硅集成電路工藝基礎(chǔ)復(fù)習(xí)教材

1、硅集成電路工藝基礎(chǔ)緒論：?jiǎn)雾?xiàng)工藝的分類(lèi)：1、圖形轉(zhuǎn)換：光刻、刻蝕2、摻雜：擴(kuò)散、離子注入3、制膜：氧化、化學(xué)氣相淀積、物理氣相淀積第 2 章 氧化SiO2 的作用：1、在 MOS 電路中作為 MOS 器件的絕緣柵介質(zhì)，作為器件的組成部分2、作為集成電路的隔離介質(zhì)材料3、作為電容器的絕緣介質(zhì)材料4、作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料5、作為對(duì)器件和電路進(jìn)行鈍化的鈍化層材料6、擴(kuò)散時(shí)的掩蔽層，離子注入的 (有時(shí)與光刻膠、 Si3N4 層一起使用 )阻擋層 熱氧化方法制備的 SiO 2是無(wú)定形制備二氧化硅的方法： 熱分解淀積法、 濺射法、 真空蒸發(fā)法、 陽(yáng)極氧化法、 化學(xué)氣相淀積法、 熱氧化法；熱氧化

2、法制備的 SiO2 具有很高的重復(fù)性和化學(xué)穩(wěn)定性，其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不太受濕度 和中等熱處理溫度的影響。SiO2 的主要性質(zhì)： 密度：表征致密程度 折射率：表征光學(xué)性質(zhì) 密度較大的 SiO2 具有較大的折射率 波長(zhǎng)為 5500A 左右時(shí)， SiO2 的折射率約為 1.46 電阻率：與制備方法及所含雜質(zhì)數(shù)量等因素有關(guān)， 高溫干氧氧化制備的電阻率達(dá) 1016 cm 介電強(qiáng)度：?jiǎn)挝缓穸鹊慕^緣材料所能承受的擊穿電壓6 7 1大小與致密程度、均勻性、雜質(zhì)含量有關(guān)一般為106107V/cm ( 10 1V/nm )S介電常數(shù)：表征電容性能 C 0 SiO S (SiO2 的相對(duì)介電常數(shù)為 3.9) 2d

3、腐蝕：化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，只與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)SiO2 4HFSiF4 2H 2OSiF4 2HFH 2 (SiF6) 六氟硅酸 還可與強(qiáng)堿緩慢反應(yīng)SiO2 6HFH2(Si F6) 2H2O薄膜應(yīng)力為壓應(yīng)力 晶體和無(wú)定形的區(qū)別：橋鍵氧和非橋鍵氧 橋聯(lián)氧：與兩個(gè)相鄰的 Si-O 四面體中心的硅原子形成共價(jià)鍵的氧 非橋聯(lián)氧：只與一個(gè) Si-O 四面體中心的硅原子形成共價(jià)鍵的氧 非橋聯(lián)氧越多，無(wú)定型的程度越大，無(wú)序程度越大，密度越小，折射率越小 無(wú)定形 SiO2 的強(qiáng)度：橋鍵氧數(shù)目與非橋鍵氧數(shù)目之比的函數(shù) 結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)區(qū)分非橋聯(lián)氧是否存在 雜質(zhì)分類(lèi)：網(wǎng)絡(luò)形成者和網(wǎng)絡(luò)改變者網(wǎng)絡(luò)形成者：可以替代 Si

4、O2 網(wǎng)絡(luò)中硅的雜質(zhì)，即能代替 SiO 四面體中心的硅、并能與氧形成網(wǎng)絡(luò)的雜質(zhì) 網(wǎng)絡(luò)改變者：存在于 SiO2 網(wǎng)絡(luò)間隙中的雜質(zhì) SiO2 作為掩蔽層對(duì)硼、磷有效，對(duì)鈉離子無(wú)效 B、P、As 等常用雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)小， SiO2 對(duì)這類(lèi)雜質(zhì)可以起掩蔽作用 Ga、某些堿金屬（ Na）的擴(kuò)散系數(shù)大， SiO2 對(duì)這類(lèi)雜質(zhì)就起不到掩蔽作用 Si 熱氧化生長(zhǎng) SiO2 的計(jì)算： CSix CSiO2 x0無(wú)定形 SiO2的分子密度： CSiO 2.2 1022 /cm3硅晶體的原子密度： CSi 5.0 1022 /cm3干氧、水汽和濕氧。實(shí)際生產(chǎn)采用干氧 - 濕氧 -干氧的方式1、干氧氧化 氧化劑：干燥

