《微电子工艺实验》PPT课件.ppt

第十章微电子工艺实验第十章微电子工艺实验实验内容实验内容1.热热氧氧化化生生长长二二氧氧化化硅硅：主主要要内内容容包包括括热热氧氧化化工工艺艺，二二氧氧化化硅硅膜膜的的腐腐蚀蚀，二二氧氧化化硅硅膜膜厚厚度度测测量量等。等。2.热热扩扩散散对对硅硅片片进进行行掺掺杂杂：主主要要内内容容包包括括热热扩扩散散工艺，二氧化硅膜的腐蚀，方块电阻的测量等。工艺，二氧化硅膜的腐蚀，方块电阻的测量等。3.在在硅硅片片上上蒸蒸发发铝铝图图形形：主主要要内内容容包包括括光光刻刻工工艺艺，蒸发工艺，剥离法蒸发工艺，剥离法(lift-off)图形化工艺等。图形化工艺等。4.4.简简单单MOSMOS器器件件的的制制备备：主主要要内内容容包包括括光光刻刻工工艺艺，蒸发工艺，剥离工艺，扩散工艺等。蒸发工艺，剥离工艺，扩散工艺等。工艺复习工艺复习热氧化工艺热氧化工艺蒸发工艺蒸发工艺热扩散工艺热扩散工艺光刻工艺光刻工艺10.1 热氧化工艺热氧化工艺内内容容：热热生生长长二二氧氧化化硅硅薄薄膜膜的的生生长长原原理理、制备技术和特性测量。制备技术和特性测量。要要求求：了了解解干干氧氧、湿湿氧氧情情况况下下热热生生长长二二氧氧化化硅硅层层的的生生长长规规律律，掌掌握握热热生生长长二二氧氧化化硅硅层的制备工艺和膜层特性的测量方法。层的制备工艺和膜层特性的测量方法。热氧化工艺方法热氧化工艺方法1.干氧法干氧法：硅和分子氧反应生成：硅和分子氧反应生成SiO2特点：氧化速度慢，但氧化层致密。特点：氧化速度慢，但氧化层致密。2.水汽氧化水汽氧化：硅和水汽反应生成：硅和水汽反应生成SiO2特点：氧化速度快，但氧化层疏松。特点：氧化速度快，但氧化层疏松。3.湿氧法湿氧法：硅和氧分子及水汽反应生成：硅和氧分子及水汽反应生成SiO2特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。生生长长厚厚氧氧化化层层时时，常常采采用用湿湿氧氧干干氧氧；生生长长薄薄氧氧化化层层时时，则采用则采用干氧干氧。氧化层应用氧化层应用Purpose:在空气中自然生成，是不希望生成的。在空气中自然生成，是不希望生成的。Comments:厚度厚度20 左右左右p+Silicon substrateSilicon dioxide(oxide)自然氧化层（自然氧化层（Native OxideNative Oxide）场氧化（场氧化（Field OxideField Oxide）Purpose:用作器件之间的隔离用作器件之间的隔离Comments:场氧化层厚度从场氧化层厚度从 2,500 到到15,000，通常用湿，通常用湿氧化工艺生长。氧化工艺生长。Field oxideTransistor sitep+Silicon substrate栅氧化（栅氧化（Gate OxideGate Oxide）Purpose:用于用于MOS的栅介质层的栅介质层Comments:厚度从厚度从 30 到到 500，通常使用干氧工艺。，通常使用干氧工艺。Gate oxideTransistor sitep+Silicon substrateSourceDrainGate缓冲氧化（缓冲氧化（Pad OxidePad Oxide）Purpose:通常用于氮化硅与硅衬底之间的缓冲层，降低应通常用于氮化硅与硅衬底之间的缓冲层，降低应力。