集成电路中基础器件工艺综述.ppt

集成电路中基础器集成电路中基础器件工艺综述件工艺综述1.BIPOLOR1.BIPOLOR（双极型）双极型）ICIC工艺简介工艺简介 (1)(1)平面三极管工艺平面三极管工艺 *制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺 掺杂窗口形成：掺杂掩膜的形成掺杂窗口形成：掺杂掩膜的形成掺杂窗口形成：掺杂掩膜的形成掺杂窗口形成：掺杂掩膜的形成 +光刻工艺光刻工艺光刻工艺光刻工艺 掺掺掺掺 杂杂杂杂 工工工工 艺：艺：艺：艺：扩散或离子注入扩散或离子注入扩散或离子注入扩散或离子注入 引引引引 线线线线 工工工工 艺：艺：艺：艺：接触孔形成接触孔形成接触孔形成接触孔形成 +淀积金属膜淀积金属膜淀积金属膜淀积金属膜 +光刻金属引线光刻金属引线光刻金属引线光刻金属引线 +金金金金/半合金半合金半合金半合金 表表表表 面面面面 钝钝钝钝 化：化：化：化：淀积钝化膜淀积钝化膜淀积钝化膜淀积钝化膜 +光刻键合孔光刻键合孔光刻键合孔光刻键合孔 硅平面三极管截面图硅平面三极管截面图 绪绪 论论（2 2）双极型）双极型ICIC工艺工艺 *与三极管工艺的区别与三极管工艺的区别 各元件间电学性能隔离各元件间电学性能隔离 埋层工艺埋层工艺减小集电极串联电阻减小集电极串联电阻a a 双极型三极管截面图双极型三极管截面图 b b 双极型双极型ICIC截面图截面图 PN结结隔隔离离及及埋埋层层的的功功能能 (3)(3)(3)(3)双极型双极型双极型双极型ICICICIC制造工艺流程制造工艺流程制造工艺流程制造工艺流程2.MOS IC2.MOS IC2.MOS IC2.MOS IC工艺简介工艺简介工艺简介工艺简介 (1)(1)(1)(1)Si Si Si Si 栅栅栅栅 MOS FET MOS FET MOS FET MOS FET 工艺原理图工艺原理图工艺原理图工艺原理图 (2)CMOS (2)CMOS 工艺原理图工艺原理图（3 3）NMOS NMOS 工艺流程工艺流程 3.IC 3.IC 发展史发展史 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l清洗工艺l氧化工艺l扩散工艺l光刻工艺l蒸发及镀膜工艺l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，去除分子型杂质一，去除分子型杂质H2SO4:H2O2=1:1配比，配比，烧煮硅片表面的油脂，使其脱附烧煮硅片表面的油脂，使其脱附二，去除离子型二，去除离子型原子型杂质原子型杂质1.配制配制号液号液NH4OH:H2O2:H2O=1:1:6(体积比体积比)在电炉上煮沸几分钟，倒掉残液，用去离子水在电炉上煮沸几分钟，倒掉残液，用去离子水冲洗几遍冲洗几遍2.配制配制号液号液HCl:H2O2:H2O=1:1:6(体积比体积比)在电炉上煮沸在电炉上煮沸10分钟左右，倒掉残液，用去离分钟左右，倒掉残液，用去离子水冲洗子水冲洗30次以上。次以上。氧化工艺氧化工艺一一一一,概述概述概述概述1 1二氧化硅膜是硅平面工艺的基础二氧化硅膜是硅平面工艺的基础 （1 1）SiOSiO2 2在高温下，阻挡在高温下，阻挡、族杂质扩散的能力很强族杂质扩散的能力很强 利于局部掺杂。利于局部掺杂。（2 2）SiSi上热生长上热生长SiOSiO2 2工艺简便。工艺简便。（3 3）SiOSiO2 2化学性能稳定，一般不与酸，碱发生化学反应化学性能稳定，一般不与酸，碱发生化学反应 （HFHF除外）除外）利于化学清洗。利于化学清洗。（4 4）SiOSiO2 2能被能被HFHF腐蚀腐蚀 利于图形化。利于图形化。2.2.SiOSiO2 2膜的制备方式简介膜的制备方式简介3.3.（1 1）热氧化）热氧化 （2 2）CVD CVD 4.4.（3 3）阳极氧化阳极氧化 （4 4）射频溅射）射频溅射 二二,SiO,SiO2 2膜在电路中的功能膜在电路中的功能1.1.杂质选择扩散的掩膜杂质选择扩散的掩膜2.2.器件表面的保护和钝化膜器件表面的保护和钝化膜3.3.集成电路的隔离介质和绝缘介质集成电路的隔离介质和绝缘介质4.MOS4.MOS电容的介质材料电容的介质材料5.MOS FET5.MOS FET的绝缘栅材料的绝缘栅材料 三三,热氧化原理热氧化原理 1.