第七章_半导体工艺.ppt

第七章第七章 半导体工艺介绍半导体工艺介绍参考书：半导体制造技术参考书：半导体制造技术 韩郑生韩郑生 等译等译Semiconductor Manufacturing Semiconductor Manufacturing TechnolgyTechnolgy 美美 MichealMicheal Quirk Julian Quirk Julian SerdaSerda 著著1 1 半导体产业介绍半导体产业介绍概述概述 微微电电子子从从4040年年代代末末的的第第一一只只晶晶体体管管（GeGe合合金金管管）问问世世，5050年年代代中中期期出出现现了了硅硅平平面面工工艺艺，此此工工艺艺不不仅仅成成为为硅硅晶晶体体管管的的基基本本制制造造工工艺艺，也也使使得得将将多多个个分分立立晶晶体体管管制制造造在在同同在在一一硅硅片片上上的的集集成成电电路路成成为为可可能能，随随着着制制造造工工艺艺水水平平的的不不断断成成熟熟，使使微微电电子子从单只晶体管发展到今天的从单只晶体管发展到今天的ULSIULSI。回回顾顾发发展展历历史史，微微电电子子技技术术的的发发展展不不外外乎乎包包括括两两个个方方面面：制制造造工工艺艺和和电电路路设设计计，而而这这两两个个又又是是相互相成，互相促进，共同发展。相互相成，互相促进，共同发展。1.1 1.1 半导体工业的诞生半导体工业的诞生电电信信号号处处理理工工业业始始于于上上个个世世纪纪初初的的真真空空管管，真真空空管管使使得得收收音音机机、电电视视机机和和其其他他电电子子产产品品成成为为可可能能。它也是世界上第一台计算机的大脑。它也是世界上第一台计算机的大脑。真真空空管管的的缺缺点点是是体体积积大大、功功耗耗大大，寿寿命命短短。当当时时这这些些问问题题成成为为许许多多科科学学家家寻寻找找真真空空管管替替代代品品的的动动力，这个努力在力，这个努力在19471947年年 12 12月月2323日得以实现。也日得以实现。也 就是第一只就是第一只GeGe合金管的合金管的 诞生。如图所示。诞生。如图所示。1.2 1.2 固态器件固态器件固固态态器器件件不不仅仅是是指指晶晶体体管管，还还包包括括电电阻阻器器和和电电容容器。器。GeGe合金管的缺点是工作温度低，电性能差。合金管的缺点是工作温度低，电性能差。5050年年代代随随着着硅硅平平面面制制造造工工艺艺的的出出现现，很很快快就就出出现现了用硅材料制造的晶体管。了用硅材料制造的晶体管。由由于于硅硅材材料料的的制制造造温温度度(熔熔点点温温度度1415)1415)和和硅硅晶晶体体管管的的工工作作温温度度都都优优于于锗锗(熔熔点点温温度度937)937)，加加之之SiOSiO2 2的的天天然然生生成成使使得得硅硅晶晶体体管管很很快快取取代代了了GeGe晶晶体管。体管。1.3 1.3 集成电路集成电路最最早早的的集集成成电电路路仅仅是是几几个个晶晶体体管管、二二极极管管、电电容容器器、电电阻阻器器组组成成，而而且且是是在在锗锗材材料料上上实实现现的的，是是由由德德州州仪仪器器公公司司的的杰杰克克基基尔尔比比发发明明的的。如如图所示。右图是用平面技术制造的晶体管图所示。右图是用平面技术制造的晶体管1.4 1.4 工艺和产品趋势工艺和产品趋势从从以以开开始始，半半导导体体工工业业就就呈呈现现出出在在新新工工艺艺和和器器件件结结构构设设计计上上的的持持续续发发展展。工工艺艺的的改改进进是是指指以以更更小小尺尺寸寸来来制制造造器器件件和和电电路路，并并使使之之具具有有更更高高的的密密度度，更多的数量和更高的可靠性。更多的数量和更高的可靠性。尺寸和数量是尺寸和数量是ICIC发展的两个共同目标。发展的两个共同目标。芯芯片片上上的的物物理理尺尺寸寸特特征征称称为为特特征征尺尺寸寸，将将此此定定义义为制造复杂性水平的标准。为制造复杂性水平的标准。通常用微米来表示。一微米为通常用微米来表示。一微米为1/100001/10000厘米。厘米。Gordon Gordon MooreMoore在在19641964年年预预言言ICIC的的密密度度每每隔隔18182424个月将翻一番，个月将翻一番，-摩尔定律。摩尔定律。一个尺寸相同的芯片上，所容纳的晶体管数量，一个尺寸相同的芯片上，所容纳的晶体管数量，因制程技术的提升，每因制程技术的提升，每18个月到两年晶体管数量会加个月到两年晶体管数量会加倍，倍，IC性能也提升性能也提升1倍。现以倍。