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半导体制造技术氧化1Layer薄膜淀积，金属化2Patten光刻，刻蚀3离子注入4Contents生产硅衬底可分为三个基本步骤：•生产多晶硅：通过还原，提纯的方法获得半导体级多晶硅。•晶体生长：硅单晶体的生长过程；•制造晶片：将单晶硅棒经过一些列的工艺过程后制程硅单晶片前言：Si衬底制备•直拉（CZ）法：就是把熔化了的半导体级硅液体变成有正确晶向并且被掺杂成n或p型的固体硅锭。半导体级硅及少量掺杂剂放入石英坩埚加热熔化籽晶接触熔体表面并缓慢拉起生长所需直径单晶单晶硅工艺CZ单晶炉：单晶硅工艺CZ法生长单晶的过程单晶硅工艺•区熔法：籽晶固定到已掺杂好的多晶硅棒一端，放入生长炉内，用射频线圈加热籽晶与硅棒的接触区域，晶体生长中的加热过程沿着晶棒的轴向移动。单晶硅工艺1.2.4硅片制备晶体生长整形切片磨片倒角刻蚀抛光清洗检查包装硅片制备的基本工艺步骤硅片制备工艺硅片制备工艺氧化工艺氧化膜的用途1热氧化生长2快速热处理34Contents氧化物可通过热生长或淀积的方法生成。热生长：在升温环境里，通过外部供给高纯氧气使之与硅片反应，在硅片表面得到一层热生长的氧化层。淀积：通过外边供给氧气和硅源，使它们在腔体内反应，从而在硅片表面形成一层薄膜。热生长和淀积的区别：热生长在生长过程中消耗了衬底硅，而淀积不消耗衬底硅材料。由于硅片表面非常平整，使得在硅片表面生长或淀积的氧化物主要为层状结构，称之为薄膜。常被认为最普遍应用的半导体衬底材料，一个主要原因就是硅片的这种生长氧化层的能力（另一个主要原因是硅相对高的熔点温度）。引言氧化层在制造微芯片中的应用有以下几个方面：保护器件免划伤和隔离沾污表面钝化栅氧或储存器单元结构中的介质材料掺杂中的注入屏蔽金属导电层间的介质层氧化膜的用途器件保护和隔离SiO2是种坚硬和无孔的材料，可用来有效隔离硅表面的有源器件。通常晶体管之间的电隔离可以用LOCOS工艺：在它们之间的区域热生长厚SiO2实现隔离。对于0.25μm工艺可用STI（浅槽隔离）：用淀积的氧化物做主要的介质材料。表面钝化什么是表面钝化：热生长的SiO2可以通过束缚硅的悬挂键，降低它的表面态密度，这种效果成为表面钝化。它能防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其它外部沾污引起的漏电流的通路。氧化层作为钝化层的要求：均匀的厚度、无针孔和空隙等质量要求。如用来抑制金属层的电荷堆积的厚氧化层（场氧化物层）其典型厚度在2500～1500Å之间。氧化膜的用途栅氧电介质MOS技术中常用的重要栅氧结构，用极薄的氧化层做介质材料，栅氧要保证高质量和稳定性，所以一般通过热生长获得。栅氧厚度：按器件技术比例要求，规范选取栅氧厚度。如对0.18μm工艺，典型栅氧厚度是20±15Å栅氧要求：高质量、极好的膜厚均匀性、无杂质。氧化膜的用途掺杂阻挡二氧化硅可做为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层：硅片表面形成氧化层，将掩膜透光处的SiO2刻蚀，形成窗口，掺杂材料可以通过此窗口进入硅片。没有窗口的地方，氧化物可以保护硅表面，避免杂质扩散，从而实现了选择性杂质注入。氧化膜的用途金属层间的介质层一般条件下二氧化硅不能导电，是微芯片金属层间有效的绝缘体。SiO2能防止上层金属和下层金属间短路。通常用化学气相淀积方法获得。热氧化生长热氧化生长的各种运用对厚度有不同的要求：半导体应用典型氧化物厚度（Å）栅氧（0.18μm）20～60电容器的电介质5～100掺杂掩蔽的氧化物400～1200（依赖于掺杂剂、注入能量、时间温度）STI隔离氧化物150LOCOS垫氧200～500场氧2500～1500二氧化硅的厚度可以通过其颜色来估计，不同厚度对应不同颜色。氧化的化学反应干氧：生长有干氧，没有水汽的氛围里化学反应为：反应速率随温度增加而增快湿氧：反应中有水汽参与反应方程式：湿法氧化时，氧化反应速率会大大加快，是因为水蒸气比氧气在二氧化硅中扩散更快、溶解度更高。