集成电路制造工艺及常用设备

集成电路制造工艺及常用设备1.高温氧化工艺1.1硅的热氧化

硅的热氧化是指在高温下，硅片表面同氧气或水进行反应，生成SiO2

。硅的热氧化有：干氧、湿氧、水汽氧化三种。

如果氧化前已存在厚度为t0

的氧化层，则（3-11）微分方程的解为：（tOX

：是总的氧化层厚度）（4-12）式中在各种工艺条件下，参数A和B都是已知的，t是氧化时间。τ

是一个时间参数，单位是小时（h）。（3-13）1.2硅热氧化的厚度计算3.2热氧化原理和方法O2

扩散反应SiO2SiSi+O2=SiO2

硅的热氧化分干氧和湿氧两种。干氧是在高温下氧分子与硅表面的原子反应生成SiO2

。1.3不同的热氧化方式生长的SiO2膜性质比较

●

干氧氧化的SiO2膜结构致密，干燥、均匀性和重复性好、掩蔽能力强、钝化效果好，与光刻胶的接触良好，光刻时不易浮胶。

●

水汽氧化的SiO2膜结构疏松，表面有斑点和缺陷，含水量多，对杂质的掩蔽能力差，所以在工艺中很少单独采用。

●湿氧氧化生长的膜致密性略差于干氧生长的SiO2膜，但它具有生长速率快的优点，其掩蔽能力和钝化效果都能满足一般器件的要求。其缺点是表面有硅烷醇存在，使SiO2膜与光刻胶接触不良，光刻时容易浮胶。同时，湿氧氧化后的Si片表面存在较多的位错和腐蚀坑。

在实际工艺应用中，生长高质量的几百Å的SiO2薄膜一般采用干氧的方式。SiO2薄膜厚度需要几千Å以上时，一般采用干氧—湿氧—干氧的方式，既保证了所需的厚度，缩短了氧化时间，又改善了表面的完整性和解决了光刻时的浮胶问题。

