一，去除分子型杂质 H2SO4:H2O2=1:1配比，烧煮硅片表面的油脂，使其脱附二，去除离子型 原子型杂质 1.配制号液 NH4OH:H2O2:H2O=1:1:6(体积比)在电炉上煮沸几分钟，倒掉残液，用去离子水 冲洗几遍 2.配制号液 HCl:H2O2:H2O=1:1:6(体积比)在电炉上煮沸10分钟左右，倒掉残液，用去离 子水冲洗30次以上。,氧化工艺,一,概述,1二氧化硅膜是硅平面工艺的基础（1）SiO2在高温下，阻挡、族杂质扩散的能力很强 利于局部掺杂。（2）Si上热生长SiO2工艺简便。（3）SiO2化学性能稳定，一般不与酸，碱发生化学反应（HF除外）利于化学清洗。（4）SiO2能被HF腐蚀 利于图形化。,SiO2膜的制备方式简介（1）热氧化（2）CVD（3）阳极氧化（4）射频溅射,二,SiO2膜在电路中的功能,1.杂质选择扩散的掩膜,2.器件表面的保护和钝化膜,3.集成电路的隔离介质和绝缘介质,4.MOS电容的介质材料5.MOS FET的绝缘栅材料,三,热氧化原理,1.干氧氧化的氧化膜生长机理 Si+O2=SiO2 2.水汽氧化的氧化膜生长机理 Si+2H2O=SiO2+2H2,Si,O反应速率 O2在SiO2中的扩散速率,生长速率,机理分析：（1）H2O扩散穿越SiO2,在Si-SiO2界面与Si反应，生成SiO2。Si+2H2O=SiO2+2H2（2）H2O与表面SiO2反应，生成硅烷醇，硅烷醇扩散穿越SiO2 与Si反应。H2O+Si-O-Si Si-OH+HO-Si H2+2(-O-Si)2(Si-OH)（使二氧化硅网络疏松）,热氧化系统,热氧化方式-常 规 热 氧 化（通常采用:干氧+湿氧+干氧）,热氧化SiO2层的物理性能：,四,氧化膜质量评价膜厚测量,1.光干涉法：2.椭圆偏振法：偏振光以一定的角度入射到样品上，在表面和界面产生折、反 射，其振幅与偏振角都发生变化。跟据偏振情况的改变，可获 得膜厚及膜的折射率。3.MOS C-V法：,当=0o 时,=0o,2n1d cos=N,氧化膜缺陷的检测,1.针孔2.氧化层错的检测 Sirtle液腐蚀,TEM成像,X射线貌相法,掺杂工艺,一，概述 1.掺杂 将所需杂质按浓度和分布的需要，掺入到半导体中，改变 半导体电学性能，以达到制备半导体器件的目的。2.掺杂的意义（1）改变材料导电性能 形成电阻，欧姆接触，互连线。（2）改变半导体的导电类型 形成pn结,合金 气-固扩散：液态源扩散 扩散 粉末源扩散 片状源扩散 固-固扩散：掺杂SiO2乳胶源扩散 CVD掺杂薄膜源扩散 离子注入,3.掺杂的方法,n-Si,P-Si,n-Si,P-Si,e,b,c,n+,p,n,电 阻 及 三 极 管 示 意 图,二，杂质在半导体中的扩散扩散原理 扩散是微观粒子（原子或分子）热运动的统计果。在一定温度 下,微观粒子具有一定能量,能克服某种阻力进入半导体,并在其 中作缓慢迁移运动。这些杂质或替代硅原子的位置,或处在晶格 的间隙中,分别称作替位式扩散,或间隙式扩散。扩散的方向总 是由高杂质浓度指向低杂质浓度。,替 位 式 扩 散 间 隙 式 扩 散,两步扩散 为获得所需杂质分布，往往要进行二步扩散*预淀积所需杂质总量 恒定表面浓度扩散*获得所需表面浓度及扩散深度 有限源扩散(再分布),.扩散气氛和衬底晶向的影响（1）氧化增强扩散（OED）*在氧气氛中，P，B等杂质扩散得到增强。