硅加工工艺课件.ppt

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1、 硅加工工艺 硅加工工艺硅加工工艺 1 硅加工工艺 2.1 硅晶圆制程1 1硅单晶片的制备硅单晶片的制备制造集成电路芯片需要硅单晶，硅单晶片实际上是从圆柱形的单晶硅锭上切割下来的。单晶硅锭的生长方法主要有“直拉法”和“悬浮区熔法”。一般用直拉法制造硅单晶，在这里我们介绍采用直拉法制备硅单晶。2 硅加工工艺 直拉法制备硅单晶：加热一个大坩埚中的硅，直到它熔化。一块称为籽晶的单晶硅浸入熔融的硅熔液中在旋转籽晶的同时缓慢地将其从硅的熔融液中提升起来，在籽晶的周围逐渐生长出单晶硅，最后形成圆柱形的单晶棒。生成的单晶硅经过物理性能测试和电气参数测试后对其进行切割，形成硅单晶片，然后再对硅单晶片进行研磨、

2、倒角、抛光，最后得到需要的单晶硅片。3 硅加工工艺 4 硅加工工艺 单晶生长设备5 硅加工工艺 生长硅单晶6 硅加工工艺 7 硅加工工艺 单晶生长设备8 硅加工工艺 2.2 掺杂9 硅加工工艺 A族受主掺质(P型)A族半导体A族施体掺质(N型)元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量硼5碳6氮7铝13硅14磷15镓31锗32砷33铟49锡50锑5110 硅加工工艺 11 硅加工工艺 在目前的集成电路生产中，扩散方式主要有两种：恒定表面源扩散和有限表面源扩散。(1)恒定表面源扩散。如果硅片(或其他半导体晶片)表面的扩散杂质浓度在扩散的过程中始终保持不变，则这种扩散方式叫做恒定

3、表面源扩散。在恒定表面源扩散的过程中，不断有外来源补充因扩散到硅片(或其他半导体晶片)中而损失的杂质源。(2)有限表面源扩散。如果扩散之前在硅片表面先沉积一层杂质作为扩散的杂质源，在整个扩散过程中不再有新源补充，则这种扩散称为有限表面源扩散。12 硅加工工艺 离子注入的基本原理离子注入和退火再分布基本原理是用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。13 硅加工工艺 离子注入的基本原理14 硅加工工艺 离

4、子注入设备15 硅加工工艺 16 硅加工工艺 17 硅加工工艺 2.3 生长外延层外延生长外延生长用来用来生长生长薄层单晶材料，即薄层单晶材料，即薄膜薄膜外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底外延生长：按照原来的晶向在单晶衬底上，上，生长另生长另一层合乎要求的一层合乎要求的单晶单晶层的方法。层的方法。生长的这层生长的这层单晶单晶叫叫外延层外延层。（厚度为几微米）（厚度为几微米）（厚度为几微米）（厚度为几微米）18 硅加工工艺 将晶圆放在一个特制的炉内，炉是一个能够承受非常高温度的石英炉管。在炉管的一端安放了一些将被泵入的可高度反应的气体。混合气体被高温激励而相互碰撞反应，这些反应气体在炉管内被输运

5、直到它们撞击到晶圆，由于晶圆的温度比气体低，因此，混合气体中的硅被凝聚在晶圆的表面。这个过程就在晶圆表面生长了与衬底晶格一致的外延层。化学气相沉积19 硅加工工艺 采用不同的气体混合，就能够生长不同类型的硅。可以是N型的，也可以是P型的。另一种CVD技术是等离子增强化学气相沉积-PECVD，跟CVD非常相像，所不同的是利用等离子体代替高温启动化学反应。等离子体提供了气体间化学反应的能量而不用提高晶圆的温度，低温将有助于维持原先的杂志分布，避免杂质的进一步扩散。20 硅加工工艺 硅表面上总是覆盖一层二氧化硅（SiO2），即使是刚刚解理的硅，在室温下，只要在空气中，一暴露就会在表面上形成几个原子层

6、的氧化膜。氧化膜相当致密，能阻止更多的氧原子通过它继续氧化。这种天然形成的氧化层厚度只能达到40左右。形成的二氧化硅不但能紧紧地依附在硅衬底上，而且具有极为稳定的化学特性和电绝缘特性。2.4 氧化层生长21 硅加工工艺 氧化硅层的主要应用二氧化硅的重要应用可归结为以下几个方面：u 表面钝化层u 掺杂阻挡层u 表面绝缘层u 器件绝缘层22 硅加工工艺 图4-4 作为掺杂阻挡层的二氧化硅掺杂阻挡层23 硅加工工艺 图4-5 作为绝缘层的二氧化硅层表面绝缘层24 硅加工工艺 图4-6 在MOS栅极中，二氧化硅作为场氧化器件绝缘层25 硅加工工艺 图4-7 在固态电容里的二氧化硅层器件绝缘层26 硅加

