1、半导体工艺技术半导体工艺技术主讲:彭振康目录 第一章:半导体产业介绍第一章:半导体产业介绍 第二章:器件的制造步骤第二章:器件的制造步骤 第三章:晶圆制备第三章:晶圆制备 第四章:芯片制造第四章:芯片制造 第五章:污染控制第五章:污染控制 第六章:工艺良品率第六章:工艺良品率第一章第一章 半导体产业介绍半导体产业介绍 概述概述 微电子从微电子从4040年代末的第一只晶体管(年代末的第一只晶体管(GeGe合金管)合金管)问世,问世,5050年代中期出现了硅平面工艺,此工艺不年代中期出现了硅平面工艺,此工艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺,也使得将多个仅成为硅晶体管的基本制造工艺,也使得将多个分立晶
2、体管制造在同在一硅片上的集成电路成为分立晶体管制造在同在一硅片上的集成电路成为可能,随着制造工艺水平的不断成熟,使微电子可能,随着制造工艺水平的不断成熟,使微电子从单只晶体管发展到今天的从单只晶体管发展到今天的ULSIULSI。 回顾发展历史,微电子技术的发展不外乎包括回顾发展历史,微电子技术的发展不外乎包括两个方面:制造工艺和电路设计,而这两个又是两个方面:制造工艺和电路设计,而这两个又是相互相成,互相促进,共同发展。相互相成,互相促进,共同发展。 1.1 1.1 半导体工业的诞生半导体工业的诞生 电信号处理工业始于上个世纪初的真空管,真空电信号处理工业始于上个世纪初的真空管,真空管使得收音
3、机、电视机和其他电子产品成为可能。管使得收音机、电视机和其他电子产品成为可能。它也是世界上第一台计算机的大脑。它也是世界上第一台计算机的大脑。 真空管的缺点是体积大、功耗大,寿命短。当时真空管的缺点是体积大、功耗大,寿命短。当时这些问题成为许多科学家寻找真空管替代品的动这些问题成为许多科学家寻找真空管替代品的动力,这个努力在力,这个努力在19471947年年 12 12月月2323日得以实现。也日得以实现。也 就是第一只就是第一只GeGe合金管的合金管的 诞生。如图所示。诞生。如图所示。1.2 1.2 固态器件固态器件 固态器件不仅是指晶体管,还包括电阻器和电容固态器件不仅是指晶体管,还包括电
4、阻器和电容器。器。 GeGe合金管的缺点是工作温度低,电性能差。合金管的缺点是工作温度低,电性能差。 5050年代随着硅平面制造工艺的出现,很快就出现年代随着硅平面制造工艺的出现,很快就出现了用硅材料制造的晶体管。了用硅材料制造的晶体管。 由于硅材料的制造温度由于硅材料的制造温度( (熔点温度熔点温度1415)1415)和硅晶和硅晶体管的工作温度都优于锗体管的工作温度都优于锗( (熔点温度熔点温度937)937) ,加,加之之SiOSiO2 2的天然生成使得硅晶体管很快取代了的天然生成使得硅晶体管很快取代了GeGe晶晶体管。体管。1.3 1.3 集成电路集成电路 最早的集成电路仅是几个晶体管、
5、二极管、电最早的集成电路仅是几个晶体管、二极管、电容器、电阻器组成,而且是在锗材料上实现的,容器、电阻器组成,而且是在锗材料上实现的,是由德州仪器公司的杰克是由德州仪器公司的杰克基尔比发明的基尔比发明的。如如图所示。右图是用平面技术制造的晶体管图所示。右图是用平面技术制造的晶体管坪区输出-V+V1.4 1.4 工艺和产品趋势工艺和产品趋势 从以开始,半导体工业就呈现出在新工艺和器件从以开始,半导体工业就呈现出在新工艺和器件结构设计上的持续发展。工艺的改进是指以更小结构设计上的持续发展。工艺的改进是指以更小尺寸来制造器件和电路,并使之具有更高的密度,尺寸来制造器件和电路,并使之具有更高的密度,更
6、多的数量和更高的可靠性。更多的数量和更高的可靠性。 尺寸和数量是尺寸和数量是ICIC发展的两个共同目标。发展的两个共同目标。 芯片上的物理尺寸特征称为芯片上的物理尺寸特征称为特征尺寸,特征尺寸,将此定义将此定义为制造复杂性水平的标准。为制造复杂性水平的标准。 通常用微米来表示。一微米为通常用微米来表示。一微米为1/100001/10000厘米。厘米。 Gordon MooreGordon Moore在在19641964年预言年预言ICIC的密度每隔的密度每隔18182424个月将翻一番,个月将翻一番,-摩尔定律。摩尔定律。 一个尺寸相同的芯片上,所容纳的晶体管数量,一个尺寸相同的芯片上,所容纳
7、的晶体管数量,因制程技术的提升,每因制程技术的提升,每18个月到两年晶体管数量会加个月到两年晶体管数量会加倍,倍,IC性能也提升性能也提升1倍。现以倍。现以1961年至年至2006年期间半年期间半导体技术的发展为例加以说明,导体技术的发展为例加以说明,IC电路线宽由电路线宽由25微米微米减至减至65纳米,晶圆直径由纳米,晶圆直径由1英寸增为英寸增为12英寸,每一芯英寸,每一芯片上由片上由6个晶体管增为个晶体管增为80亿个晶体管,亿个晶体管,DRAM密度增密度增加为加为4G位,晶体管年销售量由位,晶体管年销售量由1000万个增加到万个增加到10的的18次方至次方至19次方个,但晶体管平均售价却大
