VLSI大規(guī)模集成電路制造技術(shù)

1、(VLSI)大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路制造技術(shù)制造技術(shù) 目錄目錄緒論第一章 襯底制備第二章 外延第三章 氧化第四章 光刻第五章 制版第六章 擴(kuò)散第七章 隔離第八章 電極制備及封裝 緒緒 論論一、概念一、概念集成電路（Integrated Circuits）就其本質(zhì)來說，是將晶體管、二極管等有源元件和電阻器、電容器等無源元件按一定的電路互連，“集成”在一塊半導(dǎo)體單晶片上，完成特定的電路或系統(tǒng)的功能。 集成電路芯片設(shè)計(jì)過程框架集成電路芯片設(shè)計(jì)過程框架是是功能要求功能要求行為設(shè)計(jì)（行為設(shè)計(jì)（VHDL）行為仿真行為仿真綜合、優(yōu)化綜合、優(yōu)化網(wǎng)表網(wǎng)表時(shí)序仿真時(shí)序仿真布局布線布局布線版圖版圖后仿真后仿真否

2、否是是否否否否是是Sing off二、集成電路技術(shù)的發(fā)展二、集成電路技術(shù)的發(fā)展 早在第二次世界大戰(zhàn)期間，在陶瓷基片上制成的電阻陣列應(yīng)是第一次集成化電路。 1948年，晶體管的發(fā)明產(chǎn)生了一次質(zhì)的飛躍。此后不久，就出現(xiàn)了鍺集成電路。 集成電路是在平面晶體管發(fā)明以后，伴隨著其它技術(shù)的發(fā)展才真正地發(fā)展起來。第一個(gè)有重要意義的突破是在硅片上熱生長(zhǎng)具有優(yōu)良電絕緣性能、又能掩蔽雜質(zhì)擴(kuò)散的二氧化硅層。 50年代中期以后，又將印刷照相業(yè)中的光刻技術(shù)和透鏡制造業(yè)中的薄膜蒸發(fā)技術(shù)引進(jìn)到半導(dǎo)體工業(yè)中來，它們和擴(kuò)散、外延等技術(shù)相結(jié)合，奠定了一整套集成電路制造工藝技術(shù)。50年代后期，集成電路的主要技術(shù)已基本形成。1958

3、年，制成了第一只單片集成電路。與以往電子裝備相比，在縮小體積，降低成本，提高可靠性，降低功耗，提高速度，提高集成度等方面都體現(xiàn)了巨大的優(yōu)越性。此后20年，集成電路進(jìn)入“黃金”時(shí)期，發(fā)展速度驚人。集成度幾乎每年翻一翻。 Moore定律集成電路按規(guī)模分類：集成電路按規(guī)模分類：1.小規(guī)模集成電路（SSI）：集成度在100元件或10個(gè)邏輯門以下，50年代末期。2.中規(guī)模集成電路（MSI）：集成度在1001000個(gè)元件或10100個(gè)邏輯門，60年代。 3.大規(guī)模集成電路（LSI）：集成度1000個(gè)元件或100個(gè)邏輯門以上，70年代。4.超大規(guī)模集成電路（VLSI）：集成度105以上，70年代后期。5.特

4、大規(guī)模集成電路（ULSIUltra Large Scale Integrated Circuits）：集成度106以上，目前。 三三. 集成電路制造過程集成電路制造過程 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)芯片檢測(cè)芯片檢測(cè)單晶、外單晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造過程造過程封裝封裝測(cè)試測(cè)試 系統(tǒng)需求系統(tǒng)需求第一章第一章 襯襯 底底 制制 備備將用作器件襯底的單晶材料，經(jīng)切片、研磨和拋光等工序，獲得具有一定厚度和晶向、表面高度平整、光潔、沒有損傷層的單晶薄片。這種單晶材料的加工過程稱為襯底制備。 一一 襯底材料襯底材料襯底材料主要有三種類型：1、 元素半導(dǎo)體（Si、Ge）2、 化合物半導(dǎo)體（GaAs）3. 絕緣

5、體（藍(lán)寶石、尖晶石） 二、切片二、切片采用切片機(jī)將單晶錠切割成園片。 由氧化、淀積、離子注入或蒸由氧化、淀積、離子注入或蒸發(fā)形成新的薄膜或膜層發(fā)形成新的薄膜或膜層曝曝 光光刻刻 蝕蝕硅片硅片測(cè)試和封裝測(cè)試和封裝用掩膜版用掩膜版重復(fù)重復(fù)20-30次次集成電路芯片的顯微照片Vsspoly 柵Vdd布線通道參考孔有源區(qū)N+P+三、 研磨研磨（磨片）切片后，表面存在一定程度（約20微米）的機(jī)械損傷層和表面形變，單晶片研磨就是除去切片時(shí)所造成的表面損傷和表面形變，使單晶片表面平整、光潔，并達(dá)到器件生產(chǎn)所要求的厚度。研磨是利用大量硬度比被加工表面大的，具有復(fù)雜棱角的磨料，在外力的推動(dòng)下，對(duì)被加工表面進(jìn)行運(yùn)

6、動(dòng)形式復(fù)雜的一種機(jī)械加工。四、四、 拋光拋光拋光是一種表面微細(xì)加工技術(shù)。按作用可分為三種：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光及化學(xué)機(jī)械拋光。 1、 機(jī)械拋光：與磨片一樣，只是采用粒度更小的拋光料，同時(shí)拋光盤上覆蓋拋光布（絲絨、海軍呢或毛的確良等）進(jìn)行軟研磨。特點(diǎn)：特點(diǎn)：平整度高，但功效低，材料消耗大，在表面留有與拋光料粒度相當(dāng)?shù)膿p傷層。 2、 化學(xué)拋光：利用化學(xué)作用進(jìn)行表面加工的一種方式。分為液相拋光和汽相拋光。特點(diǎn)：特點(diǎn)：液相（化學(xué)溶液）拋光速度快，表面光潔度高，沒有殘留損傷層，但平整度差。汽相（腐蝕氣體）拋光可以進(jìn)一步消除拋光表面的殘留損傷和應(yīng)力。3、 化學(xué)機(jī)械拋光：是利用化學(xué)腐蝕與機(jī)械作用相結(jié)合的表面精

7、細(xì)加工技術(shù)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：將化學(xué)拋光和機(jī)械拋光巧妙地結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)。因而能獲得質(zhì)量更高的拋光面。對(duì)Si的化學(xué)機(jī)械拋光，目前主要有鉻離子拋光，二氧化硅化學(xué)機(jī)械拋光和銅離子拋光，其中以二氧化硅化學(xué)機(jī)械拋光效果最好，在生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位。 二氧化硅化學(xué)機(jī)械拋光是利用NaOH對(duì)硅進(jìn)行腐蝕，使硅片表面的硅原子形成硅酸鹽：Si+2NaOH+H2ONa2SiO3+2H2Si+2NaOH+2H2ONa2SiO4+3H2通過微細(xì)柔軟的二氧化硅微粒對(duì)硅片表面產(chǎn)生摩擦，使硅酸鹽不斷進(jìn)入拋光液。 100 m頭發(fā)絲粗細(xì)頭發(fā)絲粗細(xì) 50 m 30 m1 m 1 m(晶體管的大小晶體管的大小)90年代

8、生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類年代生產(chǎn)的集成電路中晶體管大小與人類頭發(fā)絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較頭發(fā)絲粗細(xì)、皮膚細(xì)胞大小的比較第二章第二章 外外 延延 外延就是在一定的條件下，在一塊經(jīng)過仔細(xì)制備的單晶襯底片上，沿其原來的結(jié)晶方向，生長(zhǎng)一層導(dǎo)電類型、電阻率、厚度和晶格結(jié)構(gòu)完整性都符合要求的新單晶層。此單晶層叫外延層。同質(zhì)外延同質(zhì)外延： 生長(zhǎng)的外延層與襯底材料相同。例如在硅襯底上外延硅，在GaAs襯底上外延GaAs。異質(zhì)外延異質(zhì)外延： 生長(zhǎng)的外延層在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上與襯底材料不同。如SiGe/Si異質(zhì)結(jié)外延。 外延按生長(zhǎng)機(jī)理可歸納為直接生長(zhǎng)法和間接生長(zhǎng)法 直接生長(zhǎng)法：直接生長(zhǎng)法： 就是不經(jīng)過中間化學(xué)

