半导体工艺笔记

半导体工艺笔记全书主要内容：硅和硅片的制备、外延、热氧化、扩散、离子注入、化学气相沉积、物理气相沉积、光刻、刻蚀、封装。一、绪论芯片制造工艺：由''硅片”到''集成电路结构晶圆”之间的工艺步骤。硅平面工艺：主要有氧化，光刻，扩散掺杂，蒸镀金属四个基本单项工艺构成。晶体管芯片工艺流程:外延、氧化、光刻、掺杂（扩散或离子注入）、金属化（CVD、PVD）5个单项工艺按照一定顺序排列构成的。微电子工艺的特点（超净环境：不同的单项工艺要求的洁净室等级不同，光刻工艺要求的最高；超纯材料：半导体材料（硅、错）、其他功能性电子材料（Al、Au等金属化材料、掺杂气体、外延用气体高纯度材料）及工艺消耗品（化学试剂是高纯度试剂、石英器皿等杂质低）超纯水等；批量复制（高可靠、高精度、低成本、适合批量化大生产的加工工艺））简答：微电子器件主要选用硅，因此硅作为常规半导体材料的优势是什么？（1） 硅原料丰富：岩石、砂砾、尘土、水晶、玻璃。（2） 重量轻，密度只有2.33g/cm3。（3） 表面容易氧化。（4） 热学性能好，热膨胀系数小，热导率又高。（5） 工艺性能好。（6）机械性能良好硅单晶的结构是：金刚石结构。金刚石结构的立方体晶胞含有4*1内部+6*0.5面上+8*1/8角上=8个硅原子，*硅原子密度、*空间利用率。硅器件与电路中常用的［晶向］和（晶面），晶向和晶面互相垂直。常用的［晶向］:［111］、［110］、［100］常用的（晶面）:（111）、（110）、（100）晶体管最常使用（111）晶面的晶片来制造，集成电路和器件常使用（110）晶面的晶片来制造、集成电路常采用（100）晶面的硅片来制造。硅的双层密排面和解理面都是（111）晶面。（100）:•:（110）«!:01!）^'\\■［d……• —…肚常用晶面原子分布，用来计算原子面密度=原子数/晶面面积缺陷与杂质：点缺陷，线缺陷，面缺陷，体缺陷点缺陷：空位、自填隙、杂质，杂质又有空位杂质和填隙杂质。（空位、自填隙可运动）线缺陷：位错。对硅晶体来说，位错线多位于（111）晶面之间，因为两层双层密排面。硅晶体的（111）面是滑移面。面缺陷：层错。二、单晶硅衬底的制备直拉法过程：准备一开炉一生长一停炉单晶硅生长过程分解成5个步骤：引晶一缩颈一放肩一等径生长一收尾仔晶的作用：一是作为复制样本。二是作为晶核缩颈的作用：一、终止仔晶中的错位、表面的划痕向晶锭中延伸。二、避免仔晶与熔体结合处的缺陷向晶锭中的延伸。磁控直拉法悬浮区熔法晶体掺杂（硅锭的掺杂方法）：一、液相掺杂（将杂质放在坩埚的多晶中，由熔体掺入硅锭；两种方式：直接掺杂，母合金掺杂；分凝现象是指杂质在不同相中的溶解度不同）二、气相掺杂三、中子嬗变掺杂杂质浓度分为三类：轻掺杂，记为n--Si、p--Si,中等掺杂，记为n-Si、重掺杂，记为n+-Sip+-Si该点为计算题硅片加工：（切断一滚磨一定晶向一切面{3°}一倒角一研磨一化学腐蚀一抛光一检验）外延工艺：指在晶体上用化学或物理方法规则地再排列所需晶体材料。三、外延外延工艺的定义：指在晶体上用化学或物理方法规则地再排列所需晶体材料。外延工艺的种类：按照工艺方法分为:气相外延、液相外延、固相外延、分子束外延。按外延层/衬底材料的异同可分为同质外延、异质外延。异质外延中的失配率：失配率表示异质外延衬底与外延层之间的匹配情况按温度分：高低温外延；电阻分：正反外延；外延层分：普通、选择、多层外延等。