干氧氧化的氧化膜生长机理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水汽氧化的氧化膜生长机理Si+2H2O=SiO2+2H2 Si,O反应速率反应速率O2在在SiO2中的扩散速率中的扩散速率生长速率生长速率机理分析：机理分析：（1）H2O扩散穿越扩散穿越SiO2,在在Si-SiO2界面与界面与Si反应，生成反应，生成SiO2。Si+2HSi+2H2 2O=SiOO=SiO2 2+2H+2H2 2（2）H2O与表面与表面SiO2反应，生成硅烷醇，硅烷醇扩散穿越反应，生成硅烷醇，硅烷醇扩散穿越SiO2与与SiSi反应。反应。H H2 2O+O+Si-O-SiSi-O-Si Si-OH+HO-SiSi-OH+HO-Si H H2 2+2(-O-Si+2(-O-Si)2(2(Si-OH)Si-OH)（使二氧化硅网使二氧化硅网络络疏松）疏松）热氧化系统热氧化系统热氧化方式热氧化方式-常常规规热热氧氧化化（通常采用（通常采用:干氧干氧+湿氧湿氧+干氧）干氧）氧氧 化化 方方 式式 氧氧 化化 速速 率率 氧氧 化化 膜膜 质质 量量 水水 汽汽 很很 快快 疏松疏松,含水量大含水量大,与光刻胶粘附差与光刻胶粘附差,表表面有蚀坑，掩蔽杂质扩散力面有蚀坑，掩蔽杂质扩散力,钝化效钝化效果都差果都差.干干 氧氧 很很 慢慢 致密致密,干燥干燥,均匀性均匀性,重复性好重复性好,掩蔽杂掩蔽杂质扩散力强质扩散力强,钝化效果好钝化效果好.湿湿 氧氧 快快 致密性略差于干氧氧化膜致密性略差于干氧氧化膜,表面有表面有Si-Si-OH,OH,与光刻胶粘附不好与光刻胶粘附不好,表面有蚀坑表面有蚀坑,掩蔽杂质扩散力及钝化效果能满足一掩蔽杂质扩散力及钝化效果能满足一般器件的要求般器件的要求.热氧化热氧化SiOSiO2 2层的物理性能：层的物理性能：四四,氧化膜质量评价氧化膜质量评价膜厚测量膜厚测量 1.1.光干涉法：光干涉法：2.椭圆偏振法：椭圆偏振法：偏振光以一定的角度入射到样品上，在表面和界面产生折、反偏振光以一定的角度入射到样品上，在表面和界面产生折、反射，其振幅与偏振角都发生变化。跟据偏振情况的改变，可获射，其振幅与偏振角都发生变化。跟据偏振情况的改变，可获得膜厚及膜的折射率。得膜厚及膜的折射率。3.MOSC-V法：法：当当=0o时时,=0o2n1d cos=N氧化膜缺陷的检测氧化膜缺陷的检测 1.针孔针孔2.氧化层错的检测氧化层错的检测Sirtle液腐蚀液腐蚀,TEM成像成像,X射线貌相法射线貌相法 掺杂工艺掺杂工艺 一，一，概述概述1.掺杂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。半导体电学性能，以达到制备半导体器件的目的。2.掺杂的意义掺杂的意义（1）改变材料导电性能）改变材料导电性能形成电阻，欧姆接触，互连线。形成电阻，欧姆接触，互连线。（2）改变半导体的导电类型改变半导体的导电类型 形成形成pn结结 合金合金气气-固扩散：液态源扩散固扩散：液态源扩散扩散扩散 粉末源扩散粉末源扩散片状源扩散片状源扩散 固固-固扩散：掺杂固扩散：掺杂SiO2乳胶源扩散乳胶源扩散CVD掺杂薄膜源扩散掺杂薄膜源扩散 离子注入离子注入 3.3.掺杂的方法掺杂的方法n-SiP-Sin-SiP-Siebcn+pn电电阻阻及及三三极极管管示示意意图图二，杂质在半导体中的扩散二，杂质在半导体中的扩散扩散原理扩散原理扩散是微观粒子（原子或分子）热运动的统计果。在一定温度扩散是微观粒子（原子或分子）热运动的统计果。在一定温度下下,微观粒子具有一定能量微观粒子具有一定能量,能克服某种阻力进入半导体能克服某种阻力进入半导体,并在其并在其中作缓慢迁移运动。这些杂质或替代硅原子的位置中作缓慢迁移运动。这些杂质或替代硅原子的位置,或处在晶格或处在晶格的间隙中的间隙中,分别称作替位式扩散分别称作替位式扩散,或间隙式扩散。扩散的方向或间隙式扩散。扩散的方向总总总总是由高杂质浓度指向低杂质浓度。是由高杂质浓度指向低杂质浓度。替替位位式式扩扩散散间间隙隙式式扩扩散散两步扩散两步扩散为获得所需杂质分布，往往要进行二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预淀积所需杂质总量恒定表面浓度扩散恒定表面浓度扩散*获得所需表面浓度及扩散深度获得所需表面浓度及扩散深度有限源扩散有限源扩散(再分布再分布).扩散气氛和衬底晶向的影响扩散气氛和衬底晶向的影响 （1）氧化增强扩散（氧化增强扩散（OED）*在氧气氛中，在氧气氛中，P，B等杂质扩散得到增强。