半导体制造工艺基础.pdf
Semiconductor Manufacturing Basic半导体工艺基础1958年，世界第一块集成电路在TI诞生。而今的集成电路的强大功能已今非昔比,45nm、32nm制造工艺的复杂性已让很多公司望而却步。今天，半导体制造杂志与您一起温习半导体制造的基础知识，为中国半导体技术的进步而添砖加瓦。第一章半导体器件制造半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic 半导体器件制造1 半导体器件制造 流程图(1)流程图(2)圆片工艺(1)圆片工艺(2)设计制版 圆片工艺封装与测试出货半导体器件的制造流程图(1)分离 多层布线井栅源漏流程图(2)分离n型井p型井栅n型源漏（1）p型源漏（1）n型源漏（2）p型源漏（2）CMOS逻辑器件流程图例前工序 后工序接触孔布线1通孔1布线2通孔2布线3钝化圆片工艺(1)洗净 分离氧化膜 形成图形 光刻胶氧化 栅氧化膜 刻蚀多晶硅膜形成 剥离 多晶硅膜圆片工艺(2)刻蚀 干刻湿刻去胶机离子注入 成膜氧化，扩散减压CVD溅射等离子CVD洗净CMP掩膜版20张光刻胶光刻涂胶显影溅射SEM23456第二章扩散 注入半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入789101112柔软、不透明、重 导电率和电阻率 半导体是什么？电阻良导体(金属）拥有与导体不同的奇妙特性半导体硬、脆、透明、轻绝缘体半导体半导体金属金属低(a)电阻的温度相关性 (b)电阻的杂质浓度相关性(c)受光后电阻减小 (光电效应)(d)接触磁体就会产生电压 (霍尔效应)光起电电阻电阻杂质浓度原子的热振动引起的 杂质原子引起的 无规则运动 无规则运动 半导体的主要特性 真性半导体：完全不含杂质原子的半导体 载流子与空穴 载流子是晶体中荷载电流(或传导电流)的粒子。带负电荷的电子（电子）带正电荷的空穴在电场的作用下,电子和空穴在场力的作用下的平均漂移速度叫:迁移率移动度电场空穴载流子密度载流子移动度(电阻率)(导电率)长度:L电压横截面积导电率与载流子密度成正比由于导电率是电阻率的倒数,所以:依照欧姆法则电流I是单位时间内流过截面积A的载流子数量原子的振动低温电子无规则运动结果,载流子的移动度变小,电阻上升外因性半导体：含族或族杂质元素的半导体共价电子逸出晶体的同时产生了电子空穴对，既载流子。本征半导体的电子密度n等于空穴密度pn=p=ni(ni:本征载流子密度)掺杂P，就多出一个电子，即传导电子，此时的P称为施主杂质。掺杂B，就缺少一个电子，可以等同于产生一个空穴，此时的B称为受主杂质。电流电子半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入 MOS构造的外观 载流子的产生 反转电压与氧化膜厚度和基板浓度的相关性 硅杂质浓度与电阻率的关系 载流子密度的温度相关性 跳跃可移动的领域矮墙高墙阶梯自己的房间不从自己的房间跳跃到可移动领域中,就不能移动到其他地方电阻率杂质浓度载流子密度真空领域饱和领域冻结领域本征载流子密度半导体(S)电极(M)氧化膜(O)耗尽层反转层蓄积电容耗尽反转氧化膜电容耗尽层电容电压反转电压(任意比例)反转电压(任意比例)氧化膜厚基板浓度pn结：p型半导体与n型半导体 金属结合时在交界面的过度区 浓度对流导致载流子相互扩散从而形成耗尽层由于耗尽层的形成，使得p型半导体与n型半导体之间产生电位差，它会抑制浓度对流引起的载流子扩散，因此pn结能保持平衡。