现以1961年至年至2006年期间半年期间半导体技术的发展为例加以说明，导体技术的发展为例加以说明，IC电路线宽由电路线宽由25微米微米减至减至65纳米，晶圆直径由纳米，晶圆直径由1英寸增为英寸增为12英寸，每一芯英寸，每一芯片上由片上由6个晶体管增为个晶体管增为80亿个晶体管，亿个晶体管，DRAM密度增密度增加为加为4G位，晶体管年销售量由位，晶体管年销售量由1000万个增加到万个增加到10的的18次方至次方至19次方个，但晶体管平均售价却大幅下降次方个，但晶体管平均售价却大幅下降10的的9次方倍。次方倍。特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是：特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是：信号传输距离的缩短和电路速度的提高，芯片或电信号传输距离的缩短和电路速度的提高，芯片或电路功耗更小。路功耗更小。1.5 半导体工业的构成半导体工业的构成半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和半导体工业设备及化学品供应五大块。半导体工业设备及化学品供应五大块。目前有三类企业：一种是集设计、制造、封装和市目前有三类企业：一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司；另一类是做设计和销售的公场销售为一体的公司；另一类是做设计和销售的公司，他们是从芯片生产厂家购买芯片；还有一种是司，他们是从芯片生产厂家购买芯片；还有一种是芯片生产工厂，他们可以为顾客生产多种类型的芯芯片生产工厂，他们可以为顾客生产多种类型的芯片。片。1.6 1.6 器件制造器件制造半导体器件制造分半导体器件制造分4 4个不同阶段：个不同阶段：1.1.材料准备材料准备 2.2.晶体生长与晶圆准备晶体生长与晶圆准备 3.3.芯片制造芯片制造 4.4.封装封装材料材料准备准备晶体生晶体生长与晶长与晶圆准备圆准备晶圆晶圆制造制造封装封装第一步第一步 材料准备材料准备 第二步第二步晶体生长与晶圆准备晶体生长与晶圆准备 第三步第三步 芯片制造芯片制造 第四步第四步 封装封装3 3 晶园制备晶园制备3.1 概述概述 在在这这一一章章里里，主主要要介介绍绍沙沙子子转转变变成成晶晶体体，以以及及晶晶园园和和用用于于芯芯片片制制造造级级的的抛抛光光片片的的生生产产步步骤。骤。高高密密度度和和大大尺尺寸寸芯芯片片的的发发展展需需要要大大直直径径的的晶晶园园，最最早早使使用用的的是是1英英寸寸(25mm)，而而现现在在300mm直直径径的的晶晶园园已已经经投投入入生生产产线线了了。因因为为晶晶园园直直径径越越大大，单单个个芯芯片片的的生生产产成成本本就就越越低低。然然而而，直直径径越越大大，晶晶体体结结构构上上和和电电学学性性能能的的一一致致性性就就越越难难以以保保证证，这这正正是是对对晶晶园园生生产产的的一一个个挑战。挑战。硅晶硅晶圆尺寸是在半尺寸是在半导体生体生产过程中硅晶程中硅晶圆使用的直径使用的直径值。硅。硅晶晶圆尺寸越大越好，因尺寸越大越好，因为这样每每块晶晶圆能生能生产更多的芯片。更多的芯片。比如，同比如，同样使用使用0.13微米的制程在微米的制程在200mm的晶的晶圆上可以生上可以生产大大约179个个处理器核心，而使用理器核心，而使用300mm的晶的晶圆可以制造可以制造大大约427个个处理器核心，理器核心，300mm直径的晶直径的晶圆的面的面积是是200mm直径晶直径晶圆的的2.25倍，出倍，出产的的处理器个数却是后者的理器个数却是后者的2.385倍，并且倍，并且300mm晶晶圆实际的成本并不会比的成本并不会比200mm晶晶圆来得高多少，因此来得高多少，因此这种成倍的生种成倍的生产率提高率提高显然是所有芯片然是所有芯片生生产商所喜商所喜欢的。的。然而，硅晶然而，硅晶圆具有的一个特性却限制了生具有的一个特性却限制了生产商随意增加商随意增加硅晶硅晶圆的尺寸，那就是在晶的尺寸，那就是在晶圆生生产过程中，离晶程中，离晶圆中心越中心越远就越容易出就越容易出现坏点。因此从硅晶坏点。因此从硅晶圆中心向外中心向外扩展，坏点数呈展，坏点数呈上升上升趋势，这样我我们就无法随心所欲地增大晶就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。尺寸。随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也提随着半导体材料技术的发展，对硅片的规格和质量也提出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求出更高的要求，适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大。目前，硅片主流产品是比例将日益加大。