8、幅下降次方个,但晶体管平均售价却大幅下降10的的9次方倍。次方倍。 年(元件芯片)/水平缩写单位芯片内的器件数小规模集成电路中规模集成电路大规模集成电路特大规模集成电路超大规模集成电路SSIMSILSIVLSIULSI2 5050 50005000 100 000100 000 1 000 000 1 000 000 特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是:特征尺寸的减小和电路密度的提高产生的结果是: 信号传输距离的缩短和电路速度的提高,芯片或电信号传输距离的缩短和电路速度的提高,芯片或电路功耗更小。路功耗更小。1.5 半导体工业的构成半导体工业的构成 半导体工业包括材料供应、电路设计、芯
9、片制造和半导体工业包括材料供应、电路设计、芯片制造和半导体工业设备及化学品供应五大块。半导体工业设备及化学品供应五大块。 目前有三类企业:一种是集设计、制造、封装和市目前有三类企业:一种是集设计、制造、封装和市场销售为一体的公司;另一类是做设计和销售的公场销售为一体的公司;另一类是做设计和销售的公司,他们是从芯片生产厂家购买芯片;还有一种是司,他们是从芯片生产厂家购买芯片;还有一种是芯片生产工厂,他们可以为顾客生产多种类型的芯芯片生产工厂,他们可以为顾客生产多种类型的芯片。片。第二章第二章 器件的制造步骤器件的制造步骤 半导体器件制造分半导体器件制造分4 4个不同阶段:个不同阶段: 1. 1.
10、材料准备材料准备 2.2.晶体生长与晶圆准备晶体生长与晶圆准备 3.3.芯片制造芯片制造 4.4.封装封装材料材料准备准备晶体生晶体生长与晶长与晶圆准备圆准备晶圆晶圆制造制造封装封装第一步第一步 材料准备材料准备 第二步第二步晶体生长与晶圆准备晶体生长与晶圆准备 第三步第三步 芯片制造芯片制造 第四步第四步 封装封装每个电路进行电测试制造在晶圆上制造单个电路电性测试(芯片分捡)封装良品芯片被封装并测试良品3 3 晶圆制备晶圆制备3.1 概述概述 在这一章里,主要介绍沙子转变成晶体,在这一章里,主要介绍沙子转变成晶体,以及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产步以及晶圆和用于芯片制造级的抛光片的生产
11、步骤。骤。 高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径高密度和大尺寸芯片的发展需要大直径的晶圆,最早使用的是的晶圆,最早使用的是1英寸英寸(25mm),而现在,而现在300mm直径的晶圆已经投入生产线了。因为直径的晶圆已经投入生产线了。因为晶圆直径越大,单个芯片的生产成本就越低。晶圆直径越大,单个芯片的生产成本就越低。然而,直径越大,晶体结构上和电学性能的一然而,直径越大,晶体结构上和电学性能的一致性就越难以保证,这正是对晶圆生产的一个致性就越难以保证,这正是对晶圆生产的一个挑战。挑战。 硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸是在半导体生产过程中硅晶圆使用的直径值。硅晶圆尺寸越大
12、越好,因为这样每块晶圆能生产更多的芯硅晶圆尺寸越大越好,因为这样每块晶圆能生产更多的芯片。比如,同样使用片。比如,同样使用0.13微米的制程在微米的制程在200mm的晶圆上可的晶圆上可以生产大约以生产大约179个处理器核心,而使用个处理器核心,而使用300mm的晶圆可以的晶圆可以制造大约制造大约427个处理器核心,个处理器核心,300mm直径的晶圆的面积是直径的晶圆的面积是200mm直径晶圆的直径晶圆的2.25倍,出产的处理器个数却是后者的倍,出产的处理器个数却是后者的2.385倍,并且倍,并且300mm晶圆实际的成本并不会比晶圆实际的成本并不会比200mm晶晶圆来得高多少,因此这种成倍的生产
13、率提高显然是所有芯圆来得高多少,因此这种成倍的生产率提高显然是所有芯片生产商所喜欢的。片生产商所喜欢的。然而,硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增然而,硅晶圆具有的一个特性却限制了生产商随意增加硅晶圆的尺寸,那就是在晶圆生产过程中,离晶圆中心加硅晶圆的尺寸,那就是在晶圆生产过程中,离晶圆中心越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展,坏越远就越容易出现坏点。因此从硅晶圆中心向外扩展,坏点数呈上升趋势,这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺点数呈上升趋势,这样我们就无法随心所欲地增大晶圆尺寸。寸。 随着半导体材料技术的发展,对硅片的规格和质量也提随着半导体材料技术的发展,对硅片的规格和质量也
