集成电路与器件工艺原理.ppt
《集成电路与器件工艺原理.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《集成电路与器件工艺原理.ppt(137页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、集成电路与器件工艺原理集成电路与器件工艺原理外延工艺外延工艺一。定义和用途 1.外延:指在单晶衬底上生长一层新单晶的技术。因是由衬底向外延伸,故称外延。2.用途:根据需要,在单晶衬底上形成掺杂类型不同或掺杂浓度不同的均匀掺杂单晶层。硅的气相外延原理:利用硅的气态化合物,在加热的硅衬底表面,与 H2发生反应或自身发生热分解,还原生成硅,以单晶形式淀积在衬底表面。反应方程:SiCl4+2 H2=Si+4HCl;四氯化硅Si H2Cl2=Si+2HCl.二氯二氢硅第二种源优点:外延温度低,缺陷少,外延质量高。外延设备外延设备外延设备外延设备 主体反应室分卧式、立式、桶式主体反应室分卧式、立式、桶式主
2、体反应室分卧式、立式、桶式主体反应室分卧式、立式、桶式外延过程:装片通N2赶气通 H2通电源、通水冷 H2处理HCl气相腐蚀赶HCl,炉温调至外延生长标准外延生长(通 H2、硅源、掺杂气)H2清洗(关硅源、掺杂气)关电源降温通N2赶 H2冷却取片检验。外延工艺的体缺陷外延工艺的体缺陷外延工艺的体缺陷外延工艺的体缺陷层错的形成:局部原子层错排:(1,1,1)面上显示正三角形,(1,0,0)面上显示正方形。实际上是正三棱锥和正四棱锥(象倒金字塔)。100100面层错面层错111111面层错面层错外延层测量:1、厚度测量:层错法、C-V法、红外椭圆仪法、红外反射干涉法等。2、电阻率测量:四探针法、三
3、探针法、C-V法。四探针法测电阻率四探针法测电阻率测试原理实际上是根据欧姆定律来测 中间两针间的电压。外延工艺的特有质量问题:自掺杂效应:衬底的杂质在外延过程中逸出,掺入外延层中,造成电阻率失常甚至反型。防止:生长过度层,降低外延温度。外延工艺的优点:高效率的获得较厚的均匀掺杂单晶层。不存在两种杂质相互补偿问题,PN结两边杂质分布为突变结 外延工艺的优点:高效率的获得较厚的均匀掺杂单晶层。不存在两种杂质相互补偿问题,PN结两边杂质分布为突变结 氧化工艺氧化工艺一一.氧化工艺:氧化工艺:在高温炉中,使硅晶体表面生成一层氧化层的工艺。二二.氧化层的作用氧化层的作用:1.掩蔽作用:磷、硼等杂质在Si
4、O2中的扩散速度较Si中慢很多,于是可用SiO2来进行掺杂时的掩蔽。2.SiO2的表面保护和钝化作用:可防止外部环境影响产品性能,钝化表面,消除表面态,防钠离子沾污.(Si片表面很容易生成SiO2,是它的大优点,形成了一套完整的平面工艺.)3.MOS管的栅极绝缘材料;IC电容的层间介质。三SiO2的性质:具有很好的电绝缘性,电阻率达10的1517次方欧姆厘米。对各种酸、碱气氛有耐受性,但不耐HF腐蚀。热生长氧化膜是非晶态无定型结构,比较疏松,只有四成空间被SiO2分子占据,密度较低。二氧化硅的显微结构二氧化硅的显微结构四热氧化膜生长机理:1.干氧氧化:Si+O2=SiO2 2.水汽氧化:Si+
5、H2O=SiO2+H23.湿氧氧化:是上述两项的结合。在向氧化炉中通O2时,让其从95的氧化水瓶中鼓泡后进入。4.氢氧合成水汽氧化:将高纯 H2和O2分别通入炉管,使其燃烧成水汽,对硅片进行氧化。2 H2+O2=2 H2O。一般 氢:氧=2:1即可,但实际上O2是过量的,防止发生危险。这样,其实质也是一种湿氧氧化。炉口装有燃烧部(注入器),配有报警系统,当氢氧比例失调,或温度低于 H2燃烧点时,就会关断 H2,充入N2。优点:由于 H2和O2纯度可以很高,因此合成的水汽中Na+含量可低于0.1PPB。氧化层质量高,均匀性好。注意事项:H2喷口温度必须高于585,管道严禁泄露,开工时要先用N2充