●热氧化生长的SiO2薄膜质量好，但是反应温度比较高。衬底只能用于单晶硅表面。●离子注入可以通过分别调节注入离子的能量、数量，精确地控制掺杂的深度和浓度，所以可以制备理想的杂质分布。离子注入的优点2.离子注入●扩散法掺杂时受到化学结合力、扩散系数及固溶度等方面的限制，而离子注入是一个物理过程，所以它可以注入各种元素。●扩散法是在高温下掺杂，离子注入法掺杂一般在室温下进行（也可以在加温或低温下进行）。●离子注入法可以做到高纯度的掺杂，避免有害物质进入硅片。●热扩散时只能采用SiO2等少数耐高温的介质进行局部掺杂，但是离子注入法可以采用光刻胶作为掩蔽膜，进行局部注入掺杂。●热扩散时，杂质在纵向扩散的同时进行横向扩散，两者几乎一样，而离子注入的横向扩散很小。在离子注注入机中中，利用用电流积积分仪测测量注入入的离子子总数N：式中：NS单位面积积的注入入剂量（（个/cm2），S是扫描面面积（cm2），q是一个离离子的电电荷（1.6××10-19库仑），，Q是注入到到靶中的的总电荷荷量（库库仑），，i是注入的的束流（（安培）），t是注入时时间（秒秒）。电流积分分仪（6-8）如果束流流是稳定定的电流流I，则：（6-9）（6-10）其中：NS单位面积积的注入入剂量（（个/cm2），S是扫描面面积（cm2），q是一个离离子的电电荷（1.6××10-19库仑），，I是注入的的束流（（安培）），t是注入时时间（秒秒）。例题：如如果注入入剂量是是5×1015，束流1mA，求注入入一片6英寸硅片片的时间间t=（1.6××10-19×5×1015×3.14××7.52）/1××10-3=141秒根据公式式（4-6）注入剂量量、标准准偏差和和峰值浓浓度之间间的近似似关系：：（6-14）对于原来来原子排排列有序序的晶体体，由于于离子注注入，在在晶体中中将大量量产生缺缺陷，如如空位等等。对于于高能、、大剂量量的重离离子注入入到硅单单晶中，，如As+，将使局部晶晶体变成非晶晶体。离子注入的损损伤和退火效效应注入的离子在在硅单晶中往往往处于间隙隙位置，一般般不能提供导导电性能，因因此，必须要要使注入的杂杂质原子转入入替位位置以以实现电激活活。注入离子的激激活离子注入后的的热退火高能粒子撞击击硅片表面，，造成晶格损损伤，因此为为了消除离子子注入造成的的损伤和激活活注入的杂质质离子，离子子注入后必须须要进行热退退火。最常用用的是在950℃高温炉中在氮氮气保护下，，退火15～30分钟。热退火火后对杂质分分布将产生影影响，LSS理论的射程RP和标准偏差ΔRp要作修正。光刻胶应该具具有以下基本本性能：灵敏度高；分分辨率高；同同衬底有很好好的粘附性，，胶膜表面沾沾性小；胶膜膜致密性好，，无针孔；图图形边缘陡直直，无锯齿状状；显影后留留膜率高，不不留底膜或其其它颗粒物质质；在显影液液和其它腐蚀蚀剂里抗蚀性性强、抗溶涨涨性好；去胶胶容易，不留留残渣；光刻胶分为正正性光刻胶和和负性光刻胶胶两种：正胶是感光部部分显影时溶溶解掉，负胶胶则相反。3.光刻工艺底膜是指显影影后还有一层层薄薄的胶。。图形转移工艺艺衬底淀积薄膜匀胶、前烘曝光光掩模版紫外光显影、坚膜腐蚀蚀去胶胶正胶负胶匀胶正胶和负胶曝光↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓掩膜版紫外光显影正胶感光区域域溶于显影液液负胶未感光区区域溶于显影影液光学曝光的三三种曝光方式式接触式曝光接近式曝光投影式曝光接触式曝光接触式曝光是是掩膜板直接接同光刻胶接接触，它具有有设备简单、、分辨率高的的优点。它分分成真空接触触、硬接触和和软接触三种种方式，其中中真空接触具具有接触力均均匀、掩膜变变形小和可以以消除氧气对对光刻胶的影影响等优点。。由于接触式式曝光时掩膜膜版同光刻胶胶直接接触，，所以掩膜版版容易损伤，，图形缺陷多多、管芯成品品率低、不适适合VLSI生产。接近式曝光接近式曝光是是掩膜版同光光刻胶离开10～50μm，所以掩膜版版不容易被损损伤，掩膜版版的使用寿命命长，图形的的缺陷少，管管芯的成品率率高，但是缺缺点是分辨率率低，同时机机器操作比接接触式曝光机机复杂、价格格也稍贵。投影式曝光光刻工艺中的的投影式曝光光分1:1、4:1、5:1几种。投影式曝光的的掩模版同硅硅片不接触，，对于4:1、5:1缩小的投影曝曝光，可以得得到更小的图图形尺寸，可可以减少掩模模版上缺陷（（如灰尘等颗颗粒）对成品品率的影响。。stepper是IC制造工艺中最最重要的设备备，也是最昂昂贵的设备，，特殊的光刻工工艺LIGA技术剥离技术（LiftOff）膜的工艺要求求●好的台阶覆盖盖（stepcoverage）能力。●填充高的深宽宽比间隙的能能力。●好的厚度均匀匀性。●高纯度和高密密度。●受控制的化学学剂量。●高度的结构完完整性和低的的膜应力。●好的电学性能能。●对衬底材料或或下层膜好的的粘附性。4.薄膜工艺4.1CVD法制作SiO2薄膜APCVD、LPCVD、PECVD或溅射等方式式都可以得到到SiO2薄膜。这种制制作二氧化硅硅薄膜的方法法同硅的热氧氧化制作二氧氧化硅有着本本质上的区别别：前者是同同衬底材质没没有关系，二二氧化硅是淀淀积到衬底上上去的；后者者是硅衬底直直接同氧或水水在高温下进进行化学反应应生成二氧化化硅。采用LPCVD、PECVD或溅射等方式式制作薄膜的的最大优点是是工作温度比比较低，其中中LTO的工作温度是是620℃左右，PECVD方式淀积SiO2的温度可以在在200℃以下。不同的的淀积方式、、用不同的源源淀积的SiO2在密度、折射射率、应力、、介电强度、、台阶覆盖和和腐蚀速率等等各方面性能能上都有很大大差别。溅射射方式制作SiO2薄膜的温度度低、质量好好，但是效率率低、成本高高。Si3N4在器件制造中中可以用作钝钝化膜、局部部氧化扩散掩掩膜、硅湿法法腐蚀的掩蔽蔽膜、绝缘介介质膜以及杂杂质或缺陷的的萃取膜。它它最重要的性性质是对H2O、O2、Na、Al、Ga、In等都具有极强强的扩散阻挡挡能力。特别别是对H2O和Na的强力阻挡作作用，使它成成为一种较理理想的钝化材材料。4.2Si3N4薄膜的性质匀胶、曝光、、显影、坚膜膜、刻蚀Si3N4去胶、清洗、、场区氧化1μmSi3N4作为硅片高温温局部氧化的的掩蔽层Si3N4膜〈100〉/〈〈111〉〉的腐蚀比达400：1Si3N4Si3N4作为硅片湿法法腐蚀的掩蔽蔽膜Si3N4作为硅芯片的的保护膜铝焊盘钝化层钝化结构SiO2/SiPSG/SiO2

