硅集成电路工艺基础要点整理

{生产工艺技术}硅集成电路工艺基础要点整理硅工艺简易笔记第二章氧化SiO2作用：a.杂质扩散掩蔽膜和离子注入屏蔽膜b.器件表面保护或钝化膜c.MOS电容的介质材料d.MOSFET的绝缘栅材料e.电路隔离介质或绝缘介质2.1SiO2的结构与性质Si-O4四面体中氧原子：桥键氧——为两个Si原子共用，是多数；非桥键氧——只与一个Si原子联结，是少数；无定形SiO2网络强度：与桥键氧数目成正比，与非桥键氧数目成反比。2.2.1杂质在SiO2中的存在形式1.网络形成者：即替位式杂质，取代Si，如B、P、Sb等。其特点是离子半径与Si接近。Ⅲ族杂质元素：价电子为3，只与3个O形成共价键，剩余1个O变成非桥键氧，导致网络强度降低。Ⅴ族杂质元素：价电子为5，与4个O形成共价键，多余1个价电子与附近的非桥键氧形成桥键氧，网络强度增加。2.网络改变者：即间隙式杂质，如Na、K、Pb、Ca、Ba、Al等。其特点是离子半径较大，多以氧化物形式掺入；结果使非桥键氧增加，网络强度减少。2.2.2杂质在SiO2中的扩散系数扩散系数:DSiO2=D0exp(-ΔE/kT)D0-表观扩散系数（ΔE/kT→0时的扩散系数）ΔE-杂质在SiO2中的扩散激活能B、P、As的DSiO2比DSi小，Ga、Al的DSiO2比DSi大得多，Na的DSiO2和DSi都大。2.3.1硅的热氧化定义：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽等氧化剂化学反应生成SiO2。1.干氧氧化：高温下，氧气与硅片反应生成SiO2特点－速度慢；氧化层致密，掩蔽能力强；均匀性和重复性好；表面与光刻胶的粘附性好，不易浮胶。2.水汽氧化：高温下，硅片与高纯水蒸汽反应生成SiO2特点：氧化速度快；氧化层疏松－质量差；表面是极性的硅烷醇--易吸水、易浮胶。3.湿氧氧化——氧气中携带一定量的水汽特点：氧化速率介于干氧与水汽之间；氧化层质量介于干氧与水汽之间；4.掺氯氧化——在干氧中掺少量的Cl2、HCl、C2HCl3（TCEC2H3Cl3（TCA）掺氯的作用：吸收、提取大多数有害的重金属杂质及Na+，减弱Na+正电荷效应。注意安全：TCE可致癌；TCA高温下可形成光气（COCl2而且TCA会对臭氧造成破坏。2.3.2热氧化生长动力学2.4.1决定氧化速率常数的因素1.氧化剂分压B∝pg，B/A∝pg；（线性关系）2.氧化温度与抛物型速率常数B的关系：∵B=2DOXC*/N1｛Dox=D0exp(-ΔE/kT)｝∴B与氧化温度是指数关系无论干氧、湿氧，氧化温度与B/A是指数关系2.4.2影响氧化速率的其它因素1.硅表面晶向∵DOX与Si片晶向无关，ks与Si表面的原子密度(键密度）成正比；∴抛物型速率常数B=2DOXC*/N1，与Si晶向无关；线性速率常数B/A≈ks·C*/N1，与Si晶向有关：因此（111）面的B/A比（100）面大。2.杂质①硼：在SiO2中是慢扩散，且分凝系数m<1；（m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度）氧化再分布后：大量硼从Si进入SiO2中，使非桥键氧增加，降低了SiO2的网络强度，导致氧化剂DOX增加，进而导致抛物型速率常数B明显增加，但B/A无明显变化。②P:分凝系数m>1氧化再分布后：少量的P分凝到SiO2中，使氧化剂在SiO2中的扩散能力增加不多，因而抛物型速率常数B变化不大；大部分P集中在Si表面，使线性速率常数B/A明显增大。③水汽干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；水汽会增加陷阱密度。④钠钠以Na2O的形式进入SiO2SiO2强度下降了。⑤氯氯的作用：固定重金属、Na+等杂质；增加Si中的少子寿命；减少SiO2中的缺陷；降低界面态和固定电荷密度；减少堆积层错。2.5热氧化的杂质再分布分凝系数m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度对同一杂质、同一温度条件，在平衡状态下，m是一个常数。由m可判断在界面处杂质分布的情况。四种分凝现象：根据m<1、m>1和快、慢扩散①m<1、SiO2中慢扩散：B②m<1、SiO2中快扩散：H2气氛中的B③m>1、SiO2中慢扩散：P④m>1、SiO2中快扩散：Ga影响Si表面杂质浓度的因素：①分凝系数m②DSiO2/DSi③氧化速率/杂质扩散速率1.P的再分布（m=10）CS/CB：水汽>干氧原因：氧化速率越快，加入分凝的杂质越多；CS/CB随温度升高而下降。2.B的再分布（m=0.3）CS/CB：水汽<干氧CS/CB随温度升高而升高。原因：扩散速度随温度升高而提高，加快了Si表面杂质损耗的补偿。