力。Comments:厚度从厚度从100 到到 200，通常使用干氧工艺。，通常使用干氧工艺。屏蔽氧化层（屏蔽氧化层（Screen OxideScreen Oxide）Purpose:通常在离子注入工艺中作为非晶阻挡层，降低沟通常在离子注入工艺中作为非晶阻挡层，降低沟道效应。道效应。Comments:厚度厚度200 左右，通常使用干氧工艺。左右，通常使用干氧工艺。掩蔽氧化层（掩蔽氧化层（Masking OxideMasking Oxide）Purpose:热扩散或离子注入掺杂时，作为掩蔽膜。热扩散或离子注入掺杂时，作为掩蔽膜。Comments:厚度厚度5000 左右，使用湿氧工艺。左右，使用湿氧工艺。阻挡氧化层（阻挡氧化层（Barrier OxideBarrier Oxide）Passivation layerILD-4ILD-5M-3 M-4Interlayer oxideBonding pad metalPurpose:用途层与层之间的隔离用途层与层之间的隔离Comments:采用淀积方法制备采用淀积方法制备牺牲氧化（牺牲氧化（Scrificial OxideScrificial Oxide）Purpose:通常用于硅片表面清洁，通常用于硅片表面清洁，MEMS器件制备器件制备Comments:厚度根据工艺要求而定，热氧化或淀积工艺均厚度根据工艺要求而定，热氧化或淀积工艺均可。可。迪尔格罗夫模型迪尔格罗夫模型B/A被称为线性速率系数；而被称为线性速率系数；而B被称为抛物线被称为抛物线速率系数速率系数影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素1.温度温度：氧化速率随温度升高而增大。：氧化速率随温度升高而增大。2.气氛气氛：掺氯气氛增加氧化速率。：掺氯气氛增加氧化速率。3.气压气压：氧化速率与氧化剂分压成正比。：氧化速率与氧化剂分压成正比。4.硅硅衬衬底底掺掺杂杂：一一般般情情况况下下硅硅中中的的掺掺杂杂会会增增加加氧氧化速率。化速率。5.硅硅片片晶晶向向：硅硅原原子子密密度度大大的的晶晶面面上上氧氧化化速速率率大大，R(111)R(110)R(100)。一一块块硅硅样样品品在在1200下下采采用用干干氧氧氧氧化化10分分钟钟，再再在在1200 采采用用湿湿氧氧氧氧化化40分分钟钟，再再1200 下下干干氧氧氧氧化化30分钟，最终得到的氧化层有多厚分钟，最终得到的氧化层有多厚？二氧化硅厚度测试方法二氧化硅厚度测试方法二二氧氧化化硅硅膜膜厚厚度度测测量量方方法法主主要要包包括括：台台阶阶法法、干干涉涉条条纹纹法、椭偏光法等；法、椭偏光法等；1.台台阶阶法法：先先将将氧氧化化层层刻刻蚀蚀出出台台阶阶，然然后后利利用用探探针针绘绘制制出出台阶曲线；台阶曲线；2.干干涉涉条条纹纹法法：利利用用氧氧化化层层和和硅硅衬衬底底对对入入射射光光的的反反射射干干涉涉现现象象测测量量氧氧化化层层厚厚度度，不不同同厚厚度度的的氧氧化化层层的的干干涉涉光光的的颜颜色不一样；色不一样；3.椭椭偏偏光光法法：也也是是利利用用氧氧化化层层和和硅硅衬衬底底对对入入射射偏偏振振光光的的反反射射差差别别来来测测量量氧氧化化层层厚厚度度，不不同同厚厚度度的的氧氧化化层层对对偏偏振振光光的改变不一样。