集成电路中基础器件工艺综述.ppt
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1、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
2、 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
3、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 S
4、i+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
5、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
6、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
7、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:,
8、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
9、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
10、: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)-
11、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
12、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
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