2.6薄氧化层ULSI对薄氧化层的要求：辐射稳定性；⑤低成本。解决方法：1.预氧化清洗2.改进氧化工艺：高温（>900℃）快速氧化3.化学改善氧化层工艺：引入Cl、F、N2、NH3、N2O4.CVD和叠层氧化硅第三章扩散掺杂：将所需的杂质，以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域内，并达到规定的数量和符合要求的分布。扩散：将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中，从而达到将杂质扩散到硅片内的目的。间隙式扩散--杂质在晶格间的间隙中运动（扩散）势垒—间隙位置的势能相对极小，相邻两间隙之间是势能极大位置，必须越过一个势垒Wi。替位式扩散定义——杂质原子从一个晶格点替位位置运动到另一个替位位置。势垒---与间隙式相反，势能极小在晶格位置，间隙处是势能极大位置，必须越过一个势垒WS。3.2扩散系数与扩散方程ν0–振动频率D0—表观扩散系数，即1/kT→0时的扩散系数ΔE—激活能；间隙扩散：ΔE=Wi，替位扩散：ΔE=Ws+Wv3.3.1恒定表面源扩散定义:在扩散过程中，Si片表面的杂质浓度始终不变（等于杂质在Si例如：预淀积工艺、箱法扩散工艺3.3.2有限表面源扩散3.3.3两步扩散工艺第一步：在较低温度（800－900℃）下，短时间得第二步：将预淀积的晶片在较高温度下（1000－1200℃）进行深结扩散，最终达到所要求3.4影响杂质分布的其他因素3.4.2扩散系数与杂质浓度的关系3.4.3氧化增强扩散（OED）实验结果：P、B、As等在氧化气氛中的扩散增强。3.4.4发射区推进（陷落）效应实验现象：NPN管的工艺中，发射区下方的内基区B的扩散深度大于发射区(P扩散形成)外的基区扩散深度。3.4.5二维扩散（横向扩散）实际扩散：杂质在垂直Si表面扩散的同时，也进行平行Si表面的横向扩散。扩散层的方块电阻Rs（R□）第四章离子注入离子注入:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中的过程。特点：①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃。②掺杂数目完全受控:同一平面内的杂质均匀性和重复性在±1％；能精确控制浓度分布及结深，特别适合制作高浓度浅结、突变型分布。③无污染:注入离子纯度高，能量单一。④横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。⑥注入深度随离子能量的增加而增加。缺点：①损伤(缺陷)较多:必须退火。②设备昂贵，成本高。基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质离子，并使其在电场中加速，获得一定能量后，直接轰击到半导体基片内，使之在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂作用。离子注入三大基本要素：——离子的产生——离子的加速——离子的控制离子注入设备1.离子源2.磁分析器（质量分析器）3.加速器4.偏束板：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。5.扫描器：使离子在整个靶片上均匀注入。6.靶室（工作室）4.1核碰撞和电子碰撞①核碰撞（阻止）②电子碰撞（阻止）4.2注入离子分布平均投影射程RP、标准偏差（投影偏差）△RPM1—注入离子质量，M2—靶原子质量—峰值浓度（在RP处）NS—4.2.2横向效应①横向效应与注入能量成正比；②是结深的30％-50％；③窗口边缘的离子浓度是中心处的50％；4.2.3沟道效应(ionchanneling)单晶靶：对注入离子的阻挡是各向异性；沟道：在单晶靶的主晶轴方向呈现一系列平行的通道，称为沟道。沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶靶远的多。好处：结较深；晶格损伤小。不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。减小沟道效应的途径①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值--70；②淀积非晶表面层（SiO2)；③在表面制造损伤层；④提高靶温；⑤增大剂量。4.3注入损伤4.3.3非晶层的形成随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生重叠，最终形成长程无序的非晶层。靶温－靶温越高，损伤越轻。