9、反應(yīng)，從源直接轉(zhuǎn)移到襯底上，形成外延層。如分子束外延。間接生長(zhǎng)法：間接生長(zhǎng)法： 就是生長(zhǎng)外延層所需要的原子或分子是由含其組元的化合物（四氯化硅、三氯化砷等），經(jīng)過還原、熱分解等反應(yīng)，沉積在襯底表面。如汽相外延等。 本章著重介紹同質(zhì)硅外延的生長(zhǎng)機(jī)理，分析影響外延層生長(zhǎng)速率和質(zhì)量的主要因素，以及外延層參數(shù)檢測(cè)手段。 第一節(jié)第一節(jié) 硅外延的基本原理硅外延的基本原理 一、一、 外延生長(zhǎng)過程和熱力學(xué)原理外延生長(zhǎng)過程和熱力學(xué)原理下面以目前最廣泛應(yīng)用的氫還原四氯化硅體系，來說明同質(zhì)硅外延的一般生長(zhǎng)過程。氫還原四氯化硅法是以氫氣作為還原劑和運(yùn)載及稀釋氣體。在高溫下，四氯化硅被氫氣還原析出硅，其化學(xué)反應(yīng)為：Si

10、CL4（氣）2H2（氣）Si（固）4HCL（氣） 實(shí)際反應(yīng)比較復(fù)雜，還有許多中間步驟，但可歸納為下列過程：（1）反應(yīng)劑質(zhì)量轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)層表面；（2）把反應(yīng)劑分子吸附在生長(zhǎng)層表面；（3）在生長(zhǎng)層表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)得到硅原子和其它附產(chǎn)物；（4）附產(chǎn)物分子向主氣流的質(zhì)量轉(zhuǎn)移；（5）硅原子形成晶核或加接到晶核上。 二、二、 外延層的生長(zhǎng)速率外延層的生長(zhǎng)速率1、生長(zhǎng)速率和反應(yīng)劑濃度的關(guān)系在較小的反應(yīng)劑濃度范圍內(nèi)，生長(zhǎng)速率和反應(yīng)劑濃度成正比，但它們之間并不成線性關(guān)系。比如，對(duì)SiCL4外延，開始時(shí)生長(zhǎng)速率隨SiCL4濃度的增加而增大，在某一濃度下達(dá)到最大值，以后再增加SiCL4濃度，其腐蝕作用就達(dá)到不可忽視的

11、地步，腐蝕反應(yīng)式為： SiCL4（氣）Si（固）2SiCL2（氣） 由于SiCL4的腐蝕作用，降低了有效生長(zhǎng)速率，甚至使Si表面被腐蝕。因此SiCL4濃度不能取得太大。典型的生長(zhǎng)速率為1微米/分鐘，對(duì)應(yīng)的SiCL4摩爾數(shù)只有12左右。2、生長(zhǎng)速率和外延溫度的關(guān)系在較高的溫度下(1200C)，生長(zhǎng)層表面的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得相當(dāng)快，表面的反應(yīng)劑分子基本全部被還原，外延生長(zhǎng)速率主要取決于氣體分子轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)層表面的快慢，稱為質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制過程。由于汽相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)對(duì)溫度的變化不敏感，所以，在質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制下，生長(zhǎng)速率與溫度的函數(shù)關(guān)系不明顯。 在較低的溫度下(1100C) ，生長(zhǎng)速率主要由源分子在生長(zhǎng)層表面進(jìn)行

12、化學(xué)反應(yīng)的快慢決定，因而稱為表面反應(yīng)控制過程，此時(shí)，生長(zhǎng)速率隨絕對(duì)溫度的增加呈指數(shù)式急增。 (v100 v111。111易控制,價(jià)格便宜. 三、外延層中的摻雜三、外延層中的摻雜不同的半導(dǎo)體器件對(duì)外延層的導(dǎo)電類型、電阻率均有不同的要求，因此，外延工藝必然涉及到摻雜。 摻雜就是在外延過程中加入雜質(zhì)原子（主要是雜質(zhì)原子的氫化物，如硼烷、砷烷、磷烷等，它們分解成雜質(zhì)原子），使它取代晶格點(diǎn)陣上的Si原子，利用雜質(zhì)原子多出的電子或空穴使外延層呈現(xiàn)一定的導(dǎo)電類型。如果摻族元素，外延層呈p型；如果摻族元素，外延層呈n型。摻雜劑量的大小決定外延層的電阻率。 制膜與外延:化學(xué)汽相淀積(Chemical Vapor

13、 Deposition)：通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過程CVD技術(shù)特點(diǎn)：具有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺(tái)階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)CVD方法幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等化學(xué)汽相淀積(CVD)1.常壓化學(xué)汽相淀積(APCVD)2.低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)3.等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PECVD)APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖平行板型平行板型PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示

14、意圖單晶硅的化學(xué)汽相淀積(外延)：一般地，將在單晶襯底上生長(zhǎng)單晶材料的工藝叫做外延，生長(zhǎng)有外延層的晶體片叫做外延片二氧化硅的化學(xué)汽相淀積：可以作為金屬化時(shí)的介質(zhì)層，而且還可以作為離子注入或擴(kuò)散的掩蔽膜，甚至還可以將摻磷、硼或砷的氧化物用作擴(kuò)散源 低溫CVD氧化層：低于500中等溫度淀積：500800高溫淀積：900左右多晶硅的化學(xué)汽相淀積：利用多晶硅替代金屬鋁作為MOS器件的柵極是MOS集成電路技術(shù)的重大突破之一，它比利用金屬鋁作為柵極的MOS器件性能得到很大提高，而且采用多晶硅柵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)源漏區(qū)自對(duì)準(zhǔn)離子注入，使MOS集成電路的集成度得到很大提高。氮化硅的化學(xué)汽相淀積：中等溫度(78082

15、0)的LPCVD或低溫(300) PECVD方法淀積物理氣相淀積(PVD):蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。按照能量來源的不同，有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場(chǎng)作用下，氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上第第2節(jié)節(jié) 外延層性能的檢驗(yàn)外延層性能的檢驗(yàn) 外延層性能的檢驗(yàn)包括電阻率、雜質(zhì)濃度分布、外延層厚度、少數(shù)載流子壽命、遷移率、夾層、位錯(cuò)密度、層錯(cuò)密度和表面缺陷等。其中雜質(zhì)濃度分布通常只作為抽查項(xiàng)目，遷移率因測(cè)量方法較復(fù)雜，一般很少檢驗(yàn)。 一、一、 電阻率的檢

16、驗(yàn)電阻率的檢驗(yàn)電阻率一般可采用三探針、電容電壓法和四探針法等多種方法檢驗(yàn)。下面主要介紹三探針法。 三探針法主要用于測(cè)量n/n+(p/p+)型外延層的電阻率?；驹硎抢媒饘偬结樑c半導(dǎo)體接觸形成勢(shì)壘結(jié)（肖特基結(jié)），其反向擊穿電壓VB與半導(dǎo)體電阻率之間存在單值的函數(shù)關(guān)系，VB其中，、只與探針和測(cè)試條件有關(guān)。 探針1和探針3一般由杜美絲或高速鋼制成，與外延層形成歐姆接觸；探針2由鎢絲制成，它與硅片接觸形成肖特基結(jié)。反向電壓加在1、2探針之間，測(cè)量電壓由2、3探針間引出。逐漸增加1、2探針間的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到某一值時(shí)，電流突然增大，這個(gè)電壓就是反向擊穿電壓。 首先用一組已知電阻率的標(biāo)準(zhǔn)樣品，做出一條