6、满炉管,后按O2 H2的顺序通气,完工时按 H2O2的顺序关气,然后用N2清扫。氧气要过量。氢氧合成水汽氧化氢氧合成水汽氧化 5.热氧化的微观过程和氧化速率。微观过程:氧化过程中,O2和 H2O分子总要穿过已经形成的SiO2层,继续向下穿越,到达SiO2Si界面,形成新的SiO2层。因此氧化是越来越慢的。由于氧分子穿越速度慢,故干氧氧化较慢。随着炉温的提高,氧化速度将加快。6.对于较短时间氧化,氧化层厚度tox近似与时间成正比。对于较长时间氧化,氧化层厚度tox与时间的开方成正比 用用TCA(TCA(三氯乙烷)进行的掺氯氧化三氯乙烷)进行的掺氯氧化7.掺氯氧化:Cl元素在SiO2Si界面可同硅
7、的悬挂健结合,减少界面态。Cl在SiO2中可俘获Na+,可与重金属杂质生成氯化物气体排出,并减少热氧化层错。C2H3CL3+O2=CL2+HCL+CO2+H2O;HCL+O2=CL2+H2O.氧化膜厚度测量:可用测厚仪测。SiO2膜的颜色随厚度变化,呈现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的周期性变化,有经验工人可粗略判断氧化层厚度。这称为比色法.掺杂工艺(1)-扩散工艺定义:在高温炉中,通入含有所需杂质的气体,使该杂质向硅晶体体内扩散。用途:形成特定的P型或N型区。扩散过程扩散过程1.恒定表面源扩散:通源扩散过程。2.有限表面源扩散:实际上是杂质的再分布(驱入)。扩散方法:液-固扩散;气-固扩散;固-
8、固扩散(实质上最终都是气-固)我公司目前扩散工艺:我公司目前扩散工艺:1.硼的液-固扩散:BBr3的扩散:4 BBr3+3O2=2B2O3+6 Br2,B2O3则作为扩散源:2B2O3+3Si=4B+3SiO2。注意事项:该源怕潮、怕光,有毒,注意排风。优点:该源的蒸汽压较高,可得到较高表面浓度。.磷的液磷的液-固扩散:固扩散:POC l3POC l3的扩散的扩散 4 POCl3+O2=P4O10+6CI2,P4O10是P2O5的双聚分子,继续发生下列反应:P4O10+5Si=5SiO2+4P。使用方法:大N2和O2直接进炉,小N2携带源进炉。3.注意事项:该源怕潮,有毒,注意排风。优点:可得
9、到较高表面浓度,老牌源,工艺成熟。扩散参数的测量:扩散参数的测量:一般用四探针法测出Rs,称为方块电阻,通过它可判断扩散浓度的大小。5掺杂工艺(2)-离子注入工艺一.离子注入原理:在接近真空的条件下,将待掺杂元素电离成正离子,用强电场使其加速,获得足够的能量,高速射入硅片体内。二.用途:在硅片上形成特定的P型或N型区。三.离子注入设备:离子源,磁分析器,加速管,聚焦和扫描系统,靶室和后部处理系统。四.注入损伤:注入离子和晶格原子碰撞,使其脱离原格点位置。四.退火:将注入后的硅片在8001000炉管中烘烤,使离位硅原子在热运动中归位,消除缺陷。实验发现:500600烘烤反而使情况更糟,故在降温时
10、,应快速通过这一温度范围。退火还有另一作用,就是激活所掺杂质原子。退火技术的新进展:快速退火技术(RTP技术).特点:单片操作.优点:1.杂质浓度不变,并100%激活.2.残留晶格缺陷少,均匀性和重复性好.3.加工效率高,可达200300片/h.4.设备简单,成本低.通道效应及防止:因硅晶体空隙大,个别杂质离子可能速度极大,进入硅片深处,造成穿通.防止:在硅片表面长薄层氧化层;让注入角度偏几度.七.公司常用离子源:Sb2O5,五氧化二锑 ,(也用三氧化二锑)BF3,三氟化硼PH3,磷烷AsH3.砷烷八.离子注入的优点:1 可精确控制掺杂浓度和深度。2 离子注入不存在横向扩散。3 大面积均匀掺杂