目前，硅片主流产品是 200mm，逐渐向逐渐向300mm过渡，研制水平达到过渡，研制水平达到400mm450mm。据统计，据统计，200mm硅片的全球用量占硅片的全球用量占60%左右，左右，150mm占占20%左右，左右，其余其余 占占20%左右。根据最新的国际半导体技术指南左右。根据最新的国际半导体技术指南（ITRS），），300mm硅片之后下一代产品的直径为硅片之后下一代产品的直径为450mm；450mm硅片是未来硅片是未来22纳米线宽纳米线宽 64G集成电路的集成电路的衬底材料，将直接影响计算机的速度、成本，并决定计算机衬底材料，将直接影响计算机的速度、成本，并决定计算机中央处理单元的集成度。中央处理单元的集成度。Si的制备过程一般为的制备过程一般为:SiC（固体）固体）+SiO2（固体）固体）Si（固体）固体）+SiO（气体）气体）+CO（气体）气体）Si（固体）固体）+3HCl（气体）气体）SiHCl3（气体）气体）+H2（气体）气体）SiHCl3（气体）气体）+H2（气体）气体）Si（固体）固体）+3HCl（气体）气体）3.2 晶体生长晶体生长 半半导导体体材材料料都都是是由由构构成成其其成成分分的的原原子子规规律律排排列列而而成成，通通常常把把这这种种原原子子规规律律排排列列而而成成的的材材料料称称为为单单晶晶。而而它它是是由由大大块块的的具具有有多多晶晶结结构构和和未未掺掺杂杂的的本本征征材材料料生生长长得得来来的的。把把多多晶晶块块转转变变成成一一个个大大单单晶晶，并并给给予予正正确确的的定定向向和和适适量量的的N N型型或或P P型型掺掺杂杂，叫叫做做晶晶体体生生长长。有有三三种种不不同同的的生生长长方方法法：直直拉拉法法 区熔法区熔法 液体掩盖直拉法液体掩盖直拉法 3.2.1 直拉法直拉法 大部分的单晶大部分的单晶都是通过直拉法都是通过直拉法生长的。生产过生长的。生产过程如图所示。程如图所示。特点：工艺成熟，特点：工艺成熟，能较好地拉制低能较好地拉制低位错、大直径的位错、大直径的硅单晶。缺点是硅单晶。缺点是难以避免来自石难以避免来自石英坩埚和加热装英坩埚和加热装置的杂质污染。置的杂质污染。3.2.2 液体掩盖直拉液体掩盖直拉法法 此此方方法法主主要要用用来来生生长长砷砷化化镓镓晶晶体体，和和标标准准的的直直拉拉法法一一样样，只只是是做做了了一一些些改改进进。由由于于熔熔融融物物里里砷砷的的挥挥发发性性通通常常采采用用一一层层氧氧化化硼硼漂漂浮浮在在熔熔融融物物上上来来抑抑制制砷砷的的挥挥发发。故故得得其名，如图所示。其名，如图所示。3.2.3 区熔法区熔法 主主要要用用来来生生长长低低氧氧含含量量的的晶晶体体，但但不不能能生生长长大大直直径径的的单单晶晶，并并且且晶晶体体有有较较高高的的位位错错密密度度。这这种种工工艺艺生生长长的的单单晶晶主主要要使使用用在在高高功功率率的的晶晶闸闸管管和和整整流流器器上上，生生长长系统如图所示。系统如图所示。3.3 晶体外延生长技术晶体外延生长技术 外外延延是是一一种种采采取取化化学学反反应应法法进进行行晶晶体体生生长长的的另另一一种种技技术术。在在一一定定条条件件下下，以以衬衬底底晶晶片片作作为为晶晶体体籽籽晶晶，让让原原子子（如如硅硅原原子子）有有规规则则地地排排列列在在单单晶晶衬衬底底上上，形形成成一一层层具具有有一一定定导导电电类类型型、电电阻阻率率、厚厚度度及及完完整整晶晶格格结结构构的的单单晶晶层层，由由于于这这个个新新的的单单晶晶层层是是在在原原来来衬衬底底晶晶面面向向外外延延伸伸的的结结果果，所所以以称称其其为为外外延延生生长长，这这个个新新生生长长的的单单晶晶层层叫叫外外延延层层。最最常常见见的的外外延延生生长长技技术术为为化化学学气气相相淀淀积积（CVD）和和分分子子束束外外延延生生长长（MBE）。）。外延生长的基本原理外延生长的基本原理 氢还原四氯化硅外延生长原理示意图氢还原四氯化硅外延生长原理示意图硅的硅的CVD外延外延化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。淀积一层薄膜材料的过程。CVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图分子束外延分子束外延分子束外延（分子束外延（MBE）是在超高真空条件下一个或多个热是在超高真空条件下一个或多个热原子或热分子束蒸发到衬底表面上形成外延层的方法原子或热分子束蒸发到衬底表面上形成外延层的方法。砷化镓相关的砷化镓相关的-族化合物的族化合物的MBE系统示意图系统示意图分分子子束束外外延延是是一一种种新新的的晶晶体体生生长长技技术术，简简记记为为MBE。