外延的作用一、 作外延双极型晶体管：有高的集电结击穿电压，低的集电极串联电阻二、 作双极型电路的pn结隔离：利用外延技术的pn结隔离是早期双极型集成电路常采用的电隔离方法。三、 CMOS电路制作在外延层上：避免闩锁效应；避免硅表面层中氧化物的沉积；硅表面更光滑，损伤最小。硅的气相外延工艺：工艺分三大步骤：准备硅片f基座去硅f外延生长掺杂气体：掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如硼烷，磷烷，砷乙烷等；掺杂剂也用氢气稀释10-50倍，以减少掺杂气体的流量误差。气相外延原理:在外延生长过程中，外延气体进入反应器，气体中的反应剂气象运输到达衬底，在高温衬底上发生化学反应，生成的外延物质沿着衬底晶向规则地排列，生长出外延层。所以，气相外延分为两个过程：气相质量传递和表面质量外延。气相质量传递：表面质量外延：外延生长是横向进行的，在衬底台阶结点位置发生；外延用硅衬底，在由晶锭切制成硅片时，为了获得更多的结点位置，应偏离准确晶面一个小角度，如（111）晶面约偏离3°；衬底温度高，可以确保外延剂被吸附，化学反应在表面进行，而且即利于生成的硅迁移、排列，成为与衬底晶向一致的外延层，又利于气相生成物的解吸离开。影响外延速率的因素：外延温度；硅源种类、外延剂浓度；其他因素。1.外延掺杂自掺杂效应：气相外延过程中，衬底中的杂质反扩散进入气相边界层，又从边界层扩散掺入外延层的现象。互扩散效应：高温外延时，衬底与外延层的杂质互相向浓度低的一方扩散。以上的杂质再分布降低措施:一、N衬底外延前埋层掺杂，使用蒸气压、扩散系数都低的杂质，如锑。二、重掺杂衬底，使用轻掺杂的硅薄层来密封重掺杂衬底的底面和侧面，减少杂质的外逸三、低压外延，可以抑制自掺杂效应。四、降低气相外延生长温度。外延技术：一、低压外延二、选择外延三、SOI技术：在绝缘衬底上外延硅获得异质外延材料的技术分子束外延（MBE）：工艺原理：一种物理气相外延工艺，在超高真空度下，热分子束由喷射炉喷出，射到洁净的单晶衬底表面，生长出外延层。只有当外延层很薄，杂质分布很复杂的多层外延才可能考虑采用分子束外延。工艺流程（硅）：准备f抽真空f原位清晰f外延生长f停机。外延设备：生长室、喷射炉、监控系统、趁低填装系统、真空系统、控制系统。工艺特点：超高真空度，外延过程污染少，外延层洁净；二、外延温度低，如硅的外延温度在650°C，无杂质再分布现象；三、外延过程可控型强，喷射炉速率可调，开停瞬间完成，能生长极薄外延层，厚度可薄至A量级；四、多个喷射炉可以同时或顺序工作，所以适合生长多层，杂质分布复杂的外延层，外延层数可以上万；五、全程监控，外延层质量高，适合用于新材料外延机理的研究；六、设备复杂，生产价格高，是单片工艺生产效率低。其他外延方法：液相外延、固相外延四、氧化SiO的用途：一、作为腌膜；二、作为芯片的钝化和保护膜；三、作为电隔离膜；四、2作为元器件的组成部分。SiO在集成电路中的用途：2（1） MOS结构的电介质层（栅氧化层）（2） 限制带电载流子的场区隔离（场氧化层）（3） 保护器件以免划伤和离子沾污（保护层/钝化层）（4） 掺杂过程中的注入阻挡层（掺杂阻挡层）（5） 减小氮化硅与下层之间应力的垫氧化层（垫氧层）（6） 减小注入损伤及沟道效应的注入屏蔽氧化层（注入屏蔽氧化层）（7） 导电金属之间的层间介质（金属间的绝缘层）热氧化机理（重点掌握）：热氧化模型稳定生长氧化层时，氧化剂的气相输运、固相扩散和化学反应三个流密度相等热氧化生长速率及推导该点为计算题氧化层中的电荷一、 可动离子电荷：钠，钾，氢等，荷正电的碱金属离子二、 固定电荷：位于氧化层距硅界面3nm范围内荷正电子的氧空位三、 界面陷阱电荷：是由能量处于硅禁带中，可与价带或导带交换电荷的陷阱能级，或电荷状态引起的。