集成电路中基础器件工艺综述课件

集成电路中基础器件工艺综述

1.BIPOLOR（双极型）IC工艺简介

(1)平面三极管工艺

*制造工艺

掺杂窗口形成：掺杂掩膜的形成+光刻工艺掺杂工艺：扩散或离子注入引线工艺：接触孔形成+淀积金属膜+光刻金属引线+金/半合金表面钝化：淀积钝化膜+光刻键合孔

硅平面三极管截面图

绪论（2）双极型IC工艺

*与三极管工艺的区别——各元件间电学性能隔离——埋层工艺—减小集电极串联电阻a双极型三极管截面图b双极型IC截面图

(3)双极型IC制造工艺流程2.MOSIC工艺简介

(1)

Si栅MOSFET工艺原理图

(2)CMOS工艺原理图

3.IC发展史器件

年份世界上第一个晶体管

1947年

世界上第一个Ge单晶晶体管

1952年

世界上第一个Sl单晶晶体管

1954年

世界上第一个IC器件

1958年

世界上第一个IC产品

1961年

基本工艺清洗工艺氧化工艺扩散工艺光刻工艺蒸发及镀膜工艺腐蚀工艺清洗工艺

吸附在物体表面的杂质一般可分为：分子型离子型原子型

利用各种化学试剂和有机溶剂与吸附在被清洗物体表面上的杂质和油污发生化学反应和溶解作用一，去除分子型杂质

H2SO4:H2O2=1:1配比，烧煮硅片表面的油脂，使其脱附二，去除离子型原子型杂质

1.配制Ⅰ号液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:6(体积比)在电炉上煮沸几分钟，倒掉残液，用去离子水冲洗几遍2.配制Ⅱ号液HCl:H2O2:H2O=1:1:6(体积比)在电炉上煮沸10分钟左右，倒掉残液，用去离子水冲洗30次以上。二,SiO2膜在电路中的功能

1.杂质选择扩散的掩膜2.器件表面的保护和钝化膜3.集成电路的隔离介质和绝缘介质4.MOS电容的介质材料5.MOSFET的绝缘栅材料

三,热氧化原理

1.干氧氧化的氧化膜生长机理Si+O2=SiO2

2.水汽氧化的氧化膜生长机理Si+2H2O=SiO2+2H2↑

Si,O反应速率

O2在SiO2中的扩散速率

生长速率热氧化系统热氧化方式----常规热氧化

（通常采用:干氧+湿氧+干氧）

氧化方式氧化速率氧化膜质量

水汽

很快

疏松,含水量大,与光刻胶粘附差,表面有蚀坑，掩蔽杂质扩散力,钝化效果都差.

干氧

很慢

致密,干燥,均匀性,重复性好,掩蔽杂质扩散力强,钝化效果好.

湿氧

快

致密性略差于干氧氧化膜,表面有Si-OH,与光刻胶粘附不好,表面有蚀坑,掩蔽杂质扩散力及钝化效果能满足一般器件的要求.

热氧化SiO2层的物理性能：氧化膜缺陷的检测

1.针孔2.氧化层错的检测

Sirtle液腐蚀,TEM成像,X射线貌相法……

掺杂工艺

一，概述

1.

掺杂将所需杂质按浓度和分布的需要，掺入到半导体中，改变半导体电学性能，以达到制备半导体器件的目的。2.

掺杂的意义（1）改变材料导电性能——形成电阻，欧姆接触，互连线。（2）改变半导体的导电类型——形成pn结

合金气-固扩散：液态源扩散扩散

粉末源扩散片状源扩散

固-固扩散：掺杂SiO2乳胶源扩散CVD掺杂薄膜源扩散离子注入

3.掺杂的方法n-SiP-Sin-SiP-Siebcn+pn电阻及三极管示意图２．两步扩散

为获得所需杂质分布，往往要进行二步扩散*预淀积所需杂质总量——恒定表面浓度扩散*获得所需表面浓度及扩散深度——有限源扩散(再分布)

