半导体工艺基础[1]

集成电路及微机械加工技术1重庆大学光电工程学院集成电路及微机械加工技术-----半导体集成电路工艺基础张正元集成电路及微机械加工技术2重庆大学光电工程学院提纲一、概论二、工艺流程实例（图解）三、基本单项工艺技术1、扩散－掺杂2、离子注入－掺杂3、氧化－薄膜生长4、CVD－薄膜生长7、金属化（PVD）－薄膜，互连5、光刻－图形转移6、刻蚀－形成图形8、清洗四、工艺集成开发集成电路及微机械加工技术3重庆大学光电工程学院集成电路制造工艺的技术性和实用性强，涉及面广，发展依赖于基础材料、器件物理、工艺原理、电子光学、离子光学、电子计算机技术、超净和超纯技术、真空技术、自动控制、精密机械、冶金化工等方面的新成果。一、概论集成电路及微机械加工技术4重庆大学光电工程学院(一)、集成电路工艺技术的发展规律Intel公司创始人摩尔于1975年总结出IC工业发展的一个重要规律，即摩尔定律：IC的集成度将每年翻一番。1980年摩尔定律被修改为：IC的集成度每1.5年翻一番，即每3年乘以4。IC发展的另一些规律为：建立一个芯片厂的造价也是每3年乘以4。线条宽度每4~6年下降一半。芯片上每个器件的价格每年下降30%~40%。晶片直径的变化：60年：0.5英寸，65年：1英寸，70年：2英寸，75年：3英寸，80年：4英寸，90年：6英寸，95年：8英寸(200mm),2000年：12英寸(300mm)。集成电路及微机械加工技术5重庆大学光电工程学院(二)、集成电路的发展展望目标：集成度、可靠性、速度、功耗、成本。努力方向：线宽、晶片直径、设计技术。199219951998200120042007比特/芯片16M64M256M1G4G16G特征尺寸（μm）0.50.350.250.180.120.07晶片直径（mm）200200200~400200~400200~400200~400美国1992~2007年半导体技术发展规划集成电路及微机械加工技术6重庆大学光电工程学院美国1997~2012年半导体技术发展规划1997199920012003200620092012比特/芯片256M1G4G16G64G256G特征尺寸（μm）0.250.180.150.130.10.070.05晶片直径（mm）200300300300300450450集成电路及微机械加工技术7重庆大学光电工程学院世界硅微电子技术发展的预测200020102020集成度1G64G256G特征尺寸（μm）0.180.10~0.070.05~0.01晶片直径（mm）300400450集成电路及微机械加工技术8重庆大学光电工程学院可以看出，专家们认为，至少在未来10年内，IC的发展仍将遵循摩尔定律，即集成度每3年乘以4，而线宽则是每6年下降一半。硅技术过去一直是，而且在未来的一段时期内也还将是微电子技术的主体。目前硅器件与集成电路占了3000多亿美圆的半导体市场的95%以上。集成电路及微机械加工技术9重庆大学光电工程学院二、工艺流程实例1、以工艺分：双极（Bipolar），互补双极（ComplementaryBipolar）MOS（硅/铝栅,自/非自对准CMOS，VDMOS）BiCMOS（BiCMOS，CBiCMOS）、BCD2、以隔离技术分：PN结隔离、LOCOS、深/浅槽隔离、SOI隔离3、以材料分：体硅，SiGe，AsGa，SOI（衬底）等4、以应用分：模拟IC、数字IC、混合信号IC、RF、微波IC等常见单片IC工艺流程集成电路及微机械加工技术10重庆大学光电工程学院硅栅非自对准CMOS工艺流程PWELL光刻场氧化衬底硅片N-集成电路及微机械加工技术11重庆大学光电工程学院PWELL推进硼注入注入预氧漂光注入预氧PSD光刻N-集成电路及微机械加工技术12重庆大学光电工程学院NSD磷注入NSD光刻PSD硼注入LTOACTIVE光刻栅氧化N-集成电路及微机械加工技术13重庆大学光电工程学院刻蚀PolyPoly掺杂Poly淀积LTOLCONT光刻溅射MET1N-P-N+N+P+P+MET1光刻集成电路及微机械加工技术14重庆大学光电工程学院掺杂工程：热扩散、离子注入/退火、中子嬗变等薄膜制备：包括氧化、蒸发、CVD、溅射(PVD)等图形的转移与形成：包括光刻、刻蚀等工艺三、基本单项工艺技术集成电路及微机械加工技术15重庆大学光电工程学院§1.1概述扩散是将一定数量和一定种类的杂质掺入到硅片或其它晶体中，以改变其电学性质，并使掺入的杂质数量和分布情况都满足要求。