曾聰杰-集成電路工藝

1、集成電路工藝制造模擬實驗姓 名：曾聰杰學(xué)號： 111300203年級：2013指導(dǎo)老師：魏榕山2016年5月1日工藝模擬實驗一氧化工藝模擬一. 實驗原理在本系統(tǒng)中預(yù)先采用SUPREM-山進(jìn)行氧化工藝模擬，將晶向、氧化溫度、 氧化時間、氧化厚度等多組數(shù)據(jù)，一一對應(yīng)地存儲于Foxpro數(shù)據(jù)庫表中，用ODB（技術(shù)實現(xiàn)Authorware和Foxpro數(shù)據(jù)庫開放式連接。實驗中通過相關(guān)查 詢，在Authorware內(nèi)部再利用插值方式，對操作者給出的晶向、氧化溫度、 氧化時間等進(jìn)行簡單計算后，給出模擬結(jié)果?？紤]到系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)而非工程 計算，因此采用了數(shù)據(jù)庫查詢加差值數(shù)據(jù)擬合而非實時計算完成模擬，避免了長

2、時間的工程計算。二. 實驗?zāi)康南到y(tǒng)提供了實際氧化爐設(shè)備操作面板，在計算機(jī)上完成氧化工藝控制程 序的編輯以及氧化爐的操作，并得到相應(yīng)操作的模擬結(jié)果。從而對氧化工藝操 作過程有簡單直觀的了解。三. 實驗內(nèi)容1. 分別在干氧、濕氧兩種條件下固定溫度，三次改變時間和固定時間、三 次改變溫度各重復(fù)進(jìn)行氧化工藝模擬，并記錄 12組原始數(shù)據(jù)：條件和 氧化層厚度，分析模擬實驗結(jié)果。濕氧條件下：BASIC DISPLYREC. ID : 2O3-OX01REM. REC. TIME : 叮ggQSTAT: RMK)B NR.: TEST LOT MUMBER EL.REC. TIME :AbJALiOG CON

3、TROL BLaOFS： SETPOIMT ftEAL VALUESTEP： bril 3© 歸 0；恥TEMPERATURESCTPOWTS WAL VALUEZONE 1 冊ZOWE 2350ZONE ：S 遜干氧條件下:2 / 21BASICDISPALT-REC. IO? 2OWX01REM.REC.TIME? OOeOOOOSTjer：RNJOB NR. s TEST LOTWUMBCREL.REC.TIME :STEF;E.OAT:AWMOGCOPITROL LOOPSTEMPERATURESETPCIMTREAL VALUESCTFCiIMTSREM VALUE4ZON

4、E 1苗0M?DONT CAREzone s550022ZONE 3HCLDONT CARE晶片號!晶片數(shù)據(jù)壊氧,T 匕 苗晶Js|100wet10C60wet1006CTOOBO10060100氧Tl醞度g1678251110501100950950505520EO分析：在同樣的晶向下，上圖顯示了晶片在干氧、濕氧兩種條件下改變溫度和時間得到的不同氧化深度。在濕氧條件下，保持氧化溫度不變，改變氧化時間的長度，可以發(fā) 現(xiàn)，晶片的氧化厚度隨著時間的增加而增加。在濕氧條件下，保持氧化時間不變，改變氧化溫度的大小，發(fā)現(xiàn)，晶片的氧化厚度也隨著溫度的增加而增加2 / 21在干氧條件下，保持氧化溫度不變，改

5、變氧化時間的長度，可以發(fā) 現(xiàn)氧化厚度雖然也隨著時間的變長而變厚，但變化程度不大，其相對于濕 氧條件下，厚度的增加不明顯。在干氧條件下，保持氧化時間不變，改變氧化溫度的大小，發(fā)現(xiàn)溫 度的變化使得氧化深度的大小變化很大。因此，氧化深度的影響因素主要有溫度，時間，和氧氣的環(huán)境(即 干濕氧)。其中在相同條件，濕氧的環(huán)境下對氧化厚度的影響更大。2、找 3 組課外作業(yè)的計算結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較， 解釋出現(xiàn)偏差的 各種原因。硅片熱氧化生長遵從如下公式：t2ox + Atox = B(t + t,其中tox為硅片經(jīng) 過t時間后Si02的生長厚度(卩m) B為拋物線速率系數(shù)(卩m2/h； B/A為線 性速

