硅集成工艺期末复习教材

1、复习? 1、硅片制备的四个阶段 制造 IC 级的硅晶圆分四个阶段进行： 矿石到高纯气体的转变 气体到多晶的转变 多晶到单晶，掺杂晶棒的转变 晶棒到晶圆的制备? 2、如何通过硅片滚磨定形来判断其类型? 3、硅片清洗任务有哪些？三道防线 :净化环境( clean room)硅片清洗( wafer cleaning) 吸杂( gettering )硅片清洗的基本任务粒子金属杂质有机物表面微粗糙度 (栅氧化层厚度小于 100 埃) 自然氧化层栅氧化外延前的最后一步清洗? 4、典型的湿法清洗工艺流程? 5、二氧化硅的性质（ P21）和用途，常见的 介质薄膜 还有？硅工艺中的一系列重要硅基材料：SiO2

2、：绝缘栅 /绝缘 /介质材料；SiO2 的主要性质 ? 密度 ? 折射率 ? 电阻率Si3N4 ：介质材料，用作钝化 /掩蔽等； 多晶硅：可以掺杂，导电； 硅化物：导电，作为接触和互连 2.20g/cm3 SiO2 致密程度的标志1.46 密度大，折射率大1016 欧姆 .cm 与制备方法，掺杂有关2? 介电强度? 介电常数106-107 V/cm表征电容性能的一个重要参数? 腐蚀SiO2+6HF H2(SiF6)+2H2O? 6、什么是线性氧化和抛物线氧化极限3? 7、弄清恒定表面源扩散与有限表面源扩散1、恒定表面源的扩散 特点：表面浓度始终保持不变，为 Cs 初始条件： t = 0 x 0

3、 处 C(x, t) = 0 边界条件： t 0 x = 0 处 C(x, t) = Cs解方程，得恒定扩散方程的表达式C(z,t) CS erf2c Dtt 0 x C(x, t) = 0C(x, t) 某处 t 时，杂质浓度 Cs表面杂质浓度，取决于某种杂质在硅中的最大固溶度erfc 余误差函数Dt 称为特征扩散长度4恒定表面源扩散的主要特点1. 主要分布形式：扩散时间越长，杂质扩散距离越深，进入衬底的杂质总量越多。2. 恒定表面源的扩散的表面杂质浓度 Cs 基本由杂质在扩散温度 （9001200）下的固溶度决定， 而固溶度 随温度变化不大。3. 如果扩散杂质与原有杂质的导电类型不同则在两

4、种杂质浓度相等处形成pn 结xj 2 Dterfc 1 CBA DtCS影响结深的因素D 与 T 有关， T 上升 10 C D 上升 1 倍 T对 D的作用较 t大 xj 又和 A，即 Cs/Cb 有关Cb Cb 上升 xj 下降Cs 余误差分布 Cs 上升， Q 上升， xj 上升但 Cs 和 T 关系不大，所以一般不以提高 Cs 来增加 高斯分布 Cs上升， Q不变的话，则 xj 下降。T 1 C D 差 10 则 xj 差 5% 所以 T 的误差必须 1 C。xj。2、有限表面源扩散在整个扩散过程中，已形成的扩散杂质总量作为扩散的杂质源，不再有新源补充，其初始条件和边界条件为 C(x,

5、t) 0, x 00 C( x, t) dx TQ C( ,t ) 0费克第二定律的解是高斯分布C(x,t)QT e x2 4DtDt表面浓度 Cs 随时间而减少QCS C( 0,t ) QTDt有限表面源扩散的特点1.主要分布形式 ：扩散时间越长， 浓度可以控制杂质扩散距离越深，表面杂质浓度越低有限表面源扩散 Xj 为 xj 2 Dt.衬底的杂质总量不变表面杂质CSlnSA DtCB? 8、硅外延的反应，自掺杂效应气相外延（ VPE） 液相外延（ LPE ） 固相外延（ SPE） 分子束外延（ MBE）按反应室分类 : 卧式、立式、桶式6系统和工序自掺杂效应7外延层中的缺陷：硅的选择外延生长

6、：衬底裸露出硅的部份可以淀积生长硅外延层，而表面为氧化硅或氮化硅的区域不会同时淀积非晶硅。最初的目的是想获得一种先进的介质隔离结构。在 SiCl4 中加入 HCl 会防止在二氧化硅掩蔽层上硅核的成形和硅的生长? 9、光刻基本工艺流程1、衬底处理 a)表面清洁度b) 平面度c) 增粘处理；8高温烘培；增粘剂处理：二甲基二氯硅烷和三甲基二硅亚胺2、涂胶旋转涂胶 精确控制转速，加速度提供具有一定厚度和均匀性良好的光刻涂胶层a）膜厚对分辨率的影响膜越厚分辨率越低，但为了减少针孔，又需要膜厚。负胶的膜厚 /线宽比为 1： 21： 3 正胶的膜厚 /线宽比为 1： 1b）膜厚对针孔密度的关系c）膜厚对粘附