17、擊穿電壓和電阻率關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后，只要測(cè)出外延層的擊穿電壓VB，就可以從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得與該VB相對(duì)應(yīng)的值。 需要注意兩點(diǎn)：1. 外延層厚度必須大于接觸點(diǎn)肖特基結(jié)反向擊穿時(shí)的耗盡區(qū)寬度，耗盡區(qū)寬度的理論值約為6.26x107（VB/N）1/2。否則，測(cè)得的電壓不是擊穿電壓而是穿通電壓。2. 外延層表面必須清潔，否則，測(cè)得的電壓低于擊穿電壓。二、二、 外延層厚度測(cè)量外延層厚度測(cè)量測(cè)量外延層厚度的方法很多，如層錯(cuò)法、解理法和紅外干涉法,橢偏光等，下面主要介紹層錯(cuò)法。起源于襯底上的層錯(cuò)腐蝕圖形，在幾何學(xué)上和外延層厚度有關(guān)，三個(gè)主要晶向上層錯(cuò)腐蝕圖形的邊長(zhǎng)與外延層厚度的關(guān)系如下表： 層錯(cuò)腐蝕圖形邊長(zhǎng)（

18、L）與外延層厚度（X）的關(guān)系 晶面 （111） （110） （100） （112） X/L 0.816 0.5 0.707 0.868 顯示層錯(cuò)的腐蝕液為：（50克CrO3溶于100毫升水中）：48%HF1:1，一般俗稱鉻酸腐蝕液。腐蝕時(shí)間1030秒。需要注意的是，由于層錯(cuò)還可以起源于外延層內(nèi)，所以，在選擇測(cè)量圖形時(shí)，一定要選擇起源于襯底即片子中心區(qū)域最大的層錯(cuò)圖形。另外，經(jīng)腐蝕后外延層的厚度將減薄，必要時(shí)需考慮用腐蝕速率予以修正。 三、三、 夾層的測(cè)量夾層的測(cè)量夾層是指在n/n+(p/p+)型結(jié)構(gòu)外延層中出現(xiàn)反型或高阻層，它使集電區(qū)電阻增大，pn結(jié)反向特性產(chǎn)生“臺(tái)階”等不良現(xiàn)象。外延層夾層可

19、用四探針法進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)四探針測(cè)量原理，在正常情況下，其測(cè)量電壓V與電流I之間有如下關(guān)系： V（I/G）（sub/xsub）式中，xsub襯底的厚度 sub襯底的電阻率 G四探針的修正因子。 nn+I正常情況,n+電阻低測(cè)量電壓V小uvn高阻夾層n+有高阻夾層,V大幾百上千mvI由于襯底的并聯(lián)短路作用，正常情況下測(cè)出的電壓值很小，一般只有幾毫伏。如果在外延層和襯底之間存在高阻或反型層，由于夾層的阻擋作用，電流將主要從外延層上流過，這時(shí)，測(cè)量電壓就會(huì)大于上述正常情況，往往達(dá)到幾百甚至上千毫伏。因此，可以通過測(cè)量夾層電壓來判斷外延層中是否存在夾層。四、四、 缺陷的檢測(cè)缺陷的檢測(cè)外延層缺陷主要有體缺

20、陷（位錯(cuò)、層錯(cuò)）和表面缺陷（角錐體、乳突、劃道、霧等），一般采用顯微鏡觀測(cè)。 第三章第三章 氧氧 化化氧化（即SiO2的制備）在集成電路制造工藝中非常重要，正是有了氧化工藝，再結(jié)合光刻和擴(kuò)散工藝，才使得Si平面工藝及大規(guī)模集成電路制造出現(xiàn)飛躍性發(fā)展。隨著人們對(duì)二氧化硅膜性質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷發(fā)展，二氧化硅膜在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)上的應(yīng)用也越來越廣泛，目前主要有下面幾個(gè)方面： 1、二氧化硅膜對(duì)雜質(zhì)的掩蔽作用由于硼、磷、砷、銻等雜質(zhì)在二氧化硅中的擴(kuò)散速度比在硅中慢得多，所以，這些雜質(zhì)可以用一定厚度的二氧化硅在擴(kuò)散時(shí)作掩蔽膜。在需要擴(kuò)散的區(qū)域，利用光刻技術(shù)在二氧化硅膜上腐蝕出窗口，讓雜質(zhì)通過窗口向Si中擴(kuò)散，即所

21、謂選擇性擴(kuò)散（或稱定域擴(kuò)散）。 2、二氧化硅對(duì)器件表面的保護(hù)和鈍化作用在器件表面覆蓋一層二氧化硅膜，使器件與外界氣氛隔離開來，避免了外界氣氛對(duì)器件的影響，從而通過了器件的穩(wěn)定性和可靠性。 3、二氧化硅膜用于器件的電絕緣與隔離由于二氧化硅具有很高的電阻率，是良好的絕緣材料，所以在器件中作鋁引線和薄膜下面元件之間的電絕緣層，以及大規(guī)模集成電路多層布線間的絕緣層。還可以用二氧化硅的絕緣性能來實(shí)現(xiàn)集成電路各元件之間的電隔離，即介質(zhì)隔離。 4、二氧化硅膜用作電容器的介質(zhì)材料二氧化硅的介電常數(shù)在10千赫頻率下工作時(shí)為3-4，損耗因素為10-110-3，擊穿電壓高，溫度系數(shù)小，是制作電容器介質(zhì)的良好材料。

22、5、二氧化硅膜用作MOS場(chǎng)效應(yīng)管的絕緣柵介質(zhì)6、二氧化硅膜用于其它半導(dǎo)體器件在硅光電池或光探測(cè)器表面生長(zhǎng)一層二氧化硅膜，可以有效地防止光的反射，提高光電池的轉(zhuǎn)換效率和短路電流。第一節(jié)第一節(jié) 二氧化硅膜的制備二氧化硅膜的制備 目前，在硅片表面上生長(zhǎng)二氧化硅膜的方法很多，如熱生長(zhǎng)氧化法、熱分解淀積法、濺射法、真空蒸發(fā)法、外延生長(zhǎng)法以及陽極氧化法等，其中用得最多的是熱生長(zhǎng)氧化法和熱分解淀積法。 一、一、 熱生長(zhǎng)氧化法熱生長(zhǎng)氧化法物質(zhì)與氧作用，生成氧化物的過程，稱為氧化反應(yīng)，簡(jiǎn)稱氧化。熱生長(zhǎng)氧化法，是指硅片與氧化劑（氧、水或其它含氧物質(zhì)）在高溫下進(jìn)行反應(yīng)而生長(zhǎng)出一層二氧化硅膜的方法。反應(yīng)式為：SiO2

23、SiO2 Si2H2OSiO22H2 熱氧化一般包括：干氧氧化、濕氧氧化和水汽氧化三種，其中干氧氧化和濕氧氧化是平面工藝中最常用的方法。 1.水汽氧化水汽氧化水汽氧化是利用水汽在高溫下與硅片表面接觸反應(yīng)，生成二氧化硅膜。氧化過程是：當(dāng)水汽與高溫硅片接觸時(shí)，水分子與硅片表面的硅原子反應(yīng)生成二氧化硅起始層，其反應(yīng)式為：Si2H2OSiO22H2。其后，水分子透過二氧化硅起始層擴(kuò)散到SiSiO2界面處，再與硅原子反應(yīng)，使氧化膜不斷增厚。當(dāng)氧化溫度在1000oC以上時(shí)，其氧化速率主要受水在氧化層中擴(kuò)散速率的限制。此時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，二氧化硅膜的生長(zhǎng)符合拋物線規(guī)律，即：x2ct（x為氧化膜厚度，c為氧

