1、集成電路制造工藝及常用設備培訓課件1. 高溫氧化工藝高溫氧化工藝1.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 硅的熱氧化是指在高溫下，硅片表面同氧氣或硅的熱氧化是指在高溫下，硅片表面同氧氣或水進行反應，生成水進行反應，生成SiO2 。 硅的熱氧化有：干氧、濕氧、水汽氧化三種。硅的熱氧化有：干氧、濕氧、水汽氧化三種。 如果氧化前已存在厚度為如果氧化前已存在厚度為 t0 的氧化層，則（的氧化層，則（3-11）微）微分方程的解為：（分方程的解為：（tOX ：是總的氧化層厚度）：是總的氧化層厚度）tBAttOXOX2（4- 12）BAtt02012NDHPBggShkDA112式中式中在各種工藝條件下，參數(shù)在各種工藝

2、條件下，參數(shù)A和和B都是已知的，都是已知的，t 是氧化時間。是氧化時間。 是一個時間參數(shù)，單位是小時（是一個時間參數(shù)，單位是小時（h）。）。（3- 13）1.2 硅熱氧化的厚度計算硅熱氧化的厚度計算3.2 熱氧化原理和方法熱氧化原理和方法O2 擴散擴散反應反應SiO2SiSi + O2 = SiO2 硅的熱氧化分干氧和濕氧兩種。干氧硅的熱氧化分干氧和濕氧兩種。干氧是在高溫下氧分子與硅表面的原子反應生是在高溫下氧分子與硅表面的原子反應生成成SiO2 。1.3 不同的熱氧化方式生長的不同的熱氧化方式生長的 SiO2 膜性質(zhì)比較膜性質(zhì)比較 干氧氧化的干氧氧化的 SiO2 膜結(jié)構(gòu)致密，干燥、均勻膜結(jié)構(gòu)

3、致密，干燥、均勻 性和重復性好、掩蔽能力強、鈍化效果好，性和重復性好、掩蔽能力強、鈍化效果好， 與光刻膠的接觸良好，光刻時不易浮膠。與光刻膠的接觸良好，光刻時不易浮膠。 水汽氧化的水汽氧化的 SiO2 膜結(jié)構(gòu)疏松，表面有斑點膜結(jié)構(gòu)疏松，表面有斑點 和缺陷，含水量多，對雜質(zhì)的掩蔽能力差，和缺陷，含水量多，對雜質(zhì)的掩蔽能力差， 所以在工藝中很少單獨采用。所以在工藝中很少單獨采用。 濕氧氧化生長的膜致密性略差于干氧生長的濕氧氧化生長的膜致密性略差于干氧生長的 SiO2 膜，但它具有生長速率快的優(yōu)點，其掩膜，但它具有生長速率快的優(yōu)點，其掩蔽能力和鈍化效果都能滿足一般器件的要求。蔽能力和鈍化效果都能滿足

4、一般器件的要求。其缺點是表面有硅烷醇存在，使其缺點是表面有硅烷醇存在，使 SiO2 膜與光膜與光刻膠接觸不良，光刻時容易浮膠。同時，濕氧刻膠接觸不良，光刻時容易浮膠。同時，濕氧氧化后的氧化后的 Si 片表面存在較多的位錯和腐蝕坑。片表面存在較多的位錯和腐蝕坑。 在實際工藝應用中，生長高質(zhì)量的幾百在實際工藝應用中，生長高質(zhì)量的幾百 的的SiO2薄膜一般采用干氧的方式。薄膜一般采用干氧的方式。 SiO2薄膜薄膜厚度需要幾千厚度需要幾千以上時，一般采用干氧以上時，一般采用干氧濕濕氧氧干氧的方式，既保證了所需的厚度，干氧的方式，既保證了所需的厚度，縮短了氧化時間，又改善了表面的完整性縮短了氧化時間，又

5、改善了表面的完整性和解決了光刻時的浮膠問題。和解決了光刻時的浮膠問題。 熱氧化生長的熱氧化生長的SiO2薄膜質(zhì)量好，但是反薄膜質(zhì)量好，但是反應溫度比較高。襯底只能用于單晶硅表面。應溫度比較高。襯底只能用于單晶硅表面。 離子注入可以通過分別調(diào)節(jié)注入離子的離子注入可以通過分別調(diào)節(jié)注入離子的能量、數(shù)量，精確地控制摻雜的深度和濃能量、數(shù)量，精確地控制摻雜的深度和濃度，所以可以制備理想的雜質(zhì)分布。度，所以可以制備理想的雜質(zhì)分布。離子注入的優(yōu)點離子注入的優(yōu)點2. 離子注入離子注入 擴散法摻雜時受到化學結(jié)合力、擴散系數(shù)及擴散法摻雜時受到化學結(jié)合力、擴散系數(shù)及 固溶度等方面的限制，而離子注入是一個物固溶度等方