的改变不一样。台阶仪测量膜厚台阶仪测量膜厚椭偏仪测量厚度椭偏仪测量厚度基基本本原原理理是是：一一束束椭椭圆圆偏偏振振光光作作为为探探针针照照射射到到样样品品上上，由由于于样样品品对对入入射射光光p分分量量和和s分分量量有有不不同同的的反反射射、折折射射系系数数，因因此此从从样样品品上上出出射射的的光光，其其偏偏振振状状态态相相对对于于入入射射光光来来说说要要发发生生变变化化，利利用用该该变变化化测测出出厚度。厚度。干涉条纹测量厚度干涉条纹测量厚度工工作作原原理理是是：氧氧化化层层表表面面的的反反射射光光与与硅硅片片表表面面的的反射光发生干涉现象；反射光发生干涉现象；测测量量方方法法：用用HF酸酸刻刻蚀蚀掉掉部部分分氧氧化化层层，形形成成坡坡状状台台阶阶，根根据据颜颜色色的的周周期期性性变变化化，对对照照颜颜色色表表得得到到大致厚度。大致厚度。颜色厚度对照表颜色厚度对照表10.2 10.2 热扩散工艺热扩散工艺内内容容：半半导导体体集集成成电电路路中中硼硼扩扩散散的的机机理理、方法和特性测量。方法和特性测量。要要求求：熟熟悉悉硼硼扩扩散散工工艺艺中中予予淀淀积积和和再再分分布布的操作方法，掌握薄层电阻的测量方法。的操作方法，掌握薄层电阻的测量方法。扩散炉示意图扩散炉示意图组成部分：气路装置、炉体、石英舟。组成部分：气路装置、炉体、石英舟。扩散源扩散源1.固固态态源源：含含有有杂杂质质的的固固态态片片状状物物；氮氮化化硼硼(BN)、五五氧氧化化二二磷磷(P2O5)、三三氧氧化化二二砷砷(As2O3)。通通常常将将它它们们压压成成和和硅硅片大小相似的片状。片大小相似的片状。2.液液态态源源：硼硼酸酸三三甲甲酯酯（B(CH3O)3）、溴溴化化硼硼(BBr3)、三三氯氧磷氯氧磷(POCl3)、氯化砷、氯化砷(AsCl3)等；等；3.气态源气态源：乙硼烷：乙硼烷(B2H6)、磷烷、磷烷(PH3)和砷烷和砷烷(AsH3)等。等。对对于于每每种种扩扩散散杂杂质质都都要要自自配配一一套套扩扩散散系系统统，不不得得混混用用，以以防防杂杂质质互互相相污污染染。对对于于硅硅扩扩散散，B是是最最常常用用的的P型型掺掺杂杂剂，剂，P，As是最常用的是最常用的N型掺杂剂。型掺杂剂。液态源扩散装置液态源扩散装置液态源和气态源扩散流程液态源和气态源扩散流程1.液液态态源源和和气气态态源源和和输输运运气气体体一一起起进进入入反反应应室；室；2.杂杂质质源源在在高高温温下下分分解解，形形成成氧氧化化物物淀淀积积在在硅表面；硅表面；3.杂杂质质氧氧化化物物与与硅硅反反应应生生成成二二氧氧化化硅硅和和杂杂质质原子，经过硅片表面向内部扩散。原子，经过硅片表面向内部扩散。以以三三氯氯氧氧磷磷为为杂杂质质源源，首首先先在在硅硅片片上上反反应应形形成磷硅玻璃，成磷硅玻璃，接接着着用用硅硅取取代代磷磷，磷磷被被释释放放出出来来后后扩扩散散进进入入硅，同时硅，同时Cl2被排出被排出注注意意：1、在在磷磷扩扩散散时时通通入入少少量量的的氧氧气气，是是为为了了使使源源充充分分分分解解，否否则则源源分分解解不不充充分分而而淀淀积积在在硅硅片片表表面面，难难以以腐腐蚀蚀；2、三三氯氯氧氧磷磷有有毒毒，所所以以系系统统要要密密封封，排排出出气气体体通通进进通通风风管管道道；3、三三氯氯氧氧磷磷在在室室温温下下蒸蒸汽汽压压很很高高，为为保保持持蒸蒸汽汽压压稳稳定定，扩扩散散时时源源要要放放在在冰冰水水中中；4、三三氯氯氧氧磷易水解，系统要保持干燥。