缺点：反应生成的氢分子会束缚在固态的二氧化硅层内，使得氧化层的密度比干氧小，该情况可通过在惰性气体中加热氧化来改善。氧化的化学反应掺氯氧化：在干氧中添加微量的Cl2、HCl或C2HCl3等含氯的气态物。在氧气氧化的同时，氯结合到氧化层中，并集中分布在SiO2-Si界面附近，掺氯氧化有如下作用：可吸收、提取硅中有害杂质：高温下氯可以和包括钠在内的多种金属杂质作用，生成挥发性的化合物，从反应室中排除。集中分布在SiO2-Si界面附近的氯还能使迁移到这里的钠离子的正电荷效应减弱并被陷住不动，从而使其丧失电活性和不稳定性。氯填补了氧空位，所以二氧化硅层中的固定电荷和界面态密度降低。氧化的化学反应氧化生长模式无论干氧或者湿氧，二氧化硅生长都要消耗硅，硅消耗的厚度占氧化物总厚度的0.46，意味着每生长1000Å的氧化物，就有460Å的硅被消耗。在硅片和氧化物的界面处，通过氧化物的氧气运动控制并限制氧化层的生长。对于连续生长氧化层，氧气必须进去和硅片接触紧密。氧化物的生长发生在氧分子通过已生成的二氧化硅层运动进入硅片的过程中。二氧化硅膜的增厚是通过如下几个步骤完成：①氧化剂从气相内部输运到气体－氧化层界面②扩散穿过已经生成的氧化层，抵达二氧化硅和硅界面③在界面处与硅发生氧化反应④发应的副产物扩散出氧化层，并向主气流转移氧化生长模式氧化生长模式1、LOCOS工艺：0.25μm工艺以上的器件隔离方法。方法：用淀积氮化物（Si3N4)作为氧化阻挡层，热氧化后，氮化物和氮化物掩膜下的氧化物都将被去除，露出赤裸的硅表面，为形成器件做准备。氧化生长模式垫氧：为了减小氮化物掩膜和硅之间的应力，在它们之间生长一层薄氧化层，称为垫氧。鸟嘴效应：氧扩散穿越已生长的氧化物时，它是在各个方向上扩散的。一些氧原子纵向扩散进入硅，另一些氧原子横向扩散，这意味着氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边缘。我们称之为鸟嘴效应。鸟嘴效应是在LOCOS工艺中不受欢迎的副产物，氧化物较厚时，鸟嘴效应更显著氧化生长模式浅槽隔离（STI)：用于亚0.25μm工艺的选择性氧化STI工艺：用氮化硅Si3N4做掩膜，经淀积、图形化、刻蚀硅后形成槽。掩膜图形暴露区域，热氧化150～200埃厚的氧化层后，才能蚀硅成槽。高温炉设备用于热工艺的基本设备有三种：卧式炉:用来放置和加热硅片的石英管处于水平位置立式炉：亦称VDF，更易自动化，可改善操作者的安全以及减少颗粒沾污。与卧式炉相比，能更好地控制温度及其均匀性。可同时处理大量的硅片（100～200片）。以20°C/分或者更小的速率升高或降低硅片温度。快速热处理（RTP)：小型快速加热系统，带有辐射热和冷却源，通常一次处理一片硅片。具有非常快的、局域化的加热时间，只对硅片进行加热(不对炉壁加热），（而立式和卧式对硅片和炉壁都加热）。典型的RTP设备可以达到每秒几十度的升降温速率，热氧化的目标是按厚度生长无缺陷、均匀的SiO2膜，用于特定硅片制造步骤的氧化工艺条件的类型取决于氧化层厚的和性能要求：干氧生长：通常用于薄氧化物（如栅氧、垫氧）的生长，由于钠离子沾污，在氧化过程中将HCl加入O2中，获得高质量的氧化物。湿氧生长：通常用于厚氧化物（如场氧、扩散掩膜）的生长，生长时气氛中使用水汽（水汽中不含HCl）热氧化工艺流程热氧化工艺流程氧化前的清洗清洗可保证获得高质量的氧化，清洗的目的是去除所有表面沾污：颗粒、有机物、金属和自然氧化层。以下内容对尽量减少沾污非常重要：•炉体及其相关设备的清洗维护（特别是对石英器皿）•工艺中化学物品的纯度•氧化气氛的纯度（炉中氧源的纯度）•硅片清洗和操作实践清洗液：湿法化学清洗液：SC-1和SC-2清洗体系清洗设备：手动和自动湿法清洗槽、超声波系统、酸喷涂器、清水或干法系统。淀积5.1引言现代半导体器件和电路的进展要求对大量的不同材料进行集成化。