四、 氧化层陷阱电荷：这种陷阱俘获电子或空穴后分别带负电或正电。热应力：在结束氧化退火，高温过程后会产生很大的热应力。氧化层（SiO2）是受压应力（来自Si），严重时，氧化层会产生龟裂，硅片发生弯曲，并在界面产生缺陷。措施：热氧化时，加热或冷却过程中要是硅片受热均匀，同时，升温和降温速度不能太大。五、掺杂恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度C始终保持不变，使硅片s一直处于杂质氛围中，表面杂质浓度达到了该扩散温度的固溶度。恒定源扩散杂质浓度服从余误差函数分布，表面浓度始终为杂质在扩散温度下的固溶度。特点：表面浓度恒定的情况下，扩散时间越长，扩散温度越高，则扩散到半导体中的杂质数量就越多。（预淀积）限定源扩散：杂质源在扩散前淀积于硅片表面极薄层内，单位面积杂质总量Q为常量，硅片外无杂质的环境氛围而进行的扩散服从高斯分布。（再分布）特点：扩散时间越长，扩散温度越高，则杂质扩散越深，表面浓度越低。两步扩散工艺：第一步:预沉积或预扩散，是恒定源扩散，目的是在扩散窗口的硅表面扩入总量一定的杂质；第二步，称为再分布或主扩散，是限定源扩散，将预沉积在硅表面的杂质再进一步向片子内部扩散，目的是控制扩散窗口硅表面浓度Cs和结深Xjo。目的与意义：第一步：掺入一定总量的杂质，特征是浅结；第二步：一是形成工艺要求的结深，二是激活杂质，三是形成后道工序所需的阻挡层氧化硅。结深的测量、结深的计算方块电阻:方块电阻就是长宽相等的扩散电阻，它与长宽大小无关。方块电阻间接地表征了在半导体中掺入的杂质总量。六、离子注入特征量概念：射程分布： 大量入射R二P—J,当L二W时，R=-^=R,卩为扩散层的平均电阻率离子投影射程的WX Xajj统计分布，即靶内入射离子浓度分布；平均投影射程（Rp）:正是离子浓度最大值位置；投影射程标准偏差（ARp）：是平均投影射程的统计波动；横向标准偏差（△R丄）：是射程的平均横向分量的统计波动。相关理论，LSS理论认为注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的部分：入射离子与原子核的碰撞，即核阻挡的能量损失过程；入射离子与电子的碰撞，即电子阻挡的能量损失过程。阻止本领与能量关系：离子越重，靶核阻滞越大，入射离子能量低，受到的阻滞主要来自靶核；反之则为电子。注入离子在靶中的分布纵向分布：该点为计算题横向效应：不同杂质，在E0相同，原子量越小，横向效应越大，注入的也越深。同种杂质，随着E0增加，横向效应逐渐变大，注入的也逐渐变深。沟道效应：离子束准确地沿着晶向注入，进入沟道的离子几乎不会受到原子散射，这部分离子能量损失小，将穿过较大距离，这种现象称为沟道效应。七、薄膜制备（CVD、PVD）（一） CVD化学气相淀积1.定义：构成薄膜物质的气态反应剂或液态反应剂的蒸气以合理的流速引入反应室，在衬底表面发生化学反应，淀积成膜的工艺方法。（淀积薄膜是非晶或多晶态，衬底不要求是单晶，只要是具有一定平整度，能经受淀积温度即可。）