硅集成工藝 期末復(fù)習(xí)

1、復(fù)習(xí) 1、硅片制備的四個階段制造IC級的硅晶圓分四個階段進(jìn)行： v 礦石到高純氣體的轉(zhuǎn)變v 氣體到多晶的轉(zhuǎn)變 v 多晶到單晶，摻雜晶棒的轉(zhuǎn)變v 晶棒到晶圓的制備 2、如何通過硅片滾磨定形來判斷其類型 3、硅片清洗任務(wù)有哪些？三道防線:ü 凈化環(huán)境（clean room）ü 硅片清洗（wafer cleaning）ü 吸雜（gettering）硅片清洗的基本任務(wù)v 粒子v 金屬雜質(zhì)v 有機(jī)物v 表面微粗糙度 （柵氧化層厚度小于100埃）v 自然氧化層v 柵氧化外延前的最后一步清洗 4、典型的濕法清洗工藝流程 5、二氧化硅的性質(zhì)（P21）和用途，常見的介質(zhì)薄膜還有？

2、硅工藝中的一系列重要硅基材料：SiO2：絕緣柵/絕緣/介質(zhì)材料； Si3N4：介質(zhì)材料，用作鈍化/掩蔽等； 多晶硅：可以摻雜，導(dǎo)電； 硅化物：導(dǎo)電，作為接觸和互連SiO2的主要性質(zhì) 密度 2.20g/cm3 SiO2致密程度的標(biāo)志 折射率 1.46 密度大，折射率大 電阻率 1016 歐姆.cm 與制備方法，摻雜有關(guān) 介電強(qiáng)度 106-107 V/cm 介電常數(shù) 表征電容性能的一個重要參數(shù) 腐蝕 SiO2+6HF®H2(SiF6)+2H2O 6、什么是線性氧化和拋物線氧化極限 7、弄清恒定表面源擴(kuò)散與有限表面源擴(kuò)散1、恒定表面源的擴(kuò)散特點(diǎn)：表面濃度始終保持不變，為Cs 初始條件： t

3、 = 0 x> 0 處 C(x, t) = 0邊界條件： t >> 0 x = 0 處 C(x, t) = Cs t >> 0 x ® ¥ C(x, t) = 0解方程，得恒定擴(kuò)散方程的表達(dá)式 C(x, t) 某處t時，雜質(zhì)濃度Cs表面雜質(zhì)濃度，取決于某種雜質(zhì)在硅中的最大固溶度erfc 余誤差函數(shù)稱為特征擴(kuò)散長度恒定表面源擴(kuò)散的主要特點(diǎn)1.主要分布形式： 擴(kuò)散時間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散距離越深，進(jìn)入襯底的雜質(zhì)總量越多。2. 恒定表面源的擴(kuò)散的表面雜質(zhì)濃度Cs基本由雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度（9001200）下的固溶度決定，而固溶度隨溫度變化不大。3.如果擴(kuò)散雜質(zhì)與

4、原有雜質(zhì)的導(dǎo)電類型不同則在兩種雜質(zhì)濃度相等處形成pn結(jié)影響結(jié)深的因素 D與T有關(guān)，T上升10°C D上升1倍 T對D的作用較t大 xj 又和A，即Cs/Cb有關(guān) · Cb Cb上升 xj下降 · Cs 余誤差分布 Cs上升，Q上升，xj上升 但Cs和T關(guān)系不大，所以一般不以提高Cs來增加xj。 高斯分布 Cs上升，Q不變的話，則xj下降。 T ± 1°C D差10 則xj差5% 所以T的誤差必須 < ±1°C。2、有限表面源擴(kuò)散在整個擴(kuò)散過程中，已形成的擴(kuò)散雜質(zhì)總量作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充，其初始條件和邊界條件