３.扩散气氛和衬底晶向的影响

（1）

氧化增强扩散（OED）

*

在氧气氛中，P，B等杂质扩散得到增强。

*氧化增强扩散机理——杂质可在缺陷(氧化堆垛层错)处缀饰。——氧化堆垛层错处晶体结构不完整，原子键合不全，较易产生空位，增强替位式扩散。（2）

衬底晶向对扩散系数的影响*在氧化气氛中，杂质在不同晶向硅中扩散，其增强系数不同。*不同晶向氧化生长速率不同。三，扩散方法

扩散系统扩散方法：气--固扩散：液相源——开管扩散

片状源——开管扩散

粉末源——箱法或双温区扩散

固--固扩散：掺杂SiO2乳胶源——开管扩散

CVD掺杂薄膜源——开管扩散扩散工艺过程：扩散实例：气--固扩散：片状源

1.氮化硼

2.硼微晶玻璃(PWB)

3.磷微晶玻璃(LWP)

*扩散系统

*扩散原理

BN

4BN+3O22B2O3+2N2

2B2O3+3Si4B+3SiO2(1100--1150℃)

PWBB2O3+SiO2+Al2O3+(MgO+BaO)

2B2O3+3Si4B+3SiO2

LWBAl(PO3)3+SiP2O7

Al(PO3)3AlPO4+P2O5

SiP2O7SiO2+P2O5

2P2O5+5Si5SiO2+4P

（约950℃）

＊扩散质量分析

影响薄层电阻Rs的因素：

气体流量↑→RS↑

扩散温度↑→RS↓

气体功能：保护表面（流量过小，起不到保护作用）

杂质输运（流量过大产生涡流，影响扩散均匀性）

气氛的影响：氧气可阻止硼硅相的产生，使薄层电阻变小。

源片与硅片间距：间距小使薄层电阻小。

影响结深和表面浓度的因素：

结深：扩散温度（T2）

扩散时间（t2）

表面浓度：

扩散温度T1↑→D1↑→Ns↑

T

2↑→D2

↑→Ns↓

（D为扩散系数）

扩散时间t1↑→Ns↑

t2↑→Ns↓

＊扩散质量分析

表面状况：

表面合金点（表面杂质浓度过高）

表面黑点和白雾（wafer表面被沾污）

pn结特性:

表面沟道（扩散掩膜太薄或杂质沾污）

软击穿（杂质沾污）四，扩散工艺的质量检测扩散工艺的污染控制（1）常规沾污①沾污种类：颗粒、薄膜、有机、金属离子……颗粒：硅屑，石英屑，灰尘，操作者带入的颗粒等——清洗薄膜：光刻胶的残留膜、天然氧化膜有机：油脂（指纹），有机溶剂残留——1#或3#清洗液金属离子：化学清洗中的再沾污，金属工具②预防措施：严格清洗，不用不洁器具与手接触硅片。有机—1#或3#清洗液SiO2—HF：HNO3Ⅰ,Ⅱ属—1#清洗液重金属—2#清洗液（2）高温处理的污染控制①系统②定期清洗各类工具及器皿③C-V在线检测，判断系统的清洁度，常用HCl清洗炉管④系统捡漏2.扩散工艺的质量检测（1）常规检测内容及手段高温系统气体管道采用高纯材料制备（2）Rs，Xj及N(x)的测量原理

①Rs的测量原理

四探针技术

②Xj的测量原理

·磨角染色法

·SEM成象

--样品介离

--腐蚀法显示pn结边界

（HF:HNO3:CH3COOH=1:30:30）

--SEM成象③N（X）的测量原理

扩展电阻法

由于扩展电阻法可测得10-10cm3区域的电阻率，分辨率达1μ，比四探针测量的分辨率高，所以被广泛用于测量浅结的杂质浓度分布。当探针-半导体接触面为半球面（ro∽2.5×10-3cm）时:

UORSP=UO/I当探针-半导体接触面为圆盘形：

测试误差（1）探针/半导体接触形成整流接触。（2）接触点小，形成强电场，可改变载流子迁移率。（3）焦耳热使触点处局部升温，形成温差电势，可改变载流子浓度及迁移率。当测试电压小于1.5mv,这些因素造成的误差可忽略，但仍需修正。

光刻概述*光刻技术的重要性：IC制造中的重要工艺技术之一，可形成局部掺杂区域，多晶硅栅，金—半欧姆接触孔，互连图形等。*光刻技术：图象复印与刻蚀相结合的技术。*光刻质量的判别：由分辨率，光刻精度（条宽及套刻精度）以及缺陷密度来标称。*影响光刻质量的因素：

光刻胶，曝光方式（曝光系统）及刻蚀方式等。*光刻工艺简介

*光刻工艺简介光刻胶的种类和感光原理光刻胶：高分子聚合物，增感剂，溶剂及添加剂按一定比例配制而成。

1.