等杂质扩散得到增强。*氧化增强扩散机理氧化增强扩散机理杂质可在缺陷杂质可在缺陷(氧化堆垛层错氧化堆垛层错)处缀饰。处缀饰。氧化堆垛层错处晶体结构不完整，原子键合不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。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，其增强系在氧化气氛中，杂质在不同晶向硅中扩散，其增强系数不同。数不同。*不同晶向氧化生长速率不同。不同晶向氧化生长速率不同。三，扩散方法三，扩散方法扩散系统扩散系统扩散方法：扩散方法：气气-固扩散：固扩散：液相源液相源开管扩散开管扩散 片状源片状源开管扩散开管扩散 粉末源粉末源箱法或双温区扩散箱法或双温区扩散固固-固扩散：掺杂固扩散：掺杂SiO2乳胶源乳胶源开管扩散开管扩散 CVD掺杂薄膜源掺杂薄膜源开管扩散开管扩散扩散工艺过程：扩散工艺过程：扩散实例：扩散实例：气气-固扩散：片状源固扩散：片状源 1.氮化硼氮化硼 2.硼微晶玻璃硼微晶玻璃(PWB)3.磷微晶玻璃磷微晶玻璃(LWP)*扩散系统扩散系统 *扩散原理扩散原理 BN 4BN+3O22B2O3+2N2 2B2O3+3Si4B+3SiO2(1100-1150)PWB B2O3+SiO2+Al2O3+(MgO+BaO)2B2O3+3Si4B+3SiO2 LWB Al(PO3)3+SiP2O7 Al(PO3)3AlPO4+P2O5 SiP2O7SiO2+P2O5 2P2O5+5Si5SiO2+4P（约（约950）扩散质量分析扩散质量分析 影响薄层电阻影响薄层电阻Rs的因素：的因素：气体流量气体流量RS扩散温度扩散温度RS 气体功能：保护表面气体功能：保护表面（流量过小，起不到保护作用）（流量过小，起不到保护作用）杂质输运杂质输运（流量过大产生涡流，影响扩散均匀性）（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。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。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：影响结深和表面浓度的因素：结深：扩散温度（结深：扩散温度（T2）扩散时间（扩散时间（t2）表面浓度：表面浓度：扩散温度扩散温度T1D1NsT 2D2 Ns（D为扩散系数）为扩散系数）扩散时间扩散时间t1Nst2Ns 扩散质量分析扩散质量分析 表面状况：表面状况：表面合金点（表面杂质浓度过高）表面合金点（表面杂质浓度过高）表面黑点和白雾（表面黑点和白雾（waferwafer表面被沾污）表面被沾污）pnpn结特性结特性:表面沟道（扩散掩膜太薄或杂质沾污）表面沟道（扩散掩膜太薄或杂质沾污）软击穿（杂质沾污）软击穿（杂质沾污）四，四，扩散工艺的质量检测扩散工艺的质量检测1.扩散工艺的污染控制扩散工艺的污染控制2.（1）常规沾污）常规沾污3.沾污种类：颗粒、薄膜、有机、金属离子沾污种类：颗粒、薄膜、有机、金属离子4.颗粒：硅屑，石英屑，灰尘，操作者带入的颗粒等颗粒：硅屑，石英屑，灰尘，操作者带入的颗粒等清洗清洗5.薄膜：光刻胶的残留膜、天然氧化膜薄膜：光刻胶的残留膜、天然氧化膜6.有机：油脂（指纹），有机溶剂残留有机：油脂（指纹），有机溶剂残留1#或或3#清洗液清洗液7.金属离子：化学清洗中的再沾污，金属工具金属离子：化学清洗中的再沾污，金属工具8.预防措施：严格清洗，不用不洁器具与手接触硅片。预防措施：严格清洗，不用不洁器具与手接触硅片。有机有机1#或或3#清洗液清洗液SiO2HF：HNO3,属属1#清洗液清洗液重金属重金属2#清洗液清洗液（2）高温处理的污染控制）高温处理的污染控制系统系统定期清洗各类工具及器皿定期清洗各类工具及器皿C-V在线检测，判断系统的清洁度，常用在线检测，判断系统的清洁度，常用HCl清洗炉管清洗炉管系统捡漏系统捡漏2.