第五章物理气相淀积5.1真空蒸发的基本原理真空蒸发：利用蒸发材料熔化时产生的饱和蒸气压进行薄膜淀积；优点：工艺及设备简单，薄膜纯度高、淀积速率快；缺点：薄膜与衬底附着力小，台阶覆盖差。过程：②气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程：气化的原子、分子扩散到基片表面；③被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：气化的原子、分子在表面凝聚、成核、成长、成膜；5.4溅射原理：气体辉光放电产生等离子体→具有能量的离子轰击靶材→靶材原子获得能量从靶表面逸出(被溅射出)→溅射原子淀积在表面。特点：被溅射出的原子动能很大，10-50eV（蒸发：0.1-0.2eV还可实现离子注入。第六章化学气相淀积定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。CVD工艺的特点1、CVD工艺的温度低，可减轻硅片的热形变，抑制缺陷的生成，减轻杂质的再分布，适于制造浅结器件及VLSI；2、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好；3、淀积速率一般高于物理淀积，厚度范围大；4、膜的结构完整致密，与衬底粘附好，台阶覆盖性好。6.1.1CVD的基本过程①传输：反应剂从气相(平流主气流区)经附面层（边界层）扩散到（Si）表面；②吸附：反应剂吸附在表面；③化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产物；④淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；⑤脱吸：副产物脱离吸附；⑥逸出：脱吸的副产物和未反应的反应剂从表面扩散到气相(主气流区)，逸出反应室。6.1.3Grove模型hg-气相质量转移系数ks-表面化学反应速率Cs=Cg/(1+ks/hg)两种极限：a.hg>>ks时，Cs→Cg，反应控制；b.hg<<ks时，Cs→0，扩散控制；Grove模型一般表达式：G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)YCg=YCT）两个结论：a.G与Cg(无稀释气体）或Y（有稀释气体）成正比；b.当Cg或Y为常数时，G由ks、hg中较小者决定：hg>>ks，G=（CTksY)/N1，反应控制；hg<<ks，G=（CThgY)/N1，扩散控制；影响淀积速率的因素①主气体流速Um结论：扩散控制的G与Um1/2成正比②淀积速率与温度的关系低温下，hg>>ks，反应控制过程，故G与T呈指数关系；高温下，hg<<ks，质量输运控制过程，hg对T不敏感，故G趋于平稳。6.2.4CVD技术1.APCVD（常压CVD）定义：气相淀积在1个大气压下进行；淀积机理：气相质量输运控制过程。优点：淀积速率高（100nm/min缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染。可淀积的薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。2.LPCVD（低压CVD）定义：在27－270Pa压力下进行化学气相淀积。淀积机理：表面反应控制过程。优点：均匀性好（±3－5％，APCVD：±10台阶覆盖好；效率高、成本低。缺点：淀积速率低；温度高。可淀积的薄膜：poly-Si、Si3N4、SiO2、PSG、BPSG、W等。3.PECVD（等离子体增强CVD）定义:RF激活气体分子（等离子体）,使其在低温（室温）下发生化学反应，淀积成膜。淀积机理：表面反应控制过程。优点：温度低（200性好；台阶覆盖好；电学特性好；缺点：产量低；淀积薄膜：金属化后的钝化膜（Si3N4线的介质膜（Si3N4、SiO26.3.2CVD多晶硅工艺：LPCVD气体源：气态SiH4；总反应式：SiH4（吸附)=Si（固体)+2H2(g)特点：①与Si及SiO2的接触性能更好；②台阶覆盖性好。缺点：SiH4易气相分解。用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。6.4.1CVDSiO2的方法1.低温CVD①气态硅烷源硅烷和氧气：APCVD、LPCVD、PECVD硅烷和N2O（NO）：PECVD优点：温度低；反应机理简单。缺点：台阶覆盖差。②液态TEOS源：PECVD淀积机理：Si(OC2H5)4+O2250-425℃SiO2+H2O+CXHY优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。缺点：SiO2膜质量较热生长法差；SiO2膜含C、有机原子团。2.