这是一种基本而重要的半导体技术。扩散工艺用于形成双极器件中的基区、发射区和集电区、MOS器件中的源区与漏区，扩散电阻、互连引线以及多晶硅掺杂等。浓度的差别越大，扩散越快；温度越高，扩散也越快。1、扩散掺杂集成电路及微机械加工技术16重庆大学光电工程学院间隙式杂质（杂质原子半径较小）替位式杂质（杂质原子与本体原子电子壳层和价电子数接近，半径大小相当）§1.2扩散机构集成电路及微机械加工技术17重庆大学光电工程学院半径较小的杂质原子从半导体晶格的间隙中挤进去，即所谓“间隙式”扩散；半径较大的杂质原子代替半导体原子而占据格点的位置，再依靠周围空的格点（即空位）来进行扩散，即所谓“替位式”扩散。对硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni等半径较小的杂质原子按间隙式扩散，而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等半径较大的杂质原子则按替位式扩散，间隙式扩散的速度比替位式扩散的速度快得多。集成电路及微机械加工技术18重庆大学光电工程学院§1.3扩散系数与扩散方程（一）、费克第一定律——扩散定律一维情况下，单位时间内垂直扩散通过单位面积的粒子数——即扩散流密度jp(x,t)与粒子的浓度梯度成正比。扩散系数D与温度T（K）之间有如下指数关系：D=D∞e—ΔE/kTdxtxdNDtxjp),(),(集成电路及微机械加工技术19重庆大学光电工程学院（二）、费克第二定律——扩散方程22),(),(),(xtxNDxtxjttxN体积元内杂质变化量：xStxjtxxjxStxNttxN,,,,Sxxx集成电路及微机械加工技术20重庆大学光电工程学院22),(),(xtxNDttxN式中假定D为常数，与杂质浓度N(x,t)无关，x和t分别表示位置和扩散时间。针对不同边界条件求出方程的解，可得出杂质浓度N的分布，即N与x和t的关系。两种扩散方式恒定表面源扩散有限表面源扩散集成电路及微机械加工技术21重庆大学光电工程学院A、恒定表面源扩散在整个扩散过程中，杂质不断进入硅中，而表面杂质浓度始终保持不变。杂质浓度分布呈余误差分布。DtxerfcNdeNtxNSDtxS221),(202集成电路及微机械加工技术22重庆大学光电工程学院恒定表面源扩散的主要特点如下：（1）表面杂质浓度Ns由所扩散的杂质在扩散温度下（900℃~1200℃）的固溶度决定。（2）扩散时间越长，扩散温度越高，扩散进硅片内的杂质数量越多。（3）扩散时间越长，温度越高，扩散深度越大。结深的位置：称为“扩散长度”DtANNerfcDtxsBj)(21Dt集成电路及微机械加工技术23重庆大学光电工程学院（4）杂质浓度梯度：对公式求导，可得出浓度梯度为：DtxseDtNxtxN42,(）将公式代入，可得结深处的杂质浓度梯度为：sBsBjsxxNNerfcNNerfcxNxtxNj21exp2),(结论：1、NB和Ns一定，PN结越深，结深处的杂质浓度梯度就越小；2、在相同扩散条件下，Ns越大或D越小的杂质，扩散后的浓度梯度将越大。集成电路及微机械加工技术24重庆大学光电工程学院B、有限表面源扩散扩散开始时，表面薄层内的杂质总量一定，而在以后的扩散过程中不再有杂质加入，此种扩散称为有限源扩散。