其其方方法法是是将将半半导导体体衬衬底底放放置置在在超超高高真真空空腔腔体体中中，和和将将需需要要生生长长的的单单晶晶物物质质按按元元素素的的不不同同分分别别放放在在喷喷射射炉炉中中（也也在在腔腔体体内内）。由由分分别别加加热热到到相相应应温温度度的的各各元元素素喷喷射射出出的的分分子子流流能能在在上上述述衬衬底底上上生生长长出出极极薄薄的的（可可薄薄至至单单原原子子层层水水平平）单单晶晶体体和和几几种种物物质质交交替替的的超超晶晶格格结结构构。分分子子束束外外延延主主要要研研究究的的是是不不同同结结构构或或不不同同材材料料的的晶晶体体和和超超晶晶格格的的生生长长。该该法法生生长长温温度度低低，能能严严格格控控制制外外延延层层的的层层厚厚组组分分和和掺掺杂杂浓浓度度，但但系系统统复复杂杂，生生 长长 速速 度度 慢慢，生生 长长 面面 积积 也也 受受 到到 一一 定定 限限 制制。3.4 晶体缺陷及对器件质量的影响晶体缺陷及对器件质量的影响 缺陷主要有：缺陷主要有：点缺陷点缺陷 位错位错(原生的和诱生的原生的和诱生的)点缺陷点缺陷 主主要要来来源源于于晶晶体体内内杂杂质质原原子子的的挤挤压压晶晶体体结结构构引引起起的的应应力力所所产产生生的的缺缺陷陷，还还有有就就是是空空位位(晶晶格格点点阵阵缺缺少原子所制少原子所制)。如图所示。如图所示位错位错 位位错错是是单单晶晶内内部部一一组组晶晶胞胞排排错错位位置置所所制制(如如图图所所示示).原原生生位位错错是是晶晶体体中中固固有有的的位位错错，而而诱诱生生位位错错是是指指在在芯芯片片加加工工过过程程中中引引入入的的位位错错，其其数数量量远远远远大大于于原原生生位位错。产生的原因大致可分为三个方面错。产生的原因大致可分为三个方面高温工艺过程引入的位错高温工艺过程引入的位错掺杂过程中引入的位错掺杂过程中引入的位错薄膜制备过程中引入的位错薄膜制备过程中引入的位错 无无论论是是天天生生的的还还是是诱诱生生的的缺缺陷陷对对器器件件特特性性都都是是不不利利的的，因因此此在在芯芯片片制制造造过过程程中中都都应应该该尽尽量避免。量避免。3.5 晶片加工晶片加工 晶晶片片加加工工是是指指将将单单晶晶棒棒经经过过切切片片、磨磨片片、抛抛光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。切切 片片 在在 切切 片片 前前 还还 要要 滚滚 磨磨 整整 形形、晶晶 体体 定定 向向、确确 定定 定位面、等一系列的加工处理。定位面、等一系列的加工处理。切切片片就就是是用用有有金金刚刚石石涂涂层层的的内内园园刀刀片片把把晶晶片片从晶体上切下来。从晶体上切下来。磨磨片片 因因为为用用机机械械的的方方法法加加工工的的晶晶片片是是非非常常粗粗造造的的，如如图图所所示示，它它不不可可能能直直接接使使用用，所所以以必必须须去去处处切片工艺残留的表面损伤。切片工艺残留的表面损伤。磨片磨片-是一个传统的磨料研磨工艺是一个传统的磨料研磨工艺抛光抛光 普通的磨片完成过后硅片表面还有普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机械加化学，经过抛光工艺后使硅片表面械加化学，经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度平整、光洁如镜的理想表真正达到高度平整、光洁如镜的理想表面。面。4 4 芯片制造概述芯片制造概述概概述述 本本节节将将介介绍绍基基本本芯芯片片生生产产工工艺艺的的概概况况，主主要要阐阐述述4中中最最基基本本的的平平面面制制造造工工艺艺，分分别别是是：薄膜制备工艺薄膜制备工艺 掺杂工艺掺杂工艺 光刻工艺光刻工艺 热处理工艺热处理工艺4.1薄膜制备薄膜制备 是是在在晶晶体体表表面面形形成成薄薄膜膜的的加加工工工工艺艺。图图4.4是是MOS晶晶体体管管的的剖剖面面图图，可可以以看看出出上上面面有有钝钝化化层层(Si3N4、Al2O3)、金属膜金属膜(Al)、氧化层氧化层(SiO2)制制备备这这些些薄薄膜膜的的材材料料有有：半半导导体体材材料料（Si、GaAs等等），金金属属材材料料（Au、Al等等），无无机机绝绝缘缘材材料料（SiO2、Si3N4、Al2O3 等等），半半绝绝缘缘材材料料（多晶硅、非晶硅等）。（多晶硅、非晶硅等）。生生长长工工艺艺如如图图所所示示。其其中中蒸蒸发发工工艺艺、溅溅射射等等可可看看成成是是直直接接生生长长法法-以以源源直直接接转转移移到到衬衬底底上上形形成成薄薄膜膜；其其它它则则可可看看成成是是间间接接生生长长法法-制制备备薄薄膜膜所所需需的的原原子子或或分分子子，由由含含其其组组元元的的化化合合物，通过氧化、还原、热分解等反应而得到。