7、工工艺 p干氧氧化干氧氧化是指在高温下，氧气与硅反应生成二氧化硅的氧化方法。干氧氧化具有速度慢、氧化膜质量好的特点。其反应方程式如式所示。(3.2)27 硅加工工艺 p水汽氧化水汽氧化是指在高温下，利用硅与高纯水反应生成二氧化硅的方法。在水汽氧化中水分子在二氧化硅中的扩散速度快，但质量比在干氧氧化中生成的二氧化硅要差。(3.3)28 硅加工工艺 2.5 溅射 高能等离子体能够帮助我们沉积某些不能通过CVD沉积的材料，在称为溅射台的设备中，利用氩气等惰性气体产生等离子体，利用等离子体轰击出材料原子。在一个密闭容器中，晶圆上方悬挂着一大块准备沉积的金属材料，该金属将被轰击到晶圆的表面形成一个新的表

8、面层，方法？29 硅加工工艺 溅射溅射：用高能等离子体轰击某种材料的：用高能等离子体轰击某种材料的靶面，而使靶材表面的原子或分子从中靶面，而使靶材表面的原子或分子从中逸出逸出并淀积在衬底材料上的并淀积在衬底材料上的现象现象。30 硅加工工艺 2023/1/131 硅加工工艺 蒸发蒸发：通过：通过不同的加热方式不同的加热方式使原材料气使原材料气化后，直接（或与反应气体反应后）在化后，直接（或与反应气体反应后）在衬底上成膜。衬底上成膜。2.6 蒸发32 硅加工工艺 2.7 去除材料层 刻蚀技术：包含了所有将材质表面均匀移除或是有选择性的部分去除的技术。例如去除金属、氧化层等。33 硅加工工艺 光刻

9、是利用光学系统把掩膜版上的图形精确地投影曝光到涂过光刻胶的硅片上。最终的图形是用多个掩膜版按照特定的顺序在晶圆表面一层一层叠加建立起来的。光刻占硅片工艺60%的时间。2.8 光刻34 硅加工工艺 IC制造中最制造中最关键的步骤关键的步骤IC晶圆中最晶圆中最昂贵的设备昂贵的设备决定最小决定最小特征尺寸特征尺寸最有挑战最有挑战的技术的技术35 硅加工工艺 光刻胶：光敏材料，利用光刻胶的保护，能够对区域选择加工，仅仅对未被保护的区域能够进行注入、刻蚀、溅射等。掩膜板：一块有图形的玻璃板，透过这块玻璃板投射一束光到晶圆的表面，就在晶圆的表面形成了图形的阴影。光线通过玻璃板上透过区域照射到光刻胶上使其曝

10、光，而板上的图形阻碍了光线的通过，未被曝光的区域是抗蚀层。36 硅加工工艺 正胶和负胶的性质37 硅加工工艺 正胶：曝光前不可溶正胶：曝光前不可溶,曝光后可溶曝光后可溶负胶：曝光前可溶负胶：曝光前可溶,曝光后不可溶曝光后不可溶正胶：分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶负胶：分辨率差，适于加工线宽3m的线条38 硅加工工艺 下凹图形的加工（正胶）暗场掩膜板：掩膜板上除了透光的地方全都覆盖着一层铬层，被铬覆盖了大部分区域的掩膜板被称为暗场掩膜板。39 硅加工工艺 凸起图形的加工（正胶）亮场掩膜板：掩膜板保持了玻璃的透明，仅有少量的铬区，被铬覆盖了很少部分区域的掩膜板被称为亮场掩膜板。

11、40 硅加工工艺 正胶：曝光后正胶：曝光后 可溶可溶负胶：曝光后负胶：曝光后 不可溶不可溶41 硅加工工艺 1、涂胶2.8.1 光刻步骤42 硅加工工艺 2前烘前烘涂胶后的胶膜要立即进行烘干。一般是在80oC温度下烘烤1015分钟。烘烤的温度不能过高，时间不能太长，否则会造成显影困难。例如温度若在100oC以上，由于增感剂挥发而造成曝光时间增长，甚至完全显不出图形来。43 硅加工工艺 3曝光曝光曝光就是对涂有光刻胶且进行了前烘之后的硅片进行选择性的光照，曝光部分的光刻胶将改变其在显影液中的溶解性，经显影后在光刻胶膜上得到和“掩膜”相对应的图形。44 硅加工工艺 4显影显影显影是把曝光后的硅片放