14、提出更高的要求,适合微细加工的大直径硅片在市场中的需出更高的要求,适合微细加工的大直径硅片在市场中的需求比例将日益加大。目前,硅片主流产品是求比例将日益加大。目前,硅片主流产品是 200mm,逐渐逐渐向向300mm过渡,研制水平达到过渡,研制水平达到400mm450mm。据统计,据统计,200mm硅片的全球用量占硅片的全球用量占60%左右,左右,150mm占占20%左右,左右,其余其余 占占20%左右。根据最新的国际半导体技术指南左右。根据最新的国际半导体技术指南(ITRS),),300mm硅片之后下一代产品的直径为硅片之后下一代产品的直径为450mm;450mm硅片是未来硅片是未来22纳米线
15、宽纳米线宽 64G集成电路的集成电路的衬底材料,将直接影响计算机的速度、成本,并决定计算衬底材料,将直接影响计算机的速度、成本,并决定计算机中央处理单元的集成度。机中央处理单元的集成度。Si的制备过程一般为的制备过程一般为: SiC(固体)固体)+ SiO2(固体)固体)Si(固体)固体)+SiO(气体)气体)+CO(气体)气体) Si(固体)固体)+3HCl(气体)气体)SiHCl3(气体)气体)+H2(气体)气体) SiHCl3(气体)气体)+H2(气体)气体)Si(固体)固体)+3HCl(气体)气体) 3.2 晶体生长晶体生长 半导体材料都是由构成其成分的原子规律半导体材料都是由构成其成
16、分的原子规律排列而成,通常把这种原子规律排列而成的材料排列而成,通常把这种原子规律排列而成的材料称为单晶。而它是由大块的具有多晶结构和未掺称为单晶。而它是由大块的具有多晶结构和未掺杂的本征材料生长得来的。杂的本征材料生长得来的。把多晶块转变成一个把多晶块转变成一个大单晶,并给予正确的定向和适量的大单晶,并给予正确的定向和适量的N N型或型或P P型掺型掺杂,叫做晶体生长。杂,叫做晶体生长。有三种不同的生长方法:有三种不同的生长方法:直直拉法拉法 区熔法区熔法 液体掩盖直拉法液体掩盖直拉法 3.2.1 直拉法直拉法 大部分的单晶大部分的单晶都是通过直拉法都是通过直拉法生长的。生产过生长的。生产过
17、程如图所示。程如图所示。特点:工艺成熟,特点:工艺成熟,能较好地拉制低能较好地拉制低位错、大直径的位错、大直径的硅单晶。缺点是硅单晶。缺点是难以避免来自石难以避免来自石英坩埚和加热装英坩埚和加热装置的杂质污染。置的杂质污染。旋转卡盘籽晶生长晶体射频加热线圈熔融硅3.2.2 液体掩盖直拉液体掩盖直拉法法 此方法主要用此方法主要用来生长砷化镓晶体,来生长砷化镓晶体,和标准的直拉法一和标准的直拉法一样,只是做了一些样,只是做了一些改进。由于熔融物改进。由于熔融物里砷的挥发性通常里砷的挥发性通常采用一层氧化硼漂采用一层氧化硼漂浮在熔融物上来抑浮在熔融物上来抑制砷的挥发。故得制砷的挥发。故得其名,如图所
18、示。其名,如图所示。籽晶晶体砷化镓熔化物氧化硼层3.2.3 区熔法区熔法 主 要 用 来 生主 要 用 来 生长低氧含量的晶长低氧含量的晶体,但不能生长体,但不能生长大直径的单晶,大直径的单晶,并且晶体有较高并且晶体有较高的位错密度。这的位错密度。这种工艺生长的单种工艺生长的单晶主要使用在高晶主要使用在高功率的晶闸管和功率的晶闸管和整流器上,生长整流器上,生长系统如图所示。系统如图所示。通入惰性气体惰性气体(氩气)上卡盘多晶硅棒下卡盘熔融区籽晶滑动射频线圈行进方向 3.3 晶体外延生长技术晶体外延生长技术 外延是一种采取化学反应法进行晶体生长的另一种外延是一种采取化学反应法进行晶体生长的另一种
19、技术。在一定条件下,以衬底晶片作为晶体籽晶,技术。在一定条件下,以衬底晶片作为晶体籽晶,让原子(如硅原子)有规则地排列在单晶衬底上,让原子(如硅原子)有规则地排列在单晶衬底上,形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度及完整形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度及完整晶格结构的单晶层,由于这个新的单晶层是在原来晶格结构的单晶层,由于这个新的单晶层是在原来衬底晶面向外延伸的结果,所以称其为外延生长,衬底晶面向外延伸的结果,所以称其为外延生长,这个新生长的单晶层叫外延层。最常见的外延生长这个新生长的单晶层叫外延层。最常见的外延生长技术为化学气相淀积(技术为化学气相淀积(CVD)和分子束外延生长和分子束