5、氧氣 反應(yīng)溫度： 9001200 干氧氧化制備的 SiO2 的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)致密、干燥、均勻性和重復(fù)性好 與光刻膠粘附性好，掩蔽能力強(qiáng)。 生長(zhǎng)速度非常慢干氧氧化的應(yīng)用： MOS 晶體管的柵氧化層2、水汽氧化 反應(yīng)條件： 氧化劑：高純水產(chǎn)生的蒸汽 反應(yīng)溫度：高溫 水汽氧化制備的 SiO2 的特點(diǎn)： SiO2生長(zhǎng)速率快 結(jié)構(gòu)粗糙3、濕氧氧化反應(yīng)條件：氧化劑：高純水（ 95 左右） +氧氣 特點(diǎn)： 生長(zhǎng)速率較高 SiO2結(jié)構(gòu)略粗糙4、三種氧化法比較 干氧氧化：結(jié)構(gòu)致密但氧化速率極低 濕氧氧化：氧化速率高但結(jié)構(gòu)略粗糙，制備厚二氧化硅薄膜 水汽氧化：結(jié)構(gòu)粗糙不可取 熱氧化的過(guò)程（ D-G 模型） 氧化劑從

6、氣體內(nèi)部以擴(kuò)散形式穿過(guò)附面層運(yùn)動(dòng)到氣體 SiO2 界面，其流密度用 F1 表示。流密度定義為單位時(shí)間通 過(guò)單位面積的粒子數(shù)。 氧化劑以擴(kuò)散方式穿過(guò) SiO2 層（忽略漂移的影響） ，到達(dá) SiO2 Si 界面，其流密度用 F2 表示。 氧化劑在 Si 表面與 Si 反應(yīng)生成 SiO2，其流密度用 F3表示。 反應(yīng)的副產(chǎn)物離開(kāi)界面。F1 F2 F3D-G 模型適用氧化層厚度： 30nm 熱氧化存在兩種極限情況當(dāng)氧化劑在 SiO 2中的擴(kuò)散系數(shù) DSiO2很小時(shí) DSiO2ksx0 ，則 Ci0，Co C 。在這種極限情況下， SiO2 的生長(zhǎng)速率主要由氧化劑在 SiO2中的擴(kuò)散速度所決定，故稱(chēng)這

7、種極限 情況為擴(kuò)散控制。當(dāng)氧化劑在 SiO 2中的擴(kuò)散系數(shù) DSiO 很大，則 Ci Co C /1 ks/h 。在這種極限情況下， SiO2生長(zhǎng)速率由 Si 表面的化學(xué)反應(yīng)速度控制，故稱(chēng)這種極限情況為反應(yīng)控制。決定氧化速率常數(shù)的因素：氧化劑分壓、氧化溫度1、氧化劑分壓pg通過(guò)C 對(duì)B 產(chǎn)生影響， B與 pg成正比關(guān)系B 2DSiO2C / N1C Hp g2、氧化溫度溫度對(duì)拋物型速率常數(shù) B 的影響是通過(guò)影響 DSiO 產(chǎn)生的， B 2DSiO C / N1溫度對(duì)線(xiàn)性速率常數(shù) B/ A的影響是通過(guò)影響 ks產(chǎn)生的A 2DSiO2 1/ks 1/ hB/A C /1/ks 1/h N1分凝系數(shù)

8、，圖 2.21 分凝系數(shù)：摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過(guò)程中，在Si SiO2 界面上的平衡雜質(zhì)濃度之比雜質(zhì)在硅中的平衡濃度雜質(zhì)在二氧化硅中的平衡濃度（a）當(dāng) m 1，在 SiO 2中是慢擴(kuò)散的雜質(zhì)，也 就是說(shuō)在分凝過(guò)程中雜質(zhì)通過(guò) SiO2 表面損失的 很少，硼就屬于這類(lèi)。再分布之后靠近界面處 的 SiO2 中的雜質(zhì)濃度比硅中高，硅表面附近的 濃度下降。（b）當(dāng) m 1，在 SiO2 中是快擴(kuò)散的雜質(zhì)。因 為大量的雜質(zhì)通過(guò) SiO2 表面跑到氣體中去，雜 質(zhì)損失非常厲害，使 SiO2 中雜質(zhì)濃度比較低， 硅表面的雜質(zhì)濃度幾乎降到零。 H2 氣氛中的 B 就屬于這種情況。（c）當(dāng) m 1，在 SiO 2