6、率系數(shù)(卩m/h) t為生成初始氧化層(同一工藝參數(shù))所用的時間 (h)。 假設(shè)：950C下水汽氧化相關(guān)工藝參數(shù)分別為:A=0.50 ym, B=0.20 m2/h;110XC下干氧氧化相關(guān)工藝參數(shù)分別為：A=0.09ym, B=0.03ym2/h(1) 1 h內(nèi)干氧在1100C生成的Si02厚度(ym): t2ox + Atox= B(t + T,又t初始氧化層厚度為0；二 t 匕(t2ox + At)x ) / B = 0 hIt2ox + Atox = B(t + T),又t1=1 h t2ox + 0.09tox= 0.03 (1 +0);即tox = 0.1339 ym(2) 2 h

7、內(nèi)濕氧水汽氧化所生成的SiO2厚度(ym)I t2ox + Atox = B(t2+ 2)，又 11=1 h ； t2ox + 0.5tox = 0.2 百 +0.25)即 tox = 0.3659ym；3、分析出現(xiàn)偏差的原因生長的快慢將由氧化劑在SiO2種的擴(kuò)散速度以及與Si反應(yīng)速度中較慢的一個 因素所決定， 因此出現(xiàn)偏差的原因有可能是未考慮氧化劑的擴(kuò)散速度， 或者還 有其他因素未考慮。4、分析氧化工藝中的工藝參數(shù)對氧化結(jié)果的影響（1）、濕氧氧化速率比干氧氧化速率快得多。 雖然干氧方法的生長速度很 慢，但生長的SiO2薄膜結(jié)構(gòu)致密，干燥，均勻性和重復(fù)性好，且由于SiO2 表面與光刻膠接觸良好

8、，光刻時不易浮膠。而濕氧氧化速率雖然快，但在 氧化后的 Si 片表面存在較多的位錯和腐蝕坑，而且還存在著一層使 O2 表 面與光刻膠接觸差的硅烷醇（Si OH），因此在生產(chǎn)實踐中，普遍采用干 氧濕氧干氧交替的氧化方式。這種干、濕氧的交替氧化方式解決了生 長速率和質(zhì)量之間的矛盾， 使生長的 iO2 薄膜更好地滿足實際生產(chǎn)的要求。（ 2）溫度的影響：在一定條件下，溫度越高，氧化厚度越大。 （3）時間的影響：在一定條件下，隨著時間的增長，氧化厚度越大。4 / 21實驗二：擴(kuò)散工藝模擬實驗一實驗原理在本系統(tǒng)中預(yù)先采用 SUPREM-III 進(jìn)行擴(kuò)散工藝模擬，將晶向、擴(kuò)散溫度、 擴(kuò)散時間、擴(kuò)散結(jié)深、方塊

9、電阻多組數(shù)據(jù)，一一對應(yīng)地存儲于 Foxpro 數(shù)據(jù)庫 表中，用ODB（技術(shù)實現(xiàn)Authorware和Foxpro數(shù)據(jù)庫開放式連接。實驗中通 過相關(guān)查詢，在 Authorware 內(nèi)部再利用插值方式，對操作者給出的晶向、擴(kuò) 散溫度、擴(kuò)散結(jié)深、方塊電阻等進(jìn)行簡單計算后，給出模擬結(jié)果?？紤]到系統(tǒng) 應(yīng)用于教學(xué)而非工程計算， 因此采用了數(shù)據(jù)庫查詢加差值數(shù)據(jù)擬合而非實時計 算完成模擬，避免了長時間的工程計算。二實驗?zāi)康?系統(tǒng)提供了實際擴(kuò)散爐設(shè)備操作面板，在計算機(jī)上完成擴(kuò)散工藝控制程 序的編輯以及擴(kuò)散爐的操作， 并得到相應(yīng)操作的模擬結(jié)果。 從而對擴(kuò)散工藝操 作過程有簡單直觀的了解。三實驗內(nèi)容 1分別以硼、磷