n型半导体P型半导体p型/n型接触(pn结)耗尽区电界电位131415161718半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入pn结：整流作用(电流单向流动)(a)0偏(偏压为零)n+p 二极管电流电压特性(b)正向偏压(c)逆向偏压(c)逆向偏压外加电压不足时，就不产生电流(b)正向偏压加压就有电流流出电流漏电流电压结电压电压超过一定值，才有电流产生MOS晶体管的工作特性和工作范围FET(场效应晶体管)MOS晶体管的工作源漏栅长栅沟道阱有效沟道长栅氧化膜沟道终端结深侧墙隔离源 栅 漏漏极电流Id漏极电流Id漏极电压栅极电压饱和区线性区截止区阈值电压影响晶体管特性的因素栅氧化膜厚栅长衬底杂质浓度源漏电压源漏结深漏电的产生栅电极圆片俯视图栅电极PN结产生的漏电流栅下产生漏电流合计界面处产生漏电流衬底产生漏电流漏电流值栅电压192021222324半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入252627282930DealGrove模型短沟道效应Linear-Parabolic方程式计算结果与实验结果的比较三维结构的晶体管氧化栅电极长的情况栅电极短的情况栅电极的控制领域漏电压的影响范围给栅加压就会,空泛层扩大,能形成反转漏电压的影响强，栅下是耗尽状态范围极小的栅电压就会形成电流栅电极不能控制衬底电压的情况这种现象称为短沟效应栅源/漏源/漏俯视图漏耗尽层栅长通道深度栅绝缘膜高度决定了通道深度，高度越高,电流越大同时,不增加晶体管的面积从两侧控制栅电极物质在氧气(或含氧气体)和热的环境下形成氧化物的过程扩散D:扩散系数 k：反应速度常数Ci：氧化膜硅界面的氧化剂浓度Xo：氧化膜厚氧化膜单位体积含有的氧化剂分子数Xo2AXoB(t)（Linear-Parabolic方程式）Linear-Parabolic方程式计算结果与实验结果的比较薄氧化膜的情形厚氧化膜的情形氧化膜的形成方法氧化法高温氧化低温氧化高压氧化低压氧化阳极氧化干氧湿氧分压氧化等离子氧化高压水蒸气Radical氧化干氧气氧化HCl氧化蒸汽氧化高热氧化半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入313233343536可动离子的影响(MOS结构特性的不稳定性)干氧和湿氧干氧:干燥氧气中的氧化生成薄氧化膜时利用湿氧:水蒸汽中的氧化利用氢和氧反应生成的水蒸汽来达到氧化目的干燥氧气中氧化速度快,生成厚膜时常用此法LOCOS氧化和Trench分离影响氧化速度的物质 HCl ：改善栅极氧化膜的特性（好影响）LOCOS的形成方法硅氮化膜BT处理初始状态+BT处理30分钟到几个小时内,在200的温度环境中施加1mv/cm的正向偏压-BT处理30分钟到几个小时内,在200的温度环境中施加1mv/cm的反向偏压氧化过程中杂质浓度的再分布SIO2中的氧化慢干氧和湿氧的氧化速度比较氧化时间(hr)氧化厚度(um)Pad氧化膜膜的生成沟道偏移的原因微细化的防护鸟嘴氧化剂的扩散LOCOS氧化元素分离的作用布线形成耗尽层,元素导通不形成耗尽层,防止元素导通,减小布线电容不产生沟道偏移埋入绝缘膜trench分离STI(Shallow Trench Isolation)布线 Na ：导致MOS结构的特性不稳定（不好影响）产生水分,加大氧化速度以此形式向Si-SiO2界面移动利用催化作用加快氧化反应等同于加在MOS结构上存在于氧化膜里的电荷等同于加在MOS结构上设存在于氧化膜中的电荷为Qion,那么就算氧化膜中的总电荷不变,仅仅是分布变化,离子也会发生变化加到氧化膜上的电导致电荷分布发生变化的话,电压-电容特性会沿着电压轴变化,这是MOSFET特性不稳定的原因电容偏移量为Vion电压氧化膜在电场中移动的离子叫可动离子,Na、K等碱性离子就属于这一类BT（Bias-Temperature）处理人们将可动离子用做检测手段SIO2中的氧化迅速m1到表面的深度到表面的深度到表面的深度到表面的深度B的情形P、As的情形Ga、In的情形B的情形(与H2共存时)Si衬底中平衡杂质的浓度m=-SiO2中平衡杂质的浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度电容电容电容电压电压电压半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入373839404142氧化炉比较卧式扩散炉概要圆片所受的应力立式扩散炉概要RTP 