物，通过氧化、还原、热分解等反应而得到。薄膜分类薄膜分类/工艺与材料的对照表工艺与材料的对照表4.2 光刻与刻蚀技术光刻与刻蚀技术 光刻所需要的三要素为：光刻胶、掩膜版和光刻机。常光刻所需要的三要素为：光刻胶、掩膜版和光刻机。常规的光刻过程主要包括：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、规的光刻过程主要包括：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、腐蚀和去胶。首先将光刻胶利用高速旋转的方法涂敷在硅片腐蚀和去胶。首先将光刻胶利用高速旋转的方法涂敷在硅片上，然后前烘使其牢固地附着在硅片上成为一层固态薄膜。上，然后前烘使其牢固地附着在硅片上成为一层固态薄膜。利用光刻机曝光之后，再采用特定的溶剂进行显影，使其部利用光刻机曝光之后，再采用特定的溶剂进行显影，使其部分区域的光刻胶被溶解掉，这样便将掩膜版上的图形转移到分区域的光刻胶被溶解掉，这样便将掩膜版上的图形转移到光刻胶上，然后再经过后烘以及刻蚀、离子注入等工序，将光刻胶上，然后再经过后烘以及刻蚀、离子注入等工序，将光刻胶的图形转移到硅片上，最后再去胶就完成了整个光刻光刻胶的图形转移到硅片上，最后再去胶就完成了整个光刻过程。过程。光刻工艺流程示意图光刻工艺流程示意图 新一代图形曝光技术新一代图形曝光技术甚远紫外线曝光甚远紫外线曝光 甚远紫外线曝光系统装置简图甚远紫外线曝光系统装置简图 X射线曝光（射线曝光（XRL）X射线曝光原理简图射线曝光原理简图 电子束曝光电子束曝光电子束曝光是利用聚焦后的电子束在感光膜上准确地扫描电子束曝光是利用聚焦后的电子束在感光膜上准确地扫描出图案的方法。出图案的方法。离子束曝光离子束曝光 刻蚀技术刻蚀技术 在完成显影检验后，掩膜版的图形就被固定在光刻胶在完成显影检验后，掩膜版的图形就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀。经过刻蚀图形就永久留在晶园的表层。膜上并准备刻蚀。经过刻蚀图形就永久留在晶园的表层。刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法刻蚀。无论那一种刻蚀工艺分为两大类：湿法和干法刻蚀。无论那一种方法，其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到晶方法，其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到晶园表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净园表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。度都符合要求。湿法化学腐蚀湿法化学腐蚀 湿法腐蚀是指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应湿法腐蚀是指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。进行刻蚀的方法。干法刻蚀干法刻蚀 干法刻蚀是指利用低压放电产生的等离子体中的离子干法刻蚀是指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基（处于激发态的分子、原子及各种原子基团等）或游离基（处于激发态的分子、原子及各种原子基团等）与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。目的。4.3 半导体中的杂质掺杂半导体中的杂质掺杂杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内，以达到杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内，以达到改变半导体电学特性，形成改变半导体电学特性，形成PN结、电阻、欧姆接触等结、电阻、欧姆接触等各种结构之目的。扩散和离子注入是半导体掺杂的两各种结构之目的。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。种主要方式。