10、為擴(kuò)散源，進(jìn)行固定溫度，三次改變時間和固定時間、三次 改變溫度各重復(fù)進(jìn)行擴(kuò)散工藝模擬實驗，記錄原始數(shù)據(jù)：條件及結(jié)深、方 塊電阻等。"' . ，"： < s 1 $；：$ ； .*,1爼Ig.亠晶片.< WWi方塊電殂（QJ口）99Cfli7" E擴(kuò)散阿詢(min)擴(kuò)散謳度C)9502725601050122950505510001100110028235152501 705012B3811312結(jié)論：總結(jié)分析擴(kuò)散工藝中的工藝參數(shù)對擴(kuò)散結(jié)果的影響。(1)雜質(zhì)類型對擴(kuò)散結(jié)果的影響：從圖中可以看到，在相同溫度和擴(kuò)散時間下，p類型雜質(zhì)的結(jié)深要比B大。這

11、是由于P源擴(kuò)散反應(yīng)與B源擴(kuò)散反應(yīng)的 產(chǎn)生的SiO2量不同，而擴(kuò)散源在SiO2中的擴(kuò)散非常慢，SiO2起到一種屏蔽 作用。擴(kuò)硼的雜質(zhì)源均是先分解或化合產(chǎn)生 B2O3，再與表面硅反應(yīng)產(chǎn)生單 質(zhì)B并向硅內(nèi)擴(kuò)散。2B2O3 + 3Si = 4B + 3SiO2磷擴(kuò)散源很多，其共性在于先生成P2O5，再與硅反應(yīng)生成單質(zhì)磷向硅內(nèi)擴(kuò)散。 2P2O5 + 5Si = 4P + 5SiO2如上可知生成同樣的 SiO2,所需的硼源越多，這就相當(dāng)于雜質(zhì)濃度降低了(2) 擴(kuò)散時間對擴(kuò)散結(jié)果的影響：由結(jié)深可得，擴(kuò)散時間越長，結(jié)深越大，模擬結(jié)果得到相似的結(jié)果。(3) 溫度對擴(kuò)散結(jié)果的影響：如圖可知，溫度越大，結(jié)深越大，即

12、擴(kuò)散深度 越深。由于溫度越高，原子被激發(fā)的概率越高，替位式擴(kuò)散越容易。(4) 方塊電阻：擴(kuò)散層薄層電阻是反映擴(kuò)散層質(zhì)量符合設(shè)計要求與否的重要工藝指標(biāo)之一。對應(yīng)于一對確定數(shù)值的結(jié)深和薄層電阻，擴(kuò)散層的雜質(zhì)分布是 確定的。也就是說，把薄層 電阻的測量同結(jié)深的測量結(jié)合起來，我們就能夠 了解到擴(kuò)散入硅片內(nèi)部雜質(zhì)的具體分布。深入了解薄層電阻的定義和測試方 法，對我們控制擴(kuò)散條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量 具有十分現(xiàn)實的意義。7 / 21實驗三：離子注入工藝模擬A .離子注入工藝原理一.實驗原理利用Authorware、3DS max、Photoshop等工具制作圖形、動畫及聲音解說, 展示離子注入原理課件。掌握離子

13、注入原理，了解離子注入設(shè)備和工藝過程，理解離子注入損傷的 形成，并對離子注入在IC中的應(yīng)用有清晰的認(rèn)識。實驗內(nèi)容1 簡要說明離子注入的原理與設(shè)備組成(1)離子注入原理：離子是原子或分子經(jīng)過離子化后形成的，即等離子體，它帶有一定量的電荷?？赏ㄟ^電場對離子進(jìn)行加速，利用磁場使其運動方向改變， 這樣就可以控制離子以一定的能量進(jìn)入 wafer內(nèi)部達(dá)到摻雜的目的。離子注入到wafer中后，會與硅原子碰撞而損失能量，能量耗盡離子就會停在 wafer中某位置。離子通過與硅原子的碰撞將能量傳遞給硅原子，使得硅原子 成為新的入射粒子，新入射離子又會與其它硅原子碰撞，形成連鎖反應(yīng)。雜質(zhì)在wafer中移動會產(chǎn)生一條