24、化速率常數(shù)，t為氧化時(shí)間）水汽氧化的特點(diǎn)：生長(zhǎng)速率較快，但氧化膜質(zhì)量不高，穩(wěn)定性差，特別對(duì)磷擴(kuò)散的掩蔽能力較差，所以，當(dāng)前一般不采用此方法。2、干氧氧化法、干氧氧化法干氧氧化法是在高溫下，氧直接與硅片反應(yīng)生成二氧化硅的方法。其反應(yīng)式為：SiO2SiO2干氧氧化法的特點(diǎn)：干燥、致密，光致抗刻蝕接觸良好，光刻時(shí)不易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象，但氧化膜生長(zhǎng)速率較慢。 3、 濕氧氧化法濕氧氧化法濕氧氧化法是將干燥純凈的氧氣，在通入氧化爐之前，先經(jīng)過一個(gè)水浴瓶（水溫一般在80-100oC），使氧氣通過加熱的高純?nèi)ルx子水，攜帶一定量的水汽。由于濕氧氧化法的氧化劑是氧和水的化合物，所以濕氧氧化法的氧化膜生長(zhǎng)速率介于干氧和

25、水汽氧化之間。 進(jìn)行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖進(jìn)行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖1 1、 三種方法的比較三種方法的比較 三種熱生長(zhǎng)方法及二氧化硅薄膜特性比較 氧化方法 氧化溫度（oC） 氧化速率常數(shù)（um2/分） 生 長(zhǎng) 0.5um SiO2所用時(shí)間（分） SiO2的密度 （克/厘米3） 備注 1000 1.48x10-4 1800 2.27 干氧 1200 6.2 x10-4 360 2.15 1000 38.5 x10-4 63 2.21 濕氧 1200 117.5 x10-4 22 2.12 水浴溫度95oC 1000 43.5 x10-4 58 2.08 水汽 1200 133 x10

26、-4 18 2.05 二、熱分解淀積氧化膜法（二、熱分解淀積氧化膜法（CVD）熱分解淀積氧化膜法，是利用含硅的化合物，經(jīng)過熱分解反應(yīng)，在基片表面淀積一層二氧化硅膜的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：基片本身不參與形成氧化膜的反應(yīng)，而僅僅作為淀積二氧化硅膜的襯底。 所以基片可以是硅片，也可以是金屬片或陶瓷片等。這是與熱生長(zhǎng)氧化法最根本的區(qū)別。由于這種方法對(duì)基片的溫度要求不高，故也稱“低溫淀積”。熱分解淀積氧化膜常用的化合物有烷氧基硅烷和硅烷二類，分別介紹如下：1. 烷氧基硅烷熱分解淀積法烷氧基硅烷熱分解淀積法烷氧基硅烷Si(OC2H5)4等碳?xì)溲豕杌衔锛訜岬揭欢囟龋?00800oC），即可分解出二氧化

27、硅，淀積在襯底表面。反應(yīng)過程如下： 烷氧基硅烷SiO2氣態(tài)有機(jī)原子團(tuán)SiOC從反應(yīng)式可以看出，烷氧基硅烷加熱后，分解出二氧化硅，但也隨之生成了一些副產(chǎn)物。因此，二氧化硅質(zhì)量受到影響，一般不采用此方法 2、 硅烷熱氧化淀積法硅烷熱氧化淀積法硅烷（SiH4）熱氧化淀積法是將硅烷在氧氣中加熱，反應(yīng)生成二氧化硅，淀積在硅片或其它基片上。反應(yīng)式如下：SiH4（氣）2O2（氣）SiO2（固）2H2O（氣） 這種反應(yīng)不生成有機(jī)原子團(tuán)等附產(chǎn)物，反應(yīng)溫度也低得多（300oC左右），二氧化硅膜質(zhì)量較高且均勻性較好。 3、 淀積法形成二氧化硅膜的特點(diǎn)淀積法形成二氧化硅膜的特點(diǎn)與熱生長(zhǎng)二氧化硅膜相比，淀積法形成的二氧

28、化硅膜具有以下特點(diǎn)：可以在金屬、陶瓷及其它半導(dǎo)體材料（如Ge、GaAs等）基片上淀積二氧化硅膜，這是熱生長(zhǎng)無法做到的。由于淀積法所需溫度較低，對(duì)于一些不宜作高溫處理而又需要在表面形成二氧化硅膜的樣品，用此法較為適宜?？梢缘矸e較厚的二氧化硅膜。 第二節(jié)第二節(jié) 二氧化硅膜的性質(zhì)二氧化硅膜的性質(zhì) 一、一、 二氧化硅的物理性質(zhì)二氧化硅的物理性質(zhì)二氧化硅是一種無色透明的固體，除少數(shù)屬石英晶體外，大多數(shù)均屬無定性二氧化硅或稱二氧化硅玻璃。本節(jié)介紹的各種性質(zhì)也主要指二氧化硅玻璃。由于是玻璃態(tài)二氧化硅，所以沒有固定的溶點(diǎn)。軟化溫度為1500oC，熱膨脹系數(shù)?。?x10-3度1），所以生產(chǎn)上所用的石英玻璃器皿能

29、經(jīng)受溫度的突然起伏而不至于破裂。二氧化硅的密度由于制備方法不同而不同，但差別不大，一般在2.02.3之間。天然生長(zhǎng)的石英晶體的比重為2.65，密度的大小反應(yīng)出二氧化硅的致密程度。 二氧化硅的折射率是表征薄膜光學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，可用干涉顯微鏡或橢圓偏振儀測(cè)量。密度較大的二氧化硅折射率也較大。二氧化硅的電阻率與制備方法有關(guān)。熱生長(zhǎng)的二氧化硅薄膜電阻率可達(dá)1015-1016歐姆厘米，而淀積法生長(zhǎng)的二氧化硅電阻率卻只有107108歐姆厘米。二氧化硅膜是一種良好的電介質(zhì)，其性能的優(yōu)劣通常用介電強(qiáng)度和介電常數(shù)來表征。前者表示耐壓強(qiáng)度，后者是表示電容器電性能的重要參數(shù)。二氧化硅的介電強(qiáng)度可達(dá)106107伏/

30、厘米，說明用于作絕緣材料時(shí)可以承受較高的電壓。二氧化硅的介電常數(shù)為3.9，與制備方法有關(guān)。二氧化硅的主要物理性質(zhì) 氧化方法 密度 （克/厘米3） 折射率 電阻率 （歐姆厘米） 介電常數(shù) 介電強(qiáng)度 （106伏/厘米） 干氧 2.24-2.27 1.460-1.466 3x1015-2x1016 3.4 9 水汽氧化 2.00-2.20 1.452-1.462 1015-1017 3.2 6.8-9 濕氧 2.18-2.21 1.435-1.458 3.82 熱分解淀積法 2.09-2.15 1.430-1.450 107-108 一、一、 二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)二氧化硅的化學(xué)名稱叫

31、硅酐，可以從硅酸脫水生成，屬于酸性氧化物。它是硅的最穩(wěn)定的化合物，不溶于水，和酸（除氫氟酸）也不起反應(yīng)。二氧化硅與多種金屬、非金屬氧化物在一定溫度下可以形成不同組份的玻璃體，所以在燒杯中盛的水，往往含有少量的堿金屬離子（Na、K），它將危害器件的性能。在生成二氧化硅膜時(shí)，往往通入一些硼、磷雜質(zhì)，使之形成硼硅玻璃或磷硅玻璃，可起吸附和固定Na、K離子的作用。 二氧化硅的另一重要性質(zhì)是能與氫氟酸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，即： SiO24HFSiF42H2O 生成的四氟化硅能進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)，生成可溶于水的絡(luò)合物六氟硅酸，即：SiF42HFH2SiF6綜合以上兩部反應(yīng)，可得總的反應(yīng)為 SiO26HFH2SiF