扩散与离子注入方法掺杂示意图（扩散与离子注入方法掺杂示意图（a）扩散扩散（b）离子注入离子注入杂质扩散机理与方法杂质扩散机理与方法 1扩散机理扩散机理2两种表面源的扩散分布两种表面源的扩散分布（1）恒定表面源扩散恒定表面源扩散（2）限定源扩散限定源扩散 3恒定表面源扩散方法恒定表面源扩散方法（1）固态源扩散固态源扩散（2）液态源扩散液态源扩散 4扩散结果的测量扩散结果的测量（1）薄层电阻的测量薄层电阻的测量（2）结深的估算和测量结深的估算和测量（3）扩散分布测量扩散分布测量 离子注入原理与系统离子注入原理与系统离子注入机系统离子注入机系统离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底的过程，该过程是靠离子注入机来完成，离子注底的过程，该过程是靠离子注入机来完成，离子注入机主要包括离子源、磁分析器、加速管、聚焦、入机主要包括离子源、磁分析器、加速管、聚焦、扫描器和靶室等。扫描器和靶室等。离子注入机基本结构及工作原理示意图离子注入机基本结构及工作原理示意图 退火退火 由于离子注入所造成的损伤区及畸变团，使迁移率和由于离子注入所造成的损伤区及畸变团，使迁移率和寿命等参数受到严重影响，而且大部分注入的离子并不是寿命等参数受到严重影响，而且大部分注入的离子并不是以替位的形式位于晶格上，为了激活注入到衬底中的杂质以替位的形式位于晶格上，为了激活注入到衬底中的杂质离子，使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具离子，使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子起到杂质的作用，并消除半导有电活性，产生自由载流子起到杂质的作用，并消除半导体衬底中的损伤，必须要在适当的温度与时间下，对离子体衬底中的损伤，必须要在适当的温度与时间下，对离子注入的硅片进行退火。注入的硅片进行退火。硅表面硅表面SiOSiO2 2的简单实现，是硅材料被广泛应用的一的简单实现，是硅材料被广泛应用的一个重要因素。个重要因素。本节中，将介绍本节中，将介绍SiOSiO2 2的生长工艺及用途、的生长工艺及用途、氧化反应的不同方法，其中包括快速热氧化工艺。另外，氧化反应的不同方法，其中包括快速热氧化工艺。另外，还简单介绍本工艺中最重要的部分还简单介绍本工艺中最重要的部分-反应炉，因为它反应炉，因为它是氧化、扩散、热处理及化学气相淀积反应的基本设备。是氧化、扩散、热处理及化学气相淀积反应的基本设备。4.4.1 4.4.1 二氧化硅的性质、用途二氧化硅的性质、用途 在在半半导导体体材材料料硅硅的的所所有有优优点点当当中中，SiOSiO2 2的的极极易易生生成成是是最最大大的的有有点点之之一一。当当硅硅表表面面暴暴露露在在氧氧气气当当中中时时，就就会会形成形成SiOSiO2 2。4.4 氧氧 化化 结构、性质结构、性质 SiO2SiO2膜膜的的原原子子结结构构如如图图所所示示。它它是是由由一一个个硅硅原原子子被被4 4个个氧氧样样原原子子包包围围着着的的四四面面体体单单元元组组成成的的。是是一一种种无无定定型型的的玻玻璃璃状状结结构构，具具体体地地说说是是一一种种近近程程有有序序的的网网状状结结构构，没没有有长长程程有有序序的的晶晶格周期。格周期。尽尽管管硅硅是是一一种种半半导导体体，但但SiOSiO2 2是是一一种种绝绝缘缘材材料料。是是硅硅器器件件制制造造中中得得到到广广泛泛应应用用的的一一种种膜膜层层，因因为为SiOSiO2 2既既可可以以用用来来处处理理硅硅表表面面，又又可可以以作作为为掺掺杂杂的的阻阻挡挡层层、表表面面绝绝缘缘层层及及作作为为器器件件中中的的绝绝缘部分。缘部分。4.4.2 4.4.2 表面钝化表面钝化 无无论论采采取取什什么么样样的的措措施施，器器件件受受污污染染的的影影响响总总是是不不可可避避免免的的。SiOSiO2 2层层在在防防止止硅硅器器件件被被污污染染方方面面起起到到了了一一个个非非常常重重要要的的作作用用。原原因因是是SiOSiO2 2密密度度非非常常高高、非非常常硬硬，因因此此硅硅表表面面的的SiOSiO2 2层可以扮演一个污染阻挡层的角色层可以扮演一个污染阻挡层的角色。另另一一方方面面，SiOSiO2 2对对器器件件的的保保护护是是原原于于其其化化学学特特性性。因因为为在在制制造造过过程程中中，无无论论工工作作室室多多么么洁净，总有一些电特性活跃的污染物最终会洁净，总有一些电特性活跃的污染物最终会 进进入入或或落落在在硅硅片片表表面面，在在氧氧化化过过程程中中，污污染染物物在在表表面面形形成成新新的的氧氧化化层层，是是污污染染物物远远离离了了电电子子活性的硅表面。也就是说污活性的硅表面。也就是说污 染物被禁锢在二氧化硅染物被禁锢在二氧化硅 膜中，从而减小了污染膜中，从而减小了污染 物对器件的影响。物对器件的影响。