概 要硅片气体入口立式扩散炉批处理、加热丝加热产量高大气混入少硅片表面均热性好容易受到硅片自重应力的影响划 线石英管舟气体出口加热丝舟气体出口气体入口石英管硅片加热丝保温筒硅片旋转石英板硅片均热圈硅片支撑柱灯室卤素灯特点优点缺点卧式扩散炉批处理、加热丝加热产量高不容易受到硅片自重应力的影响有大气混入容易导致硅片面内热分布不均RTP单片处理、加热丝加热能实现急冷急热便于控制加工环境室温不明确设备贵加工能力低热应力大硅片硅片支撑硅片自重产生应力（立式炉）加热、冷却产生应力加热 冷却受到应力自重集中于一点，产生应力，高温时容易产生缺陷由于加热、冷却从周边开始，过度期间产生面内温度差，硅片倾斜时，产生应力。半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入434445464748介质膜的可靠性评价介质膜的可靠性评价(TZDB)介质膜的可靠性评价(TZDB)入炉前酸洗从前的RCA清洗 SPM(HF)APMHPMHF由于把HF放到最后,会产生重金属二次污染、尘埃、水渍等问题，因此人们更倾向于不把HF放到最后。关于新式组合清洗的效果及其产出效率，人们还在研究当中。介质膜膜厚趋势图近年介质膜的趋势测试用硅片耐压热氧化介质膜的破坏耐压直方图典型举例山部纪久夫：第22届半导体专业讲习会草稿集(1984)氧化膜缺陷密度()mode(8MV/cm):真性破坏（良品）通过改变测试电压和测试温度，来调查电加速和温度加速，从而预测实际使用寿命固定电压DDB栅介质膜介质膜的电特性电压电压测试电极栅极介质膜电流电流判定电流不良品介质破坏良品A:电极面积F:不良率 药液 混合比 清洗对象 最新研究H2SO4/H2O2(SPM)4:1 有机物 离子清洗(O3-H2O)HF/H2O 1:100 自然氧化膜,添加离子 金属杂质 添加界面活性物 NH4OH/H2O2/H2O(APM)1:1:5 尘埃,有机物 NH4OH的浓度淡化 (0.15:1:5)HCl/H2O2/H2O(HPM)1:1:6 金属杂质初期破坏区域真性破坏(磨耗区域)电容介质膜沟道氧化膜介质膜厚度(nm)设计规则(m)C=-S C:电容 :介电常数 d:膜厚 S:面积 d要在小面积上得到大电容面积 减小d,或者加大为了有效控制漏电,需要加厚d 使用介电常数大的材料 当前部分介质膜的介电常数 介电常数硅氧化膜 4硅氮化膜 7氧化钽 25硅氧化铪 25半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入扩散方程式解举例新型介质膜的生成技术杂质在硅中的扩散系数ALD(原子层沉积)薄膜、高介电膜的形成技术扩 散等离子氧化低压氧化磷 扩 散放电电极圆片优点 形状依赖性变小 (平内、STI角、硅多晶、溅射台下部电极等处都实现均匀氧化)实现SiN的氧化(形成氮氧化膜)介质膜特性得到改善(界面顺序,介质破坏寿命)表面原子团反应表面上吸附原料气体由惰性气体替换不要的原料气体原料原子的氧化由惰性气体替换氧化气体可以利用重叠的方式来控制原子层,从而成膜可以实现不同膜的重叠原料气体惰性气体氧化气体惰性气体生成单层膜扩散系数D恒定时(菲克第二定律)J:单位时间流过单位面积的原子数C:原子浓度D:扩散系数扩散就是由于浓度梯度的驱动,形成的原子移动单位体积里某原子的浓度的时间变化等于流进原子与流出原子的数量差栅氧化膜在含磷液体中通入氮气,同时,通入微量的氧气,从而生成高浓度含磷氧化膜。等离子放电圆片(菲克第一定律)表面浓度一定时Cs:基板表面的杂质浓度 扩散距离氧化物作为扩散源,通过上述反应,将磷扩散到多晶中含大量磷的氧化膜多晶硅硅设原子的流量为J4950515253540半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入555657585960直通通道离子的飞行轨迹什么是离子注入?