集成電路制造工藝及設(shè)備.ppt

1、集成電路制造工藝及設(shè)備,復(fù),習(xí),1. 高溫氧化工藝,1.1 硅的熱氧化,硅的熱氧化是指在高溫下，硅片表面同氧氣或水進(jìn)行反應(yīng)，生成SiO2 。 硅的熱氧化有：干氧、濕氧、水汽氧化三種。,如果氧化前已存在厚度為 t0 的氧化層，則（3-11）微分方程的解為：（tOX ：是總的氧化層厚度）,（4- 12）,式中,在各種工藝條件下，參數(shù)A和B都是已知的，t 是氧化時間。 是一個時間參數(shù)，單位是小時（h）。,（3- 13）,1.2 硅熱氧化的厚度計算,3.2 熱氧化原理和方法,O2,擴(kuò)散,反應(yīng),SiO2,Si,Si + O2 = SiO2,硅的熱氧化分干氧和濕氧兩種。干氧是在高溫下氧分子與硅表面的原子反

2、應(yīng)生成SiO2 。,1.3 不同的熱氧化方式生長的 SiO2 膜性質(zhì)比較, 干氧氧化的 SiO2 膜結(jié)構(gòu)致密，干燥、均勻 性和重復(fù)性好、掩蔽能力強(qiáng)、鈍化效果好， 與光刻膠的接觸良好，光刻時不易浮膠。 水汽氧化的 SiO2 膜結(jié)構(gòu)疏松，表面有斑點(diǎn) 和缺陷，含水量多，對雜質(zhì)的掩蔽能力差， 所以在工藝中很少單獨(dú)采用。, 濕氧氧化生長的膜致密性略差于干氧生長的 SiO2 膜，但它具有生長速率快的優(yōu)點(diǎn)，其掩蔽能力和鈍化效果都能滿足一般器件的要求。其缺點(diǎn)是表面有硅烷醇存在，使 SiO2 膜與光刻膠接觸不良，光刻時容易浮膠。同時，濕氧氧化后的 Si 片表面存在較多的位錯和腐蝕坑。,在實(shí)際工藝應(yīng)用中，生長高質(zhì)

3、量的幾百 的SiO2薄膜一般采用干氧的方式。 SiO2薄膜厚度需要幾千以上時，一般采用干氧濕氧干氧的方式，既保證了所需的厚度，縮短了氧化時間，又改善了表面的完整性和解決了光刻時的浮膠問題。,熱氧化生長的SiO2薄膜質(zhì)量好，但是反應(yīng)溫度比較高。襯底只能用于單晶硅表面。, 離子注入可以通過分別調(diào)節(jié)注入離子的能量、數(shù)量，精確地控制摻雜的深度和濃度，所以可以制備理想的雜質(zhì)分布。,離子注入的優(yōu)點(diǎn),2. 離子注入, 擴(kuò)散法摻雜時受到化學(xué)結(jié)合力、擴(kuò)散系數(shù)及 固溶度等方面的限制，而離子注入是一個物 理過程，所以它可以注入各種元素。, 擴(kuò)散法是在高溫下?lián)诫s，離子注入法摻雜一 般在室溫下進(jìn)行（也可以在加溫或低溫下

4、進(jìn) 行）。, 離子注入法可以做到高純度的摻雜，避免有 害物質(zhì)進(jìn)入硅片。, 熱擴(kuò)散時只能采用SiO2 等少數(shù)耐高溫的介質(zhì) 進(jìn)行局部摻雜，但是離子注入法可以采用光 刻膠作為掩蔽膜，進(jìn)行局部注入摻雜。, 熱擴(kuò)散時，雜質(zhì)在縱向擴(kuò)散的同時進(jìn)行橫向 擴(kuò)散，兩者幾乎一樣，而離子注入的橫向擴(kuò) 散很小。,在離子注入機(jī)中，利用電流積分儀測量注入的離子總數(shù)N：,式中：NS 單位面積的注入劑量（個/cm2 ），S 是掃描面積（cm2 ），q 是一個離子的電荷（1.610-19庫侖），Q 是注入到靶中的總電荷量（庫侖），i是注入的束流（安培），t 是注入時間（秒）。,電流積分儀,（6 - 8）,如果束流是穩(wěn)定的電流I，

5、則：,（6 - 9）,（6 - 10）,其中：NS 單位面積的注入劑量（個/cm2 ），S 是掃描面積（cm2 ），q 是一個離子的電荷（1.610-19庫侖），I 是注入的束流（安培），t 是注入時間（秒）。,例題：如果注入劑量是51015，束流1mA，求注入一片6英寸硅片的時間,t=（1.610-1951015 3.147.52）/ 1 10-3 =141秒,根據(jù)公式（4-6）,注入劑量、標(biāo)準(zhǔn)偏差和峰值濃度之間的近似關(guān)系：,（6 - 14）,對于原來原子排列有序的晶體，由于離子注入，在晶體中將大量產(chǎn)生缺陷，如空位等。對于高能、大劑量的重離子注入到硅單晶中，如As+，將使局部晶體變成非晶體。