20、外延生长(MBE)。)。 外延生长的基本原理外延生长的基本原理 氢还原四氯化硅外延生长原理示意图氢还原四氯化硅外延生长原理示意图 硅的硅的CVD外延外延化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。淀积一层薄膜材料的过程。 CVD反应器的结构示意图反应器的结构示意图 分子束外延分子束外延分子束外延(分子束外延(MBE)是在超高真空条件下一个或多个是在超高真空条件下一个或多个热原子或热分子束蒸发到衬底表面上形成外延层的方热原子或热分子束蒸发到衬底表面上形成外延层的方法法 。砷化镓相关的砷化镓相关的-族化合物的族化合物的MBE系
21、统示意图系统示意图 分子束外延是一种新的晶体生长技术,简记为分子束外延是一种新的晶体生长技术,简记为MBE。其方其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中,和将需要生长法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中,和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中(也在腔体的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中(也在腔体内)。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能内)。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶在上述衬底上生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外
22、延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低,能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度,但系温度低,能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度,但系统复杂,生长速度慢,生长面积也受到一定限制。统复杂,生长速度慢,生长面积也受到一定限制。3.4 晶体缺陷及对器件质量的影响晶体缺陷及对器件质量的影响 缺陷主要有:缺陷主要有: 点缺陷点缺陷 位错位错(原生的和诱生的原生的和诱生的)点缺陷点缺陷 主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结构引起主要来源于晶体内杂质原子的挤压晶体结构引起的应力所产生的缺陷,的应力所产生的缺陷, 还有就是空位还有就
23、是空位(晶格点阵缺晶格点阵缺少原子所制少原子所制)。如图所示。如图所示位错位错 位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制位错是单晶内部一组晶胞排错位置所制(如图所如图所示示).原生位错原生位错是晶体中固有的位错,而是晶体中固有的位错,而诱生位错诱生位错是指在芯是指在芯片加工过程中引入的位错,其数量远远大于原生位片加工过程中引入的位错,其数量远远大于原生位错。产生的原因大致可分为三个方面错。产生的原因大致可分为三个方面 高温工艺过程引入的位错高温工艺过程引入的位错 掺杂过程中引入的位错掺杂过程中引入的位错 薄膜制备过程中引入的位错薄膜制备过程中引入的位错 无论是天生的还是诱生的缺陷对器件特性无论是天生
24、的还是诱生的缺陷对器件特性都是不利的,因此在芯片制造过程中都应该尽都是不利的,因此在芯片制造过程中都应该尽量避免。量避免。穴位3.5 晶片加工晶片加工 晶片加工是指将单晶棒经过切片、磨片、抛晶片加工是指将单晶棒经过切片、磨片、抛光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。光等一系列的工序加工成用来做芯片的薄片。切片切片 在切片前还要滚磨整形、晶体定向、确定在切片前还要滚磨整形、晶体定向、确定 定位面、等一系列的加工处理。定位面、等一系列的加工处理。 切片就是用有金刚石涂层的内园刀片把晶片切片就是用有金刚石涂层的内园刀片把晶片从晶体上切下来。从晶体上切下来。磨片磨片 因为用机械的方法加工的晶片是非常
25、粗造因为用机械的方法加工的晶片是非常粗造的,如图所示,它不可能直接使用,所以必须的,如图所示,它不可能直接使用,所以必须去处切片工艺残留的表面损伤。去处切片工艺残留的表面损伤。磨片磨片-是一个传统的磨料研磨工艺是一个传统的磨料研磨工艺之前之后磨片抛光化学机械抛光 抛光抛光 普通的磨片完成过后硅片表面还有普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机械加化学,经过抛光工艺后使硅片表面械加化学,经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度平整、光洁如镜的理想表真正达到高度平整、光洁如镜的理想表面。面。第四章第四章 芯片制造芯片制造概述概述 本章将介绍基本