扩散工艺的质量检测扩散工艺的质量检测（1）常规检测内容及手段常规检测内容及手段高温系统高温系统气体管道气体管道采用高纯材料制备采用高纯材料制备（2）Rs，Xj及及N(x)的测量原理的测量原理 Rs的测量原理的测量原理 四探针技术四探针技术 Xj的测量原理的测量原理 磨角染色法磨角染色法 SEM成象成象 -样品介离样品介离 -腐蚀法显示腐蚀法显示pn结边界结边界（HF:HNO3:CH3COOH=1:30:30）-SEM成象成象N（X）的测量原理的测量原理 扩展电阻法扩展电阻法由于扩展电阻法可测得由于扩展电阻法可测得10-10cm3区域的电阻率，分辨率达区域的电阻率，分辨率达1，比四探针测量的分辨率高，所以被广泛用于测量浅结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。的杂质浓度分布。当探针当探针-半导体接触面为半球面（半导体接触面为半球面（r ro o2.5102.510-3-3cmcm）时时:U UO ORSP=UO/I当探针当探针-半导体接触面为圆盘形：半导体接触面为圆盘形：测试误差测试误差（1）探针）探针/半导体接触形成整流接触。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。）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）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。载流子浓度及迁移率。当测试电压小于当测试电压小于1.5mv,这些因素造成的误差可忽略，但仍需修正。这些因素造成的误差可忽略，但仍需修正。光刻光刻概述概述*光刻技术的重要性：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，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，多晶硅栅，金金半欧姆接触孔，互连图形等。半欧姆接触孔，互连图形等。*光刻技术：光刻技术：图象复印与刻蚀相结合的技术。图象复印与刻蚀相结合的技术。*光刻质量的判别：光刻质量的判别：由分辨率，光刻精度（条宽及套刻精度）以及缺陷密度由分辨率，光刻精度（条宽及套刻精度）以及缺陷密度来标称。来标称。*影响光刻质量的因素：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*光刻工艺简介光刻工艺简介光刻胶的种类和感光原理光刻胶的种类和感光原理光刻胶：高分子聚合物，增感光刻胶：高分子聚合物，增感剂，溶剂及添加剂按剂，溶剂及添加剂按一定比例配制而成一定比例配制而成。1.光刻胶的种类光刻胶的种类光光 刻刻 胶胶 种种 类类 性性 能能 负负胶胶 聚肉桂酸酯类聚肉桂酸酯类 对环境因素不敏感，感光速率高，与硅片粘对环境因素不敏感，感光速率高，与硅片粘附性能好，抗蚀能力强附性能好，抗蚀能力强，分辨率差。，分辨率差。聚聚羟羟类类 正正胶胶 邻邻-叠叠氮氮醌醌类类 有极高分辨率，较强的抗干法刻蚀及抗热处有极高分辨率，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。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的感光原理 光光刻刻胶胶感感光光机机理理负负胶胶聚肉桂酸酯类聚肉桂酸酯类在紫外光辐照下，引起聚合物分子在紫外光辐照下，引起聚合物分子间的交联，转变为不溶于显影液的间的交联，转变为不溶于显影液的物质。物质。聚聚羟羟类类在紫外光辐照下，交联剂在紫外光辐照下，交联剂(双叠氮交双叠氮交联剂联剂)放出氮气，转变为双氮烯自由放出氮气，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，成为三维结物分子链间形成桥键，成为三维结构的不溶性物质。构的不溶性物质。正正胶胶邻邻-叠氮醌类叠氮醌类在在紫紫外外光光辐辐照照下下放放出出氮氮气气，分分子子结结构构重重新新排排列列，产产生生环环收收缩缩，在在碱碱性性水溶液中生成可溶性羟酸盐。水溶液中生成可溶性羟酸盐。6.2.2光刻胶的主要性能光刻胶的主要性能 主主要要性性能能定定义义对光刻质量的影响对光刻质量的影响感感光光度度SS=K/H*(曝光量曝光量)H=光照度光照度曝光时间曝光时间 影响光刻水平影响光刻水平-R()d:掩膜面与胶掩膜面与胶/硅硅片界面的间距片界面的间距 :曝光源波长曝光源波长 分分辨辨率率R1/R=1/W(最小线条宽度最小线条宽度)能获得图形的最小尺寸能获得图形的最小尺寸粘粘附附性性胶胶/衬底间粘附强度衬底间粘附强度 抗抗蚀蚀性性能经受湿能经受湿(干干)腐蚀的最长时腐蚀的最长时间间 影响合格率影响合格率-缺陷密缺陷密度度 针针孔孔密密度度单位面积的针孔数单位面积的针孔数 留膜率留膜率(d1/d2)曝光显影后与曝光前胶膜厚曝光显影后与曝光前胶膜厚度之比度之比*H：光刻胶在标准条件下，发生光化学反应所需的最小能量。