32、6生產(chǎn)中光刻擴(kuò)散窗口和引線窗口等，就是利用了二氧化硅的這一重要化學(xué)性質(zhì)腐蝕速度的快慢與氫氟酸的濃度和腐蝕反應(yīng)溫度等有關(guān)。一般來說，氫氟酸濃度越高，腐蝕速度越快；反應(yīng)溫度越高，腐蝕速度越快。 第三節(jié)第三節(jié) 二氧化硅膜質(zhì)量的檢驗(yàn)二氧化硅膜質(zhì)量的檢驗(yàn) 二氧化硅膜質(zhì)量的檢驗(yàn)主要是表面質(zhì)量的檢驗(yàn)和膜厚的測(cè)量。 一、一、 氧化層膜厚的測(cè)量氧化層膜厚的測(cè)量1、比色法由于光的干涉作用，不同的二氧化硅膜可表現(xiàn)出不同的顏色，所以，直接觀測(cè)硅片表面的氧化膜顏色，可以比較方便地估計(jì)出氧化膜的厚度。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表： 氧化膜厚度與顏色對(duì)照表 氧化膜厚度（埃） 氧化膜顏色 第一周期 第二周期 第三周期 第四周期 灰 色

33、100 黃褐色 300 棕 色 500 藍(lán) 色 800 紫 色 1000 2750 4650 6500 深藍(lán)色 1500 3000 4900 6850 綠 色 1850 3300 5200 7200 黃 色 2100 3700 5600 7500 橙 色 2250 4000 6000 紅 色 2500 4300 6250 從表中可以看出，氧化膜顏色隨其厚度的增加呈周期性的變化，對(duì)應(yīng)同一顏色，可能有幾種厚度，所以這種方法有較大的誤差。不過，可將生長(zhǎng)了氧化膜的硅片在氫氟酸中進(jìn)行腐蝕，觀測(cè)其顏色的變化，確定其厚度。當(dāng)氧化膜厚度超過7500埃時(shí)，顏色的變化不明顯了，因此，這種方法只限于測(cè)量厚度在1微米

34、以下的氧化層。 另外，還要注意，表中所列的顏色，是照明光源與眼睛均垂直于硅片表面時(shí)所觀測(cè)的顏色。2、橢圓偏振法目前測(cè)量氧化膜厚度最常用的方法是橢圓偏振法，它是根據(jù)橢圓偏振光經(jīng)硅片表面氧化膜反射后振幅和相位的變化與膜厚的關(guān)系來進(jìn)行測(cè)量。這種方法具有非破壞性、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。 3. 等厚干涉法(劈尖膜)二、二、 表面質(zhì)量檢驗(yàn)表面質(zhì)量檢驗(yàn)1.宏觀缺陷:二氧化硅膜的表面往往存在斑點(diǎn)、裂紋、白霧和針孔等缺陷，并且膜厚有時(shí)也不均勻，可用肉眼或顯微鏡進(jìn)行檢驗(yàn)。表面顏色一致說明表面均勻性較好，白霧和裂紋可以直接觀測(cè)到，斑點(diǎn)和針孔須在顯微鏡下觀測(cè)，它們表現(xiàn)為亮點(diǎn)或黑點(diǎn)。 2.微觀缺陷:(1).Na+污染:工作

35、環(huán)境,設(shè)備帶入,幾乎不可避免,但應(yīng)盡量減少,將其降到1011/cm2以下,可保證器件穩(wěn)定,大于1012/cm2則不穩(wěn)定.(2).熱氧化層錯(cuò):雜質(zhì)局部堆積,使c-e極短路,使pn結(jié)擊穿電壓下降，降低成品率，采用低溫氧化降低氧化層錯(cuò)密度，嚴(yán)格生產(chǎn)管理和工藝管理。第四章第四章 光光 刻刻在半導(dǎo)體平面管和集成電路生產(chǎn)過程中，光刻的目的就是按照設(shè)計(jì)的要求，在SiO2或金屬膜上面刻蝕出與掩膜版完全對(duì)應(yīng)的幾何圖形，以實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬膜布線的目的。圖形轉(zhuǎn)換：將設(shè)計(jì)在掩膜版(類似于照相底片)上的圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體單晶片上 超細(xì)線條光刻技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外線(EUV) 電子束光刻 X射線離子束光刻通常采用紫外線接觸曝光

36、光刻法，此外，也有光學(xué)曝光、軟X射線曝光和電子束曝光等。本章主要介紹光刻工藝本身所涉及到的光刻膠、光刻工藝及其原理，并對(duì)光刻工藝中常遇到的質(zhì)量問題進(jìn)行分析。 光刻三要素：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)光刻膠又叫光致抗蝕劑，它是由光敏化合物、基體樹脂和有機(jī)溶劑等混合而成的膠狀液體光刻膠受到特定波長(zhǎng)光線的作用后，導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使光刻膠在某種特定溶液中的溶解特性改變正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠，曝光后可溶。負(fù)膠：分辨率差，適于加工線寬3m的線條，曝光后不可溶。第一節(jié)第一節(jié) 光致抗蝕劑（光刻膠）光致抗蝕劑（光刻膠） 光致抗蝕劑是一種有機(jī)高分子化合物，主要由碳、氫等元素組成

37、。它在外界因素（光、熱等）的作用下，其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，化學(xué)特性隨之發(fā)生變化（由可溶性變?yōu)椴豢扇苄曰虿豢扇苄宰優(yōu)榭扇苄裕?。根?jù)光致抗蝕劑在曝光前后溶解性的變化，可分為正性和負(fù)性兩種：一、一、 負(fù)性光致抗蝕劑（負(fù)膠）負(fù)性光致抗蝕劑（負(fù)膠）光致抗蝕劑在曝光前對(duì)某些溶劑是可溶解的，曝光后硬化成不可溶解的物質(zhì)，這一類抗蝕劑稱為負(fù)性光致抗蝕劑，由此組成的光刻膠稱為負(fù)性膠。主要有聚脂類和聚炔類等。負(fù)性膠的特點(diǎn)是粘附性好，耐腐蝕。 二、正性光致抗蝕劑（正膠）二、正性光致抗蝕劑（正膠）曝光前對(duì)某些溶劑是不可溶的，而曝光后卻變成了可溶性的。這類抗蝕劑稱為正性光致抗蝕劑。由此組成的光刻膠稱為正性膠。這一類膠主

38、要有鄰疊氮醌類。正性膠的特點(diǎn)是抗堿性差，耐酸性好。 三、三、 對(duì)光致抗蝕劑性能的要求對(duì)光致抗蝕劑性能的要求1、高分辨率：分辨率是光致抗蝕劑極為重要的特性，是指用某種光刻膠所能得到的光刻圖形的最小尺寸。2.高靈敏度：靈敏度是與分辨率同樣重要的特性，它定義為光刻膠感光所必須的照射量。 3、粘附性能好：抗蝕劑與襯底（如SiO2、金屬等）之間粘附的牢固程度直接影響到光刻的精度。4、抗蝕性能好：要求抗蝕劑堅(jiān)膜后，能夠較長(zhǎng)時(shí)間地抵抗腐蝕劑的侵蝕。5. 穩(wěn)定性：要求抗蝕劑在常溫和光（主要是紫外光）屏蔽的情況下，即使加入了振感劑也不發(fā)生暗反應(yīng)；在烘烤干燥時(shí)，不發(fā)生熱交聯(lián)。 第二節(jié)第二節(jié) 光刻工藝原理光刻工藝原

39、理 在平面晶體管和集成電路生產(chǎn)中，都要經(jīng)過多次光刻。雖然各次光刻的目的要求和工藝條件有所差別，但其過程基本是一致的，一般都要經(jīng)過涂膠、曝光、顯影、堅(jiān)膜、刻蝕和去膠等步驟。 一、涂膠一、涂膠(圖圖a)涂膠就是在SiO2或其它薄膜表面，涂上一層粘附良好、厚度適當(dāng)、均勻的光刻膠。涂膠一般采用旋轉(zhuǎn)法，它的原理是利用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，將滴于片子上多余的膠液甩去，在光刻膠表面張力和旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下，展成厚度均勻的膠膜。膠膜的厚度由轉(zhuǎn)速和膠的濃度來調(diào)節(jié)。但轉(zhuǎn)速引起的厚度變化比濃度引起的大。涂覆膠膜的厚度要適當(dāng)、均勻，膠膜太薄，針孔多，抗蝕能力差；膠膜太厚，分辨率低。實(shí)踐表明，在一般情況下，分辨率約為

