集成电路与器件工艺原理

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1、集成电路与器件工艺原 理外延工艺 一。定义和用途 1.外延：指在单晶衬底上生长一层新单 晶的技术。因是由衬底向外延伸，故称 外延。 2.用途：根据需要，在单晶衬底上形成掺 杂类型不同或掺杂浓度不同的均匀掺杂 单晶层。 硅的气相外延原理：利用硅的气态化合 物，在加热的硅衬底表面，与 H2发生反 应或自身发生热分解，还原生成硅，以 单晶形式淀积在衬底表面。 反应方程： SiCl4 +2 H2 = Si+ 4HCl; 四氯化硅 Si H2Cl2 = Si + 2HCl. 二氯二氢硅 第二种源优点：外延温度低，缺陷少， 外延质量高。外延设备主体反应室分卧式、立式、桶式 外延过程：装片通N2赶气通 H2

2、通 电源、通水冷 H2处理HCl气相腐蚀 赶HCl，炉温调至外延生长标准外延 生长（通 H2、硅源、掺杂气） H2清 洗（关硅源、掺杂气）关电源降温 通N2赶 H2冷却取片检验。外延工艺的体缺陷 层错的形成:局部原子层错排：（1，1， 1） 面上显示正三角形，（1，0，0）面上显 示 正方形。实际上是正三棱锥和正四棱锥 （象倒金字塔）。 100面层错111面层错 外延层测量： 1、厚度测量：层错法、C-V法、红外椭 圆 仪法、红外反射干涉法等。 2、 电阻率测量：四探针法、三探针法、 C-V法。四探针法测电阻率 测试原理实际上是根据欧姆定律来测 中间两针间的电压。 外延工艺的特有质量问题： 自

3、掺杂效应：衬底的杂质在外延过程中 逸 出，掺入外延层中，造成电阻率失常甚 至 反型。 防止：生长过度层，降低外延温度。 外延工艺的优点： 高效率的获得较厚的均匀掺杂单晶层。 不存在两种杂质相互补偿问题，PN结两 边 杂质分布为突变结 外延工艺的优点： 高效率的获得较厚的均匀掺杂单晶层。 不存在两种杂质相互补偿问题，PN结 两边杂质分布为突变结 氧化工艺一.氧化工艺：在高温炉中，使硅晶体表面 生成一层氧化层的工艺。 二. 氧化层的作用: 1.掩蔽作用:磷、硼等杂质在SiO2中的扩散速度 较Si中慢很多，于是可用SiO2来进行掺杂时的 掩蔽。 2SiO2的表面保护和钝化作用：可防止外部环 境影响产

4、品性能，钝化表面，消除表面态，防 钠离子沾污.（Si片表面很容易生成SiO2，是它 的大优点，形成了一套完整的平面工艺.） 3.MOS管的栅极绝缘材料；IC电容的层间介质 。 三SiO2的性质：具有很好的电绝缘性 ， 电阻率达10的1517次方欧姆厘米。对各 种 酸、碱气氛有耐受性，但不耐HF腐蚀。 热生长氧化膜是非晶态无定型结构，比 较 疏松，只有四成空间被SiO2分子占据， 密 度较低。二氧化硅的显微结构 四热氧化膜生长机理： 1. 干氧氧化：Si + O2 = SiO2 2.水汽氧化：Si + H2O = SiO2 + H2 3湿氧氧化：是上述两项的结合。在向 氧化炉中通O2时，让其从9

5、5的氧化水 瓶中鼓泡后进入。 4氢氧合成水汽氧化：将高纯 H2和O2 分别通入炉管，使其燃烧成水汽，对硅 片进行氧化。2 H2 +O2 = 2 H2O。 一般 氢：氧=2：1即可，但实际上O2是 过量的，防止发生危险。这样，其实质 也是一种湿氧氧化。炉口装有燃烧部（ 注入器），配有报警系统，当氢氧比例 失调，或温度低于 H2燃烧点时，就会关 断 H2，充入N2。 优点：由于 H2和O2纯度可以很高，因此 合 成的水汽中Na+含量可低于0.1PPB。氧 化 层质量高，均匀性好。 注意事项： H2喷口温度必须高于585， 管道严禁泄露，开工时要先用N2充满炉 管，后按O2 H2的顺序通气，完工时