12、在显影液里，将应去除的光刻胶膜溶除干净，以获得腐蚀时所需要的抗蚀剂膜保护图形。显影液和显影时间的选择对显影效果的影响是极为重要的。显影液的选择原则是：对需要去除的那部分胶膜溶解得快，溶解度大，对需要保留的那部分胶膜的溶解度极小。45 硅加工工艺 显影液硅片光刻胶二氧化硅膜曝光后的光刻胶46 硅加工工艺 5坚膜坚膜坚膜是在一定的温度下，将显影后的片子进行烘干处理，除去显影时胶膜所吸收的显影液和残留水分，改善胶膜与基片间的粘附性增强胶膜的抗蚀能力，以及消除显影时所引起的图形变形。47 硅加工工艺 6腐蚀腐蚀腐蚀就是用适当的腐蚀剂，对未被胶膜覆盖的二氧化硅或其他性质的薄膜进行腐蚀，按照光刻胶膜上已经

13、显示出来的图形，进行完整、清晰、准确的腐蚀，达到选择性扩散或金属布线的目的。它是影响光刻精度的重要环节。48 硅加工工艺 7去胶去胶去胶是常规光刻工艺的最后一道工序，简单地讲，是使用特定的方法将经过腐蚀之后还留在表面的胶膜去除掉。通常，采用的去胶方式有溶剂去胶、氧化去胶、等离子体去胶等方式。49 硅加工工艺 2.8.2 光刻方式光刻方式一、曝光光源一、曝光光源 常用的紫外线光源是高压汞灯。曝光光线波长越短能曝出的特征尺寸就越小，光刻一直是不断缩小芯片特征尺寸的主要限制因素，1985年有人预言光刻不可能分辨出小于0.5um的特征尺寸。现在的光刻可以做到nm级。分辨率：清晰分辨出硅片上特征图形的能

14、力。减小曝光光源的波长能提高分辨率。50 硅加工工艺 51 硅加工工艺 二、常规光刻方式 52 硅加工工艺 几种常见的曝光方法接触式曝光：分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(1025m)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式53 硅加工工艺 远紫外线曝光 电子束光刻 三、超细线条曝光技术三、超细线条曝光技术54 硅加工工艺 2.9 平坦化平坦化：光刻形成图形后，晶圆的表面变得非常不平整。可以通过一些新技术，如刻蚀、研磨和抛光方法使晶圆表面再次变平

15、，使晶圆表面变平的技术被称为平坦化。作用：只要使原来的表面变平坦了，你就可以采用较薄的材料层，就能够制作更小的图形，加工更小的尺寸，平坦化改善了芯片的性能。55 硅加工工艺 2.10 自对准硅栅自对准硅栅：光刻形成硅栅后，利用硅栅材料自身作为掩膜区精确地对准源区和漏区。自对准硅栅原理：1）将裸片放入通有氧气的高温炉内一定时间，就得到相当厚度的氧化层，接着光刻胶曝光、显影，然后再氧化层上刻蚀出一个窗口。56 硅加工工艺 2）这个窗口直达硅衬底，使下面的硅裸露出来，这样在有需要的地方有了非常厚的氧化层作为隔离区（场氧场氧）。3）将晶圆再次放入氧化炉几分钟，在窗口处生长另一层二氧化硅。57 硅加工工

16、艺 4）沉积多晶硅作为栅材料，利用栅掩膜板进行光刻胶的曝光和显影。5）刻蚀二氧化硅，只有多晶硅栅下的二氧化硅由于栅的保护而留下来，栅条则位于二氧化硅薄层的上面。58 硅加工工艺 6）离子注入，栅条、裸露的衬底以及厚氧化层都被注入7）栅和厚氧化层屏蔽了各自下面的硅，只有栅条两边裸露的硅被注入，这就确保了栅条与源-漏区的对准。59 硅加工工艺 由于栅的屏蔽作用，N型杂质不能进入栅的下面，在栅的两边形成了独立的两块N型区域，这被称为硅硅栅自对准栅自对准。8）在退火的时候，源-漏区会由于扩散而稍稍进入到栅下一点点，重叠很小。在退火的同时，还可以在表面生长另一层二氧化硅。60 硅加工工艺 2023/1/161