/SiSi3N4

/SiSi3N4/SiO2

/Si可动离子密度(/cm2)＞1013

4.3×1012

6.5×10106.6×1010不同材料的阻阻钠能力虽然Si3N4/Si结构具有最好好的阻钠能力力，实际上由由于界面存在在极大的应力力与极高的界界面态密度，，所以都采用用Si3N4/SiO2/Si结构。4.3铝布线的优缺缺点■能长期工作优点■同硅或多晶硅硅能形成欧姆姆接触■电阻率能满足足微米和亚微微米电路的要要求■与SiO2有良好的附着着性■台阶的覆盖性性好■易于淀积和刻刻蚀■易于键合缺点■在大电流密度度下容易产生生金属离子电迁移现象，，导致电极短短路。■铝硅之间容易易产生“铝钉钉”，深度可可达1μm，所以对于浅浅结工艺很容容易造成PN结短路。5.1溅射根据采用的电电源种类，等等离子体溅射射有两种方式式：直流阴极极溅射和射频频溅射。直流阴极溅射射是荷能粒子子（一般采用用正离子）轰轰击处在阴极极的靶材，把把靶材上的原原子溅射到阳阳极的硅片上上。5.等离子体加工工技术小结如果靶材是绝绝缘介质或导导电靶上受绝绝缘介质污染染时，相当于于在等离子体体与阴极之间间有一个电容容器，采用直直流电源实现现溅射存在困困难，所以对对于绝缘靶的的溅射一般采采用射频（RF）电源，但是是它必须要在在硅片与靶之之间加一个直直流偏压。～射频溅射直流溅射+EC靶载片台5.2PECVDPECVD是让两种反应应气体在衬底底表面发生化化学反应，如如：PECVD淀积Si3N4。3SiH4＋4NH3→Si3N4＋12H2它的化学反应应同LPCVD完全一样，差差别就是反应应的温度不同同。～射频溅射EC溅射同PECVD的差别RF电源真空泵反应气体靶载片台PECVD溅射通常使用用Ar气，荷能正离离子把靶材上上的原子溅射射到硅片上，，而PECVD是两种反应应气体在等等离子体中中分解为具具有高活性性的反应粒粒子，这些些活性反应应粒子在衬衬底表面发发生化学反反应生成薄薄膜。5.3等离子体刻刻蚀物理方法干干法刻蚀是是利用辉光光放电将惰惰性气体，，例如氩气气（Ar），解离成成带正电的的离子，再再利用偏压压将离子加加速，轰击击被刻蚀物物的表面，，并将被刻刻蚀物材料料的原子击击出。整个个过程完全全是物理上上的能量转转移，所以以称为物理理性刻蚀。。物理干法刻刻蚀直流溅射+靶载片台物理方法干干法刻蚀同同溅射的差差别RF阴极阳极（或离离子源）Ar抽真空RIE是反应离子子刻蚀，它它依靠低压压刻蚀气体体在电场加加速作用下下辉光放电电而生成带带电离子、、分子、电电子以及化化学活性很很强的原子子团，这些些原子团扩扩散到被刻刻蚀材料表表面，与被被刻蚀材料料表面原子子发生化学学反应，形形成挥发性性的反应产产物并随气气流被真空空泵抽走，，从而实现现刻蚀。而而PECVD是两种反应应气体在等等离子体中中分解为具具有高活性性的反应粒粒子，这些些活性反应应粒子在衬衬底表面发发生化学反反应生成薄薄膜。衬底底需要加热热。RIE同PECVD的差别生长SiO2腐蚀SiO2淀积多晶硅硅光刻SiO2光刻多晶硅硅Poly-Si6.MEMS器件制造要选择好合合适的牺牲牲层！管芯（Chip）外壳（package）器件（device）＋packaging封装工艺封装就是给给管芯（chip）与线路板板（PCB）之间提供供信号互连连、电源分分配、机械械支撑、环环境保护和和导热通道道。7.封装工艺关于考试1.闭卷考试；；2.考试时间（等通知）3.考试地点（（等通知））4.需要携带计计算器，画画图时可用用直尺也可可不用。9、静夜夜四无无邻，，荒居居旧业业贫。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。22:04:3422:04:3422:0412/29/202210:04:34PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2222:04:3422:04Dec-2229-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。22:04:3422:04:3422:04Thursday,December29,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2222:04:3422:04:34December29,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。29十十二二月202210:04:34下下午午22:04:3412月月-2215、比不了得就就不比，得不不到的就不要要。。。十二月2210:04下下午12月-2222:04December29,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/2922:04:3522:04:3529December202217、做前，能能够环视四四周；做时时，你只能能或者最好好沿着以脚脚为起点的的射线向前前。。10:04:35下下午10:04下午22:04:3512月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。22:04:3522:04:3522:0412/29/202210:04:35PM11、成功就是是日复一日日那一点点点小小努力力的积累。。。12月-2222:04:3522:04Dec-2229-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。22:04:3522:04:3522:04Thursday,December29,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2222:04:3522:04:35December29,202214、意志志坚强强的人人能把把世界界放在在手中中像泥泥块一一样任任意揉揉捏。。29十十二二月月202210:04:35下下午午22:04:3512月月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荆荆门门九九派派通通。。。。。十二二月月2210:04下下午午12月月-2222:04December29,202216、少年十十五二十十时，步步行夺得得胡马骑骑。。2022/12/2922:04:3522:04:3529December202217、空山新雨雨后，天气气晚来秋。。。10:04:35下下午10:04下午22:04:3512月-229、杨柳柳散和和风，，青山山澹吾吾虑。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,20