半导体工艺基础-集成电路

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1、集成电路及微机械加工技术 -半导体集成电路工艺基础 张正元,提纲 一、 概论 二、 工艺流程实例（图解） 三、 基本单项工艺技术 1、 扩散掺杂 2、 离子注入掺杂 3、 氧化薄膜生长 4、 CVD薄膜生长 7、 金属化（PVD）薄膜，互连 5、 光刻图形转移 6、 刻蚀形成图形 8、 清洗 四、工艺集成开发,集成电路制造工艺的技术性和实用性强，涉及面广，发展依赖于基础材料、器件物理、工艺原理、电子光学、离子光学、电子计算机技术、超净和超纯技术、真空技术、自动控制、精密机械、冶金化工等方面的新成果。,一、 概论,(一)、集成电路工艺技术的发展规律 Intel 公司创始人摩尔于1975 年总结出

2、IC 工业发展的一个重要规律，即摩尔定律：IC 的集成度将每年翻一番。1980年摩尔定律被修改为： IC 的集成度每1.5年翻一番，即每3年乘以4。 IC 发展的另一些规律为： 建立一个芯片厂的造价也是每3年乘以4。 线条宽度每4 6 年下降一半。 芯片上每个器件的价格每年下降30% 40% 。 晶片直径的变化： 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)。,(二)、集成电路的发展展望 目标：集成度 、可靠性 、速度 、功耗 、成本 。 努力方向：线宽 、晶片

3、直径 、设计技术 。,美国1992 2007 年半导体技术发展规划,美国1997 2012 年半导体技术发展规划,世界硅微电子技术发展的预测,可以看出，专家们认为，至少在未来10年内，IC 的发展仍将遵循摩尔定律，即集成度每3年乘以4 ，而线宽则是每6 年下降一半。 硅技术过去一直是，而且在未来的一段时期内也还将是微电子技术的主体。目前硅器件与集成电路占了3000多亿美圆的半导体市场的95% 以上。,二、工艺流程实例,1、以工艺分： 双极（Bipolar），互补双极（Complementary Bipolar） MOS（ 硅/铝栅,自/非自对准CMOS，VDMOS ） BiCMOS（ BiCM

4、OS，CBiCMOS ）、BCD 2、以隔离技术分： PN结隔离、LOCOS、深/浅槽隔离、SOI隔离 3、以材料分： 体硅，SiGe，AsGa，SOI（衬底）等 4、以应用分： 模拟IC、数字IC 、混合信号IC、RF、微波IC等,常见单片IC工艺流程,硅栅非自对准CMOS工艺流程,注入预氧,N-,PSD硼注入,Poly淀积,掺杂工程： 热扩散、离子注入/退火、中子嬗变等 薄膜制备： 包括氧化、蒸发、CVD 、溅射(PVD) 等 图形的转移与形成： 包括光刻、刻蚀等工艺,三、基本单项工艺技术,1.1 概述 扩散是将一定数量和一定种类的杂质掺入到硅片或其它晶体中，以改变其电学性质，并使掺入的杂

5、质数量和分布情况都满足要求。这是一种基本而重要的半导体技术。扩散工艺用于形成双极器件中的基区、发射区和集电区、MOS器件中的源区与漏区，扩散电阻、互连引线以及多晶硅掺杂等。 浓度的差别越大，扩散越快；温度越高，扩散也越快。,1、扩散掺杂,间隙式杂质 （杂质原子半径较小）,替位式杂质 （杂质原子与本体原子电子壳层和价电子数接近， 半径大小相当）,1.2 扩散机构,半径较小的杂质原子从半导体晶格的间隙中挤进去，即所谓 “间隙式” 扩散；半径较大的杂质原子代替半导体原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散，即所谓 “替位式” 扩散。 对硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni 等半径