磷易水解，系统要保持干燥。以硼酸三甲酯为液态杂质源，首先以硼酸三甲酯为液态杂质源，首先B(CH3O)3在硅片表面分解，在硅片表面分解，接着用硅取代硼，硼被释放出来后扩散进入硅接着用硅取代硼，硼被释放出来后扩散进入硅注注意意：1、考考虑虑到到石石英英管管壁壁的的吸吸收收，在在正正式式扩扩散散之之前前先先通通源源一一段段时时间间；2、考考虑虑到到硼硼酸酸三三甲甲酯酯分分解解产产物物中中有有C生生成成，对对石石英英管管和和硅硅片片均均有有腐腐蚀蚀作作用用，因因此此尽尽量量缩缩短短通通源源时时间间和和流流量量；3、硼酸三甲酯易水解，因此系统要密封和使用干燥输运气体。硼酸三甲酯易水解，因此系统要密封和使用干燥输运气体。固态源扩散装置固态源扩散装置固固态态源源有有：氮氮化化硼硼(BN)、五五氧氧化化二二磷磷(P2O5)、三三氧氧化化二二砷砷(As2O3)。通通常常将将它它们们压压成成和和硅硅片片大小相似的片状。大小相似的片状。扩散过程：扩散过程：1.以氧化物的形式淀积到硅片表面；以氧化物的形式淀积到硅片表面；2.然然后后与与硅硅反反应应生生成成二二氧氧化化硅硅和和杂杂质质原原子子，同同时向硅内部扩散。时向硅内部扩散。对于对于BN，扩散前要使其通氧活化，生成，扩散前要使其通氧活化，生成B2O3，然后进行一步的扩散。，然后进行一步的扩散。掺杂流程掺杂流程窗口刻蚀窗口刻蚀光光 刻刻除去杂质氧化物除去杂质氧化物杂质再分布杂质再分布直线四探针其中，其中，A为修正因子，通常可以取。为修正因子，通常可以取。四探针法测量薄层电阻四探针法测量薄层电阻方块电阻方块电阻上图为结深为上图为结深为xj的正方形扩散层，由于半导体存在杂质分布的正方形扩散层，由于半导体存在杂质分布梯度，所以扩散层的电阻率用平均电阻率来表示：梯度，所以扩散层的电阻率用平均电阻率来表示：根据欧姆定律，上述方形的薄层电阻值为：根据欧姆定律，上述方形的薄层电阻值为：由由上上式式可可见见，方方形形的的薄薄层层电电阻阻与与薄薄层层平平均均电电阻阻率率成成正正比比，与与薄薄层层厚厚度度成成反反比比，而而与与正正方方形形的的连连长长无无关关，所所以以这这一一类类电电阻阻称称为为方方形形电电阻阻（RS）。进进而而根根据据电电导导率率和和杂杂质质浓浓度度的的关关系系式，求出方块电阻与杂质浓度的关系为：式，求出方块电阻与杂质浓度的关系为：可见方块电阻取决于扩散到硅片内的杂质总量，杂质越多，可见方块电阻取决于扩散到硅片内的杂质总量，杂质越多，RS越小越小r点电流源的电场分布点电流源的电场分布距离电流注入距离电流注入r的地方，电流密度为：的地方，电流密度为：该处体积单元的电阻值为：该处体积单元的电阻值为：流经该处的电流为：流经该处的电流为：该处体积单元的电压降为：该处体积单元的电压降为：距离电流注入距离电流注入r1和和r2两点处的两点处的电压为：电压为：同同理理，电电流流流流出出的的探探针针可可看看作作一一个个负负的的点点电电流流源源。由由电电场场叠叠加加原原理理，空空间间任任意意两两点点的的电电位位差差，为为两两个个电电流流源源I和和-I在在此此两两点点产产生生的的电电压压和和。