26、芯片生产工艺的概况,本章将介绍基本芯片生产工艺的概况,主要阐述主要阐述4种最基本的平面制造工艺,分别是:种最基本的平面制造工艺,分别是:薄膜制备工艺薄膜制备工艺 掺杂工艺掺杂工艺 光刻工艺光刻工艺 热处理工艺热处理工艺4.1薄膜制备薄膜制备 是在晶体表面形成薄膜的加工工艺。图是在晶体表面形成薄膜的加工工艺。图4.4是是MOS晶体管的剖面图,可以看出上面有钝化层晶体管的剖面图,可以看出上面有钝化层(Si3N4、Al2O3)、金属膜金属膜(Al)、氧化层氧化层(SiO2)制备这些薄膜的材料有:半导体材料(制备这些薄膜的材料有:半导体材料(Si、GaAs等),金属材料(等),金属材料(Au、Al等)
27、,无机绝缘等),无机绝缘材料(材料( SiO2 、Si3N4 、Al2O3 等),半绝缘材料等),半绝缘材料(多晶硅、非晶硅等)。(多晶硅、非晶硅等)。 生长工艺如图所示。其中生长工艺如图所示。其中蒸发工艺、溅射蒸发工艺、溅射等等可看成是可看成是直接生长法直接生长法-以源直接转移到衬底上以源直接转移到衬底上形成薄膜;其它则可看成是形成薄膜;其它则可看成是间接生长法间接生长法-制备制备薄膜所需的原子或分子,由含其组元的化合物,薄膜所需的原子或分子,由含其组元的化合物,通过氧化、还原、热分解等反应而得到。通过氧化、还原、热分解等反应而得到。淀积钝化层淀积金属膜生长氧化层NNP增层的制程生长法淀积法
28、氧化工艺化学气相淀积工艺氮化硅工艺蒸发工艺溅射 薄膜分类薄膜分类/工艺与材料的对照表工艺与材料的对照表层别热氧化工艺化学气相淀积工艺蒸发工艺溅射工艺绝缘层二氧化硅二氧化硅氮化硅二氧化硅一氧化硅半导体层外延单晶硅 多晶硅导体层铝铝硅合金/铝铜合金镍铬铁合金黄金钨 钛 钼铝硅合金/铝铜合金4.2 光刻与刻蚀技术光刻与刻蚀技术 光刻所需要的三要素为:光刻胶、掩膜版和光刻机。常光刻所需要的三要素为:光刻胶、掩膜版和光刻机。常规的光刻过程主要包括:涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、规的光刻过程主要包括:涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、腐蚀和去胶。首先将光刻胶利用高速旋转的方法涂敷在硅片腐蚀和去胶。首先将光刻胶
29、利用高速旋转的方法涂敷在硅片上,然后前烘使其牢固地附着在硅片上成为一层固态薄膜。上,然后前烘使其牢固地附着在硅片上成为一层固态薄膜。利用光刻机曝光之后,再采用特定的溶剂进行显影,使其部利用光刻机曝光之后,再采用特定的溶剂进行显影,使其部分区域的光刻胶被溶解掉,这样便将掩膜版上的图形转移到分区域的光刻胶被溶解掉,这样便将掩膜版上的图形转移到光刻胶上,然后再经过后烘以及刻蚀、离子注入等工序,将光刻胶上,然后再经过后烘以及刻蚀、离子注入等工序,将光刻胶的图形转移到硅片上,最后再去胶就完成了整个光刻光刻胶的图形转移到硅片上,最后再去胶就完成了整个光刻过程。过程。 光刻工艺流程示意图光刻工艺流程示意图
30、新一代图形曝光技术新一代图形曝光技术 甚远紫外线曝光甚远紫外线曝光 甚远紫外线曝光系统装置简图甚远紫外线曝光系统装置简图 X射线曝光(射线曝光(XRL) X射线曝光原理简图射线曝光原理简图 电子束曝光电子束曝光电子束曝光是利用聚焦后的电子束在感光膜上准确地扫描电子束曝光是利用聚焦后的电子束在感光膜上准确地扫描出图案的方法。出图案的方法。 离子束曝光离子束曝光 刻蚀技术刻蚀技术 在完成显影检验后,掩膜版的图形就被固定在光刻在完成显影检验后,掩膜版的图形就被固定在光刻胶膜上并准备刻蚀。经过刻蚀图形就永久留在晶圆的表层。胶膜上并准备刻蚀。经过刻蚀图形就永久留在晶圆的表层。 刻蚀工艺分为两大类:湿法和
31、干法刻蚀。无论那一刻蚀工艺分为两大类:湿法和干法刻蚀。无论那一种方法,其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到种方法,其目的都是将光刻掩膜版上的图形精确地转移到晶圆表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁晶圆表面。同时要求一致性、边缘轮廓控制、选择性、洁净度都符合要求。净度都符合要求。 湿法化学腐蚀湿法化学腐蚀 湿法腐蚀是指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应湿法腐蚀是指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。进行刻蚀的方法。 干法刻蚀干法刻蚀 干法刻蚀是指利用低压放电产生的等离子体中的离子干法刻蚀是指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子