14、晶格受損路徑，損傷情況取決于雜質(zhì)離子的輕 重，這使硅原子離開格點位置，形成點缺陷，甚至導(dǎo)致襯底由晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉?晶體結(jié)構(gòu)。(2) 設(shè)備組成： 離子注入機(jī)離子注入機(jī)的主要部件有：離子源、離子束吸取電極、質(zhì)量分析器、加速器、 聚焦器、掃描系統(tǒng)、終端系統(tǒng)以及工藝室等。2 說明注入損傷的形成及解決辦法 形成：離子注入會對晶格造成損傷，這使硅原子離開格點位置，形成點缺陷， 甚至導(dǎo)致襯底由晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷w結(jié)構(gòu)。解決辦法：通過退火能修復(fù)晶格缺陷。缺陷修復(fù)需要500C的溫度，雜質(zhì)的激活需要950C的高溫，有高溫爐退火和快速熱退化兩種方法。高溫爐退火是在 8001000的高溫下加熱30分鐘，因會導(dǎo)致雜質(zhì)再分布

15、，不常采用；快速熱 退火采用快速升溫并在1000C的高溫下保持很短的時間，可達(dá)到最佳效果。3 總結(jié)離子注入的優(yōu)缺點和應(yīng)用優(yōu)點：(1) 注入的離子經(jīng)過質(zhì)量分析器的分析，純度很高、能量單一。而且注入環(huán) 境清潔、干燥，大大降低了雜質(zhì)污染。(2) 注入劑量可精確控制，雜質(zhì)均勻度高達(dá)土1%(3) 注入在中低溫度下進(jìn)行，二氧化硅、光刻膠、氮化硅等都可以作為注入時的掩蔽層。襯底溫度低，就避免了高溫擴(kuò)散所引起的熱缺陷；(4) 離子注入是一個非平衡過程，不受雜質(zhì)在襯底中的固溶度限制；(5) 工藝條件容易控制缺點：(1) 離子注入的橫向摻雜效應(yīng)比擴(kuò)散大大減少了；(2) 離子注入最大的缺點就是高能離子轟擊 wafe

16、r對晶格結(jié)構(gòu)造成的損傷； 應(yīng)用：金屬材料改性、延長模具的使用壽命、離子注入技術(shù)在半導(dǎo)體器件制造中的具 體應(yīng)用如1.柵閥值調(diào)整(Threshold Adjust ) ,Halo注入等；2.源極,漏極的形 成和多晶硅柵極的摻雜。3. N/P井的形成，倒摻雜井(retrograde well )等禺二亍臺百勺用以阱工玄因仔h“節(jié). 3 供珪入 Q辛主P亠)弄!呈了X、百CW.j= tfUKeV醐夕卜埠扌護(hù) 匚了于=:>lj7Sr1><focxa&=1NOlc書73,辛牛P：防jiz奇孑沖道斗* yEtH-7CI n ctii ”£i= 1 OORe連HJTO 去?

17、flhC 注 y 齊止呈zN 曇了口 宀1 d=Sl>lcuAZ舊. 注滬、療0斗碌、 漏J 冇I寺rtn , tt = i10 / 21B.離子注入設(shè)備介紹和工藝模擬實驗一 實驗原理在本系統(tǒng)中預(yù)先采用 SUPREM-III 進(jìn)行離子注入工藝模擬，將晶向、離子注入 能量、離子注入劑量、 離子注入雜質(zhì)分布濃度等多組數(shù)據(jù)， 一一對應(yīng)地存儲于Foxpro數(shù)據(jù)庫表中，用ODB（技術(shù)實現(xiàn)Authorware和Foxpro數(shù)據(jù)庫開放式連 接。實驗中通過相關(guān)查詢，在 Authorware 內(nèi)部再利用插值方式，對操作者給 出的晶向、 離子注入劑量、 離子注入雜質(zhì)分布濃度等進(jìn)行簡單計算后， 給出模 擬結(jié)果