光刻胶的种类光刻胶种类

性

能

负

胶

聚肉桂酸酯类

对环境因素不敏感，感光速率高，与硅片粘附性能好，抗蚀能力强，分辨率差。

聚羟类

正胶

邻-叠氮醌类

有极高分辨率，较强的抗干法刻蚀及抗热处理能力，与硅片粘附差，抗湿法腐蚀力差。

2.光刻胶的感光原理

光刻胶感光机理负胶聚肉桂酸酯类在紫外光辐照下，引起聚合物分子间的交联，转变为不溶于显影液的物质。

聚羟类在紫外光辐照下，交联剂(双叠氮交联剂)放出氮气，转变为双氮烯自由基，并和聚羟类树酯作用，在聚合物分子链间形成桥键，成为三维结构的不溶性物质。

正胶邻-叠氮醌类在紫外光辐照下放出氮气，分子结构重新排列，产生环收缩，在碱性水溶液中生成可溶性羟酸盐。§6.2.2光刻胶的主要性能

主要性能定义对光刻质量的影响感光度SS=K/H*(曝光量)H=光照度×曝光时间

影响光刻水平-R()△d:掩膜面与胶/硅片界面的间距

λ:曝光源波长

分辨率R1/R=1/W(最小线条宽度)能获得图形的最小尺寸粘附性胶/衬底间粘附强度

抗蚀性能经受湿(干)腐蚀的最长时间

影响合格率-缺陷密度

针孔密度单位面积的针孔数

留膜率(d1/d2)曝光显影后与曝光前胶膜厚度之比

*H：光刻胶在标准条件下，发生光化学反应所需的最小能量。§6.3光刻工艺光刻流程：衬底预处理-匀胶-前烘-对位曝光-显影-后烘-腐蚀-去胶

1.

衬底预处理：清洁，增粘处理清洁处理：去除颗粒-化学清洗，刷片去除有机沾污-化学清洗增粘处理：高温焙烘(≥800℃，N2或O2)

使用增粘剂(二甲基二氯硅烷，六甲基二硅亚胺)增粘处理的原理：

2.匀胶工艺要求：胶膜均匀，无缺陷，厚度适当。均匀无缺陷胶膜的获得:环境相对湿度低,净化级别高。

胶膜厚度(d)的确定:

d∝R——d↓d↑→针孔密度↓——d↑

胶膜厚度需相应考虑*胶膜过厚，表面光吸收强：负胶-粘附性差；

正胶-显影后有底膜。

3.前烘

目的：去除胶膜中的溶剂，增强粘附性，提高膜的机械强度。方式：烘箱-生产率高，温度不均匀。红外-溶剂挥发充分，前烘效果好。

热板-生产率高，温度均匀，能自动传送硅片。

4.对位曝光*光源：光源为平行光，与衬底片垂直，并根据光敏图谱，选择曝光波长。

*正确控制曝光量，过量曝光可导致条宽精度下降。#

曝光量与留膜率

正胶-H>HT(略大于)

负胶-H>H0(略大于)#曝光量与线宽控制

5.显影显影工艺：显影，漂洗，干燥。显影中的常见问题：(1)

负胶经显影保留下来的膜会膨胀，使窗口变小。·选择膨胀效应较弱的显影液。·选择可使光刻胶收缩的漂洗液。·选择最佳显影方式(喷显)。·掌握适当的显影时间。(2)正胶经显影保留下来的胶膜未经曝光，与显影液不浸润，不会膨胀，分辨率高。6.