40、膜厚的5-8倍。 二、二、 前烘前烘(圖圖a)前烘就是在一定的溫度下，使膠膜里面的溶劑緩慢地、充分地逸出來，使膠膜干燥，增加它的粘附性和耐磨性。前烘的溫度和時(shí)間隨膠的種類及膜厚的不同而有所區(qū)別。由此，某一光刻膠的前烘溫度和時(shí)間由實(shí)驗(yàn)來確定。 前烘的溫度和時(shí)間必須合適溫度過高會(huì)引起抗蝕劑的熱交聯(lián)，在顯影時(shí)留下底膜；溫度過底，抗蝕劑中的有機(jī)溶劑不能充分逸出，造成針孔密度增加，浮膠或圖形變形等現(xiàn)象。 三、三、 曝光曝光(圖圖b)曝光就是對(duì)涂光刻膠的基片進(jìn)行選擇性的光化學(xué)反應(yīng)，使曝光部分的光刻膠在顯影液中的溶解性改變，經(jīng)顯影后在光刻膠膜上得到和“掩膜”相對(duì)應(yīng)的圖形。曝光方法有兩種，即接觸式曝光和非接觸

41、式曝光： 1、接觸式曝光：通常采用紫外線接觸曝光，它的基本步驟是定位對(duì)準(zhǔn)和曝光。定位對(duì)準(zhǔn)是使掩膜的圖形和硅片上的圖形精確套合，是曝光最關(guān)鍵的一步。因此，除了認(rèn)真仔細(xì)操作外，還要求有良好的對(duì)準(zhǔn)裝置，即精密的微調(diào)和壓緊機(jī)械系統(tǒng)，特別是壓緊時(shí)準(zhǔn)確套合不發(fā)生位移，要有合適的光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)，要求顯微鏡既有一個(gè)比較大的景深，同時(shí)又有足夠高的分辨率。2.非接觸式曝光：目前比較先進(jìn)的曝光方法，采用投影式曝光。對(duì)位精確，分辨率更高，硅片圖形與掩膜版圖形之間可按比例縮放。 四、四、 顯影顯影(圖圖c)顯影是將曝光后的基片放在顯影液中，去除曝光部分的膠膜，以獲得腐蝕時(shí)所需要的抗蝕劑膜的保護(hù)圖形。 顯影后，一般應(yīng)檢查以

42、下幾個(gè)方面的問題：圖形是否套準(zhǔn)，邊緣是否整齊，有無殘膠、鄒膠、浮膠和表明有無劃傷等，如果有不合格的片子，應(yīng)進(jìn)行返工。 五、五、 堅(jiān)膜堅(jiān)膜(圖圖c)堅(jiān)膜就是在一定的溫度下，將顯影后的片子進(jìn)行烘焙，除去顯影時(shí)膠膜所吸收的顯影液和殘留水分，改善膠膜與基片間的粘附性，增強(qiáng)膠膜的抗蝕能力，以及消除顯影時(shí)所引起的圖形變形。 堅(jiān)膜的溫度和時(shí)間要合適。若溫度太低，時(shí)間太短，抗蝕劑膠膜沒有烘透，膜就不堅(jiān)固，腐蝕時(shí)易脫膠；若溫度過高，時(shí)間太長(zhǎng)，則抗蝕劑膠膜因熱膨脹而翹曲和剝落，腐蝕時(shí)也容易產(chǎn)生鉆蝕或脫膠，還可能引起聚合物發(fā)生分解，產(chǎn)生低分子化合物，影響粘附性能，削弱抗蝕能力。 六、六、 腐蝕腐蝕(圖圖d)腐蝕就是

43、用適當(dāng)?shù)母g劑，對(duì)未被膠膜覆蓋的二氧化硅或其它薄膜進(jìn)行腐蝕，按照光刻膠上已顯示出來的圖形，完整、清晰、準(zhǔn)確地腐蝕，供選擇性擴(kuò)散或達(dá)到金屬布線的目的。它是影響光刻精度的重要環(huán)節(jié)。對(duì)腐蝕劑的要求：a、 對(duì)需要腐蝕的物質(zhì)進(jìn)行腐蝕；b、 抗蝕劑膠膜不腐蝕或腐蝕很??；c、 腐蝕因子要大于一定的數(shù)值（腐蝕因子定義：當(dāng)腐蝕線條時(shí)，腐蝕的深度與一邊的橫向增加量的比值）。它的值大，表明橫向腐蝕速度小，腐蝕效果好，常用來衡量腐蝕的質(zhì)量。d、毒性小，使用方便，腐蝕圖形邊緣整齊、清晰。 腐蝕可分為兩大類：1、濕法腐蝕、濕法腐蝕SiO2的腐蝕：的腐蝕：腐蝕液以氫氟酸為基礎(chǔ)。Si3N4的腐蝕：的腐蝕：氮化硅的化學(xué)性質(zhì)比較

44、穩(wěn)定，氫氟酸腐蝕較慢，采用磷酸腐蝕液。鋁層的腐蝕：鋁層的腐蝕：腐蝕液有磷酸、高錳酸鉀等。 2.干法等離子腐蝕干法等離子腐蝕濕法腐蝕的側(cè)向鉆蝕嚴(yán)重，腐蝕特性受溫度和材料性質(zhì)影響大，不易控制，所以，不能滿足刻蝕精細(xì)圖形的需要。干法等離子腐蝕清潔、干燥，無脫膠現(xiàn)象，能夠較好地解決這個(gè)問題。 濺射與離子束銑蝕：通過高能惰性氣體離子的物理轟擊作用刻蝕，各向異性性好，但選擇性較差等離子刻蝕(Plasma Etching)：利用放電產(chǎn)生的游離基與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成揮發(fā)物，實(shí)現(xiàn)刻蝕。選擇性好、對(duì)襯底損傷較小，但各向異性較差反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，簡(jiǎn)稱為RIE)：通過活性離子

45、對(duì)襯底的物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)雙重作用刻蝕。具有濺射刻蝕和等離子刻蝕兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼有各向異性和選擇性好的優(yōu)點(diǎn)。目前，RIE已成為VLSI工藝中應(yīng)用最廣泛的主流刻蝕技術(shù)等離子腐蝕原理：在氣體中，一般總存在微量的雜散電子，這些電子在高電場(chǎng)的加速下獲得能量，當(dāng)它跟氣體中的原子或分子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，便產(chǎn)生二次電子。它們進(jìn)一步再與其它原子或分子碰撞電離，就會(huì)產(chǎn)生氣體輝光放電。 在放電過程中，非彈性碰撞可以產(chǎn)生分子激勵(lì)和活性基，它們的化學(xué)性質(zhì)很活潑，但壽命很短，很快就被締合。當(dāng)激勵(lì)和締合速度相等時(shí)，則維持等離子狀態(tài)。等離子腐蝕就是利用放電過程中所形成的這些化學(xué)活性基與被腐蝕膜層發(fā)生選擇性的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)

46、生成能夠被氣流帶走的揮發(fā)性氣體。 多晶硅的腐蝕多晶硅的腐蝕：一般采用CF4作為基本工作氣體，它腐蝕硅的活性基是F*，化學(xué)反應(yīng)式4F*SiSiF4 二氧化硅和氮化硅的腐蝕：二氧化硅和氮化硅的腐蝕：據(jù)分析，CF4氣體等離子體中的CF3*不腐蝕硅，只腐蝕硅化物。所以在等離子體中，硅的腐蝕劑F*應(yīng)盡可能減少，硅化物的腐蝕劑CF3*盡可能增多。實(shí)踐表明，加入乙烯或氫，能吸收F*；采用含碳原子數(shù)較多的氟里昂氣體（如C3F8），能增加等離子體中硅化物腐蝕劑的比例。 鋁的腐蝕：鋁的腐蝕：鋁是活潑金屬，和氯很容易起化學(xué)反應(yīng)，可用氯等離子體（CCl4）腐蝕。 七、七、 去膠（圖去膠（圖e）去膠就是在SiO2或其它