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光刻工艺光刻工艺光刻流程：光刻流程：衬衬底底预预处处理理-匀匀胶胶-前前烘烘-对对位位曝曝光光-显显影影-后后烘烘-腐腐蚀蚀-去去胶胶1.衬底预处理：清洁，增粘处理衬底预处理：清洁，增粘处理清洁处理：去除颗粒清洁处理：去除颗粒-化学清洗，刷片化学清洗，刷片去除有机沾污去除有机沾污-化学清洗化学清洗增粘处理：高温焙烘增粘处理：高温焙烘(800，N2或或O2)使用增粘剂使用增粘剂(二甲基二氯硅烷，六甲基二硅亚胺二甲基二氯硅烷，六甲基二硅亚胺)增粘处理的原理：增粘处理的原理：2.匀胶匀胶工艺要求：胶膜均匀，无缺陷，厚度适当。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均匀无缺陷胶膜的获得:环境相对湿度低环境相对湿度低,净化级别高。净化级别高。胶膜厚度胶膜厚度(d)的确定的确定:dRdd针孔密度针孔密度d 胶膜厚度需相应考虑胶膜厚度需相应考虑*胶膜过厚，表面光吸收强：负胶胶膜过厚，表面光吸收强：负胶-粘附性差；粘附性差；正胶正胶-显影后有底膜。显影后有底膜。3.前烘前烘目的：去除胶膜中的溶剂，增强粘附性，提高膜的机械强度。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：烘箱方式：烘箱-生产率高，温度不均匀。生产率高，温度不均匀。红外红外-溶剂挥发充分，前烘效果好。溶剂挥发充分，前烘效果好。热板热板-生产率高，温度均匀，能自动传送硅片。生产率高，温度均匀，能自动传送硅片。4.对位曝光对位曝光 *光源：光源为平行光，与衬底片垂光源：光源为平行光，与衬底片垂 直，并根据光敏图谱，选择直，并根据光敏图谱，选择 曝光波长。曝光波长。*正确控制曝光量，过量曝光可导致条宽精度下降。正确控制曝光量，过量曝光可导致条宽精度下降。#曝光量与留膜率曝光量与留膜率 正胶正胶-HHT(略大于略大于)负胶负胶-HH0(略大于略大于)#曝光量与线宽控制曝光量与线宽控制5.显影显影显影工艺：显影，漂洗，干燥。显影工艺：显影，漂洗，干燥。显影中的常见问题：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。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。选择可使光刻胶收缩的漂洗液。选择最佳显影方式选择最佳显影方式(喷显喷显)。掌握适当的显影时间。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，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，不会膨胀，分辨率高。分辨率高。6.后烘后烘去除显影后胶膜内残留的溶液，增加胶膜与衬底间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。粘附性，使光刻胶更致密，抗蚀性更强。7.腐蚀腐蚀(1)湿法腐蚀湿法腐蚀-化学反应化学反应-各向同性各向同性-线宽线宽5常用薄膜的湿法腐蚀常用薄膜的湿法腐蚀 SiO2HF:NH4F:H2OHF(49%):腐蚀速率大，腐蚀时间难以控制，有剥腐蚀速率大，腐蚀时间难以控制，有剥离光刻胶的侵向。离光刻胶的侵向。NH4F:减缓减缓HF对对SiO2的腐蚀的腐蚀,抑制对光刻胶的剥离。抑制对光刻胶的剥离。H2O:调节腐蚀液浓度。调节腐蚀液浓度。影响腐蚀速率的因素：溶液配比，腐蚀温度，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，腐蚀的致密性，掺杂情况，腐蚀方式。方式。Si3N4H3PO4(180)(温度较高，光刻胶抗蚀性下降。温度较高，光刻胶抗蚀性下降。)