6、按 H2O2的顺序关气，然后用N2清 扫。 氧气要过量。 氢氧合成水汽氧化 5热氧化的微观过程和氧化速率。 微观过程：氧化过程中，O2和 H2O分子 总 要穿过已经形成的SiO2层，继续向下穿 越，到达SiO2Si界面，形成新的SiO2层 。 因此氧化是越来越慢的。由于氧分子穿 越 速度慢，故干氧氧化较慢。随着炉温的 提 高，氧化速度将加快。 6对于较短时间氧化，氧化层厚度tox近 似 与时间成正比。对于较长时间氧化，氧 化 层厚度tox与时间的开方成正比 用TCA(三氯乙烷）进行的掺氯 氧化 7掺氯氧化：Cl元素在SiO2Si界面可同 硅的悬挂健结合，减少界面态。Cl在 SiO2中可俘获Na

7、+，可与重金属杂质生 成氯化物气体排出，并减少热氧化层错 。 C2H3CL3 + O2 = CL2 + HCL + CO2 + H2O; HCL + O2 = CL2 + H2O. .氧化膜厚度测量：可用测厚仪测。SiO2 膜 的颜色随厚度变化，呈现红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫的周期性变化，有经验 工 人可粗略判断氧化层厚度。这称为比色 法.掺杂工艺（1）-扩散工艺 定义：在高温炉中，通入含有所需杂质 的 气体，使该杂质向硅晶体体内扩散。 用途：形成特定的P型或N型区。 扩散过程 1.恒定表面源扩散：通源扩散过程。 2.有限表面源扩散：实际上是杂质的再分 布（驱入）。 扩散方法： 液-固扩散；

8、 气-固扩散； 固-固扩散（实质上最终都是气-固）我公司目前扩散工艺： 1.硼的液-固扩散：BBr3的扩散： 4 BBr3 + 3O2 = 2B2O3 + 6 Br2， B2O3则作为扩散源： 2B2O3 + 3Si = 4B + 3SiO2。 注意事项：该源怕潮、怕光，有毒，注 意排风。 优点：该源的蒸汽压较高，可得到较高 表面浓度。.磷的液-固扩散：POC l3的 扩散 4 POCl3 + O2 = P4O10 + 6CI2， P4O10是P2O5的双聚分子，继续发生下 列反应： P4O10 + 5Si = 5SiO2 + 4P。 使用方法：大N2和O2直接进炉，小N2携 带源进炉。 3.

9、注意事项：该源怕潮，有毒，注意排风 。 优点：可得到较高表面浓度，老牌源，工 艺成熟。扩散参数的测量： 一般用四探针法测出Rs,称为方块电阻， 通过它可判断扩散浓度的大小。5掺杂工艺（2）-离子注入 工艺 一.离子注入原理：在接近真空的条件下, 将 待掺杂元素电离成正离子，用强电场使 其 加速，获得足够的能量，高速射入硅片 体 内。 二.用途：在硅片上形成特定的P型或N型 区。 三 .离子注入设备：离子源，磁分析器， 加 速管，聚焦和扫描系统，靶室和后部处 理 系统。 四.注入损伤：注入离子和晶格原子碰撞 ， 使其脱离原格点位置。 四.退火：将注入后的硅片在8001000 炉管中烘烤，使离位硅

10、原子在热运动中 归位，消除缺陷。 实验发现： 500600烘烤反而使情况更糟，故在降 温时，应快速通过这一温度范围。 退 火还有另一作用，就是激活所掺杂质原 子。 退火技术的新进展:快速退火技术(RTP技 术). 特点:单片操作. 优点: 1.杂质浓度不变,并100%激活. 2.残留晶格缺陷少,均匀性和重复性好. 3.加工效率高,可达200300片/h. 4.设备简单,成本低. 通道效应及防止:因硅晶体空隙大,个别杂 质 离子可能速度极大,进入硅片深处,造成穿 通. 防止:在硅片表面长薄层氧化层;让注入角 度偏几度. 七公司常用离子源： Sb2O5, 五氧化二锑 ,（也用三氧化二锑 ) BF3