6、较小的杂质原子按间隙式扩散，而 P、As、Sb、B、Al、Ga、In 等半径较大的杂质原子则按替位式扩散，间隙式扩散的速度比替位式扩散的速度快得多。,1.3 扩散系数与扩散方程 （一）、费克第一定律扩散定律 一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数即扩散流密度jp( x, t )与粒子的浓度梯度成正比。 扩散系数D与温度T（K）之间有如下指数关系： D = De E/kT,（二）、费克第二定律扩散方程,体积元内杂质变化量：,式中假定D为常数，与杂质浓度 N( x, t )无关，x 和 t 分别表示位置和扩散时间。针对不同边界条件求出方程的解，可得出杂质浓度 N 的分布，即 N 与 x

7、 和 t 的关系。 两种扩散方式,恒定表面源扩散 有限表面源扩散,A、恒定表面源扩散,在整个扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度始终保持不变。杂质浓度分布呈余误差分布。,恒定表面源扩散的主要特点如下： （1）表面杂质浓度Ns 由所扩散的杂质在扩散温度下（9001200）的固溶度决定。 （2）扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数量越多。 （3）扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置： 称为 “ 扩散长度 ”,（4）杂质浓度梯度： 对公式求导，可得出浓度梯度为：,将公式代入，可得结深处的杂质浓度梯度为：,结论： 1、NB 和 Ns 一定，PN 结越深，结深处的杂质浓度

8、梯度就越小；2、在相同扩散条件下，Ns 越大或D 越小的杂质，扩散后的浓度 梯度将越大。,B、有限表面源扩散 扩散开始时，表面薄层内的杂质总量一定，而在以后的扩散过程中不再有杂质加入，此种扩散称为有限源扩散。,有限源扩散的杂质分布为高斯分布，其表达式为：,有限源扩散的特点如下： （1）杂质分布：扩散时间越长，杂质扩散得越深，表面浓度越低；扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多； （2）在整个扩散过程中，杂质总量 Q 保持不变。 （3）表面杂质浓度可控，任何 t 时刻的表面浓度为： （4）结深： 根据 NB = N（xj , t），可求出结深为：,上式中A与比值（Ns

9、 /NB）有关，其数值可从高斯分布的计算曲线求得。 表面浓度 Ns 与扩散深度成反比，扩散越深，则表面浓度越低；NB 越大，结深将越浅； （5）杂质浓度梯度：,（三）、两步扩散 恒定表面源扩散，难于制作低表面浓度的深结； 有限表面源扩散，难于制作高表面浓度的浅结。 为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实 际生产中常采用两步扩散工艺： 第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式在硅片表面扩散一层杂质原子，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量； 第二步称为再扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。,1.4 杂质的扩

10、散方法 扩散方法很多，按所用杂质源的形式来分，有： 固态源扩散、液态源扩散、气态源扩散； 按所用扩散系统的形式来分，有： 开管式扩散、闭管式扩散、箱法扩散以及涂源法扩散。 (一)、硼扩散 扩硼的杂质源均是先分解或化合产生 B2O3 ，再与表面硅反应产生单质B 并向硅内扩散。 2B2O3 + 3Si 4B + 3SiO2 B2O3的性质,(二)、磷扩散 磷扩散源很多，其共性在于先生成P2O5 ，再与硅反应生成单质磷向硅内扩散。 2P2O5 + 5Si 4P + 5SiO2 1、磷的固态源扩散 2、磷的液态源扩散 3、磷的气态源扩散 (三)、砷扩散 (四)、锑扩散 (五)、金扩散,1.5 杂质扩散

11、后结深和方块电阻的测量 (一)、结深的测量 测量结深的方法主要有磨角法、磨槽法和光干涉法。 1、磨角法 首先将扩散片磨成斜角（15），然后采用染色液对表面染色以区分N区和P区的界面位置。常用的染色液是浓氢氟酸加0.10.5体积的浓硝酸的混合液。最后通过以下两个公式可求出结深：,2、磨槽法 适用于测量浅结。 其中，R 是磨槽圆柱体的半径，a 和 b 由显微镜测出。若R 远大于 a 和 b，则 近似为：,3、光干涉法,(二)、扩散层电阻,半无穷大样品： 样品尺寸有限：,离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。 2.1 离子注入设备 由以下几个部分组成： 离子源 质量分析器 加速器 中性束偏移器 聚