H3PO4:HF4B(100110)(不伤害光刻胶，但可同时腐蚀不伤害光刻胶，但可同时腐蚀SiO2)Poly-SiHF:HNO3:CH3COOH（腐蚀质量差）腐蚀质量差）AlH3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O BPSGHF(6%)+NH4F(30%):CH3COOH=2:1薄薄膜膜的的湿湿法法腐腐蚀蚀工工艺艺薄薄膜膜腐腐蚀蚀工工艺艺备备注注SiO2HF:NH4F:H2O(30)HF:腐蚀剂腐蚀剂NH4F:缓冲剂缓冲剂BPSGHF(6%)+NH4F(30%):CH3COOH=2:1Si3N41#：H3PO4(180)2#：H3PO4:HF4B(100110)1#：腐蚀温度过高，伤害光：腐蚀温度过高，伤害光刻胶刻胶2#：能腐蚀：能腐蚀SiO2Poly-SiHF:HNO3:CH3COOHHF：腐蚀剂腐蚀剂HNO3：氧化剂氧化剂CH3COOH：缓冲剂缓冲剂AlH3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O(40)H3PO4:腐蚀剂腐蚀剂HNO3:腐蚀剂腐蚀剂CH3COOH:润湿剂润湿剂H2O：稀释剂稀释剂湿法腐蚀之不足：湿法腐蚀之不足：化学药品具有毒性及腐蚀性。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。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。腐蚀液可溶解光刻胶，使图形畸变。干法腐蚀方式：干法腐蚀方式：等离子腐蚀等离子腐蚀*-靠活性分子或游离基团腐蚀靠活性分子或游离基团腐蚀-各向同性腐蚀各向同性腐蚀 反应离子刻蚀反应离子刻蚀*-靠活性分子或离子腐蚀靠活性分子或离子腐蚀-各向异性腐蚀各向异性腐蚀离子束离子束-物理腐蚀物理腐蚀-各向异性腐蚀各向异性腐蚀(2)干法腐蚀干法腐蚀等离子腐蚀的原理：等离子腐蚀的原理：在在10-1-10-3 范围，利用范围，利用RF电源使反应室产生辉光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，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。性腐蚀。腐蚀完毕用氧离子进行去胶。反应离子刻蚀（反应离子刻蚀（RIE）#反应离子刻蚀的优越性：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。速率各向异性效应更强，有利于提高光刻的分辨率。#反应离子刻蚀系统反应离子刻蚀系统 等离子刻蚀系统等离子刻蚀系统反应离子刻蚀系统反应离子刻蚀系统8光刻胶的剥离光刻胶的剥离(去胶去胶)(1)湿法剥离技术湿法剥离技术#介质膜上光刻胶的剥离：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：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。采用有机类溶液浸泡，对金属无腐蚀作用。(2)干法剥离技术干法剥离技术#O2等离子去胶等离子去胶+600N2退火退火#紫外光分解，使胶分解成紫外光分解，使胶分解成CO2,H2O接触与互连（蒸发工艺）接触与互连（蒸发工艺）一，概述一，概述1.金属化的意义：作为金属化的意义：作为IC中各元件的接触和互连中各元件的接触和互连金属金属/半导体间形成低阻欧姆接触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材料电阻率足够低互连线的台阶覆盖性好互连线的台阶覆盖性好3.VLSI/ULSI金属化：金属化：(1)多层布线技术：单层金属接触与互连多层布线技术：单层金属接触与互连金属层间的绝缘与互连金属层间的绝缘与互连(2)浅结（浅结（sub-m,deepsub-m）接触：接触：接触界面的平整度接触界面的平整度金属金属/半导体间的扩散阻挡层半导体间的扩散阻挡层金属化的基本要求金属化的基本要求二，二，欧姆接触欧姆接触（一）欧姆接触的基本原理（一）欧姆接触的基本原理1欧姆接触：金欧姆接触：金-半接触的伏半接触的伏-安特性呈线性，安特性呈线性，并关于原点对称。并关于原点对称。2描写欧姆接触性能的参数描写欧姆接触性能的参数比接触电阻比接触电阻RC （qVb：M-S接触势垒高度；接触势垒高度；N：硅掺杂浓度）硅掺杂浓度）3实际接触电阻实际接触电阻R=RC/S(S为接触面积为接触面积)（二）欧姆接触（二）欧姆接触与整流接触与整流接触a.形成宽度为形成宽度为的耗尽层，阻挡电子穿越的耗尽层，阻挡电子穿越整流接触整流接触b.