6、面的限制，而離子注入是一個物 理過程，所以它可以注入各種元素。理過程，所以它可以注入各種元素。 擴散法是在高溫下?lián)诫s，離子注入法摻雜一擴散法是在高溫下?lián)诫s，離子注入法摻雜一 般在室溫下進行（也可以在加溫或低溫下進般在室溫下進行（也可以在加溫或低溫下進 行）。行）。 離子注入法可以做到高純度的摻雜，避免有離子注入法可以做到高純度的摻雜，避免有 害物質(zhì)進入硅片。害物質(zhì)進入硅片。 熱擴散時只能采用熱擴散時只能采用SiO2 等少數(shù)耐高溫的介質(zhì)等少數(shù)耐高溫的介質(zhì) 進行局部摻雜，但是離子注入法可以采用光進行局部摻雜，但是離子注入法可以采用光 刻膠作為掩蔽膜，進行局部注入摻雜。刻膠作為掩蔽膜，進行局部注入摻

7、雜。 熱擴散時，雜質(zhì)在縱向擴散的同時進行橫向熱擴散時，雜質(zhì)在縱向擴散的同時進行橫向 擴散，兩者幾乎一樣，而離子注入的橫向擴擴散，兩者幾乎一樣，而離子注入的橫向擴 散很小。散很小。 在離子注入機中，利用電流積分儀測量注在離子注入機中，利用電流積分儀測量注入的離子總數(shù)入的離子總數(shù)N：tSidtqqQSNN01式中：式中：NS 單位面積的注入劑量（個單位面積的注入劑量（個/cm2 ），），S 是掃描面積是掃描面積（cm2 ），），q 是一個離子的電荷（是一個離子的電荷（1.610-19庫侖），庫侖），Q 是注是注入到靶中的總電荷量（庫侖），入到靶中的總電荷量（庫侖），i是注入的束流（安培），是注入的

8、束流（安培），t 是注入時間（秒）。是注入時間（秒）。電流積分儀電流積分儀（6 - 8）如果束流是穩(wěn)定的電流如果束流是穩(wěn)定的電流I，則：，則：qItSNSISqNtS（6 - 9）（6 - 10）其中：其中：NS 單位面積的注入劑量（個單位面積的注入劑量（個/cm2 ），），S 是掃描面積是掃描面積（cm2 ），），q 是一個離子的電荷（是一個離子的電荷（1.610-19庫侖），庫侖），I 是注入是注入的束流（安培），的束流（安培），t 是注入時間（秒）。是注入時間（秒）。 例題：如果注入劑量是例題：如果注入劑量是51015，束流，束流1mA，求注入一片，求注入一片6英寸硅片的時間英寸硅片的時

9、間 ISqNtSt=（1.610-1951015 3.147.52）/ 1 10-3 =141秒秒根據(jù)公式根據(jù)公式（4-6） 注入劑量、標準偏差和峰值濃度注入劑量、標準偏差和峰值濃度之間的近似關系：之間的近似關系：pSRNN4 . 0max（6 - 14） 對于原來原子排列有序的晶體，由于離子注入，對于原來原子排列有序的晶體，由于離子注入，在晶體中將大量產(chǎn)生缺陷，如空位等。對于高能、在晶體中將大量產(chǎn)生缺陷，如空位等。對于高能、大劑量的重離子注入到硅單晶中，如大劑量的重離子注入到硅單晶中，如As+，將使局部，將使局部晶體變成非晶體。晶體變成非晶體。離子注入的損傷和退火效應離子注入的損傷和退火效應

10、 注入的離子在硅單晶中往往處于間隙注入的離子在硅單晶中往往處于間隙位置，一般不能提供導電性能，因此，必位置，一般不能提供導電性能，因此，必須要使注入的雜質(zhì)原子轉(zhuǎn)入替位位置以實須要使注入的雜質(zhì)原子轉(zhuǎn)入替位位置以實現(xiàn)電激活。現(xiàn)電激活。注入離子的激活注入離子的激活離子注入后的熱退火離子注入后的熱退火 高能粒子撞擊硅片表面，造成晶格損高能粒子撞擊硅片表面，造成晶格損傷，因此為了消除離子注入造成的損傷和傷，因此為了消除離子注入造成的損傷和激活注入的雜質(zhì)離子，離子注入后必須要激活注入的雜質(zhì)離子，離子注入后必須要進行熱退火。最常用的是在進行熱退火。最常用的是在950高溫爐中高溫爐中在氮氣保護下，退火在氮氣保