5、為 費(fèi)克第二定律的解是高斯分布 表面濃度Cs隨時間而減少 有限表面源擴(kuò)散的特點(diǎn)1.主要分布形式 ：擴(kuò)散時間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散距離越深，表面雜質(zhì)濃度越低.襯底的雜質(zhì)總量不變表面雜質(zhì)濃度可以控制表面濃度Cs隨擴(kuò)散時間而減少 有限表面源擴(kuò)散Xj為 8、硅外延的反應(yīng)，自摻雜效應(yīng)氣相外延（VPE）液相外延（LPE）固相外延（SPE）分子束外延（MBE)外延按反應(yīng)室分類: 臥式、立式、桶式系統(tǒng)和工序自摻雜效應(yīng)外延層中的缺陷：硅的選擇外延生長：襯底裸露出硅的部份可以淀積生長硅外延層，而表面為氧化硅或氮化硅的區(qū)域不會同時淀積非晶硅。最初的目的是想獲得一種先進(jìn)的介質(zhì)隔離結(jié)構(gòu)。在SiCl4中加入HCl會防止在二氧化硅

6、掩蔽層上硅核的成形和硅的生長 9、光刻基本工藝流程1、襯底處理a)表面清潔度b) 平面度c) 增粘處理； 高溫烘培； 增粘劑處理：二甲基二氯硅烷和三甲基二硅亞胺2、涂膠 旋轉(zhuǎn)涂膠 精確控制轉(zhuǎn)速，加速度提供具有一定厚度和均勻性良好的光刻涂膠層 a)膜厚對分辨率的影響 膜越厚分辨率越低，但為了減少針孔，又需要膜厚。 負(fù)膠的膜厚/線寬比為 1：21：3 正膠的膜厚/線寬比為1：1 b) 膜厚對針孔密度的關(guān)系 c) 膜厚對粘附力的影響 如膜太厚，曝光被上層膠吸收，引起下層光刻膠曝光不足，在顯影時下層膠會膨脹甚至溶解，影響光刻膠和襯底的粘附。 3、前烘方式：熱板和紅外等作用： 去除光刻膠中的溶劑 改善膠

7、與襯底的粘附性， 增加抗蝕性，防止顯影時浮膠和鉆蝕 但不能發(fā)生熱膠聯(lián)顯影后要在顯微鏡下檢查：*圖形套準(zhǔn)情況*邊緣是否整齊*有無殘膠，皺膠，易浮膠，劃傷等4、曝光（套準(zhǔn) ） 關(guān)系到光刻的分辨率、條寬控制、套準(zhǔn)精度5、顯影 develop方法：濕法顯影；干法顯影濕法顯影液應(yīng)具備的條件：*應(yīng)去除的膠膜溶解度大，溶解的快*對要保留的膠膜溶解度小，溶解得慢*有害雜質(zhì)少毒性小干法顯影 利用抗蝕劑的曝光部分和非曝光部分在特定的氣體等離子體中有不同的反應(yīng)，最后去除未曝光的部分（或曝光的部分），將曝光部分（或未曝光部分）保留一定厚度濕法顯影的缺點(diǎn)：*顯影液向抗蝕劑中擴(kuò)散，刻蝕圖形溶脹*顯影液組份變化，引起顯影液

8、特性變化*硅片易沾污，作業(yè)環(huán)境差*產(chǎn)生大量廢液6、后烘 post-bake（豎膜）在一定溫度下，將顯影后的片子進(jìn)行烘焙，去除顯影時膠膜所吸收的顯影液和殘留水分，改善光刻膠的粘附性和抗蝕能力 。7、腐蝕 etch 去除顯影后裸露出來的介質(zhì)層（如SiO2,SiN4,多晶硅，Al等）腐蝕要考慮的問題(1)均勻性(2)方向性(3)選擇性 本身材料和下層材料的腐蝕速率比(4)腐蝕速度(5)公害和安全措施(6)經(jīng)濟(jì)性 8、去膠 strip溶劑去膠 H2O2:H2SO4=1:3氧化去膠 450度 O2+膠®CO2­+H2O­等離子去膠 高頻電場 O2®電離OO O活性