4.4.3 4.4.3 掺杂阻挡层掺杂阻挡层 器器件件制制造造过过程程中中的的掺掺杂杂是是定定域域（有有选选择择的的区域）掺杂，那么不需要区域）掺杂，那么不需要 掺杂的区域就必须进行掺杂的区域就必须进行 保护而不被掺杂。如图保护而不被掺杂。如图 所示。所示。实现掩蔽扩散的条件实现掩蔽扩散的条件 二二氧氧化化硅硅的的早早期期研研究究主主要要是是作作为为实实现现定定域域扩扩散散的的掩掩蔽蔽膜膜作作用用，如如上上图图所所示示，在在杂杂质质向向SiSi中中扩扩散散的的同同时时，也也要要向向SiOSiO2 2层层中中扩扩散散，设设在在SiSi中中的的扩扩散深度为散深度为 在在SiOSiO2 2层中的扩散深度为层中的扩散深度为 式式中中：扩扩散散时时间间，、分分别别表表示示杂杂质质在在SiOSiO2 2和和SiSi中中的的扩扩散散系系数数，显显然然要要实实现现掩掩蔽蔽扩扩散散的的条条件件是是 ，即即当当杂杂质质在在硅硅中中的的扩扩散散深深度度达达到到 时杂质在时杂质在SiOSiO2 2中的扩散深度应中的扩散深度应 所以所以，氧化层厚度氧化层厚度 由由此此可可见见，实实现现掩掩蔽蔽扩扩散散要要求求的的SiOSiO2 2厚厚度度与与杂杂质质在在SiOSiO2 2和和SiSi中中的的扩扩散散系系数数有有关关，原原则则上上讲讲，只只要要 能能满满足足上上式式不不等等式式，就就可可起起到到杂杂质质扩扩散散的的掩掩蔽蔽作作用用，但但实实际际上上只只有有那那些些 的的杂杂质质，用用SiOSiO2 2掩掩蔽蔽才才有有实实用用价价值值，否否则则所所需需的的SiOSiO2 2厚厚度度就很厚，既难于制备，又不利于光刻。就很厚，既难于制备，又不利于光刻。但但是是，只只要要按按照照 的的条条件件选选择择杂杂质质种种类类，就就可可实实现现掩掩蔽蔽扩扩散散的的作作用用。研研究究发发现现，B B、P P在在SiOSiO2 2中中的的扩扩散散系系数数比比在在SiSi中中的的扩扩散散系系数数小小，所以。常常选择所以。常常选择B B、P P 作作为为扩扩散散的的杂杂质质种种类类。而而对于对于GaGa、AlAl等杂质，情况则相反。等杂质，情况则相反。值值得得注注意意的的是是，Au虽虽然然在在SiOSiO2 2中中的的扩扩散散系系数数很很小小，但但由由于于在在SiSi中中的的扩扩散散系系数数太太大大，这这样样以以来来横向扩散作用也大，所以也不能选用。横向扩散作用也大，所以也不能选用。二二氧氧化化硅硅另另外外一一个个优优点点是是在在所所有有介介质质膜膜中中它它的热膨胀系数与硅最接近。的热膨胀系数与硅最接近。4.4.4 表面绝缘层表面绝缘层 SiOSiO2 2作作为为绝绝缘缘层层也也是是器器件件工工艺艺的的一一个个重重要要组组成成部部分分。作作为为绝绝缘缘层层要要求求必必须须是是连连续续的的，膜膜中中间间不不能能有有空空洞洞或或孔孔存存在在。另另外外要要求求必必须须有有一一定定的的厚厚度度，绝绝大大多多数数晶晶园园表表面面被被覆覆盖盖了了一一层层足足够够厚厚的的氧氧化层来防止从化层来防止从 金属层产生的感应，这金属层产生的感应，这 时的时的SiOSiO2 2称为场氧化物。称为场氧化物。如图所示。如图所示。4.4.5 4.4.5 器件绝缘体器件绝缘体 从从另另一一个个角角度度讲讲，感感应应现现象象就就是是MOSMOS技技术术，在在一一个个MOSMOS三三极极管管中中，栅栅极极区区会会长长一一层层薄薄的的二二氧氧化化硅硅（见见图图）。这这时时的的SiOSiO2 2起起的的是是介介电电质质的的作作用用，不仅厚度而且质量都要求非常严格。不仅厚度而且质量都要求非常严格。除除此此之之外外，SiOSiO2 2也也可可用用来来做做硅硅表表面面和和导导电电表表面之间形成的电容所需的介电质（见图）。面之间形成的电容所需的介电质（见图）。4.4.6 4.4.6 器件氧化物的厚度器件氧化物的厚度 应应用用在在硅硅材材料料器器件件中中的的二二氧氧化化硅硅随随着着作作用用的的不不同同其其厚厚度度差差别别是是很很大大的的，薄薄的的氧氧化化层层主主要要是是MOSMOS器器件件里里的的栅栅极极，厚厚的的氧氧化化层层主主要要用用于于场场氧氧化化层层，下下面面的的表表列列出出了了不不同同厚厚度度范范围围及及其其相相对对应应的的主要用途。主要用途。