制造这些器件需要对不同的材料进行可控沉积和加工：金属主要用于各种半导体区域之间的互连，绝缘体则用于金属导线和半导体间的电隔离，二氧化硅和其它材料的沉积可用于生成器件的有源区，如硅的金属－氧化物－半导体场效应晶体管的有源区。对金属、半导体、绝缘体进行加工是在衬底硅片表面的薄层中进行的。器件的特性依赖于这些沉积层的化学、物理及结构特性。多层金属化：指用来连接硅片上高密度堆积器件的那些金属层和绝缘介质层。一、相关术语1、金属层：用铝合金作为互连线，将金属铝淀积到整个硅片的表面，形成固态薄膜，然后进行刻蚀来定义互连线的宽度和间距。每层金属被定义为Metal-1、Metal-2，以此类推。2、关键层：指那些线条宽度被刻蚀为器件特征尺寸的金属层。对于甚大规模集成电路而言，特征尺寸的范围一般为：形成栅的多晶硅、氧结构和距离硅片表面最近的金属层。对颗粒沾污很敏感。3、非关键层：指处于上部的金属层，有更大的线宽，对颗粒沾污不够敏感。4、介质层：第一层层间介质（ILD-1)，也称金属前绝缘层（PMD）：介于硅上有源器件和第一层金属之间的电绝缘层称为。典型的ILD-1是一层掺杂的SiO2或者玻璃。ILD-1的重要作用可从两方面解释：电学上，ILD-1层隔离晶体管器件和互连金属层；物理上，ILD-1层隔离晶体管器件和可移动粒子等杂质源。层间介质（ILD）：应用于器件中不同的金属层之间。ILD充当两层导电金属或者相邻金属线条之间的隔离膜。通常，ILD采用介电常数为3.9到4.0的SiO2材料。二、膜淀积薄膜：指一种在衬底上生长的薄的固体物质，其某一维尺寸通常远远小于另外两维上的尺寸。描述薄膜的单位是埃。半导体制造中的薄膜淀积是指任何在硅片衬底上物理淀积一层膜的工艺。这层膜可以是导体、绝缘体或者半导体材料，（如二氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金属）薄膜的特性：好的台阶覆盖能力填充高的深宽比间隙的能力好的厚度均匀性高纯度和高密度受控制的化学剂量高度的结构完整性和低的膜应力好的电学特性对衬底材料或下层膜好的粘附性膜对台阶的覆盖：图形制作可以在硅片表面生成具有三个空间维度的图形，这就形成了硅片表面的台阶，如果淀积的膜在台阶上变薄，就容易导致高的膜应力、电短路或者在器件中产生不希望的诱生电荷。所以膜的应力要尽量小。高的深宽比间隙：可以用深宽比来描述一个小的间隙（槽或孔）。深宽比定义为间隙的深度和宽度的比值。填充硅片表面上很小的间隙和孔的能力成为最重要的薄膜特性。对于穿过层间介质的通孔，以及用来进行浅槽隔离的槽等，都需要有效间隙填充。高深宽比的间隙使得难于淀积形成厚度均匀的膜，并且会产生夹断和空洞。随着高密度集成电路特征尺寸的不断减小，对于高深宽比的间隙可以进行均匀、无空洞填充淀积工艺显得至关重要。厚度均匀性：薄膜厚度均匀，意味着薄膜应布满下层材料的各处。材料的电阻会随着膜厚度的变化而变化，而且膜越薄，就会有更多的缺陷，导致膜本身的机械强度降低。膜纯度和密度：高纯度的膜意味着膜中没有那些会影响质量的化学元素或者原子，如膜中含有H就会使膜特性蜕化。膜密度也是膜质量的重要指标，它显示膜层中针孔和空洞的多少。与无孔膜相比，一个多孔膜的密度会更低，在一些情况下折射率也更小。受控的化学剂量分析：理想的膜要有均匀的组成成分。化学剂量分析是指在化合物或分子中一种组分的量与另一种组分量的比值。淀积中发生的化学反应往往比较复杂，得到的膜组分可能并非要求的组分，所以淀积工艺的一个目标是要在反应中有合适数量的分子，以便使淀积得到的膜的组分接近于化学反应方程式中对应的组分比例。膜的粘附性：为了避免膜的分层和开裂，薄膜对衬底要有好的粘附性。开裂的膜会导致膜表面粗糙，杂质也可以穿过膜。对于起隔离作用的膜，开裂会导致电路短路或漏电流。膜的结构：淀积工艺中，淀积物趋向聚集并生成晶粒。如果膜层中晶粒大小变化，膜的电学和机械特性会变化，这将影响膜的长期可靠性。膜在生长中会产生不希望的应力使硅片衬底变形，导致膜开裂、分层或者空洞的形成，所有薄膜淀积过程中总是希望减小应力。三、薄膜生长1、淀积薄膜的过程有三个不同的阶段：