6、,離子注入的損傷和退火效應(yīng),注入的離子在硅單晶中往往處于間隙位置，一般不能提供導(dǎo)電性能，因此，必須要使注入的雜質(zhì)原子轉(zhuǎn)入替位位置以實(shí)現(xiàn)電激活。,注入離子的激活,離子注入后的熱退火,高能粒子撞擊硅片表面，造成晶格損傷，因此為了消除離子注入造成的損傷和激活注入的雜質(zhì)離子，離子注入后必須要進(jìn)行熱退火。最常用的是在950高溫爐中在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，退火15 30分鐘。熱退火后對雜質(zhì)分布將產(chǎn)生影響，LSS理論的射程RP和標(biāo)準(zhǔn)偏差Rp 要作修正。,光刻膠應(yīng)該具有以下基本性能： 靈敏度高；分辨率高；同襯底有很好的粘附性，膠膜表面沾性小；膠膜致密性好，無針孔；圖形邊緣陡直，無鋸齒狀；顯影后留膜率高，不留底膜或其它顆

7、粒物質(zhì)；在顯影液和其它腐蝕劑里抗蝕性強(qiáng)、抗溶漲性好；去膠容易，不留殘渣；,光刻膠分為正性光刻膠和負(fù)性光刻膠兩種： 正膠是感光部分顯影時溶解掉，負(fù)膠則相反。,3. 光刻工藝,底膜是指顯影后還有一層薄薄的膠。,圖形轉(zhuǎn)移工藝,襯底,淀積薄膜,勻膠、前烘,曝 光,掩模版,紫外光,顯影、堅膜,腐 蝕,去 膠,勻膠,正膠和負(fù)膠,曝光,掩膜版,紫外光,顯影,正膠感光區(qū)域溶于顯影液,負(fù)膠未感光區(qū)域溶于顯影液,光學(xué)曝光的三種曝光方式,接觸式曝光,接近式曝光,投影式曝光,接觸式曝光,接觸式曝光是掩膜板直接同光刻膠接觸，它具有設(shè)備簡單、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。它分成真空接觸、硬接觸和軟接觸三種方式，其中真空接觸具有接觸力均

8、勻、掩膜變形小和可以消除氧氣對光刻膠的影響等優(yōu)點(diǎn)。由于接觸式曝光時掩膜版同光刻膠直接接觸，所以掩膜版容易損傷，圖形缺陷多、管芯成品率低、不適合VLSI生產(chǎn)。,接近式曝光,接近式曝光是掩膜版同光刻膠離開10 50 m，所以掩膜版不容易被損傷，掩膜版的使用壽命長，圖形的缺陷少，管芯的成品率高，但是缺點(diǎn)是分辨率低，同時機(jī)器操作比接觸式曝光機(jī)復(fù)雜、價格也稍貴。,投影式曝光,光刻工藝中的投影式曝光分1 : 1、4 : 1、5 : 1幾種。 投影式曝光的掩模版同硅片不接觸，對于4:1、5:1縮小的投影曝光，可以得到更小的圖形尺寸，可以減少掩模版上缺陷（如灰塵等顆粒）對成品率的影響。 stepper是IC制

9、造工藝中最重要的設(shè)備，也是最昂貴的設(shè)備，,特殊的光刻工藝,LIGA技術(shù),剝離技術(shù)（Lift Off）,膜的工藝要求, 好的臺階覆蓋（step coverage）能力。, 填充高的深寬比間隙的能力。, 好的厚度均勻性。, 高純度和高密度。, 受控制的化學(xué)劑量。, 高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力。, 好的電學(xué)性能。, 對襯底材料或下層膜好的粘附性。,4. 薄膜工藝,4.1 CVD法制作SiO2薄膜,APCVD、LPCVD、PECVD或?yàn)R射等方式都可以得到SiO2薄膜。這種制作二氧化硅薄膜的方法同硅的熱氧化制作二氧化硅有著本質(zhì)上的區(qū)別：前者是同襯底材質(zhì)沒有關(guān)系，二氧化硅是淀積到襯底上去的；后者是硅襯底