后烘去除显影后胶膜内残留的溶液，增加胶膜与衬底间粘附性，使光刻胶更致密，抗蚀性更强。7.

腐蚀(1)

湿法腐蚀-化学反应-各向同性-线宽～5μ常用薄膜的湿法腐蚀

﹟SiO2—HF:NH4F:H2OHF(49%):腐蚀速率大，腐蚀时间难以控制，有剥离光刻胶的侵向。NH4F:减缓HF对SiO2的腐蚀,抑制对光刻胶的剥离。H2O:调节腐蚀液浓度。影响腐蚀速率的因素：溶液配比，腐蚀温度，SiO2

的致密性，掺杂情况，腐蚀方式。

﹟Si3N4—H3PO4(～180℃)

(温度较高，光刻胶抗蚀性下降。)H3PO4:HF4B(100～110℃)(不伤害光刻胶，但可同时腐蚀SiO2)﹟Poly-Si—HF:HNO3:CH3COOH（腐蚀质量差）﹟Al—H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O﹟BPSG—〔HF(6%)+NH4F(30%)〕:CH3COOH=2:1薄膜的湿法腐蚀工艺薄膜腐蚀工艺备注SiO2HF:NH4F:H2O(~30℃)HF:腐蚀剂NH4F:缓冲剂BPSG〔HF(6%)+NH4F(30%)〕:CH3COOH=2:1Si3N41#：H3PO4(～180℃)2#：H3PO4:HF4B(100～110℃)1#：腐蚀温度过高，伤害光刻胶2#：能腐蚀SiO2Poly-SiHF:HNO3:CH3COOHHF：腐蚀剂HNO3：氧化剂CH3COOH：缓冲剂AlH3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O(~40℃)H3PO4:腐蚀剂HNO3:腐蚀剂CH3COOH:润湿剂H2O：稀释剂——湿法腐蚀之不足：﹟化学药品具有毒性及腐蚀性。

﹟各向同性腐蚀，不利于提高分辨率。﹟Si3N4,Poly-Si腐蚀液可溶解光刻胶，使图形畸变。

——干法腐蚀方式：﹟等离子腐蚀*-靠活性分子或游离基团腐蚀-各向同性腐蚀﹟反应离子刻蚀*-靠活性分子或离子腐蚀-各向异性腐蚀

﹟离子束-物理腐蚀-各向异性腐蚀

(2)干法腐蚀——等离子腐蚀的原理：在10-1-10-3范围，利用RF电源使反应室产生辉光放电，同时反应气体被激活，产生活性游离基，与被腐蚀材料反应，产生挥发性气体并排出。不同材料需采用不同气体进行腐蚀，从而实现选择性腐蚀。腐蚀完毕用氧离子进行去胶。——反应离子刻蚀（RIE）#反应离子刻蚀的优越性：反应离子刻蚀同时具有化学，物理腐蚀原理，因此刻蚀速率各向异性效应更强，有利于提高光刻的分辨率。#反应离子刻蚀系统

等离子刻蚀系统反应离子刻蚀系统8．光刻胶的剥离(去胶)

(1)

湿法剥离技术#介质膜上光刻胶的剥离：H2SO4:H2O2=3:1(120℃,5’)H2SO4:HNO3=88:12(100℃,5’)#金属膜上光刻胶的剥离：采用有机类溶液浸泡，对金属无腐蚀作用。(2)

干法剥离技术#O2等离子去胶+600℃N2退火#紫外光分解，使胶分解成CO2,H2O

接触与互连（蒸发工艺）

一，概述1.金属化的意义：作为IC中各元件的接触和互连金属/半导体间形成低阻欧姆接触2.互连材料电阻率足够低互连线的台阶覆盖性好3.

VLSI/ULSI金属化：(1)多层布线技术：单层金属接触与互连金属层间的绝缘与互连(2)浅结（sub-μm,deepsub-μm）接触：接触界面的平整度金属/半导体间的扩散阻挡层金属化的基本要求二，欧姆接触（一）欧姆接触的基本原理1．欧姆接触：金-半接触的伏-安特性呈线性，并关于原点对称。2．描写欧姆接触性能的参数—比接触电阻RC

（qVb：M-S接触势垒高度；N：硅掺杂浓度）3．

实际接触电阻R=RC/S(S为接触面积)（二）欧姆接触与整流接触

a.