47、薄膜上的圖形腐蝕出來后，把覆蓋在圖形表面上的保護(hù)膠膜去除干凈。主要方法有： 1.溶液去膠：溶液去膠：用有機(jī)溶劑（一般稱去膠劑）浸泡，使抗蝕劑膜溶脹，然后將它擦去。去膠劑一般是含氯的烴化物，并含有表面潤(rùn)滑劑。這種方法的缺點(diǎn)是洗滌周期長(zhǎng)，操作麻煩。同時(shí)，去膠劑中含有較多的無機(jī)雜質(zhì)，在制備表面效應(yīng)元件時(shí)，可能引起不良后果。 2.氧化去膠：氧化去膠：是用強(qiáng)氧化劑將抗蝕劑氧化成二氧化碳和水而達(dá)到去膠作用。常用的強(qiáng)氧化劑有硫酸，硫酸過氧化氫（3:1）混合液，硫酸重鉻酸鉀溶液等。3.等離子去膠：等離子去膠：它的原理和等離子腐蝕一樣，所不同的是工作氣體不同。它是利用在反應(yīng)氣體中通入少量的氧氣，在高頻電場(chǎng)下所產(chǎn)

48、生的活性氧，迅速地使光刻膠氧化成為可揮發(fā)的CO2、H2O，以及其它氣體，達(dá)到去膠目的。 第三節(jié)第三節(jié) 光刻缺陷光刻缺陷半導(dǎo)體器件和集成電路的制造對(duì)光刻的要求：刻蝕的圖形完整，尺寸準(zhǔn)確，邊緣整齊陡直；圖形內(nèi)沒有針孔；圖形外沒有殘留的腐蝕物質(zhì)。同時(shí)要求圖形套合準(zhǔn)確，無污染等。但在光刻過程中，往往產(chǎn)生一些缺陷，下面簡(jiǎn)單予以介紹。 1.浮膠：浮膠：浮膠就是在顯影和腐蝕過程中，由于化學(xué)試劑不斷侵入光刻膠膜與SiO2或其它薄膜的界面，引起抗蝕劑圖形膠膜皺起或剝落。所以，浮膠的產(chǎn)生與膠膜的粘附性有密切關(guān)系。2.毛刺和鉆蝕：毛刺和鉆蝕：腐蝕時(shí)，如果腐蝕液滲透光刻膠的邊緣，會(huì)使圖形邊緣受到腐蝕，從而破壞掩蔽擴(kuò)散

49、的氧化層或鋁條的完整性。若破壞較輕，圖形邊緣出現(xiàn)針狀的局部破壞，習(xí)慣上就稱為毛刺；若腐蝕嚴(yán)重，圖形邊緣出現(xiàn)“鋸齒狀”或“繡花狀”似的破壞，就稱它為鉆蝕。當(dāng)SiO2等掩膜窗口存在毛刺和鉆蝕時(shí)，擴(kuò)散后結(jié)面就很不平整，影響結(jié)特性，甚至造成短路。同時(shí)，光刻的分辨率和器件的穩(wěn)定性、可靠性也會(huì)變壞。 3.針孔：針孔：在氧化層上，除了需要刻蝕的窗口外，在其它區(qū)域也產(chǎn)生大小一般在13微米的細(xì)小孔洞，這些孔洞在光刻工藝中稱為針孔。針孔的存在，將使氧化層不能有效地起到掩蔽作用。在器件生產(chǎn)尤其是集成電路和大功率器件生產(chǎn)中，針孔是影響成品率的主要因素之一。 4.小島：小島：小島是指在應(yīng)該將氧化層刻蝕干凈的擴(kuò)散窗口內(nèi)，

50、還留有沒有刻蝕干凈的氧化層局部區(qū)域，它的現(xiàn)狀不規(guī)則，很象島嶼，尺寸一般比針孔大些，習(xí)慣上稱這些氧化層“島嶼”為小島。小島的存在，使擴(kuò)散區(qū)域的某些局部點(diǎn)，因雜質(zhì)擴(kuò)散受到阻礙而形成異常區(qū)。它使器件擊穿特性變壞，漏電流增大，甚至極間穿通。第五章第五章 制制 版版在平面晶體管和集成電路的制造過程中，要進(jìn)行多次光刻，為此，必須制備一組具有特定幾何圖形的光刻淹膜。制版的任務(wù)，就是根據(jù)晶體管和集成電路參數(shù)所要求的幾何圖形，按照選定的方法，制備出生產(chǎn)上所要求的尺寸和精度的淹膜圖案，并以一定的間距和布局，將圖案重復(fù)排列于淹膜基片上，進(jìn)而復(fù)制批量生產(chǎn)用版，供光刻工藝曝光之用。 光刻淹膜質(zhì)量的好壞將直接影響光刻工藝

51、的質(zhì)量，從而影響晶體管和集成電路的性能和成品率。所以，光刻工藝對(duì)淹膜版的質(zhì)量要求有：1.圖形尺寸準(zhǔn)確，符合設(shè)計(jì)要求，且不發(fā)生畸變。 2. 應(yīng)有一定數(shù)量完全相同的圖形，整套淹膜版中的各次版應(yīng)能一一套準(zhǔn)，套準(zhǔn)誤差應(yīng)盡量小。3.圖形黑白區(qū)域之間的反差要高。一般要求在2.5以上。4.圖形邊緣應(yīng)光滑，無毛刺，過渡區(qū)要小（即“黑區(qū)”應(yīng)盡可能陡直地過渡到“透明”區(qū)）。5.版面平整，光潔，無針孔、劃痕和小島。6. 版面堅(jiān)固耐用，不易變形第一節(jié)第一節(jié) 制版工藝制版工藝 制版工藝包括以下幾個(gè)過程： 一、一、 原圖繪制原圖繪制早期的制版工藝中，圖形的繪制是通過手工或機(jī)械的方式，在一張帶有紅色塑料涂層的透明薄膜上，描

52、刻出所需的設(shè)計(jì)圖形。這種方法已經(jīng)被淘汰，目前，都采用計(jì)算機(jī)繪制圖形。計(jì)算機(jī)繪圖有專門的繪圖軟件，利用坐標(biāo)和各種形狀的圖形，可以繪制任何所需的設(shè)計(jì)圖形。繪制好的圖形將存放在磁帶上。 二、二、 初縮初縮初縮是利用光學(xué)圖形發(fā)生器將原圖縮小到中等尺寸（芯片面積的10倍），制成中間版。光學(xué)圖形發(fā)生器實(shí)際上是一種光學(xué)投影縮小照相系統(tǒng)，其工作原理是將計(jì)算機(jī)繪制的存放在磁帶上的原圖數(shù)據(jù)，在乳膠板或勻膠鉻板上轉(zhuǎn)換成10倍于芯片面積的圖形或圖形陣列，從而制成中間版。 三、三、 精縮與分步重復(fù)精縮與分步重復(fù)精縮是利用精縮分步重復(fù)照相機(jī)，將中間版的圖形縮小到實(shí)際芯片尺寸，并重復(fù)排列印制在工作版上，所以，精縮又稱為分步

53、重復(fù)縮小。 第二節(jié)第二節(jié) 自動(dòng)制版簡(jiǎn)介自動(dòng)制版簡(jiǎn)介 隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，原有的制版技術(shù)已難于適應(yīng)面積不斷增大，集成度不斷提高的要求，因此，發(fā)展了自動(dòng)制版技術(shù)。自動(dòng)制版技術(shù)大概有以下幾種方法： 第第 六六 章章 擴(kuò)擴(kuò) 散散 將雜質(zhì)元素加入到半導(dǎo)體中，通常有兩種方法：一種是將雜質(zhì)原子滲入到基片熔體中，即合金法；另一種是采用固態(tài)擴(kuò)散，簡(jiǎn)稱擴(kuò)散法。二者相比較，擴(kuò)散法有如下突出的優(yōu)點(diǎn)： 1、可以通過對(duì)溫度、時(shí)間等工藝條件的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，來控制pn結(jié)的結(jié)深和晶體管的基區(qū)寬度，并能獲得均勻平坦的結(jié)面。2、可以通過對(duì)擴(kuò)散工藝條件的調(diào)節(jié)和選擇，來控制擴(kuò)散層表面的雜質(zhì)濃度及其分布，以滿足不同器件的要求。3、與氧