11、, 三氟化硼 PH3, 磷烷 AsH3.砷烷 八.离子注入的优点： 1 可精确控制掺杂浓度和深度。 2 离子注入不存在横向扩散。 3 大面积均匀掺杂。 4 能容易地掺入多种杂质。 5 掺杂纯度较高。 九.离子注入的缺点： 1 成本较高。 2 有注入损伤，若退火不当，会应响成 品 率。.光刻工艺 一.光刻的基本原理：分“图形转移”和“刻 蚀”两步。类似照相制版，在硅片上涂对 光敏感的“光刻胶”，光透过光掩模版（光 罩）-相当于底版，照在光刻胶上，形 成“潜影”，经显影后完成“图形转移”。再 对光刻胶刻出的窗口”进行刻蚀，光刻工 作即告完成。在离子注入工序，光刻胶 还可充当掩蔽膜的角色。 二.用途

12、：在二氧化硅膜或其它绝缘膜上 刻 出特定的窗口，将金属层刻成条状内引 线。 三.目前IC制造对光刻的基本要求： 1.高分辨率； 2.高灵敏度的光刻胶； 3.低缺陷； 4.精确的套刻对准； 5.大尺寸硅片。 四.正性光刻胶（光照到处可显掉）。 优点：可刻3微米以下细线条，分辨率高 。缺点：粘附性差，不耐湿法腐蚀，价 格高。 这是邻叠氮醌类化合物。经光照后成为 羧酸（有机酸），可以被碱性的显影液 所中和，反应生成的胺和金属盐可快速 溶解在显影液中。 五.负性光刻胶（光照到处可交联成不溶物 ，显影中保留下来）。优点：价格低，耐 湿法腐蚀，工艺成熟，可选品种多。缺点 ：因负胶在光刻腐蚀液中会膨胀，故刻

13、不 了细线条。 1.聚肉桂酸酯类光刻胶：老牌光刻胶。 2.聚烃类-双叠氮系光刻胶：又称环化橡 胶系光刻胶。其中的双叠氮成分是交联剂 。目前IC制造中常用的负性胶。优点：黏 附性好，耐腐蚀。缺点：曝光后灵敏度会 受O2的影响。 1.制程：预烤涂胶前烘对位曝光 显影检验（ADI）后烘（坚膜）刻 蚀检验 （AEI）去胶。 2.分步讲解： 预烤：在真空烘箱中150左右烘烤，同 时使增粘剂HMDS蒸汽进入，在硅片上 均 布一薄层HMDS，将Si表面由亲水变成憎 水，增强光刻胶与Si表面粘和性能。 HMDS成分：六甲基乙硅氮烷。 涂胶：旋转涂布法，在自动涂胶机上进行 ，每片用胶大约一到几毫升。 前烘；在涂

14、胶机的第二个台位上完成， 热 板传导加热方式，12分钟即可，赶出胶 膜中的有机溶剂，使其固化。 对位曝光：用紫外灯透过光掩模（光刻 版）对胶膜曝光，除第一次光刻外，其 它 各道都存在和前道的对准问题。 显影：对正胶，在四甲基氢氧化铵碱液 中 溶去光照过的胶膜；对负胶，一般是在 芳 香烃类有机溶剂中溶去未被光照过的胶 膜。图形转移即告完成。 F. ADI： 显微镜下检验显影质量。 G. 后烘：在烘箱中将Si片烘干。 .刻蚀（指湿法刻蚀，干法随后再述）： 一般是在SiO2上刻出窗口： SiO2 +4 HF = SiF4 +2 H2O ； 刻Al时则是： H3PO4 + Al = AlPO4 + H2. AEI：刻蚀后检验。 去胶：一般是 H2SO4 + H2O2 中去胶。 但在有铝后，则在MUII（吡咯酮）中去 胶。(干法去胶在干法刻蚀中讲)。七.光刻的主要质量问题： 1.浮胶、钻蚀（光刻胶掀起，旁蚀刻） 。 2 .过蚀刻。 3 蚀刻未净（小岛）。 4 铝线过细。 5 铝线桥接。 6 瞎窗。（尤其是引线孔光刻）。7 铝发黄。 8 对准偏差。 9 引线孔未完全覆盖。 10. 针孔。 .干刻工艺-光刻工艺的新进 展。 湿法腐蚀的缺点： A.使用大量酸液，安全性差，又污染环 境。 B.侧向腐蚀严重，线条做不细。 C.刻Si3N4和多晶硅