,*氧化增强扩散机理 杂质可在缺陷(氧化堆垛层错)处缀饰。氧化堆垛层错处晶体结构不完整，原子键合不 全，较易产生空位，增强替位式扩散。,（2）衬底晶向对扩散系数的影响*在氧化气氛中，杂质在不同晶向硅中扩散，其增强系 数不同。*不同晶向氧化生长速率不同。,三，扩散方法,扩散系统,扩散方法：气-固扩散：液相源开管扩散 片状源开管扩散 粉末源箱法或双温区扩散 固-固扩散：掺杂SiO2乳胶源开管扩散 CVD掺杂薄膜源开管扩散,扩散工艺过程：,扩散实例：,气-固扩散：片状源 1.氮化硼 2.硼微晶玻璃(PWB)3.磷微晶玻璃(LWP)*扩散系统*扩散原理 BN 4BN+3O22B2O3+2N2 2B2O3+3Si4B+3SiO2(1100-1150)PWB B2O3+SiO2+Al2O3+(MgO+BaO)2B2O3+3Si4B+3SiO2 LWB Al(PO3)3+SiP2O7 Al(PO3)3AlPO4+P2O5 SiP2O7SiO2+P2O5 2P2O5+5Si5SiO2+4P,（约950）,扩散质量分析 影响薄层电阻Rs的因素：气体流量RS 扩散温度RS 气体功能：保护表面（流量过小，起不到保护作用）杂质输运（流量过大产生涡流，影响扩散均匀性）气氛的影响：氧气可阻止硼硅相的产生，使薄层电阻变小。源片与硅片间距：间距小使薄层电阻小。影响结深和表面浓度的因素：结深：扩散温度（T2）扩散时间（t2）表面浓度：扩散温度 T1D1Ns T 2D2 Ns（D为扩散系数）扩散时间 t1Ns t2 Ns,扩散质量分析 表面状况：表面合金点（表面杂质浓度过高）表面黑点和白雾（wafer表面被沾污）pn结特性:表面沟道（扩散掩膜太薄或杂质沾污）软击穿（杂质沾污）,四，扩散工艺的质量检测,扩散工艺的污染控制（1）常规沾污 沾污种类：颗粒、薄膜、有机、金属离子 颗粒：硅屑，石英屑，灰尘，操作者带入的颗粒等清洗 薄膜：光刻胶的残留膜、天然氧化膜 有机：油脂（指纹），有机溶剂残留1#或3#清洗液 金属离子：化学清洗中的再沾污，金属工具 预防措施：严格清洗，不用不洁器具与手接触硅片。,有机1#或3#清洗液SiO2HF：HNO3,属1#清洗液,重金属2#清洗液,（2）高温处理的污染控制 系统 定期清洗各类工具及器皿 C-V在线检测，判断系统的清洁度，常用HCl清洗炉管 系统捡漏2.扩散工艺的质量检测（1）常规检测内容及手段,高温系统气体管道,采用高纯材料制备,（2）Rs，Xj及N(x)的测量原理 Rs的测量原理 四探针技术 Xj的测量原理 磨角染色法 SEM成象-样品介离-腐蚀法显示pn结边界（HF:HNO3:CH3COOH=1:30:30）-SEM成象,N（X）的测量原理 扩展电阻法,由于扩展电阻法可测得 10-10cm3 区域的电阻率，分辨率达 1，比四探针测量的分辨率高，所以被广泛用于测量浅结 的杂质浓度分布。,当探针-半导体接触面为半球面（ro2.510-3cm）时:,UO,RSP=UO/I,当探针-半导体接触面为圆盘形：,测试误差（1）探针/半导体接触形成整流接触。（2）接触点小，形成强电场，可改变载流子迁移率。（3）焦耳热使触点处局部升温，形成温差电势，可改变 载流子浓度及迁移率。,当测试电压小于1.5mv,这些因素造成的误差可忽略，但仍需修正。,光刻,概述*光刻技术的重要性：IC制造中的重要工艺技术之一，可形成局部掺杂区域，多晶硅栅，金 半欧姆接触孔，互连图形等。