11、。4 能容易地掺入多种杂质。5 掺杂纯度较高。九.离子注入的缺点:1 成本较高。2 有注入损伤,若退火不当,会应响成品 率。.光刻工艺一.光刻的基本原理:分“图形转移”和“刻蚀”两步。类似照相制版,在硅片上涂对光敏感的“光刻胶”,光透过光掩模版(光罩)-相当于底版,照在光刻胶上,形成“潜影”,经显影后完成“图形转移”。再对光刻胶刻出的窗口”进行刻蚀,光刻工作即告完成。在离子注入工序,光刻胶还可充当掩蔽膜的角色。二.用途:在二氧化硅膜或其它绝缘膜上刻出特定的窗口,将金属层刻成条状内引线。三.目前IC制造对光刻的基本要求:1.高分辨率;2.高灵敏度的光刻胶;3.低缺陷;4.精确的套刻对准;5.大尺
12、寸硅片。四.正性光刻胶(光照到处可显掉)。优点:可刻3微米以下细线条,分辨率高。缺点:粘附性差,不耐湿法腐蚀,价格高。这是邻叠氮醌类化合物。经光照后成为羧酸(有机酸),可以被碱性的显影液所中和,反应生成的胺和金属盐可快速溶解在显影液中。五.负性光刻胶(光照到处可交联成不溶物,显影中保留下来)。优点:价格低,耐湿法腐蚀,工艺成熟,可选品种多。缺点:因负胶在光刻腐蚀液中会膨胀,故刻不了细线条。1.聚肉桂酸酯类光刻胶:老牌光刻胶。2.聚烃类-双叠氮系光刻胶:又称环化橡胶系光刻胶。其中的双叠氮成分是交联剂。目前IC制造中常用的负性胶。优点优点:黏附性好,耐腐蚀。缺点缺点:曝光后灵敏度会受O2的影响。1
13、.制程:预烤涂胶前烘对位曝光显影检验(ADI)后烘(坚膜)刻蚀检验(AEI)去胶。2.2.分步讲解:分步讲解:预烤:在真空烘箱中150左右烘烤,同时使增粘剂HMDS蒸汽进入,在硅片上均布一薄层HMDS,将Si表面由亲水变成憎水,增强光刻胶与Si表面粘和性能。HMDS成分:六甲基乙硅氮烷。涂胶:旋转涂布法,在自动涂胶机上进行,每片用胶大约一到几毫升。前烘;在涂胶机的第二个台位上完成,热板传导加热方式,12分钟即可,赶出胶膜中的有机溶剂,使其固化。对位曝光:用紫外灯透过光掩模(光刻版)对胶膜曝光,除第一次光刻外,其它各道都存在和前道的对准问题。显影:对正胶,在四甲基氢氧化铵碱液中 溶去光照过的胶膜
14、;对负胶,一般是在芳香烃类有机溶剂中溶去未被光照过的胶膜。图形转移即告完成。F.ADI:显微镜下检验显影质量。G.后烘:在烘箱中将Si片烘干。.刻蚀(指湿法刻蚀,干法随后再述):一般是在SiO2上刻出窗口:SiO2+4 HF=SiF4+2 H2O;刻Al时则是:H3PO4+Al=AlPO4+H2.AEI:刻蚀后检验。去胶:一般是 H2SO4+H2O2 中去胶。但在有铝后,则在MUII(吡咯酮)中去胶。(干法去胶在干法刻蚀中讲)。七七.光刻的主要质量问题:光刻的主要质量问题:1.浮胶、钻蚀(光刻胶掀起,旁蚀刻)。2.2.过蚀刻。过蚀刻。3 3 蚀刻未净(小岛)。蚀刻未净(小岛)。4 铝线过细。5
15、 铝线桥接。6 瞎窗。(尤其是引线孔光刻)。7 铝发黄。8 对准偏差。9 引线孔未完全覆盖。10.10.针孔。针孔。.干刻工艺干刻工艺-光刻工艺的新进展。光刻工艺的新进展。湿法腐蚀的缺点:A.使用大量酸液,安全性差,又污染环境。B.侧向腐蚀严重,线条做不细。C.刻Si3N4和多晶硅时,光刻胶对H3PO4和HNO3+HF的耐受性不好。干刻原理:是利用接近真空条件下气体辉光放电产生等离子体,其中的腐蚀性气体的化学活性游离基与SiO2等被刻蚀表面发生反应,且生成物是气体。A.刻SiO2:在反应室通入CF4,CHF3,C2F6,SF6,C3F8,NF3等气体,产生F(游离基),于是:SiO2+4F*(
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 集成电路 器件 工艺 原理
限制150内