32、基团等)或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。目的。 4.3 半导体中的杂质掺杂半导体中的杂质掺杂 杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内,以达到杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内,以达到改变半导体电学特性,形成改变半导体电学特性,形成PN结、电阻、欧姆接触等结、电阻、欧姆接触等各种结构之目的。扩散和离子注入是半导体掺杂的两各种结构之目的。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。种主要方式。 扩散与离子注入方法掺杂示意图(扩散与离子注入方法掺杂示意图(a)扩散扩散 (b)
33、离子注入离子注入杂质扩散机理与方法杂质扩散机理与方法 1扩散机理扩散机理 2两种表面源的扩散分布两种表面源的扩散分布 (1) 恒定表面源扩散恒定表面源扩散 (2) 限定源扩散限定源扩散 3恒定表面源扩散方法恒定表面源扩散方法 (1) 固态源扩散固态源扩散 (2) 液态源扩散液态源扩散 4扩散结果的测量扩散结果的测量 (1) 薄层电阻的测量薄层电阻的测量 (2) 结深的估算和测量结深的估算和测量 (3) 扩散分布测量扩散分布测量 离子注入原理与系统离子注入原理与系统 离子注入机系统离子注入机系统离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底的过程,该过
34、程是靠离子注入机来完成,离子注底的过程,该过程是靠离子注入机来完成,离子注入机主要包括离子源、磁分析器、加速管、聚焦、入机主要包括离子源、磁分析器、加速管、聚焦、扫描器和靶室等。扫描器和靶室等。 离子注入机基本结构及工作原理示意图离子注入机基本结构及工作原理示意图 退火退火 由于离子注入所造成的损伤区及畸变团,使迁移率和由于离子注入所造成的损伤区及畸变团,使迁移率和寿命等参数受到严重影响,而且大部分注入的离子并不是寿命等参数受到严重影响,而且大部分注入的离子并不是以替位的形式位于晶格上,为了激活注入到衬底中的杂质以替位的形式位于晶格上,为了激活注入到衬底中的杂质离子,使不在晶格位置上的离子运动
35、到晶格位置,以便具离子,使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置,以便具有电活性,产生自由载流子起到杂质的作用,并消除半导有电活性,产生自由载流子起到杂质的作用,并消除半导体衬底中的损伤,必须要在适当的温度与时间下,对离子体衬底中的损伤,必须要在适当的温度与时间下,对离子注入的硅片进行退火。注入的硅片进行退火。 硅表面硅表面SiOSiO2 2的简单实现,是硅材料被广泛应用的一的简单实现,是硅材料被广泛应用的一个重要因素。个重要因素。本节中,将介绍本节中,将介绍SiOSiO2 2的生长工艺及用途、的生长工艺及用途、氧化反应的不同方法,其中包括快速热氧化工艺。另氧化反应的不同方法,其中包括快速热氧化工
36、艺。另外,还简单介绍本工艺中最重要的部分外,还简单介绍本工艺中最重要的部分-反应炉,因反应炉,因为它是氧化、扩散、热处理及化学气相淀积反应的基为它是氧化、扩散、热处理及化学气相淀积反应的基本设备。本设备。4.4.1 4.4.1 二氧化硅的性质、用途二氧化硅的性质、用途 在半导体材料硅的所有优点当中,在半导体材料硅的所有优点当中,SiOSiO2 2的极易生成的极易生成是最大的有点之一。当硅表面暴露在氧气当中时,就是最大的有点之一。当硅表面暴露在氧气当中时,就会形成会形成SiOSiO2 2。4.4 氧氧 化化 结构、性质结构、性质 SiO2SiO2膜的原子膜的原子结构如图所示。结构如图所示。它是它
37、是由一个硅原由一个硅原子被子被4 4个氧样原子个氧样原子包围着的四面体包围着的四面体单元组成的单元组成的。是是一种无定型的玻一种无定型的玻璃状结构,具体璃状结构,具体地说是一种近程地说是一种近程有序的网状结构,有序的网状结构,没有长程有序的没有长程有序的晶格周期。晶格周期。 尽管硅是一种半导体,但尽管硅是一种半导体,但SiOSiO2 2是一种绝缘是一种绝缘材料。材料。是硅器件制造中得到广泛应用的一种膜是硅器件制造中得到广泛应用的一种膜层,因为层,因为SiOSiO2 2既可以用来处理硅表面,又可以既可以用来处理硅表面,又可以作为掺杂的阻挡层、表面绝缘层及作为器件中作为掺杂的阻挡层、表面绝缘层及作