11、護下，退火15 30分鐘。熱退火后分鐘。熱退火后對雜質(zhì)分布將產(chǎn)生影響，對雜質(zhì)分布將產(chǎn)生影響，LSS理論的射程理論的射程RP和標準偏差和標準偏差Rp 要作修正。要作修正。 光刻膠應該具有以下基本性能：光刻膠應該具有以下基本性能：靈敏度高；分辨率高；同襯底有很好的粘附性，膠膜靈敏度高；分辨率高；同襯底有很好的粘附性，膠膜表面沾性小；膠膜致密性好，無針孔；圖形邊緣陡直，表面沾性小；膠膜致密性好，無針孔；圖形邊緣陡直，無鋸齒狀；顯影后留膜率高，不留底膜或其它顆粒物無鋸齒狀；顯影后留膜率高，不留底膜或其它顆粒物質(zhì)；在顯影液和其它腐蝕劑里抗蝕性強、抗溶漲性好；質(zhì)；在顯影液和其它腐蝕劑里抗蝕性強、抗溶漲性好

12、；去膠容易，不留殘渣；去膠容易，不留殘渣； 光刻膠分為正性光刻膠和負性光刻膠兩種：光刻膠分為正性光刻膠和負性光刻膠兩種：正膠是感光部分顯影時溶解掉，負膠則相反。正膠是感光部分顯影時溶解掉，負膠則相反。3. 光刻工藝光刻工藝 底膜是指顯影后還有一層薄薄的膠。底膜是指顯影后還有一層薄薄的膠。圖形轉(zhuǎn)移工藝圖形轉(zhuǎn)移工藝襯底襯底淀 積 薄 膜淀 積 薄 膜勻膠、前烘勻膠、前烘曝曝 光光掩模版掩模版紫外光紫外光顯影、堅膜顯影、堅膜腐腐 蝕蝕去去 膠膠正膠正膠負膠負膠勻膠勻膠正膠和負膠正膠和負膠曝光曝光掩膜版掩膜版紫外光紫外光顯影顯影正膠感光區(qū)域溶正膠感光區(qū)域溶于顯影液于顯影液負膠未感光區(qū)域負膠未感光區(qū)域溶

13、于顯影液溶于顯影液光學曝光的三種曝光方式光學曝光的三種曝光方式接觸式曝光接觸式曝光接近式曝光接近式曝光投影式曝光投影式曝光接觸式曝光接觸式曝光 接觸式曝光是掩膜板直接同光刻膠接觸，它接觸式曝光是掩膜板直接同光刻膠接觸，它具有設備簡單、分辨率高的優(yōu)點。它分成真空接具有設備簡單、分辨率高的優(yōu)點。它分成真空接觸、硬接觸和軟接觸三種方式，其中真空接觸具觸、硬接觸和軟接觸三種方式，其中真空接觸具有接觸力均勻、掩膜變形小和可以消除氧氣對光有接觸力均勻、掩膜變形小和可以消除氧氣對光刻膠的影響等優(yōu)點。由于接觸式曝光時掩膜版同刻膠的影響等優(yōu)點。由于接觸式曝光時掩膜版同光刻膠直接接觸，所以掩膜版容易損傷，圖形缺光

14、刻膠直接接觸，所以掩膜版容易損傷，圖形缺陷多、管芯成品率低、不適合陷多、管芯成品率低、不適合VLSI生產(chǎn)。生產(chǎn)。 接近式曝光接近式曝光 接近式曝光是掩膜版同光刻膠離開接近式曝光是掩膜版同光刻膠離開10 50 m，所以掩膜版不容易被損傷，掩，所以掩膜版不容易被損傷，掩膜版的使用壽命長，圖形的缺陷少，管芯的膜版的使用壽命長，圖形的缺陷少，管芯的成品率高，但是缺點是分辨率低，同時機器成品率高，但是缺點是分辨率低，同時機器操作比接觸式曝光機復雜、價格也稍貴。操作比接觸式曝光機復雜、價格也稍貴。 投影式曝光投影式曝光 光刻工藝中的投影式曝光分光刻工藝中的投影式曝光分1 : 1、4 : 1、5 : 1幾種