中温LPCVDSiO2温度：680-730℃化学反应：Si(OC2H5)4→SiO2+2H2O+4C2H4优点：较好的保形覆盖；缺点：只能在Al层淀积之前进行。6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的用途：①最终钝化膜和机械保护层；②掩蔽膜：用于选择性氧化；③DRAM电容的绝缘材料；④MOSFETs中的侧墙；⑤浅沟隔离的CMP停止层。第七章外延定义：在单晶衬底上，按衬底晶向生长一层新的单晶薄膜的工艺技术。应用①双极器件与电路：轻掺杂的外延层——较高的击穿电压；重掺杂的衬底降低集电区的串联电阻。②CMOS电路：避免了闩锁效应：降低漏电流。外延的分类①按工艺分类：气相外延（VPE）：硅的主要外延工艺；液相外延（LPE）：Ⅲ-Ⅴ化合物的外延；固相外延（SPE）：离子注入退火过程；分子束外延（MBE，MolecularBeamEpitaxy）7.1.2外延生长模型生长步骤①传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面；②吸附：反应物吸附在Si表面；③化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物；④脱吸：副产物脱离吸附；⑤逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室；⑥加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上，延续衬底晶向；生长特征：横向二维的层层生长。（注意与CVD区分）7.1.3化学反应—H2还原SiCl4体系生长总反应：SiCl4+2H2Si(s)+4HCl(g)7.1.4生长速率与温度的关系B优点：1.对于温度的控制精度要求不是太高2.高温区外延时，硅原子具有很强的迁移能力，易生成单晶A区为低温区，外延生长为反应控制7.1.5生长速率与反应剂浓度的关系放的硅原子在衬底生成单晶外延层的速度。A点之前，释放速度<生长速度；A、B点之间，释放速度>生长速度，B点以后多的氯硅烷开始产生腐蚀效应。7.1.6生长速率v与气体流速U的关系SiCl4外延温度：1200℃，输运控制；故，v随U的增大而增加。7.2外延层的杂质分布7.2.2扩散效应扩散效应：衬底杂质与外延层杂质相互扩散，导致界面处杂质再分布；7.2.3自掺杂效应（非故意掺杂）定义：衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层。7.3低压外延（5-20kPa）低压作用：减小自掺杂效应；优点：①杂质分布陡峭；②厚度及电阻率的均匀性改善；③外延温度随压力的降低而下降；④减少了埋层图形的畸变和漂移；7.4选择性外延SEG：在特定区域有选择地生长外延层；原理：Si在SiO2或Si3N4上很难核化成膜；选择性：①特定区域；②硅源。硅源的选择性顺序：SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4；7.6SOS及SOI技术SOI技术的特点与优势1．速度高：在相同的特征尺寸下，工作速度可提高30-40％；2．功耗低：在相同的工作速度下，功耗可降低50％-60％；3．特别适合于小尺寸器件；4．特别适合于低压、低功耗电路；5．集成密度高：封装密度提高约40％；6．低成本：最少少用三块掩模版，减少13%-20%（30％）的工序；7．耐高温环境：工作温度300℃-500℃；8．抗辐照特性好：是体硅器件的50-100倍。7.7分子束外延（MBE）原理：在超高真空下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束，直接射到衬底表面，形成外延层。应用：元素半导体—Si、Ge化合物半导体-GaAs、GaN、SiGeMBE的特点：①温度低；②生长速度低；③化学组成及掺杂浓度精确可控；④厚度可精确控制到原子级；第八章光刻与刻蚀工艺光刻：通过光化学反应，将光刻版（mask）上的图形转移到光刻胶上。刻蚀：通过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上光刻三要素：①光刻机②光刻版（掩膜版）③光刻胶8.1光刻工艺流程主要步骤：涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶。两种基本工艺类型：负性光刻和正性光刻。8.1.1涂胶1.涂胶前的Si片处理(以在SiO2表面光刻为例)SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；①脱水烘焙:去除水分②HMDS：增强附着力2.