10、直接同氧或水在高溫下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成二氧化硅。,采用LPCVD、PECVD或?yàn)R射等方式制作薄膜的最大優(yōu)點(diǎn)是工作溫度比較低，其中LTO 的工作溫度是620左右， PECVD方式淀積SiO2的溫度可以在200 以下。不同的淀積方式、用不同的源淀積的SiO2在密度、折射率、應(yīng)力、介電強(qiáng)度、臺階覆蓋和腐蝕速率等各方面性能上都有很大差別。濺射方式制作SiO2薄膜 的溫度低、質(zhì)量好，但是效率低、成本高。,Si3N4在器件制造中可以用作鈍化膜、局部氧化擴(kuò)散掩膜、硅濕法腐蝕的掩蔽膜、絕緣介質(zhì)膜以及雜質(zhì)或缺陷的萃取膜。它最重要的性質(zhì)是對H2O、O2 、Na、Al、Ga、In等都具有極強(qiáng)的擴(kuò)散阻擋能力。特別是對H

11、2O和Na 的強(qiáng)力阻擋作用，使它成為一種較理想的鈍化材料。,4.2 Si3N4薄膜的性質(zhì),勻膠、曝光、顯影、堅膜、刻蝕Si3N4,去膠、清洗、場區(qū)氧化1m,Si3N4作為硅片高溫局部氧化的掩蔽層,Si3N4 膜, 100/ 111的腐蝕比達(dá)400：1,Si3N4,Si3N4作為硅片濕法腐蝕的掩蔽膜,Si3N4作為硅芯片的保護(hù)膜,鋁焊盤,鈍化層,不同材料的阻鈉能力,雖然Si3N4/Si結(jié)構(gòu)具有最好的阻鈉能力，實(shí)際上由于界面存在極大的應(yīng)力與極高的界面態(tài)密度，所以都采用Si3N4/ SiO2/ Si 結(jié)構(gòu)。,4.3 鋁布線的優(yōu)缺點(diǎn),能長期工作,優(yōu)點(diǎn), 同硅或多晶硅能形成歐姆接觸, 電阻率能滿足微米和

12、亞微米電路的要求, 與 SiO2 有良好的附著性, 臺階的覆蓋性好, 易于淀積和刻蝕,易于鍵合,缺點(diǎn), 在大電流密度下容易產(chǎn)生金屬離子 電遷移現(xiàn)象，導(dǎo)致電極短路。, 鋁硅之間容易產(chǎn)生“鋁釘”，深度可 達(dá)1m，所以對于淺結(jié)工藝很容易造 成PN結(jié)短路。,5.1 濺射,根據(jù)采用的電源種類，等離子體濺射有兩種方式：直流陰極濺射和射頻濺射。 直流陰極濺射是荷能粒子（一般采用正離子）轟擊處在陰極的靶材，把靶材上的原子濺射到陽極的硅片上。,5. 等離子體加工技術(shù)小結(jié),如果靶材是絕緣介質(zhì)或?qū)щ姲猩鲜芙^緣介質(zhì)污染時，相當(dāng)于在等離子體與陰極之間有一個電容器，采用直流電源實(shí)現(xiàn)濺射存在困難，所以對于絕緣靶的濺射一般采

13、用射頻（RF）電源，但是它必須要在硅片與靶之間加一個直流偏壓。,射頻濺射,直流濺射,+,E,C,靶,載片臺,5.2 PECVD,PECVD是讓兩種反應(yīng)氣體在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如：PECVD淀積Si3N4 。,3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2,它的化學(xué)反應(yīng)同LPCVD完全一樣，差別就是反應(yīng)的溫度不同。,射頻濺射,E,C,濺射同PECVD的差別,RF電源,真空泵,反應(yīng)氣體,靶,載片臺,PECVD,濺射通常使用Ar氣，荷能正離子把靶材上的原子濺射到硅片上，而PECVD是兩種反應(yīng)氣體在等離子體中分解為具有高活性的反應(yīng)粒子，這些活性反應(yīng)粒子在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜。,5.3 等離子體

14、刻蝕,物理方法干法刻蝕是利用輝光放電將惰性氣體，例如氬氣（Ar），解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，轟擊被刻蝕物的表面，并將被刻蝕物材料的原子擊出。整個過程完全是物理上的能量轉(zhuǎn)移，所以稱為物理性刻蝕。,物理干法刻蝕,直流濺射,+,靶,載片臺,物理方法干法刻蝕同濺射的差別,RF,陰極,陽極（或離子源）,Ar,抽真空,RIE是反應(yīng)離子刻蝕，它依靠低壓刻蝕氣體在電場加速作用下輝光放電而生成帶電離子、分子、電子以及化學(xué)活性很強(qiáng)的原子團(tuán)，這些原子團(tuán)擴(kuò)散到被刻蝕材料表面，與被刻蝕材料表面原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物并隨氣流被真空泵抽走，從而實(shí)現(xiàn)刻蝕。而PECVD是兩種反應(yīng)氣體在等離子體中分解為具有高活性的反應(yīng)粒子，這些活性反應(yīng)粒子在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜。襯底需要加熱。,RIE同PECVD的差別,生長SiO2,腐蝕SiO2,淀積