15、。幾種。 投影式曝光的掩模版同硅片不接觸，對投影式曝光的掩模版同硅片不接觸，對于于4:1、5:1縮小的投影曝光，可以得到更小的縮小的投影曝光，可以得到更小的圖形尺寸，可以減少掩模版上缺陷（如灰塵等圖形尺寸，可以減少掩模版上缺陷（如灰塵等顆粒）對成品率的影響。顆粒）對成品率的影響。 stepper是是IC制造工藝中最重要的設備，也制造工藝中最重要的設備，也是最昂貴的設備，是最昂貴的設備，特殊的光刻工藝特殊的光刻工藝LIGA技術技術剝離技術（剝離技術（Lift Off）膜的工藝要求膜的工藝要求 好的臺階覆蓋（好的臺階覆蓋（step coverage）能力。）能力。 填充高的深寬比間隙的能力。填充高

16、的深寬比間隙的能力。 好的厚度均勻性。好的厚度均勻性。 高純度和高密度。高純度和高密度。 受控制的化學劑量。受控制的化學劑量。 高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應力。高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應力。 好的電學性能。好的電學性能。 對襯底材料或下層膜好的粘附性。對襯底材料或下層膜好的粘附性。4. 薄膜工藝薄膜工藝4.1 CVD法制作法制作SiO2薄膜薄膜 APCVD、LPCVD、PECVD或濺射等或濺射等方式都可以得到方式都可以得到SiO2薄膜。這種制作二氧化薄膜。這種制作二氧化硅薄膜的方法同硅的熱氧化制作二氧化硅硅薄膜的方法同硅的熱氧化制作二氧化硅有著本質(zhì)上的區(qū)別：前者是同襯底材質(zhì)沒有著本質(zhì)上的區(qū)別：前

17、者是同襯底材質(zhì)沒有關系，二氧化硅是淀積到襯底上去的；有關系，二氧化硅是淀積到襯底上去的；后者是硅襯底直接同氧或水在高溫下進行后者是硅襯底直接同氧或水在高溫下進行化學反應生成二氧化硅。化學反應生成二氧化硅。 采用采用LPCVD、PECVD或濺射等方式制作薄膜的或濺射等方式制作薄膜的最大優(yōu)點是工作溫度比較低，其中最大優(yōu)點是工作溫度比較低，其中LTO 的工作溫度的工作溫度是是620左右，左右， PECVD方式淀積方式淀積SiO2的溫度可以在的溫度可以在200 以下。不同的淀積方式、用不同的源淀積的以下。不同的淀積方式、用不同的源淀積的SiO2在密度、折射率、應力、介電強度、臺階覆蓋和在密度、折射率、

18、應力、介電強度、臺階覆蓋和腐蝕速率等各方面性能上都有很大差別。濺射方式制腐蝕速率等各方面性能上都有很大差別。濺射方式制作作SiO2薄膜薄膜 的溫度低、質(zhì)量好，但是效率低、成的溫度低、質(zhì)量好，但是效率低、成本高。本高。 Si3N4在器件制造中可以用作鈍化膜、局在器件制造中可以用作鈍化膜、局部氧化擴散掩膜、硅濕法腐蝕的掩蔽膜、絕部氧化擴散掩膜、硅濕法腐蝕的掩蔽膜、絕緣介質(zhì)膜以及雜質(zhì)或缺陷的萃取膜。它最重緣介質(zhì)膜以及雜質(zhì)或缺陷的萃取膜。它最重要的性質(zhì)是對要的性質(zhì)是對H2O、O2 、Na、Al、Ga、In等等都具有極強的擴散阻擋能力。特別是對都具有極強的擴散阻擋能力。特別是對H2O和和Na 的強力阻擋

19、作用，使它成為一種較理想的強力阻擋作用，使它成為一種較理想的鈍化材料。的鈍化材料。4.2 Si3N4薄膜的性質(zhì)薄膜的性質(zhì)勻膠、曝光、顯影、勻膠、曝光、顯影、堅膜、刻蝕堅膜、刻蝕Si3N4 去膠、清洗、場去膠、清洗、場區(qū)氧化區(qū)氧化1m Si3N4作為硅片高溫局部氧化的掩蔽層作為硅片高溫局部氧化的掩蔽層Si3N4 膜膜 100/ 111的腐蝕比達的腐蝕比達400：1 Si3N4 Si3N4作為硅片濕法腐蝕的掩蔽膜作為硅片濕法腐蝕的掩蔽膜Si3N4作為硅芯片的保護膜作為硅芯片的保護膜鋁焊盤鋁焊盤鈍化層鈍化層鈍化結(jié)構(gòu)鈍化結(jié)構(gòu)SiO2/Si PSG/SiO2 /SiSi3N4 /SiSi3N4 / Si