*光刻技术：图象复印与刻蚀相结合的技术。*光刻质量的判别：由分辨率，光刻精度（条宽及套刻精度）以及缺陷密度 来标称。*影响光刻质量的因素：光刻胶，曝光方式（曝光系统）及刻蚀方式等。*光刻工艺简介,*光刻工艺简介,光刻胶的种类和感光原理光刻胶：高分子聚合物，增感 剂，溶剂及添加剂按 一定比例配制而成。1.光刻胶的种类,2.光刻胶的感光原理,6.2.2 光刻胶的主要性能,*H：光刻胶在标准条件下，发生光化学反应所需的最小能量。,6.3 光刻工艺 光刻流程：衬底预处理-匀胶-前烘-对位曝光-显影-后烘-腐蚀-去胶,1.衬底预处理：清洁，增粘处理 清洁处理：去除颗粒-化学清洗，刷片 去除有机沾污-化学清洗 增粘处理：高温焙烘(800，N2或O2)使用增粘剂(二甲基二氯硅烷，六甲基二硅亚胺)增粘处理的原理：,2.匀胶 工艺要求：胶膜均匀，无缺陷，厚度适当。均匀无缺陷胶膜的获得:环境相对湿度低,净化级别高。,胶膜厚度(d)的确定:,dR dd针孔密度d,胶膜厚度需相应考虑,*胶膜过厚，表面光吸收强：负胶-粘附性差；,正胶-显影后有底膜。,3.前烘 目的：去除胶膜中的溶剂，增强粘附性，提高膜的机械强度。方式：烘箱-生产率高，温度不均匀。红外-溶剂挥发充分，前烘效果好。热板-生产率高，温度均匀，能自动传送硅片。,4.对位曝光*光源：光源为平行光，与衬底片垂 直，并根据光敏图谱，选择 曝光波长。,*正确控制曝光量，过量曝光可导致条宽精度下降。#曝光量与留膜率 正胶-HHT(略大于)负胶-HH0(略大于)#曝光量与线宽控制,5.显影,显影工艺：显影，漂洗，干燥。,显影中的常见问题：,(1)负胶经显影保留下来的膜会膨胀，使窗口变小。选择膨胀效应较弱的显影液。选择可使光刻胶收缩的漂洗液。选择最佳显影方式(喷显)。掌握适当的显影时间。(2)正胶经显影保留下来的胶膜未经曝光，与显影液不浸润，不会膨胀，分辨率高。,6.后烘 去除显影后胶膜内残留的溶液，增加胶膜与衬底间 粘附性，使光刻胶更致密，抗蚀性更强。,7.腐蚀(1)湿法腐蚀-化学反应-各向同性-线宽5 常用薄膜的湿法腐蚀 SiO2 HF:NH4F:H2O HF(49%):腐蚀速率大，腐蚀时间难以控制，有剥 离光刻胶的侵向。NH4F:减缓HF对SiO2的腐蚀,抑制对光刻胶的剥离。H2O:调节腐蚀液浓度。影响腐蚀速率的因素：溶液配比，腐蚀温度，SiO2 的致密性，掺杂情况，腐蚀 方式。,Si3N4 H3PO4(180)(温度较高，光刻胶抗蚀性下降。)H3PO4:HF4B(100 110)(不伤害光刻胶，但可同时腐蚀SiO2)Poly-Si HF:HNO3:CH3COOH（腐蚀质量差）Al H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2OBPSG HF(6%)+NH4F(30%):CH3COOH=2:1,薄 膜 的 湿 法 腐 蚀 工 艺,湿法腐蚀之不足：化学药品具有毒性及腐蚀性。各向同性腐蚀，不利于提高分辨率。Si3N4,Poly-Si腐蚀液可溶解光刻胶，使图形畸变。干法腐蚀方式：等离子腐蚀*-靠活性分子或游离基团腐蚀-各向同性腐蚀 反应离子刻蚀*-靠活性分子或离子腐蚀-各向异性腐蚀 离子束-物理腐蚀-各向异性腐蚀,(2)干法腐蚀,等离子腐蚀的原理：在10-1-10-3范围，利用RF电源使反应室产生辉光 放电，同时反应气体被激活，产生活性游离基，与被腐蚀材料反应，产生挥发性气体并排出。