38、为器件中的绝缘部分。的绝缘部分。4.4.2 4.4.2 表面钝化表面钝化 无论采取什么样的措施,器件受污染的影无论采取什么样的措施,器件受污染的影响总是不可避免的。响总是不可避免的。SiOSiO2 2层在防止硅器件被污层在防止硅器件被污染方面起到了一个非常重要的作用。原因是染方面起到了一个非常重要的作用。原因是SiOSiO2 2密度非常高、非常硬,因此密度非常高、非常硬,因此硅表面的硅表面的SiOSiO2 2层可以扮演一个污染阻挡层的角色层可以扮演一个污染阻挡层的角色。 另一方面,另一方面,SiOSiO2 2对器件的保护是原于其化对器件的保护是原于其化学特性。因为在制造过程中,无论工作室多么学
39、特性。因为在制造过程中,无论工作室多么洁净,总有一些电特性活跃的污染物最终会洁净,总有一些电特性活跃的污染物最终会 进入或落在硅片表面,在氧化过程中,进入或落在硅片表面,在氧化过程中, 污染污染物在表面形成新的氧化层,是污染物远离了电物在表面形成新的氧化层,是污染物远离了电子活性的硅表面。也就是说污子活性的硅表面。也就是说污 染物被禁锢在二氧化硅染物被禁锢在二氧化硅 膜中,从而减小了污染膜中,从而减小了污染 物对器件的影响。物对器件的影响。4.4.3 4.4.3 掺杂阻挡层掺杂阻挡层 器件制造过程中的掺杂是定域(有选择的器件制造过程中的掺杂是定域(有选择的区域)掺杂,那么不需要区域)掺杂,那么
40、不需要 掺杂的区域就必须进行掺杂的区域就必须进行 保护而不被掺杂。如图保护而不被掺杂。如图 所示。所示。 实现掩蔽扩散的条件实现掩蔽扩散的条件 二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用,如上图所示,在杂质向散的掩蔽膜作用,如上图所示,在杂质向SiSi中扩中扩散的同时,也要向散的同时,也要向SiOSiO2 2层中扩散,设在层中扩散,设在SiSi中的扩中的扩散深度为散深度为 在在SiOSiO2 2层中的扩散深度为层中的扩散深度为 式中:式中: 扩散时间,扩散时间, 、 分别表示杂质在分别表示杂质在SiOSiO2 2和和SiSi中的扩散系数,显然要实
41、现掩蔽扩散的中的扩散系数,显然要实现掩蔽扩散的条件是条件是 ,即当杂质在硅中的扩散深度达,即当杂质在硅中的扩散深度达到到 时杂质在时杂质在SiOSiO2 2中的扩散深度应中的扩散深度应 所以所以, 氧化层厚度氧化层厚度DtAxjtDAxj000t0DD00jxx jx00 xxjDDAAxxxxjjj00000 x 由此可见,实现掩蔽扩散要求的由此可见,实现掩蔽扩散要求的SiOSiO2 2厚度与厚度与杂质在杂质在SiOSiO2 2和和SiSi中的扩散系数有关,原则上讲,中的扩散系数有关,原则上讲,只要只要 能满足上式不等式,就可起到杂质扩散能满足上式不等式,就可起到杂质扩散的掩蔽作用,但实际上
42、只有那些的掩蔽作用,但实际上只有那些 的杂质,的杂质,用用SiOSiO2 2掩蔽才有实用价值,否则所需的掩蔽才有实用价值,否则所需的SiOSiO2 2厚度厚度就很厚,既难于制备,又不利于光刻。就很厚,既难于制备,又不利于光刻。 但是,只要按照但是,只要按照 的条件选择杂质的条件选择杂质种类,就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现,种类,就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现,B B、P P在在SiOSiO2 2中的扩散系数比在中的扩散系数比在SiSi中的扩散系数小,中的扩散系数小,所以。常常选择所以。常常选择B B、P P 作为扩散的杂质种类。而作为扩散的杂质种类。而对于对于GaGa、AlAl等杂质,情况
43、则相反。等杂质,情况则相反。 值得注意的是,值得注意的是,Au虽然在虽然在SiOSiO2 2中的扩散系中的扩散系数很小,但由于在数很小,但由于在SiSi中的扩散系数太大,这样中的扩散系数太大,这样以来横向扩散作用也大,所以也不能选用。以来横向扩散作用也大,所以也不能选用。0 xDD 0DD0 二氧化硅二氧化硅另外一个优点是在所有介质膜中它另外一个优点是在所有介质膜中它的热膨胀系数与硅最接近。的热膨胀系数与硅最接近。4.4.4 表面绝缘层表面绝缘层 SiOSiO2 2作为绝缘层也是器件工艺的一个重要作为绝缘层也是器件工艺的一个重要组成部分。组成部分。作为绝缘层要求必须是连续的,膜作为绝缘层要求必
44、须是连续的,膜中间不能有空洞或孔存在。中间不能有空洞或孔存在。另外要求必须有一另外要求必须有一定的厚度,绝大多数晶圆表面被覆盖了一层足定的厚度,绝大多数晶圆表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来防止从够厚的氧化层来防止从 金属层产生的感应,这金属层产生的感应,这 时的时的SiOSiO2 2称为场氧化物。称为场氧化物。 如图所示。如图所示。金属层氧化层晶片4.4.5 4.4.5 器件绝缘体器件绝缘体 从另一个角度讲,感应现象就是从另一个角度讲,感应现象就是MOSMOS技术,在技术,在一个一个MOSMOS三极管中,栅极区会长一层薄的二氧化三极管中,栅极区会长一层薄的二氧化硅(见图)。这时的硅(见图)。这