形成宽度为形成宽度为的载流子积累层的载流子积累层欧姆接触欧姆接触WMWS整流接触整流接触WMWS欧姆接触欧姆接触 WMWS欧姆接触欧姆接触WMWS整流接触整流接触n-Si P-Si*金金-半表面态的存在，使几乎所有金属与半导体接触均半表面态的存在，使几乎所有金属与半导体接触均形成势垒形成势垒整流接触；当整流接触；当qVb0.3eV,反向电流反向电流If100A/cm2,近似认为欧姆接触。近似认为欧姆接触。三，三，接触与互连材料的选择：接触与互连材料的选择：（一）（一）选择原则选择原则1良好的导电性良好的导电性2与与Si形成低阻欧姆接触形成低阻欧姆接触3与与wafer表面粘附良好，并不发生不良反应表面粘附良好，并不发生不良反应4抗电迁移能力强抗电迁移能力强5抗龟裂抗龟裂6能经受后续高温工艺能经受后续高温工艺（多层布线（多层布线BPSG回流回流）7易于淀积成膜易于淀积成膜8易于图形化易于图形化9.易于键合封装易于键合封装工艺可行性工艺可行性降低功耗，提高信号传输速度降低功耗，提高信号传输速度高可靠性高可靠性（二）（二）Al常用接触互连材料常用接触互连材料1Al用于金属布线的优越性用于金属布线的优越性（1）=2.65cm（2）Al-Si（n+,p）具有良好的欧姆接触。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。）易于淀积（真空蒸发，溅射），图形化，键合。2Al作接触互连之不足作接触互连之不足（1）Al-Si共熔点低（共熔点低（577）不利于多层互连工艺。不利于多层互连工艺。（2）Al-Si互溶性强互溶性强Al-Si界面不平整，不利于浅结接触。界面不平整，不利于浅结接触。（3）抗电迁移性能差抗电迁移性能差可靠性差。可靠性差。（4）Al化学性能过于活泼化学性能过于活泼可靠性差。可靠性差。4Al+3SiO22Al2O3+3Si2Al+6HCl2AlCl3+3H22Al+3H2SO4Al2(SO4)3+3H2Al2O3+2NaOH2NaAlO2+H2O2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO2+3H2 1.1.铝合金电极铝合金电极 (1)(1)AlSiAlSi(Si:1 (Si:1 2 wt%)2 wt%)*改善改善 M/Si M/Si 界面平整度。界面平整度。*抗电迁移性能提高。抗电迁移性能提高。*提高机械强度。提高机械强度。（2 2）AlCuAlCu(Cu:2 (Cu:2 4 wt%)4 wt%)*改善电迁移。改善电迁移。*抗龟裂。抗龟裂。2.2.金属阻挡层金属阻挡层 （1 1）M/Si M/Si 界面平整。界面平整。（2 2）协调）协调 M/Si M/Si 间的应力，提高抗龟裂性。间的应力，提高抗龟裂性。（三）（三）VLSI/ULSI VLSI/ULSI 的接触与互连的接触与互连3.3.Poly-SiPoly-Si4.4.（1 1）Poly-Si/Poly-Si/CrysCrys-Si-Si 界面平整。界面平整。5.5.（2 2）无接触势差，良好欧姆接触。）无接触势差，良好欧姆接触。6.6.（3 3）能承受高温回流工艺。）能承受高温回流工艺。4.4.难熔金属及其硅化物难熔金属及其硅化物5.5.（1 1）M/Si M/Si 界面平整。界面平整。6.6.（2 2）能承受高温回流工艺。）能承受高温回流工艺。7.7.（3 3）电阻率大大低于）电阻率大大低于Poly-SiPoly-Si。四，四，金属薄膜形成的方法金属薄膜形成的方法（一）（一）电子束蒸发电子束蒸发克服钨丝阻热蒸发之不足：克服钨丝阻热蒸发之不足：（1）Na沾污沾污（2）形成铝钨合金）形成铝钨合金（4Al+WWAl4）（3）不能蒸发难熔金属不能蒸发难熔金属（4）蒸发合金时成分难以控制）蒸发合金时成分难以控制电子束蒸发：电子束蒸发：经高压加速并聚焦的电子束轰击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，使金属源，将能量交给金属源，使之温度升至汽化点，产生蒸发，之温度升至汽化点，产生蒸发，并淀积在样品上。并淀积在样品上。