不 同材料需采用不同气体进行腐蚀，从而实现选择 性腐蚀。腐蚀完毕用氧离子进行去胶。,反应离子刻蚀（RIE）#反应离子刻蚀的优越性：反应离子刻蚀同时具有化学，物理腐蚀原理，因此刻蚀 速率各向异性效应更强，有利于提高光刻的分辨率。#反应离子刻蚀系统,等离子刻蚀系统 反应离子刻蚀系统,8光刻胶的剥离(去胶)(1)湿法剥离技术#介质膜上光刻胶的剥离：H2SO4:H2O2=3:1(120,5)H2SO4:HNO3=88:12(100,5)#金属膜上光刻胶的剥离：采用有机类溶液浸泡，对金属无腐蚀作用。(2)干法剥离技术#O2等离子去胶+600 N2退火#紫外光分解，使胶分解成CO2,H2O,接触与互连（蒸发工艺）,一，概述 1.金属化的意义：作为IC中各元件的接触和互连 金属/半导体间形成低阻欧姆接触 2.互连材料电阻率足够低 互连线的台阶覆盖性好 3.VLSI/ULSI 金属化：(1)多层布线技术：单层金属接触与互连 金属层间的绝缘与互连(2)浅结（sub-m,deep sub-m）接触：接触界面的平整度 金属/半导体间的扩散阻挡层,金属化的基本要求,二，欧姆接触（一）欧姆接触的基本原理 1欧姆接触：金-半接触的伏-安特性呈线性，并关于原点对称。2描写欧姆接触性能的参数比接触电阻RC（qVb：M-S接触势垒高度；N：硅掺杂浓度）3实际接触电阻 R=RC/S(S为接触面积),（二）欧姆接触与整流接触 a.形成宽度为的耗尽层，阻挡电子穿越整流接触 b.形成宽度为的载流子积累层欧姆接触,WMWS整流接触WMWS欧姆接触,WMWS欧姆接触WMWS 整流接触,n-Si,P-Si,*金-半表面态的存在，使几乎所有金属与半导体接触均 形成势垒整流接触；当qVb0.3eV,反向电流 If100A/cm2,近似认为欧姆接触。,三，接触与互连材料的选择：（一）选择原则 1良好的导电性 2与Si形成低阻欧姆接触 3与wafer表面粘附良好，并不发生不良反应 4抗电迁移能力强 5抗龟裂 6能经受后续高温工艺（多层布线BPSG回流）7易于淀积成膜 8易于图形化 9.易于键合封装,工艺可行性,降低功耗，提高信号传输速度,高可靠性,（二）Al常用接触互连材料 1Al用于金属布线的优越性（1）=2.65cm（2）Al-Si（n+,p）具有良好的欧姆接触。（3）易于淀积（真空蒸发，溅射），图形化，键合。2Al作接触互连之不足（1）Al-Si共熔点低（577）不利于多层互连工艺。（2）Al-Si互溶性强 Al-Si界面不平整，不利于浅结接触。（3）抗电迁移性能差 可靠性差。（4）Al化学性能过于活泼 可靠性差。4Al+3SiO2 2Al2O3+3Si 2Al+6HCl 2AlCl3+3H2 2Al+3H2SO4 Al2(SO4)3+3H2 Al2O3+2NaOH 2NaAlO2+H2O 2Al+2NaOH+2H2O 2NaAlO2+3H2,1.铝合金电极(1)AlSi(Si:1 2 wt%)*改善 M/Si 界面平整度。*抗电迁移性能提高。*提高机械强度。（2）AlCu(Cu:2 4 wt%)*改善电迁移。*抗龟裂。2.金属阻挡层（1）M/Si 界面平整。（2）协调 M/Si 间的应力，提高抗龟裂性。,（三）VLSI/ULSI 的接触与互连,Poly-Si（1）Poly-Si/Crys-Si 界面平整。