形成宽度为δ的耗尽层，阻挡电子穿越—整流接触b.

形成宽度为δ的载流子积累层—欧姆接触

WM＞WS—整流接触WM＜WS—欧姆接触

WM＞WS—欧姆接触WM＜WS—整流接触∴n-Si

P-Si

*金-半表面态的存在，使几乎所有金属与半导体接触均形成势垒—整流接触；当qVb＜0.3eV,反向电流If≥100A/cm2,近似认为欧姆接触。三，接触与互连材料的选择：

（一）选择原则1．良好的导电性2．与Si形成低阻欧姆接触3．与wafer表面粘附良好，并不发生不良反应4．抗电迁移能力强5．抗龟裂6．能经受后续高温工艺（多层布线BPSG回流……）7．易于淀积成膜8．易于图形化9.易于键合封装工艺可行性降低功耗，提高信号传输速度高可靠性（二）Al—常用接触互连材料1．

Al用于金属布线的优越性（1）ρ=2.65μΩcm（2）Al-Si（n+,p）具有良好的欧姆接触。（3）易于淀积（真空蒸发，溅射），图形化，键合。2．

Al作接触互连之不足（1）

Al-Si共熔点低（577℃）—不利于多层互连工艺。（2）Al-Si互溶性强—Al-Si界面不平整，不利于浅结接触。（3）

抗电迁移性能差—可靠性差。（4）

Al化学性能过于活泼—可靠性差。4Al+3SiO2→2Al2O3+3Si2Al+6HCl→2AlCl3+3H2↑2Al+3H2SO4→Al2(SO4)3+3H2↑Al2O3+2NaOH→2NaAlO2+H2O2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2↑

1.铝合金电极(1)AlSi(Si:1~2wt%)*改善M/Si界面平整度。*抗电迁移性能提高。*提高机械强度。（2）AlCu(Cu:2~4wt%)*改善电迁移。*抗龟裂。2.金属阻挡层（1）M/Si界面平整。（2）协调M/Si间的应力，提高抗龟裂性。（三）VLSI/ULSI的接触与互连Poly-Si

（1）Poly-Si/Crys-Si界面平整。（2）无接触势差，良好欧姆接触。（3）能承受高温回流工艺。难熔金属及其硅化物（1）M/Si界面平整。（2）能承受高温回流工艺。（3）电阻率大大低于Poly-Si。四，金属薄膜形成的方法（一）电子束蒸发克服钨丝阻热蒸发之不足：（1）Na沾污（2）形成铝钨合金（4Al+W→WAl4）

（3）不能蒸发难熔金属（4）蒸发合金时成分难以控制

电子束蒸发：经高压加速并聚焦的电子束轰击金属源，将能量交给金属源，使之温度升至汽化点，产生蒸发，并淀积在样品上。

电子束蒸发的优点：淀积膜纯度高，沾污少，可蒸发难熔金属，合金材料的成分可控（采用多坩埚，多枪技术）（二）磁控溅射溅射：在真空中充入惰性气体(Ar)，施加一强电场，使靶子置于阴极，在电场作用下使气体放电，产生大量离子；正离子在电场加速下轰击靶子,当离子的动能超过靶材的结合能时，靶表面原子脱离表面，溅射到样品上，淀积成膜，称为二极溅射。磁控溅射：在阴极上加一磁场，使磁场与电场成正交，电子受洛伦茨力作用，在阴极表面附近作回旋运动，有更多机会撞击气体分子，增加了等离子体密度，从而提高了溅射速率。磁控溅射的优点：（1）可溅射气化点很高，蒸汽压强较小（不适宜蒸发）的材料。（2）

采用多靶共溅或镶嵌靶，可溅射合金，且成分稳定。（3）

二次电子受洛伦茨力作用，不轰击样品，损伤小。（4）在电磁场作用下，提高了气体分子的离化率，可在较低气压下溅射，使淀积膜纯度提高。

五，合金化合金的目的通过热