18、?？紤]到系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)而非工程計算， 因此采用了數(shù)據(jù)庫查詢加差值 數(shù)據(jù)擬合而非實時計算完成模擬，避免了長時間的工程計算。二 . 實驗?zāi)康?系統(tǒng)提供學(xué)習(xí)了解實際離子注入設(shè)備各個部分的結(jié)構(gòu)和功能，并在計算 機(jī)上完成離子注入工藝初始條件的編輯以及離子注入工藝模擬， 得到相應(yīng)操作 的模擬結(jié)果及雜質(zhì)濃度分布曲線。 而且還能對不同初始條件下的模擬結(jié)果曲線 進(jìn)行比較。從而使學(xué)生對離子注入原理及工藝操作過程有簡單直觀的了解。 并 根據(jù)注入模擬的曲線粗略的計算出注入的結(jié)深 , 以及比較在不同初始條件下 曲線的變化情況 （如:固定劑量 , 改變初始能量 ）下曲線的變化。 用戶還可以完成 諸如為了得到一定的注入深度

19、 , 而調(diào)節(jié)各項參數(shù)的工作。三 實驗內(nèi)容 1原始數(shù)據(jù)記錄： A. 離子注入機(jī)原理結(jié)構(gòu)B.實驗?zāi)M初始條件及結(jié)果（表）共六組數(shù)據(jù)：固定能量改變注入劑量（大、 中、?。┤魏凸潭▌┝扛淖冏⑷肽芰咳?。（1）保持初始能量不變，改變注入劑量大小12 / 21# / 21# / 21洼入離子（磷）月戶貝爰輸入以下兩卜 初始祭件，按回車慎認(rèn)后 可顯卞分布曲線乜銃省是 在B（lel5 atom cm3）,晶 向為成的襯底材料上 注入P喜禮請輸 創(chuàng)始能量：IIUU-£U(I"W50| Kev宵輸入注入1-1 e15 otuiu/ciiiZ) 1E 11atom/cmZ13 / 21旨的濃度

20、分仙值探度:micro濃度:1 nata m/cm 3)i>； ：micro濃庭 Jn(Atnm/crii3)0.013.53I.Ub1,1H.3b14.C77.93n.i15.521.1b7.52OJS15.711.27.130+215.71.256.740.2&1 5.加1J6J7OJ15.171.35&+o?UJ51 4,795+7(L414.3ti1+455詁4(MH13.SU55*250,51乳幅K555+130,5512.S51,fi5.07n.G11E1.GBS.Q3O.GS11.931,75乞0.71 1.51.75b.O 10.751 1.U31.050

21、.810.56I .SB5O.«bID.I1.950.99.G5KS550.9b9 212.(J51.08J7返回說明:屈戶只要輸入以下兩個 初始條件，按回車確認(rèn)后 可顯示分布曲線d缺省是 在B(lel5 atom.'cm3), 晶 問為VOO的襯底材料上 注入P離子。請輸入初始能量:卩00-200KeV舊) | Kev肓輸入注入劑量：(le11-1e!5 alom/cm?)IE 13att>m/cm215 / 21后的濃度分仆值深度:microI：<n(atom/cmJJ深度:micro祝 J賈：1 ri a出：in T0+U1B.63l.flSW3S(LD5l

22、t,B71.1fl.330L11T.E21.159,5?0.1 SI7./41.29.1 ?fl.21 ；./1 ,Z58.T30.2517.491.38.3&n.317.171.357.990.31 C.7R1.47.610.11E4E7.25os1 5.91冷反尅0+516.431再5E劇D.55H.95riiG.P4DEU.461.£5.91O.bb13.9H1.75.R&0L713.f>1.75C.430,7513.UU1.b5.25DO12.GG5.15O.flS1?,11.9&0B0,911.GS1月呂5.010“951 1,?1245.02