（2）无接触势差，良好欧姆接触。（3）能承受高温回流工艺。难熔金属及其硅化物（1）M/Si 界面平整。（2）能承受高温回流工艺。（3）电阻率大大低于Poly-Si。,四，金属薄膜形成的方法（一）电子束蒸发克服钨丝阻热蒸发之不足：（1）Na沾污（2）形成铝钨合金（4Al+W WAl4）（3）不能蒸发难熔金属（4）蒸发合金时成分难以控制,电子束蒸发：经高压加速并聚焦的电子束轰击金属源，将能量交给金属源，使之温度升至汽化点，产生蒸发，并淀积在样品上。,电子束蒸发的优点：淀积膜纯度高，沾污少，可蒸发难熔金属，合金材料的成分可控（采用多坩埚，多枪技术）,（二）磁控溅射 溅 射：在真空中充入惰性气体(Ar)，施加一强电场，使靶子置于 阴极，在电场作用下使气体放电，产生大量离子；正离子 在电场加速下轰击靶子,当离子的动能超过靶材的结合能 时，靶表面原子脱离表面，溅射到样品上，淀积成膜，称 为二极溅射。,磁控溅射：在阴极上加一磁场，使磁场与电场成正交，电子受洛伦 茨力作用，在阴极表面附近作回旋运动，有更多机会撞 击气体分子，增加了等离子体密度，从而提高了溅射速 率。,磁控溅射的优点：（1）可溅射气化点很高，蒸汽压强较小（不适宜蒸发）的材料。（2）采用多靶共溅或镶嵌靶，可溅射合金，且成分稳定。（3）二次电子受洛伦茨力作用，不轰击样品，损伤小。（4）在电磁场作用下，提高了气体分子的离化率，可在 较低气压下溅射，使淀积膜纯度提高。,五，合金化 合金的目的通过热处理，使M-S间形成低阻欧姆接触，并增 加金属互连线与SiO2的粘附性。合金化原理,M-S系统经合金界面二侧原子相互扩散，共熔形 成合金。M-S系统经合金界面二侧原子相互扩散，形成有 确定组分的硅化物（CoSi2,TiSi2,MoSi2）。,合金化,真空N2（或惰性气体）H2/N2形成气（H2 5%N2 95%）,合金化气氛,六，多层布线技术（一）多层布线的一般考虑 1多层布线的必要性（1）缩短互连线长度（使芯片面积缩小，提高信号传输速度）（2）避免连线交叉 2对绝缘介质和布线金属的要求（1）绝缘介质*介电强度高，介电常数小。*理化性能稳定，杂质离子迁移率低。*热膨胀系数与衬底匹配。*结构致密针孔密度低。*与衬底及金属膜粘附性好。*便于刻蚀层间互连孔。*表面平整。*常用：SiO2,PSG,Al2O3,Polymind（聚酰亚胺）,（2）布线金属*良好的导电性能*与硅能形成低阻欧姆接触*与介质粘附好*对介质腐蚀液有良好的抗蚀性 2影响多层布线质量的因素（1）互连孔的刻蚀 为防介质腐蚀液腐蚀布线金属，通常选择干法刻蚀。（2）层间绝缘 介质膜的完整性（针孔，龟裂可造成金属层间漏电或短路）（3）台阶复盖 金属层间介质层不宜过厚 采用平坦化工艺,（二）多层布线技术简介(Advanced VLSI Fabrication),1.AlCu互连技术,2.Cu互连技术,七，VLSI中的接触与互连问题 固定布线与选择布线 固定布线：多层布线均安设计版图进行。选择布线：在第一层布线形成单元电路后，进行单元测试，将合格单元存入计算机，然后由计算机设计第二 层布线图形。难熔金属及其硅化物在VLSI中的应用（1）VLSI中线条特征尺寸小于2，掺杂Poly-Si电阻 变得相当大，因此RC延迟将限制电路中信号传 输速度的提高。（2）难熔金属（W,Ti,Mo,）及其硅化物（WSi2,TiSi2,MoSi2）的应用，将弥补上述缺点。,