分类：按反应激活方式分类（常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）、等离子增强化学气相淀积（PECVD）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）、激光诱导化学气相淀积（LCVD）、微波等离子体化学气相淀积（MWCVD））；其中按气压分类（常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD））用途：用于制备SiO2、Si3N4等介质薄膜，ploy-Si等半导体薄膜，另外，也用于制备金属化系统中常用的钨、金属硅化物等薄膜。特点：CVD工艺制备的薄膜具有较好地性质，如附着性好，保形覆盖能力较高。不同的CVD方法制备，性质、用途都不相同。单晶薄膜通常采用外延工艺制备；多晶硅、非晶介质、二氧化硅薄膜通常采用CVD。（二） PVD物理气相沉积定义：PVD是利用某种物理过程实现物质转移，将原子或分子由源（或靶）气相转移到硅衬底表面形成薄膜的过程。工艺特点：相对于CVD而言，工艺温度低，衬底在室温~几百。C；工艺原理简单，能用于制备各种薄膜。但是，所制备薄膜的台阶覆盖特性，附着性，致密性都不如CVD薄膜。用途：主要用于金属类薄膜，以及其它用CVD工艺难以淀积薄膜的制备。如金属电极，互连系统中的附着层、阻挡层合金及金属硅化物薄膜的制备。铝及铝合金薄膜淀积“尖楔”现象：作内电极时，为与衬底硅形成良好的欧姆接触，通常淀积后在500C左右退火，退火过程中有“尖楔”现象出现。可能导致结穿通，性能下降甚至失效。措施：使用含硅1%的硅铝合金作为内电极防止尖楔效应。铝膜的抗电迁移特性差，在铝硅中再掺入2%左右的铜可以改善。铜及其阻挡层薄膜的沉积：优点：Cu电阻率只有Al的40~45%，抗电迁移性比铝能高两个数量级。缺点：中毒现象：Cu在Si和SiO2中都是快扩散杂质，在较低温度就能扩散进Si，会改变硅衬底的电学特性；工艺性差：Cu与Si、SiO2黏附性不好，图形刻蚀难。措施：扩散阻挡层：氮化钛、氮化钽、金属钽解决了铜中毒。镶嵌工艺、化学机械抛光解决了铜图形刻蚀难问题。铜的缺点：不能干法刻蚀铜；铜在硅和二氧化硅中扩散很快，芯片中的铜杂质沾污使电路性能变坏；抗腐蚀性能差，在低于200C的空气中不断被氧化。克服铜缺点的措施:采用大马士革工艺回避干法刻蚀铜;用金属钨做第一层金属解决了电路底层器件的铜沾污。铜的优点：电阻率更低（1.678》Q•cm）使相同线宽传导的电流大；降低动态功耗：由于RC延迟减小；更高的集成度：由于线宽减小；可靠性高：有良好的抗电迁徙性能；更少的工艺步骤：采用大马士革方法，减少20%〜30%；易于淀积（铜CVD、电镀铜；铜的成本低。八、光刻

定义：光刻（photolithography）,是将掩模版（光刻版）上的几何图形转移到覆盖在硅衬底表面对光辐照敏感的光刻胶掩膜上的工艺。种类：光学光刻：是光刻工艺主流,效率高,受光波长限制。主要方法：按光源划分：汞灯（g线、i线）、准分子激光（KrF、ArF、F2）、等离子体等按曝光方式划分：接近式、投影式、分步重复投影式、浸入式等电子束光刻：分辨率高,效率低,主要用于制作掩膜版。以扫面方式为主,还有成型束等方式其它光刻：X射线光刻、纳米压印光刻、无掩膜光刻等。特点：一、产生特征尺寸的关键工艺；二、复印图像和化学作用相结合的综合性技术；三、光刻与芯片的价格和性能密切相关,光刻成本占整个芯片制造成本的1/3。分辨率（resolution），指一个光学系统精确区分目标的能力。