23、K010,77返回屈戶丘吳輸入以下兩半 初始條件，按回李確認(rèn)后 可顯示聳吊曲線*觥崔是 在B（lel5 atom cinjj）,品 冋為的襯麻材料上 注入P離子。注入離子（磷）請筍人初始能量和00-2呱爍呵問 I Kev:捲軻車飜認(rèn)）請輸入注入齊（I量:（1el1-le15 81flmjcni2IE siom/onZ返回17 / 21h ；的濃丿Q分布值探度：initro康度：I口 a lu tti/ci n 3濃展:1 n(am m/cm0.01H.031.0511.SOQ.D510.051J1 1.16JIH.131.1510.75J519.741.2lf>.35D,219.791.

24、2S蜩60.Z519.551.39.5ftU.319.011-35乩玄0+3510.251/R加0川17.611.45乩刪(L4517J31.!50.516,661,557,780*551GJ81.6O.B15.B91.657J 10.G51b.211.7G.790-7K731.756.48U. /bM.Z51.8G.180.813.791.S55.9U.Bb1 3 31.05.GS0.912.08EM1)3億皿2.05.?1.012返叵(2)保持劑量不變，改變初始能量大小18 / 21始條件用戶只萸輸人以下兩個 初貽雜件.挾回牟確認(rèn)店 可顯示介竊曲線“瞇酋足 /TB(lel5 uluiu c

25、m3,品 向 為ulOO的襯底初料上 注入P售子。請輸入初如雜呈：|IUU-MOUK“| |嗆。 Kcv盛凹車備仇'" 詩輛.人注入刑降:Ml IrtlH MnrrJrin? 1e| 13dloiiciii2返回的濃度分布值探度：micro派度;ln|&tQ m/cmJJ灤度:inim)痕度:lnatovi 膽 m30.015.371.0511.E40.C517. J71.11.1510.SBfl.117.8710.730.1517.71.210.490.21?.411.2510.260.2516.991.310.03(J.31£.551.359.U10.3

26、51G.1.A3.59DM15.GG1.453.390伽15.231.5g.is0.E1402g0.E514421.Ga. 790.G14041.E59.610.G513.681.7820.?13.331.F5盧250.75131.S3,07o,s12.6B1.857.90.S&12.371,97.74n.s12.071157.S70.9511.78Z.O7.41LC11.51返回20 / 2121 / 21說明:用6只夏輸入以下商個 初始條件，按回車確認(rèn)后 可顯示分布柱練快省是 EB(1c15 atom cm3)P 品 R<100>ffi襯底苻料上 注入F離子"

27、請輸入初OO-ZOUKev) | 竺 Kev(按昌車轎認(rèn))情輸幾注入刑量：(1c11-1&15 awm/cmZ IE natom/cmZ返回；的濃度分布值# / 21# / 21FJ¥：ln(atoni/cin3jrolcmi«:10.891L56衛(wèi).1-1 -1 1 12 2 JGJ9 93 5 7 4 8 3 JOJ22.9歷蟲9 8 8 8 7 7 78 J- 1 9 7 fi 7 J.9.7Ma2川壬7 6 6 6 6 R 57111 1 -1 -1- 1 1 1- .15 拆6 q* cn o- 111215.4517.0017.G017.7317.E31

28、7.316.9516.53ie.i15.6515.214.7GI-4.3313.91 3.491 3.D912.K914 83 3円丐啟 pill& 5 5b55JO-0-2.2_3J/JJ5占方J6J.7' ' .ouoooonoooouuooo-onoolK 5用.R.9.9J022 / 21說明：用.4只賈愉人以下兩個 初妬采件”按回車確認(rèn)后 可顯示分布曲就省是 在B(lcl5 atom ciejJ) 品 mJ <100 襯底材料丄 注入p區(qū)子。Kev謹(jǐn)愉入初対能呈："00-200Kev諛iHpijell1 cl5 atom/cmEJ 1L 13|»1um/rrin?后的濃度分布值I：扶回車瑙認(rèn)返回探度:microJ：lnlatom/cm3JSA