对对于于四四探探针针情情况况，P1和和P4两两根根探探针针通通过过的的电电流流在在P2和和P3之之间产生的电压和为：间产生的电压和为：如果探针排成一条直线，而且针尖距离相等，则有：如果探针排成一条直线，而且针尖距离相等，则有：四探针法测量薄层电阻四探针法测量薄层电阻方形四探针(范德堡法)其其中中，F为为形形状状修修正正因因子子，对于正方形，对于正方形，F1。在在硅硅片片上上预预淀淀积积杂杂质质磷磷，杂杂质质剂剂量量为为1011cm-2。然然后后在在硅硅片片上上覆覆盖盖一一层层Si3N4，以以防防止止任任何何扩扩散散，然然后后在在950 下下对对圆圆片片进进行行600分分钟钟的的再再分分布布。只只考考虑虑轻轻掺掺杂杂，忽忽略略所所有有重重掺掺杂杂效效应应。a.退退火火后后表表面面磷磷的的浓浓度度是是多多少少？b.如如果果硅硅片片是是P型型，本本底底硼硼（B）浓浓度度为为1014 cm-3，请问结深是多少？，请问结深是多少？10.3 10.3 蒸发蒸发内内容容：真真空空蒸蒸发发制制备备图图形形化化金金属属铝铝薄薄膜膜工工艺。艺。要要求求：了了解解蒸蒸发发镀镀膜膜的的原原理理，掌掌握握蒸蒸发发镀镀膜膜的的技技术术、铝铝层层薄薄膜膜质质量量与与工工艺艺参参数数的的关关系。系。蒸发台示意图蒸发台示意图蒸蒸发发必必须须在在一一定定真真空空度度下下进进行行，这这是是因因为为真真空空度度太太低低，蒸蒸气气分分子子会会与与空空气气分分子子碰碰撞撞而而损损失失能能量量，改改变变运运动动方方向向，从从而而到到达达不了晶片表面。不了晶片表面。其其次次，低低真真空空下下，蒸蒸气气分分子子会会与空气发生氧化等反应。与空气发生氧化等反应。在在真真空空下下，蒸蒸气气分分子子的的平平均均自自由由程程很很大大，基基本本上上可可以以沿沿直直线线方向运动到晶片表面堆积。方向运动到晶片表面堆积。蒸发工艺步骤蒸发工艺步骤1.打开电源；打开电源；2.升升起起真真空空罩罩，装装片片（Loading），将将硅硅片片和和铝铝丝丝装装入入真真空腔室；空腔室；3.粗抽至粗抽至10-2 Torr之下（使用机械泵）；之下（使用机械泵）；4.切切换换成成扩扩散散泵泵进进行行细细抽抽，至至510-6 Torr以以下下，即即可可进进行行蒸发；蒸发；5.逐步增加电流，使逐步增加电流，使Al丝熔化，打开挡板，进行蒸发；丝熔化，打开挡板，进行蒸发；6.向真空罩充气，打开真空罩，取出硅片，清洁真空腔；向真空罩充气，打开真空罩，取出硅片，清洁真空腔；7.抽真空后，等待扩散泵冷却之后关机。抽真空后，等待扩散泵冷却之后关机。剥离工艺剥离工艺(Lift Off)(Lift Off)a)涂光刻胶；涂光刻胶；b)光刻出图形；光刻出图形；c)蒸发铝蒸发铝d)去胶，留下铝图形；去胶，留下铝图形；10.4 PMOS10.4 PMOS制备制备内内容容：采采用用氧氧化化、蒸蒸发发、扩扩散散、光光刻刻等等工工艺制备艺制备PMOS。要求：要求：掌握掌握PMOS制备工艺流程。制备工艺流程。沟道长度沟道长度8微米，长微米，长64微米，栅氧化层微米，栅氧化层100nmPMOSPMOS工艺流程工艺流程氧化氧化光刻漏、源光刻漏、源漏、源预淀积漏、源预淀积漏、源推进漏、源推进栅氧化栅氧化源、漏光刻源、漏光刻剥离法蒸发漏、源、剥离法蒸发漏、源、栅铝电极栅铝电极