7、力的影响 如膜太厚，曝光被上层胶吸收，引起下层光刻胶曝光不足，在显影时下层胶会膨胀甚至溶解，影响光刻 胶和衬底的粘附。3、前烘 方式：热板和红外等 作用： 去除光刻胶中的溶剂改善胶与衬底的粘附性，增加抗蚀性，防止显影时浮胶和钻蚀 但不能发生热胶联关系到光刻的分辨率、条宽控制、套准精度4、曝光（套准 ）5、显影 develop 方法：湿法显影；干法显影 湿法显影液应具备的条件： *应去除的胶膜溶解度大，溶解的快 *对要保留的胶膜溶解度小，溶解得慢 *有害杂质少毒性小显影后要在显微镜下检查：*图形套准情况*边缘是否整齐*有无残胶，皱胶，易浮胶，划伤等湿法显影的缺点：*显影液向抗蚀剂中扩散，刻蚀图形

8、溶胀*显影液组份变化，引起显影液特性变化干法显影利用抗蚀剂的曝光部分和非曝光部 分在特定的气体等离子体中有不同 的反应，最后去除未曝光的部分 （或曝光的部分） ，将曝光部分 （或未曝光部分）保留一定厚度* 硅片易沾污，作业环境差 *产生大量废液6、后烘 post-bake(竖膜) 在一定温度下，将显影后的片子进行烘焙，去除显影时胶膜所吸收的显影液和残留水分，改善光刻胶的粘 附性和抗蚀能力 。7、腐蚀 etch 去除显影后裸露出来的介质层(如 SiO2,SiN4,多晶硅， Al 等) 腐蚀要考虑的问题(1)均匀性(2)方向性(3) 选择性 本身材料和下层材料的腐蚀速率比(4)腐蚀速度 (5)公害

9、和安全措施(6)经济性8、去胶 strip溶剂去胶 H2O2:H2SO4=1:3氧化去胶 450 度 O2+ 胶 CO2 +H2O高频电场 O2 电离 O O O 活性基与胶反应 CO2 CO H2O? 10、光刻胶分类，曝光方法分类? 光刻胶分类 :正胶 : 曝光部分由光产生分解，可被溶解，从而得到掩膜版正影象。负胶：曝光部分由光产生交联，未曝光部分可被溶解，得到掩膜版负影象。曝光方法 曝光有多种方法：光学曝光就可分为接触式、接近式、投影式、分步重复曝光。 此外，还有电子束曝光和 X 射线曝光等。曝光时间、氮气释放、氧气、驻波和光线平行度都会影响曝光质量。? 11、图形转移的要求(主要是保真

10、度、选择性、均匀性)1、保真度 (各向异性度 Af)横向和纵向腐蚀速率的差异程度影响分辨率定义： Af 1 V1/V2V1 和 V2 分别表示横向和纵向腐蚀速率10Af 小 各向异性腐蚀程度小Af 大 横向腐蚀小当 1 Af 0 范围内，代表各向异性腐蚀2、均匀性 关系到工艺重复性和可靠性厚度差异 : 平均厚度 h，厚度变化因子 ， 1 0，最厚处 h*（1+ ）,最薄处 h*（1 ）刻蚀速率差异 : 平均刻蚀速率 V ，速度变化因子 ， 1 0，最大速度 V*（1+ ）,最小速度 V*（1 ）TMTm h*(1 d) / V*(1 x) h*(1 d) / V*(1 x)要求 : 粗细线条兼

11、顾，折中 过腐蚀如超过 Ws=Wr 这一点还继续进行腐蚀，就出现过腐蚀 ? 一般情况，都要求过腐蚀，以保证所有窗口干净 ? 有些情况需过腐蚀，弥补薄膜的不均匀性3、选择性 S （腐蚀终止比） 不同材料的腐蚀速率之比 掩膜选择性膜与胶的腐蚀速率比 衬底选择性膜与衬底的腐蚀速率比 S 值大，工艺性愈好S 值大小，取决于膜和衬底材料、所用气体的学成分、 设备类型和工艺条件 S 值大并不意味着腐蚀边缘陡直 采用大的 S 值，可允许较大的过腐蚀，以补偿设备的均匀性差的不足? 12、 Al 金属化的问题（电迁移、铝钉现象等）11金属化对材料的要求(1) 好的界面特性(粘附性、界面态等)(2) 热、化学稳定