12、焦系统 偏转扫描系统 工作室,2、离子注入掺杂,2.2 注入离子的浓度分布与退火 离子注入过程：入射离子与半导体的原子核和电子不断发生碰撞，从而损失其能量，经过一段曲折路径的运动，最后因动能耗尽而停止在半导体中的某处。,(一)、注入离子浓度分布 注入剂量，单位为cm-2 RP 是平均投影射程， RP为射程偏差，与注入能量有关。,注入离子浓度分布的特点： 1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处： (1) 注入离子的剂量越大，浓度峰值越高； (2) 注入离子的能量E（20200 KeV）越大，RP 、RP 相应越大，浓度峰值越低。 2、在x = RP 处的两边，注入离子浓度对称地下降，且下降速度

13、越来越快。,表3.1 硅中离子注入能量(KeV)与射程()的对应关系,(二)、晶格损伤与退火 1、晶格损伤 由离子注入所引起的空位和间隙原子对等点缺陷称为晶格损伤，与注入离子的能量、质量、剂量、靶温和靶材料等有关。 (1) 在相同的入射能量和相同的靶材料下，轻离子注入损伤密度小，但区域较大；重离子注入损伤密度大，但区域很小； (2) 注入剂量增大，靶的晶格损伤越严重。 (4) 注入剂量一定时，剂量率（单位时间通过单位面积注入的离子数）越高，注入时间越短； (5) 避免沟道渗透效应，沿某一晶向入射离子优于随机入射，偏离晶向5左右。,2、退火 目的：消除晶格损伤，并且使注入的杂质转入替代位置而实现

14、电激活。 (1) 热退火 温度范围：6001200。低温长时间 + 高温短时间。 (2) 快速退火 采用脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、连续波激光、宽带非相干光源（如卤灯和高频加热）等退火，特点是瞬时内使晶片的某个区域加热到极高的温度，并在较短的时间内（10 -310 -2S）完成退火。,2.3 离子注入的特点及参数 （一）优点 1、离子注入扩大了杂质的选择范围；掩蔽膜可用SiO2、金属膜或光刻胶。 2、注入温度一般不超过400，退火温度也较低（650），避免了高温 过程带来的不利（如结的推移、热缺陷等）。 3、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度，易制作极低浓度和 浅结。 4

15、、离子注入可选出单一的杂质离子，保证了掺杂的纯度。 5、离子注入的横向扩散很小，集成度高，高频特性好。 6、剂量在10111017离子/cm2较宽的范围内，同一平面内杂质分布的均匀性。 7、无固溶度限制。,（二）缺点 1、高能注入形成晶格缺陷、损伤； 2、注入设备复杂。,（三）、离子注入参数 1、剂量,2、能量：决定射程（投影射程Rp，标准偏差 ),3.1 SiO2 的结构、性质和用途 (一)、结构 分为结晶形和无定形两类。结晶形SiO2 由 Si O 四面体在空间规则排列而成，如石英、水晶等；无定形SiO2 是Si - O四面体在空间无规则排列而成，如热生长 SiO2 、淀积 SiO2 等。

16、 无定形SiO2 中硅原子要运动须打断四个Si - O键，而氧原子的运动最多打断两个Si - O键，因此，氧空位的出现易于硅空位。氧化的过程均是含氧的氧化剂穿过 SiO2 层到达Si-SiO2 界面与 Si反应生成 SiO2 。,3、氧化,(二)、SiO2 的主要性质 1、物理性质,2、化学性质 化学性质非常稳定，仅被 HF 酸腐蚀。,(三)、SiO2 膜在集成电路中的应用 1、用作选择扩散的掩膜； 2、用作表面保护及钝化； 3、用作绝缘介质（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质等）； 4、离子注入中用作掩蔽层及缓冲介质层等。,3.2 SiO2 的掩蔽作用 (一)、杂质在 SiO2 中的扩散系数 其中：E为杂质在 SiO2 中的扩散激活能；D0为表观扩散系数。 SiO2 中杂质扩散系数：B 、P 、As 、Sb 、Au 等扩散系数较小；Ga 、Na 、K 、H2 、H2O 等扩散系数较大。 SiO2 层为无定形体，不是晶体，故杂质在 SiO2 中不存在固溶度的概念。,