4.4.6 4.4.6 热氧化机理热氧化机理 半半导导体体工工艺艺中中的的二二氧氧化化硅硅大大多多数数是是通通过过热热生生长长氧氧化化法法得得到到的的，也也就就是是让让硅硅片片（晶晶园园）在在高高温温下下，与与氧氧化化剂剂发发生生反反应应而而生生长长一一层层SiOSiO2 2膜膜的的方方法法，其其化化学学反反应应式式如下：如下：Si(Si(固态固态)+O)+O2 2(气态气态)SiO)SiO2 2(固态固态)化化学学反反应应非非常常简简单单，但但氧氧化化几几理理并并非非如如此此，因因为为一一旦旦在在硅硅表表面面有有二二氧氧化化硅硅生生成成，它它将将阻阻挡挡O O2 2原原子子与与SiSi原原子子直直接接接接触触，所所以以其其后后的的继继续续氧氧化化是是O O2 2原原子子通通过过扩扩散散穿穿过过已已生生成成的的二二氧氧化化硅硅层层，向向SiSi一一侧侧运运动动到到达达界界面面进进行行反反应应而而增增厚厚的的。通通过过一一定定的的理理论论分分析析可可知知，在在初初始始阶阶段段，氧氧化化层层厚厚度度(X)(X)与与时时间间(t)(t)是是线线性性关关系系，而而后后变变成抛物线关系。成抛物线关系。随随着着每每一一个个新新的的生生长长层层出出现现，O O2 2原原子子的的扩扩散散时时间间更更长长，这这就就意意味味着着生生长长速速率率变变慢慢，这这一一阶阶段段被被称称为为剖剖物物线线阶阶段段。因因此此，氧氧化化层层的的生生长长会会通通过过两两个个阶阶段段：线线性性阶阶段段和和剖剖物物线线阶阶段段，之之间间的的变变化化依依赖赖氧氧化化温温度度和和其其他他因因素素。通通常常来来说说，小小于于10001000埃埃的的氧氧化化受受控控于于线线性性机机理理。这这是是大大多多数数MOSMOS栅极氧化的范围。栅极氧化的范围。以上介绍的是以上介绍的是干氧氧化，氧化速率较慢。干氧氧化，氧化速率较慢。如果用水蒸气代替氧气做氧化剂，可以提高氧如果用水蒸气代替氧气做氧化剂，可以提高氧化速率，用水蒸气氧化的工艺通常称为化速率，用水蒸气氧化的工艺通常称为湿氧氧湿氧氧化。化。其化学反应式如下：其化学反应式如下：Si(Si(固态固态)+H)+H2 2O(O(气态气态)SiO)SiO2 2(固态固态)+2H)+2H2 2(气态）气态）氧化生长模式氧化生长模式 无无论论是是干干氧氧或或者者湿湿氧氧工工艺艺，二二氧氧化化硅硅的的生生长长都都要要消消耗耗硅硅，如如图图所所示示。硅硅消消耗耗的的厚厚度度占占氧氧化化总总厚厚度度的的0.46，这这就就意意味味着着每每生生长长1m的的氧氧化化物物，就就有有0.46m的的硅硅消消耗耗（干干、湿湿氧氧化化略略有有差别）。差别）。4.5 制备半导体器件工艺流程制备半导体器件工艺流程4.5.14.5.1 制备制备pn结二极管的主要工艺结二极管的主要工艺4.5.2 硅平面晶体管工艺流程硅平面晶体管工艺流程 硅外延平面晶体管的基本工艺流程图硅外延平面晶体管的基本工艺流程图 硅外延平面晶体管工艺流程剖面图硅外延平面晶体管工艺流程剖面图 4.5.3 MOS晶体管与晶体管与MOS集成电路工艺流程集成电路工艺流程MOS晶体管与晶体管与MOS集成电路工艺流程集成电路工艺流程 5 污染控制污染控制5.1 概述概述 在在这这一一章章中中，将将解解释释污污染染对对器器件件工工艺艺、器器件件性性能能和和器器件件可可靠靠性性的的影影响响，以以及及芯芯片片生生产产区区域域存存在在的的污污染染类类型型和和主主要要的的污污染染源源。同同时时也也简简要要介介绍绍洁洁净净室室规规划划、主主要要的的污污染染控控制制方方法法和和晶晶片片表表面面的的清洗工艺等。清洗工艺等。5.2 污染类型污染类型 微粒微粒 金属离子金属离子 化学物质化学物质 细菌细菌 微粒微粒 器件对污染物的敏感度取决于特征图形的器件对污染物的敏感度取决于特征图形的尺寸和晶体表面沉积层的厚度。由于特征图形尺尺寸和晶体表面沉积层的厚度。由于特征图形尺寸越来越小，膜层厚度越来越薄，所允许存在的寸越来越小，膜层厚度越来越薄，所允许存在的微粒微粒 尺寸也必须控制在更小的尺度上。尺寸也必须控制在更小的尺度上。经经验验告告诉诉我我们们，微微粒粒的的大大小小要要小小于于器器件件上上最最小小特特征征图图形形尺尺寸寸的的1/10。（就就是是说说直直径径为为0.03微微米米的的微微粒粒将将会会损损坏坏0.3微微米米线线宽宽大大小小的的特特征征图图形形。）否否则则会造成器件功能的致命伤害。会造成器件功能的致命伤害。金金属属离离子子 无无论论是是单单晶晶制制造造还还是是工工艺艺过过程程中中人人为为掺掺杂杂，在在引引入入有有用用杂杂质质的的同同时时也也不不可可避避免免地地引引入入一一些些其其他他有有害害的的杂杂质质，特特别别是是金金属属杂杂质质。并并且且是是以以离离子子形形式式出出现现的的而而且且是是移移动动的的。当当这这些些移移动动的的离离子子超超过过一一定定数数量量时时，同同样样会会引引起起器器件件的的失失效效。因此，这些可移动的离子必须控制在一定范围内。因此，这些可移动的离子必须控制在一定范围内。除除此此之之外外，钠钠也也是是最最常常见见的的可可移移动动离离子子污污染染物物，而而且且移移动动性性最最强强，