离子注入的能量损失LSS理论将需要添加的杂质离子化,加速后打入固体中,从而在固体的一定深度导入一定量杂质的技术 与扩散的不同点 浓度和深度可以自由控制 能对少量的浓度实施精确控制扩散后杂质分布曲线 离子注入后杂质分布曲线与原子碰撞导致能量损失与电子碰撞导致能量损失Si（100）的沟道化临界角方向随机的离子（被阻挡）深度Si基本点阵延轴方向看到的硅结晶浓度深度浓度注入离子 原子核的碰撞原子变位目标原子注入离子 因电子导致散射表面位移原子离子全射程 离子投影射程 注入离子 N：离子注入量 Rp：射程Rp：射程分散非直通通道离子直 通 通 道离子离子 能量 临界角 (度)深度离子半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入616263646566单枚式高电流装置的飞跃阴 影 现 象离子注入机的结构掺杂装置分类高电流离子注入机高能离子注入机从防止直通通道或其他的目的出发，将基板倾斜后进行离子注入的话，由于栅极的阻挡，会有一部分区域注入不到，这样晶体管就会失去对称性，这种现象叫做“阴影现象”从不同的方向多次注入，就可以避免发生不对称整批式单枚式单枚式整批式单枚式离子注入装置等离子掺杂装置扩散装置(扩散炉)分离板质量分析管移动 随着微细化发展的需要，角度控制变得更加重要；而且为适应大尺寸的发展，要求能对应小批量生产。高电流离子注入的单枚化技术 高速单枚扫描技术 集束搬运技术:集束形状 集束均一性 集束扫描 充电对策技术串行加速器引出电极(旋转注入，分步注入)高电流中电流高能一般离子束方式集束离子束方式随机加速RF加速掺杂装置硅片旋转扫描盘离子源硅片锥体角度圆盘由于存在锥体角度，硅片产生面内角度差整批式离子注入装置单枚式离子注入装置无论是注入1枚或者13枚，都需要13枚的时间单枚注入其注入时间与枚数成正比发生偏移栅栅产生偏移加速管半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入676869707172离子注入技术的课题RF 加 速注入量的测量方法离子注入工序 离子注入装置 的使用范围测量电流辐射损伤及退火退火方法延着正极到地的方向加速起到传递的作用适应低能的要求充电对策提高注入量的二次测量精度离子注入是一种非热平衡工艺，由于离子注入中原子的碰撞，导致发生晶格散乱（辐射损伤）。CW激光接地电极RF电极接地电极注入能量（V）注入剂量注入剂量注入能量（V）多晶残留高能量中能量形成浅连接提高产能为了更加精密控制，必须提高测量精度和空间分解能力高浓度注入 中浓度注入 低浓度注入非晶层 岛状非晶层 点缺陷消除辐射损伤，将注入的杂质原子导入到晶格点阵的位置（电气活性），这叫做“退火”。时间技术脉冲激光脉冲电子束跳闪灯(Xe灯)卤素灯(RTA)电炉半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入737475767778源漏接合深度的趋势退火导致产生二次缺陷LPCVD(低压化学气相淀积法)热处理引起的杂质再分布激光退火注入层原子的再分布（再成长）LPCVD膜的生长非结晶层退火二次缺陷滑动退火2比退火1温度高的情形退火2比退火1时间长的情形浓度退火2注入后退火1短时间处理衬底温度不升高衬底温度不升高激光照射的地方才被加热不扩散杂质，也能退火激光束膜种类 反应式为避免发生二次缺陷，需要选择最合适的退火方法激光束课题：设备价格高 必须采取对策消除结晶歪斜导致的损失接合深度的要求ITRS设计规则(um)接合深度接合深度接触部接合深度外延部接合深度接触部趋势设计规则(um)氮化硅二氧化硅多晶硅反应物均匀生长移动 反应吸附反应物吸附后快速表面移动反应淀积膜不均匀生长反应物提供的范围吸附后马上反应深度通过时瞬间冷却半导体制造Semiconductor Manufacturing Basic扩散 注入7980LPCVD膜的使用案例LPCVD装置泵 闪存