12、性(3) 电导率高(4) 抗电迁移性强(5) 接触电阻小(6) 易加工(沉积、刻蚀、键合)(7) 多层间绝缘性好(扩散阻挡层)Al 在 IC 中的应用最常用的连线金属 第四佳的导电金属Ag 1.6 mW cmCu 1.7 mW cmAuAlAl 与 SiO2 反应：2.2 mW cm2.65 mW cm4Al+3SiO2 2Al2O3+3Si反应可以改善Al/Si 欧姆接触电阻；增强Al 引线与 SiO2 的黏附性。Al 金属化存在的问题：( 1)大电流密度下，有显著的电迁移现象( 2)高温下， Al 和 Si、SiO2 会发生反应，产生 “尖锲 ”现象。( 1 )电迁移Al 为多晶材料，包含

13、很多单晶态晶粒。大电流密度下， Al 原子沿电流方向的定向迁移，多沿晶粒边界。 电迁移造成短路或断路，造成器件失效，影响 IC 可信度。 平均失效时间 MTF ：50%互连线失效的时间AMTF 2 expCJ 2 KT式中 A 金属条横截面积 (cm2)J 电流密度 (A/cm2)金属离子激活能 (ev)k 玻尔兹曼常数T 绝对温度C 与金属条形状、结构有关的常数电迁移改善方法：121)竹状结构：晶粒边界垂直于电流方向。2) Al-Cu ， Al-Si-Cu 合金：少量 Cu 的加入可以显著改善抗电迁移性能(3) 三明治结构 :两层铝膜之间夹一层过度金属层 ,400度退火 1小时 ,在铝膜之间

14、形成金属化合物。(2) Al 的 “尖锲 ”现象硅不均匀溶解到 Al 中，并向 Al 中扩散，形成腐蚀坑 ，Al 相应进入 Si 中，形成 “尖锲 ”。实际上，硅在接触孔内并不是均匀消耗 的，往往只是通过几个点消耗Si ，因此这些地方的深度很大， Al 在这里象 尖钉一样锲入 Si 中，使 pn 结失效， 实 际深度往往可以超过 1um。? 13、铜互连工艺流程Cu 互连工艺中的关键技术：工艺步骤：1)沉积刻蚀阻挡层2)沉积介质层3)光刻制备引线沟槽4)光刻制备接触孔5)6)7)溅射势垒层和籽晶层 沉积 Cu 金属层 CMP 金属层Cu 的沉积技术低K 介质材料的选择和沉积 势垒层材料的选择和

15、沉积技术Cu 的 CMP 平整化技术 大马士革(镶嵌式)结构的互连工艺 可靠性问题? 14、多晶硅 / 金属硅化物栅的优点、自对准工艺1、多晶硅：栅极与局部互连材料1970 年代中期取代 l 而成为栅极材料13具高温稳定性? 离子注入后的高温退火所必须的? 源漏自对准特性重掺杂LPCVD 沉积 自对准栅技术加离子注入可以大幅减小掺杂横向效应引起的覆盖电容，提高工作频率。多晶硅栅取代 l 栅，由于栅与衬底 Si 的功函数差减少， 可以使 PMOS 的开启电压 VT 绝对值下降 1.2-1.4V 左右。开启电压 VTX 降低后，器件充放电幅度降低，时间缩短，从而也可提高工作频率。开启电压 VTX

16、降低，整个电源电压和时钟脉冲电压都可以降低，因而降低了 IC 功耗，提高集成 度。多晶硅可作为互连引线； 电阻率：多晶硅 难熔金属硅化物 难熔金 属AlCu 当电路的特征尺寸小于 2 m 时，掺杂多晶硅就不适用作互连材料。必须采用比多晶硅低得多的电 阻率，而同时又能保持多晶硅原有的工艺兼容性的材料。2、金属硅化物 金属硅化物的电阻率比多晶硅低得多（约十分之一） 高温稳定性好抗电迁移能力强 可在多晶硅上直接沉积难熔金属制备，与现有硅栅工艺兼容 TiSi2, WSi2, MoSi2 和 CoSi2 等适合作栅和互连材料； PtSi 和 PdSi2 则主要用于作欧姆接触材料。TiSi2 和 CoSi

17、2 的自对准工艺：? 溅射剥离从衬底表面去除原生氧化层? Ti 或 Co 沉积? 退火形成金属硅化物? Ti 或 Co 不与 SiO2 反应 ,金属硅化物在硅和 Ti 或 Co 接触处形成? 去除 Ti 或 Co? 选择性再次退火以增强电导率? 15、 MOS 的自隔离MOS IC 的基本隔离技术? MOS 晶体管是自隔离，因此相对双极器件有较高的密度 但邻近的器件会有寄生效应 ? 希望场区的 VT 大， VT 要高于电源电压 34V ，保证寄生 MOS 管的电流小于 1PA。 ? 器件间距近或温度升高均会使 VT 下降 T 从 25 C 125 C VT 下降 2V 增加场区 VT 的方法场氧化层增厚，是栅氧化层的 710 倍 场氧化区下面增加掺杂浓