电子束蒸发的优点：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）控（采用多坩埚，多枪技术）（二）（二）磁控溅射磁控溅射溅溅射：在真空中充入惰性气体射：在真空中充入惰性气体(Ar)，施加一强电场，使靶子置于施加一强电场，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在电场加速下轰击靶子,当离子的动能超过靶材的结合能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。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，从而提高了溅射速击气体分子，增加了等离子体密度，从而提高了溅射速率。率。磁控溅射的优点：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）可溅射气化点很高，蒸汽压强较小（不适宜蒸发）的材料。的材料。（2）采用多靶共溅或镶嵌靶，可溅射合金，且成分稳定。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。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。较低气压下溅射，使淀积膜纯度提高。五，合金化五，合金化合金的目的合金的目的通过热处理，使通过热处理，使M-S间形成低阻欧姆接触，并增间形成低阻欧姆接触，并增加金属互连线与加金属互连线与SiO2的粘附性。的粘附性。合金化原理合金化原理 M-S系统经合金系统经合金界面二侧原子相互扩散，共熔形界面二侧原子相互扩散，共熔形成合金。成合金。M-S系统经合金系统经合金界面二侧原子相互扩散，形成有界面二侧原子相互扩散，形成有 确确 定定 组组 分分 的的 硅硅 化化 物物（CoSi2,TiSi2,MoSi2）。）。合金化合金化 真空真空N2（或惰性气体）或惰性气体）H2/N2形成气形成气（H2 5%N2 95%）合金化气氛合金化气氛 六，六，多层布线技术多层布线技术（一）多层布线的一般考虑（一）多层布线的一般考虑1多层布线的必要性多层布线的必要性（1）缩短互连线长度（使芯片面积缩小，提高信号传输速度）缩短互连线长度（使芯片面积缩小，提高信号传输速度）（2）避免连线交叉）避免连线交叉2对绝缘介质和布线金属的要求对绝缘介质和布线金属的要求（1）绝缘介质）绝缘介质*介电强度高，介电常数小。介电强度高，介电常数小。*理化性能稳定，杂质离子迁移率低。理化性能稳定，杂质离子迁移率低。*热膨胀系数与衬底匹配。热膨胀系数与衬底匹配。*结构致密针孔密度低。结构致密针孔密度低。*与衬底及金属膜粘附性好。与衬底及金属膜粘附性好。*便于刻蚀层间互连孔。便于刻蚀层间互连孔。*表面平整。表面平整。*常用：常用：SiO2,PSG,Al2O3,Polymind（聚酰亚胺）聚酰亚胺）（2）布线金属布线金属*良好的导电性能良好的导电性能*与硅能形成低阻欧姆接触与硅能形成低阻欧姆接触*与介质粘附好与介质粘附好*对介质腐蚀液有良好的抗蚀性对介质腐蚀液有良好的抗蚀性2影响多层布线质量的因素影响多层布线质量的因素（1）互连孔的刻蚀）互连孔的刻蚀 为防介质腐蚀液腐蚀布线金属，通常选择干法刻蚀。为防介质腐蚀液腐蚀布线金属，通常选择干法刻蚀。（2）层间绝缘）层间绝缘介质膜的完整性介质膜的完整性（针孔，龟裂可造成金属层间漏电或短路）（针孔，龟裂可造成金属层间漏电或短路）（3）台阶复盖）台阶复盖金属层间介质层不宜过厚金属层间介质层不宜过厚采用平坦化工艺采用平坦化工艺（二）（二）多层布线技术简介多层布线技术简介(AdvancedVLSIFabrication)1.AlCu互连技术互连技术2.Cu互连技术互连技术七，七，VLSI中的接触与互连问题中的接触与互连问题固定布线与选择布线固定布线与选择布线固定布线：多层布线均安设计版图进行。固定布线：多层布线均安设计版图进行。选择布线：在第一层布线形成单元电路后，进行单元测试，选择布线：在第一层布线形成单元电路后，进行单元测试，将合格单元存入计算机，然后由计算机设计第二将合格单元存入计算机，然后由计算机设计第二层布线图形。层布线图形。难熔金属及其硅化物在难熔金属及其硅化物在VLSI中的应用中的应用（1）VLSI中线条特征尺寸小于中线条特征尺寸小于2，掺杂掺杂Poly-Si电阻电阻变得相当大，因此变得相当大，因此RC延迟将限制电路中信号传延迟将限制电路中信号传输速度的提高。输速度的提高。（2）难熔金属（难熔金属（W,Ti,Mo,）及其硅化物（及其硅化物（WSi2,TiSi2,MoSi2）的应用，将弥补上述缺点。的应用，将弥补上述缺点。