9、基與膠反應(yīng) CO2­ CO ­H2O­ 10、光刻膠分類，曝光方法分類 光刻膠分類: 正膠: 曝光部分由光產(chǎn)生分解，可被溶解，從而得到掩膜版正影象。 負(fù)膠：曝光部分由光產(chǎn)生交聯(lián)，未曝光部分可被溶解，得到掩膜版負(fù)影象。曝光方法曝光有多種方法：光學(xué)曝光就可分為接觸式、接近式、投影式、分步重復(fù)曝光。此外，還有電子束曝光和X射線曝光等。曝光時間、氮?dú)忉尫拧⒀鯕?、駐波和光線平行度都會影響曝光質(zhì)量。 11、圖形轉(zhuǎn)移的要求（主要是保真度、選擇性、均勻性）1、保真度(各向異性度Af) 橫向和縱向腐蝕速率的差異程度,影響分辨率定義： Af1V1/V2 V1和V2分別表示橫向和縱向腐

10、蝕速率Af 小 各向異性腐蝕程度小 Af 大 橫向腐蝕小 當(dāng)范圍內(nèi)，代表各向異性腐蝕 2、均勻性關(guān)系到工藝重復(fù)性和可靠性v 厚度差異: 平均厚度h，厚度變化因子d，1 d 0，最厚處h*(1+ d),最薄處h*(1 d)v 刻蝕速率差異: 平均刻蝕速率V，速度變化因子x，1 x 0，最大速度V*(1+ x),最小速度V*(1 x )則腐蝕時間偏差: 要求: 粗細(xì)線條兼顧，折中過腐蝕如超過Ws=Wr這一點(diǎn)還繼續(xù)進(jìn)行腐蝕，就出現(xiàn)過腐蝕 一般情況，都要求過腐蝕，以保證所有窗口干凈 有些情況需過腐蝕，彌補(bǔ)薄膜的不均勻性3、選擇性S （腐蝕終止比）不同材料的腐蝕速率之比 掩膜選擇性 膜與膠的腐蝕速率比

11、襯底選擇性 膜與襯底的腐蝕速率比 S值大，工藝性愈好 S值大小，取決于膜和襯底材料、所用氣體 的學(xué)成分、 設(shè)備類型和工藝條件 S值大并不意味著腐蝕邊緣陡直 采用大的S值，可允許較大的過腐蝕，以補(bǔ)償設(shè)備的均勻性差的不足 12、Al金屬化的問題（電遷移、鋁釘現(xiàn)象等）n 金屬化對材料的要求(1)好的界面特性（粘附性、界面態(tài)等）(2)熱、化學(xué)穩(wěn)定性(3)電導(dǎo)率高(4) 抗電遷移性強(qiáng)(5)接觸電阻小(6) 易加工（沉積、刻蝕、鍵合）(7) 多層間絕緣性好（擴(kuò)散阻擋層）Al在IC中的應(yīng)用n 最常用的連線金屬n 第四佳的導(dǎo)電金屬n Ag1.6 mW×cmn Cu1.7 mW×cmn Au

12、 2.2 mW×cmn Al2.65 mW×cmn Al與SiO2反應(yīng)： 4Al+3SiO2®2Al2O3+3Si 反應(yīng)可以改善Al/Si歐姆接觸電阻；增強(qiáng)Al引線與SiO2的黏附性。Al金屬化存在的問題： （1）大電流密度下，有顯著的電遷移現(xiàn)象 （2）高溫下，Al和Si、SiO2會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生“尖鍥”現(xiàn)象。（1）電遷移n Al為多晶材料，包含很多單晶態(tài)晶粒。n 大電流密度下，Al原子沿電流方向的定向遷移，多沿晶粒邊界。n 電遷移造成短路或斷路，造成器件失效，影響IC可信度。平均失效時間MTF：50%互連線失效的時間 式中 A 金屬條橫截面積 (cm2) J 電