20、O2 / Si可動離子可動離子密度密度(/ cm2) 1013 4.31012 6.510106.61010不同材料的阻鈉能力不同材料的阻鈉能力 雖然雖然Si3N4/Si結(jié)構(gòu)具有最好的阻鈉能力，實際上結(jié)構(gòu)具有最好的阻鈉能力，實際上由于界面存在極大的應力與極高的界面態(tài)密度，所以由于界面存在極大的應力與極高的界面態(tài)密度，所以都采用都采用Si3N4/ SiO2/ Si 結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。4.3 鋁布線的優(yōu)缺點鋁布線的優(yōu)缺點能長期工作能長期工作優(yōu)點優(yōu)點 同硅或多晶硅能形成歐姆接觸同硅或多晶硅能形成歐姆接觸 電阻率能滿足微米和亞微米電路的要求電阻率能滿足微米和亞微米電路的要求 與與 SiO2 有良好的附著性有

21、良好的附著性 臺階的覆蓋性好臺階的覆蓋性好 易于淀積和刻蝕易于淀積和刻蝕易于鍵合易于鍵合缺點缺點 在大電流密度下容易產(chǎn)生金屬離子在大電流密度下容易產(chǎn)生金屬離子 電遷移現(xiàn)象，導致電極短路。電遷移現(xiàn)象，導致電極短路。 鋁硅之間容易產(chǎn)生鋁硅之間容易產(chǎn)生“鋁釘鋁釘”，深度可，深度可 達達1m，所以對于淺結(jié)工藝很容易造，所以對于淺結(jié)工藝很容易造 成成PN結(jié)短路。結(jié)短路。5.1 濺射濺射 根據(jù)采用的電源種類，等離子體濺射有根據(jù)采用的電源種類，等離子體濺射有兩種方式：直流陰極濺射和射頻濺射。兩種方式：直流陰極濺射和射頻濺射。 直流陰極濺射是荷能粒子（一般采用正離直流陰極濺射是荷能粒子（一般采用正離子）轟擊處

22、在陰極的靶材，把靶材上的原子濺子）轟擊處在陰極的靶材，把靶材上的原子濺射到陽極的硅片上。射到陽極的硅片上。5. 等離子體加工技術小結(jié)等離子體加工技術小結(jié) 如果靶材是絕緣介質(zhì)或?qū)щ姲猩鲜芙^緣介如果靶材是絕緣介質(zhì)或?qū)щ姲猩鲜芙^緣介質(zhì)污染時，相當于在等離子體與陰極之間有一質(zhì)污染時，相當于在等離子體與陰極之間有一個電容器，采用直流電源實現(xiàn)濺射存在困難，個電容器，采用直流電源實現(xiàn)濺射存在困難，所以對于絕緣靶的濺射一般采用射頻（所以對于絕緣靶的濺射一般采用射頻（RF）電）電源，但是它必須要在硅片與靶之間加一個直流源，但是它必須要在硅片與靶之間加一個直流偏壓。偏壓。 射頻濺射射頻濺射直流濺射直流濺射+ E

23、C 靶靶載片臺載片臺5.2 PECVD PECVD是讓兩種反應氣體在襯底表面是讓兩種反應氣體在襯底表面發(fā)生化學反應，如：發(fā)生化學反應，如：PECVD淀積淀積Si3N4 。3SiH4 4NH3 Si3N4 12H2 它的化學反應同它的化學反應同LPCVD完全一樣，完全一樣，差別就是反應的溫度不同。差別就是反應的溫度不同。 射頻濺射射頻濺射E C 濺射同濺射同PECVD的差別的差別RF電源電源真空泵真空泵反應氣體反應氣體靶靶載片臺載片臺PECVD 濺射通常使用濺射通常使用Ar氣，荷能正離子把靶材氣，荷能正離子把靶材上的原子濺射到硅片上，而上的原子濺射到硅片上，而PECVD是兩種反是兩種反應氣體在等離子體中分解為具有高活性的反應氣體在等離子體中分解為具有高活性的反應粒子，這些活性反應粒子在襯底表面發(fā)生應粒子，這些活性反應粒子在襯底表面發(fā)生化學反應生成薄膜。化學反應生成薄膜。5.3 等離子體刻蝕等離子體刻蝕 物理方法干法刻蝕是利用輝光放電將惰物理方法干法刻蝕是利用輝光放電將惰性氣體，例如氬氣（性氣體，例如氬氣（Ar），解離成帶正電的），解離成帶正電的離子，再利用偏壓將離子加速，轟擊被刻蝕離子，再利用偏壓將離子加速，轟擊被刻蝕物的表面，并將被刻