集成电路及微机械加工技术25重庆大学光电工程学院有限源扩散的杂质分布为高斯分布，其表达式为：tDxeDtQtxN42),(集成电路及微机械加工技术26重庆大学光电工程学院有限源扩散的特点如下：（1）杂质分布：扩散时间越长，杂质扩散得越深，表面浓度越低；扩散时间相同时，扩散温度越高，杂质扩散得也越深，表面浓度下降得越多；（2）在整个扩散过程中，杂质总量Q保持不变。（3）表面杂质浓度可控，任何t时刻的表面浓度为：（4）结深：根据NB=N（xj,t），可求出结深为：DtQtNs)（DtANNDtxBsjln2集成电路及微机械加工技术27重庆大学光电工程学院上式中A与比值（Ns/NB）有关，其数值可从高斯分布的计算曲线求得。表面浓度Ns与扩散深度成反比，扩散越深，则表面浓度越低；NB越大，结深将越浅；（5）杂质浓度梯度：),(2),(txNDtxxtxN集成电路及微机械加工技术28重庆大学光电工程学院（三）、两步扩散恒定表面源扩散，难于制作低表面浓度的深结；有限表面源扩散，难于制作高表面浓度的浅结。为了同时满足对表面浓度、杂质总量以及结深等的要求，实际生产中常采用两步扩散工艺：第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面源扩散方式在硅片表面扩散一层杂质原子，其分布为余误差函数，目的在于控制扩散杂质总量；第二步称为再扩散或再分布，将表面已沉积杂质的硅片在较高温度下扩散，以控制扩散深度和表面浓度。集成电路及微机械加工技术29重庆大学光电工程学院§1.4杂质的扩散方法扩散方法很多，按所用杂质源的形式来分，有：固态源扩散、液态源扩散、气态源扩散；按所用扩散系统的形式来分，有：开管式扩散、闭管式扩散、箱法扩散以及涂源法扩散。(一)、硼扩散扩硼的杂质源均是先分解或化合产生B2O3，再与表面硅反应产生单质B并向硅内扩散。2B2O3+3Si4B+3SiO2B2O3的性质集成电路及微机械加工技术30重庆大学光电工程学院(二)、磷扩散磷扩散源很多，其共性在于先生成P2O5，再与硅反应生成单质磷向硅内扩散。2P2O5+5Si4P+5SiO21、磷的固态源扩散2、磷的液态源扩散3、磷的气态源扩散(三)、砷扩散(四)、锑扩散(五)、金扩散集成电路及微机械加工技术31重庆大学光电工程学院§1.5杂质扩散后结深和方块电阻的测量(一)、结深的测量测量结深的方法主要有磨角法、磨槽法和光干涉法。1、磨角法首先将扩散片磨成斜角（1~5），然后采用染色液对表面染色以区分N区和P区的界面位置。常用的染色液是浓氢氟酸加0.1~0.5体积的浓硝酸的混合液。最后通过以下两个公式可求出结深：aaxjsinLbaaxj2集成电路及微机械加工技术32重庆大学光电工程学院2、磨槽法适用于测量浅结。其中，R是磨槽圆柱体的半径，a和b由显微镜测出。若R远大于a和b，则近似为：2222aRbRxjRbaxj222集成电路及微机械加工技术33重庆大学光电工程学院3、光干涉法2Nxj集成电路及微机械加工技术34重庆大学光电工程学院(二)、扩散层电阻WLRWLxWxLRjj口jjxxR1口集成电路及微机械加工技术35重庆大学光电工程学院半无穷大样品：样品尺寸有限：IVR2353.4口IVCR23口集成电路及微机械加工技术36重庆大学光电工程学院离子注入是另一种对半导体进行掺杂的方法。§2.1离子注入设备由以下几个部分组成：离子源质量分析器加速器中性束偏移器聚焦系统偏转扫描系统工作室2、离子注入掺杂集成电路及微机械加工技术37重庆大学光电工程学院§2.2注入离子的浓度分布与退火离子注入过程：入射离子与半导体的原子核和电子不断发生碰撞，从而损失其能量，经过一段曲折路径的运动，最后因动能耗尽而停止在半导体中的某处。2pppRzRx0px集成电路及微机械加工技术38重庆大学光电工程学院(一)、注入离子浓度分布φ注入剂量，单位为cm-2RP是平均投影射程，RP为射程