54、化、光刻技術(shù)相結(jié)合，可以制作各種復(fù)雜的pn結(jié)結(jié)面，有利于改善晶體管、集成電路的性能。4、重復(fù)性、均勻性好，適合大量、成批的連續(xù)生產(chǎn)。 由于擴(kuò)散具有以上優(yōu)點(diǎn)，目前在器件制造中占主導(dǎo)地位。但是，擴(kuò)散法也有不足之處，例如，擴(kuò)散一般在高溫下進(jìn)行，高溫過程往往使材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生二次缺陷，從而影響器件性能； 又如，為了進(jìn)一步提高晶體管的工作頻率和集成電路的規(guī)模，需在幾百埃的范圍內(nèi)形成平坦、均勻的結(jié)面，采用擴(kuò)散法是比較難實(shí)現(xiàn)的。因此很多時(shí)候采用另一種摻雜方法離子注入摻雜。本章主要介紹這兩種方法的摻雜原理、工藝及檢驗(yàn)分析。 雜質(zhì)摻雜摻雜：將需要的雜質(zhì)摻入特定的半導(dǎo)體區(qū)域中，以達(dá)到改變半導(dǎo)體電學(xué)性質(zhì)

55、，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸磷(P)、砷(As) N型硅硼(B) P型硅摻雜工藝：擴(kuò)散、離子注入替位式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子占據(jù)硅原子的位：、族元素一般要在很高的溫度(9501280)下進(jìn)行磷、硼、砷等在二氧化硅層中的擴(kuò)散系數(shù)均遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)，可以利用氧化層作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽層間隙式擴(kuò)散：雜質(zhì)離子位于晶格間隙：Na、K、Fe、Cu、Au 等元素?cái)U(kuò)散系數(shù)要比替位式擴(kuò)散大67個(gè)數(shù)量級(jí)雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖雜質(zhì)橫向擴(kuò)散示意圖固態(tài)源擴(kuò)散：如B2O3、P2O5、BN等利用液態(tài)源進(jìn)行擴(kuò)散的裝置示意圖第一節(jié)第一節(jié) 擴(kuò)散原理擴(kuò)散原理 一、擴(kuò)散的本質(zhì)一、擴(kuò)散的本質(zhì)擴(kuò)散的本質(zhì)是由熱運(yùn)動(dòng)所引起的粒子（原子、分子或離子）

56、的輸運(yùn)過程。當(dāng)物體內(nèi)部存在濃度或溫度梯度時(shí)，則會(huì)在物體中產(chǎn)生使?jié)舛然驕囟融呌诰鶆虻亩ㄏ驍U(kuò)散運(yùn)動(dòng)。這就是所謂的熱擴(kuò)散。 在固態(tài)物質(zhì)中，若粒子的濃度梯度為N ，穩(wěn)定時(shí)，由于擴(kuò)散產(chǎn)生的擴(kuò)散流密度為：J=DN式中，D為擴(kuò)散系數(shù)，單位是厘米2.秒1；負(fù)號(hào)表示粒子是從濃度高處向濃度低處擴(kuò)散，這就是菲克定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 二二 擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)從上面可以看出，擴(kuò)散的快慢與濃度梯度成正比。除此之外，從試驗(yàn)得知，還與擴(kuò)散雜質(zhì)的種類和擴(kuò)散溫度有關(guān)。試驗(yàn)表明，擴(kuò)散系數(shù)D隨絕對(duì)溫度的倒數(shù)指數(shù)式變化，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： )exp(TkEDDao 式中： Ea擴(kuò)散過程的激活能； Do溫度 T 為無窮大時(shí)，擴(kuò)散系數(shù) D 的表

57、觀值。 下表給出了幾種雜質(zhì)在（111）晶面硅中的 Do 和 Ea 的試驗(yàn)值。 雜質(zhì) 元素 Do（厘米2/秒） Ea（電子伏特） 適應(yīng)范圍 oC 雜質(zhì) 元素 Do（厘米2/秒） Ea（電子伏特） 適應(yīng)范圍 oC 砷（As） 銻（Sb） 磷（P） 硼（B） 鋁（Al） 鋰（Li） 68.6 12.9 10.5 25 4.8 2.5x10-3 4.23 3.98 3.69 3.51 3.36 0.665 11001350 11901398 9001300 10501350 10501380 251350 銦（In） 碳（C） 銅 （Cu） 銀 （Ag） 金 （Au） 鐵（Fe） 16.5 0.33

58、4x10-2 2x10-3 1.1x10-3 6.2x10-3 3.90 2.92 1.0 1.60 1.12 0.87 11051360 10701400 8001100 11001350 8001200 11001260 擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化很迅速，溫度越高，擴(kuò)散系數(shù)數(shù)值越大，雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散就越快。一般溫度增加10，擴(kuò)散系數(shù)將增加一倍左右，所以，擴(kuò)散系數(shù)在擴(kuò)散工藝中是一個(gè)很重要的參數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)除與溫度有關(guān)外，還與基片材料的晶向、晶格的完整性、基片材料的本體雜質(zhì)濃度及擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度有關(guān)。 三三 擴(kuò)散機(jī)構(gòu)擴(kuò)散機(jī)構(gòu)雜質(zhì)原子（或離子）在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，但主要可分為以下兩種機(jī)構(gòu)：替位

59、式擴(kuò)散和間隙式擴(kuò)散。 1、 替位式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)替位式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)硅平面工藝中的硼、磷擴(kuò)散都屬于替位式擴(kuò)散。在理想的單晶體中，原子的周期性排列是很規(guī)整的，在一定的溫度下，位于晶體格點(diǎn)上的硅原子都在圍繞著自己的平衡位置做不間斷的振動(dòng)。由于原子振動(dòng)的不均勻性，其中總會(huì)有一定數(shù)目的原子振動(dòng)得比較厲害，以致有足夠的能量來克服周圍原子對(duì)它的束縛，而脫離平衡位置運(yùn)動(dòng)到新的平衡位置上。 這樣，就在原來的位置上留下一個(gè)“空位”。當(dāng)雜質(zhì)原子擴(kuò)散進(jìn)入硅晶體時(shí)，就首先“占領(lǐng)”這些“空位”。由于“空位”在晶體中也是在不斷運(yùn)動(dòng)，雜質(zhì)原子也同樣可以在晶體中沿著“空位”運(yùn)動(dòng)的“足跡”，由一處轉(zhuǎn)移到另一處。 這種擴(kuò)散方式的特點(diǎn)是雜質(zhì)原

60、子占據(jù)晶體內(nèi)晶格格點(diǎn)上的正常位置，而不改變其結(jié)構(gòu)，這就是替位式擴(kuò)散。元素周期表中、族元素在半導(dǎo)體鍺、硅材料中的擴(kuò)散多屬于替位式擴(kuò)散。 二、二、間隙式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)間隙式擴(kuò)散機(jī)構(gòu)由于晶體中原子間的相互作用，使晶體中原子間存在著間隙空間，有些雜質(zhì)原子進(jìn)入硅晶體后，能從一個(gè)原子間隙到另一個(gè)原子間隙，逐次跳躍前進(jìn)，這種擴(kuò)散機(jī)構(gòu)稱之為間隙式擴(kuò)散。金屬在硅中的擴(kuò)散多是間隙式擴(kuò)散。 有些金屬（比如金、銅）在硅中的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)是非常復(fù)雜的，它不但進(jìn)行間隙式擴(kuò)散，又進(jìn)行部分替位式擴(kuò)散。 第二節(jié)第二節(jié) 擴(kuò)散方程擴(kuò)散方程在第一節(jié)討論擴(kuò)散本質(zhì)時(shí)，引入了菲克第一定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，J=DN其中，N是擴(kuò)散粒子濃度，即單位體積中擴(kuò)散粒