也就是能分辨开物面上两点的最小距离。瑞丽定律：R=，线宽R越小，分辨率越高。NA措施：提高光刻分辨率一减小线宽：减小波长九,减小分辨系数k［，增加数值孔径NA。NA=nNA=nsinaD2f，所以也可以提高折射率。1光刻分辨率：R—-max2Lmin套准精度：指光刻形成的图形层和衬底前次光刻图形层的最大相对位移。焦深：指的是光刻系统在特征线宽时，曝光相面偏离焦平面的范围。基本光刻工艺流程：一、 底膜的处理：对硅衬底表面进行处理，以增强衬底与光刻胶之间的黏附性；二、 涂胶：在硅片表面通过旋转涂敷的光刻胶，应厚度均匀、附着性强、没有缺陷；三、 前烘：通过在较高温度下进行烘焙，使衬底表面涂敷的光刻胶膜的溶剂挥发，胶中溶剂降至5%左右，同时增强与衬底的粘附性；四、 曝光（曝光前烘焙作用）*曝光前烘焙能解决：（1） 光刻胶薄膜发黏并易受颗粒污染的问题（2） 光刻胶薄膜来自于旋转涂胶的内在应力而导致的粘附性问题（3） 区分曝光和未曝光的光刻胶的溶解度差异（4） 能够防止光刻胶散发的气体沾污光学系统的透镜*曝光精辟烘焙作用：为了促进关键光刻胶的化学反应，对CADUV光刻胶是必须进行烘焙的。对于基于DNQ化学成分的常规I线胶，后焙的目的;是提高光刻胶的粘附性并减少驻波。五、 显影：在已曝光的硅衬底胶面上喷淋显影液，或将其浸泡在显影液中，正胶是曝光区、而负胶是非曝光区的胶膜溶入显影液，胶膜中的潜影显现出来，形成三维图形。工艺目的，溶解硅片上光刻胶可溶解区域，形成精密的光刻胶图形。六、 坚膜:也叫后烘，是为了去除由于显影液的浸泡引起的胶膜软化、溶胀现象，能使胶膜附着能力增强，抗腐蚀能力提高。（坚膜温度要高于前烘和曝光后烘烤温度）七、 显影检验：光刻胶钻蚀；图形尺寸变化；套刻对准不良；光刻胶膜损伤；线条是否齐、陡；针孔、小岛。八、刻蚀：将光刻胶上的图形进一步转移到光刻胶下层的材料上。干法刻蚀、湿法刻蚀（SiO2，Al）九、去胶：彻底去掉光刻胶，还刻蚀中残留的各种试剂。十、光学检验：衬底在入射白光或紫外光下首先接受表面目检，以检查污点和大的微粒污染。之后是显微镜检验或自动检验来检验缺陷和图案变形。1.刻掩模版的制造：将设计好的特定几何图形通过一定的方法以一定的间距和布局做在基版上，供光刻工艺中重复使用。光刻胶的组成：感光材料，胶的主体，又称光敏剂；聚合物材料，光的辐照下不发生化学反应，保证光刻胶薄膜的附着性和抗腐蚀性；溶剂，可以控制光刻胶机械性能。光刻胶的特征量：响应波长；灵敏度（光敏度）；抗蚀性；粘滞性；光刻胶的膨胀；微粒数量和金属含量；储存寿命；对比度Y:Y影响曝光后胶膜倾角和线宽，Y越高，光刻胶的侧壁越陡。光学光刻胶:正胶、负胶正胶，显影容易，图形边缘齐，无溶胀现象，光刻的分辨率高，去胶也较容易。负胶显影后保留区的胶膜是交联高分子，在显影时，吸收显影液而溶胀，另外，交联反应是局部的，边界不齐，所以图形分辨率下降。光刻后硬化的胶膜也较难去除。负胶比正胶抗蚀性强。紫外光曝光技术：i线365nm；h线405nm；g线436nm接触式、接近式、投影式曝光光学分辨率增强技术:移相掩模技术、离轴照明技术、光学邻近效应校正技术、光瞳滤波技术九、刻蚀1.刻蚀:用化学或物理的方法有选择地去除硅片表面层材料的工艺过程称为刻蚀。刻蚀分类:干法刻蚀:把要刻蚀的硅片放在具有反应气体的等离子体真空腔中去除表面层材料的工艺过程。亚微米，有各向同性和各向异性刻蚀剖面。湿法刻蚀:把要腐蚀的硅片放在化学腐蚀液里去除表面层材料的