45、时的SiOSiO2 2起的是介电质的作用,起的是介电质的作用,不仅厚度而且质量都要求非常严格。不仅厚度而且质量都要求非常严格。 除此之外,除此之外, SiOSiO2 2也可用来做硅表面和导电表也可用来做硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质(见图)。面之间形成的电容所需的介电质(见图)。场氧化MOS氧化栅金属层氧化层晶片4.4.6 4.4.6 器件氧化物的厚度器件氧化物的厚度 应用在硅材料器件中的二氧化硅随着作用应用在硅材料器件中的二氧化硅随着作用的不同其厚度差别是很大的,薄的氧化层主要的不同其厚度差别是很大的,薄的氧化层主要是是MOSMOS器件里的栅极,厚的氧化层主要用于场氧器件里的栅极
46、,厚的氧化层主要用于场氧化层,下面的表列出了不同厚度范围及其相对化层,下面的表列出了不同厚度范围及其相对应的主要用途。应的主要用途。隧道栅极栅极氧化,电容绝缘层LOCOS化氧腌膜氧化,表面钝化场氧化二氧化硅厚度 () ?应用6010015050020050020005000300010 0004.4.6 4.4.6 热氧化机理热氧化机理 半导体工艺中的半导体工艺中的二氧化硅大多数是通过热生长氧化二氧化硅大多数是通过热生长氧化法得到的,法得到的,也就是让硅片(晶圆)在高温下,与氧化也就是让硅片(晶圆)在高温下,与氧化剂发生反应而生长一层剂发生反应而生长一层SiOSiO2 2膜的方法,其化学反应式
47、膜的方法,其化学反应式如下:如下: Si(Si(固态固态)+O)+O2 2( (气态气态) SiO) SiO2 2( (固态固态) ) 化学反应非常简单,但氧化几理并非如此,化学反应非常简单,但氧化几理并非如此,因为一因为一旦在硅表面有二氧化硅生成,它将阻挡旦在硅表面有二氧化硅生成,它将阻挡O O2 2原子与原子与SiSi原原子直接接触,所以其后的继续氧化是子直接接触,所以其后的继续氧化是O O2 2原子通过扩散原子通过扩散穿过已生成的二氧化硅层,向穿过已生成的二氧化硅层,向SiSi一侧运动到达界面进一侧运动到达界面进行反应而增厚的。行反应而增厚的。通过一定的理论分析可知,在初始通过一定的理论
48、分析可知,在初始阶段,氧化层厚度阶段,氧化层厚度(X)(X)与时间与时间(t)(t)是线性关系,而后变是线性关系,而后变成抛物线关系。成抛物线关系。硅硅硅(a)(b)(c)硅的线性氧化硅的抛物线氧化X = 化厚度氧 B = 物线常数抛 B/A = 性常数线 t = 化时间氧 X = B/AtX = Bt硅氧化生长率氧化厚度氧化时间 随着每一个新的生长层出现,随着每一个新的生长层出现,O O2 2原子的扩原子的扩散时间更长,这就意味着生长速率变慢,这一散时间更长,这就意味着生长速率变慢,这一阶段被称为剖物线阶段。因此,阶段被称为剖物线阶段。因此,氧化层的生长氧化层的生长会通过两个阶段:线性阶段和
49、剖物线阶段,会通过两个阶段:线性阶段和剖物线阶段,之之间的变化依赖氧化温度和其他因素。通常来说,间的变化依赖氧化温度和其他因素。通常来说,小于小于10001000埃的氧化受控于线性机理。这是大多埃的氧化受控于线性机理。这是大多数数MOSMOS栅极氧化的范围。栅极氧化的范围。 以上介绍的是以上介绍的是干氧氧化,氧化速率较慢。干氧氧化,氧化速率较慢。如果用水蒸气代替氧气做氧化剂,可以提高氧如果用水蒸气代替氧气做氧化剂,可以提高氧化速率,用水蒸气氧化的工艺通常称为化速率,用水蒸气氧化的工艺通常称为湿氧氧湿氧氧化。化。其化学反应式如下:其化学反应式如下: Si(Si(固态固态)+H)+H2 2O(O(
50、气态气态) SiO) SiO2 2( (固态固态)+2H)+2H2 2( (气态)气态) 氧化生长模式氧化生长模式 无论是干氧或者湿氧工艺,二氧化硅的生无论是干氧或者湿氧工艺,二氧化硅的生长都要消耗硅,如图所示。硅消耗的厚度占氧长都要消耗硅,如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的化总厚度的0.46,这就意味着每生长,这就意味着每生长1m的氧的氧化物,就有化物,就有0.46m的硅消耗(干、湿氧化略有的硅消耗(干、湿氧化略有差别)。差别)。4.5 制备半导体器件工艺流程制备半导体器件工艺流程4.5.14.5.1 制备制备pn结二极管的主要工艺结二极管的主要工艺4.5.2 硅平面晶体管工艺流程硅平面晶