13、流密度 (A/cm2) f 金屬離子激活能 (ev) k 玻爾茲曼常數(shù) T 絕對溫度 C 與金屬條形狀、結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) n 電遷移改善方法： （1）竹狀結(jié)構(gòu)：晶粒邊界垂直于電流方向。 （2）Al-Cu， Al-Si-Cu合金： 少量Cu的加入可以顯著改善抗電遷移性能 (3) 三明治結(jié)構(gòu):兩層鋁膜之間夾一層過度金屬層,400度退火1小時,在鋁膜之間形成金屬化合物。(2) Al的“尖鍥”現(xiàn)象n 硅不均勻溶解到Al中，并向Al中擴(kuò)散，形成腐蝕坑 ，Al相應(yīng)進(jìn)入Si中，形成“尖鍥”。實(shí)際上，硅在接觸孔內(nèi)并不是均勻消耗的，往往只是通過幾個點(diǎn)消耗Si，因此這些地方的深度很大，Al在這里象尖釘一樣鍥入Si中

14、，使pn結(jié)失效，實(shí)際深度往往可以超過1um。Cu互連工藝中的關(guān)鍵技術(shù)：n Cu的沉積技術(shù)n 低K介質(zhì)材料的選擇和沉積n 勢壘層材料的選擇和沉積技術(shù)n Cu的CMP平整化技術(shù)n 大馬士革（鑲嵌式）結(jié)構(gòu)的互連工藝n 可靠性問題 13、銅互連工藝流程工藝步驟： （1）沉積刻蝕阻擋層 （2）沉積介質(zhì)層 （3）光刻制備引線溝槽 （4）光刻制備接觸孔 （5）濺射勢壘層和籽晶層 （6）沉積Cu金屬層 （7）CMP金屬層 14、多晶硅/金屬硅化物柵的優(yōu)點(diǎn)、自對準(zhǔn)工藝1、多晶硅：n 柵極與局部互連材料n 1970年代中期取代l而成為柵極材料n 具高溫穩(wěn)定性 離子注入后的高溫退火所必須的 源漏自對準(zhǔn)特性n 重?fù)诫s

15、n LPCVD沉積n 自對準(zhǔn)柵技術(shù)加離子注入可以大幅減小摻雜橫向效應(yīng)引起的覆蓋電容，提高工作頻率。n 多晶硅柵取代l柵，由于柵與襯底Si的功函數(shù)差減少，可以使PMOS的開啟電壓VT絕對值下降1.2-1.4V左右。n 開啟電壓VTX降低后，器件充放電幅度降低，時間縮短，從而也可提高工作頻率。n 開啟電壓VTX降低，整個電源電壓和時鐘脈沖電壓都可以降低，因而降低了IC功耗，提高集成度。n 多晶硅可作為互連引線；n 電阻率：多晶硅>難熔金屬硅化物>難熔金 屬>Al>Cun 當(dāng)電路的特征尺寸小于2mm時，摻雜多晶硅就不適用作互連材料。必須采用比多晶硅低得多的電阻率，而同時又能保

16、持多晶硅原有的工藝兼容性的材料。2、金屬硅化物n 金屬硅化物的電阻率比多晶硅低得多（約十分之一）n 高溫穩(wěn)定性好n 抗電遷移能力強(qiáng)n 可在多晶硅上直接沉積難熔金屬制備，與現(xiàn)有硅柵工藝兼容n TiSi2, WSi2, MoSi2和 CoSi2等適合作柵和互連材料；PtSi和PdSi2則主要用于作歐姆接觸材料。TiSi2 和 CoSi2的自對準(zhǔn)工藝： 濺射剝離從襯底表面去除原生氧化層 Ti 或 Co 沉積 退火形成金屬硅化物 Ti 或 Co 不與SiO2反應(yīng),金屬硅化物在硅和Ti 或Co接觸處形成 去除Ti 或 Co 選擇性再次退火以增強(qiáng)電導(dǎo)率 15、MOS的自隔離MOS IC的基本隔離技術(shù) MOS晶體管是自隔離，因此相對雙極器件有較高的密度 但鄰近的器件會有寄生效應(yīng) 希望場區(qū)的VT大，VT要高于電源電壓34V，保證寄生MOS管的電流小于1PA。 器件間距近或溫度升高均會使VT下降T從25°C®¾125°C VT下降2V增加場區(qū)VT的方法 n 場氧化層增厚，是柵氧化層的710倍n