涂胶①对涂胶的要求：粘附良好，均匀，薄厚适当胶膜太薄－针孔多，抗蚀性差；胶膜太厚－分辨率低（分辨率是膜厚的5－8倍）8.1.2前烘①作用：促进胶膜内溶剂充分挥发，使胶膜干燥；增加胶膜与SiO2（Al膜等）的粘附性及耐磨性。②影响因素：温度，时间。8.1.3曝光：光学曝光、X射线曝光、电子束曝光①光学曝光－紫外，深紫外ⅰ）光源：高压汞灯：产生紫外(UV）光，光谱范围为350~450nm。准分子激光器：产生深紫外(DUV）光，光谱范围为180nm～330nm。ⅱ）曝光方式a.接触式：硅片与光刻版紧密接触。b.接近式：硅片与光刻版保持5-50μm间距。c.投影式②电子束曝光：λ＝几十~100Å；优点：分辨率高；缺点：产量低；邻近效应——造成曝光图形出现畸变。减小邻近效应的方法：减小入射电子束的能量，或采用低原子序数的衬底与光刻胶。③X射线曝光λ＝2~40Å，软X射线；X射线曝光的特点：分辨率高，产量大。缺点：存在图形的畸变(半影畸变δ和几何畸变∆)。8.1.4显影①作用：将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除，显现出所需的图形。②显影液：专用③影响显影效果的主要因素：ⅰ）胶膜的厚度；ⅱ）前烘的温度与时间；ⅲ）曝光时间；ⅳ）显影液的浓度；ⅴ）显影液的温度；④显影时间适当t太短：可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属）→氧化层“小岛。t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶→图形边缘破坏。8.1.5坚膜①作用：使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢；增加胶膜的抗蚀能力。②方法ⅰ）恒温烘箱：180－200℃，30min；ⅱ）红外灯：照射10min，距离6cm。③温度与时间ⅰ）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；ⅱ）坚膜过度：胶膜热膨胀→翘曲、剥落→腐蚀时易浮胶或钻蚀。若T>300℃：光刻胶分解，失去抗蚀能力。8.1.6腐蚀（刻蚀）①对腐蚀液（气体）的要求：既能腐蚀掉裸露的SiO2②腐蚀的方法ⅰ)湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。特点：各向同性腐蚀。ⅱ)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。特点：分辨率高；各向异性强。8.1.7去胶①湿法去胶无机溶液去胶：H2SO4②干法去胶：O2等离子体；8.2分辨率分辨率R——表征光刻精度光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。影响R的主要因素：①曝光系统（光刻机）：X射线（电子束）的R高于紫外光。②光刻胶：正胶的R高于负胶；③其他：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。8.3光刻胶的基本属性8.3.1对比度γ表征曝光量与光刻胶留膜率的关系；以正胶为例临界曝光量D0：使胶膜开始溶解所需最小曝光量；阈值曝光量D100：使胶膜完全溶解所需最小曝光量；8.3.3光敏度S——完成所需图形的最小曝光量；8.3.4抗蚀能力表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀的程度。8.6紫外光曝光8.6.4接近式曝光硅片与光刻版保持5~50μm间距。优点：光刻版寿命长。缺点：光衍射效应严重--分辨率低（线宽>3μm8.6.5接触式曝光硅片与光刻版紧密接触。优点：光衍射效应小，分辨率高。缺点：对准困难，掩膜图形易损伤，成品率低。8.6.6投影式曝光利用光学系统，将光刻版的图形投影在硅片上。优点：光刻版不受损伤，对准精度高。缺点：光学系统复杂，对物镜成像要求高。用于3μm以下光刻。8.7掩模版（光刻版）的制造基版材料：玻璃、石英。要求：透光度高，热膨胀系数与掩膜材料匹配。掩膜材料：①金属版（Cr版）：Cr2O3抗反射层/金属Cr/Cr2O3基层特点：针孔少，强度高，分辨率高。②乳胶版－卤化银乳胶特点：分辨率低（2-3μm8.7.4移相掩模（PSM）PSM：Phase-ShiftMask作用：消除干涉，提高分辨率；原理：利用移相产生干涉，抵消图形边缘的光衍射效应。8.10ULSI对图形转移的要求8.11湿法刻蚀特点：各相同性腐蚀。优点：工艺简单，腐蚀选择性好。（刻蚀3μm以上线条）刻蚀的材料：Si、SiO2、Si3N4；点：蚀强；胶膜衬①等离子体刻蚀：化学性刻蚀；②溅射刻蚀：纯物理刻蚀；③反应离子刻蚀（RIE）：结合①、②；1.等离