9、 中是慢擴(kuò)散的雜質(zhì)， 再分布之后硅表面的濃度升高。 P 磷就屬于這 種雜質(zhì)。(d) 當(dāng) m 1，在 SiO2 中是快擴(kuò)散的雜質(zhì)，分凝過(guò)程中雜質(zhì)通過(guò)SiO2 表面損失的厲害，最終使硅表面附近的雜質(zhì)濃度比體內(nèi)還要低。 Ga 鎵就屬于這種類(lèi)型的雜質(zhì)。Si-SiO2 界面存在四種電荷Si- SiO2 界面電荷類(lèi)型：可動(dòng)離子電荷界面陷阱電荷氧化層固定電荷氧化層陷阱電荷第 3章 擴(kuò)散擴(kuò)散機(jī)構(gòu)：間隙式和替位式1、間隙式擴(kuò)散： 定義：間隙式雜質(zhì)從一個(gè)間隙位置到另一個(gè)間隙位置的運(yùn)動(dòng)對(duì)間隙雜質(zhì)來(lái)說(shuō)是勢(shì)能極 雜質(zhì)： Na、K、Fe、 Cu、Au 等元素 間隙雜質(zhì)在間隙位置上的勢(shì)能相對(duì)極小， 相鄰兩間隙位置之間，大位

10、置。勢(shì)壘高度： Wi 0.6 1.2eV 主要與晶格結(jié)構(gòu)與晶向有關(guān)，原子密度越大，間隙越小，Wi 就越大 運(yùn)動(dòng)條件： E Wi 跳躍率： Pi v0e Wi /kT2、替位式擴(kuò)散： 定義：替位式雜質(zhì)從一個(gè)替位位置到另一個(gè)替位位置的運(yùn)動(dòng)(a) 直接交換(b) 空位交換(主要) 雜質(zhì)： III 、族元素 對(duì)替位雜質(zhì)來(lái)說(shuō)， 在晶格位置上勢(shì)能相對(duì)最低， 而間隙處是勢(shì)能最高位置。 勢(shì)壘高度： Ws運(yùn)動(dòng)條件： E Ws ，平衡時(shí)單位體積的空位數(shù)為 n Ne Wv /kT每個(gè)格點(diǎn)上出現(xiàn)空位的幾率為 n/ N e Ws/kT ， 跳躍率： Pv exp( Wv / kT )v0 exp( Ws/kT) v0

11、exp (Wv Ws)/kT 擴(kuò)散方式：恒定表面源和有限表面源(定義和雜質(zhì)分布形 式)1、恒定表面源擴(kuò)散 定義：在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中，硅片表面的雜質(zhì)濃度始終不 變的擴(kuò)散 邊界條件和初始條件：C(0,t) Cs; C( ,t) 0;C (x,0) 0, x 0恒定表面源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布：x x 2 x y 2 C( x, t) Cs(1 erf ) Cserfc() erfcx 1 erfx 1 e y dy2 Dt 2 Dt 0 雜質(zhì)分布形式特點(diǎn)： 在表面濃度 Cs 一定的情況下，擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量也2就越多。 Q tC(x,t )dxCs Dt0擴(kuò)到硅內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量可

12、用高為 Cs，底為 2 Dt 的三角形近似； 表面濃度 Cs由雜質(zhì)在擴(kuò)散溫度下的固溶度所決定。 而在900 1200 C內(nèi)，固溶度變化不大，可見(jiàn)很難通過(guò)改變溫度來(lái)控制 Cs2、有限表面源擴(kuò)散 定義：擴(kuò)散之前在硅片表面淀積一層雜質(zhì)，在整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程中 這層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，不再有新源補(bǔ)充 初始條件和邊界條件：C(x,t)QCs(t) C(0, t)DtC( x,t) 0, x hC(x,0) Cs(0) Q/ h,0 x hC( ,t ) 0 雜質(zhì)分布形式特點(diǎn)： 當(dāng)擴(kuò)散溫度相同時(shí)，擴(kuò)散時(shí)間越長(zhǎng)，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，表面濃度就越低。 當(dāng)擴(kuò)散時(shí)間相同時(shí)，擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散的就越深，表面濃度下降的

13、也就越多 擴(kuò)散過(guò)程中雜質(zhì)量不變實(shí)際生產(chǎn)中采用兩步擴(kuò)散(每一步的擴(kuò)散方式及作用)兩步擴(kuò)散： 預(yù)擴(kuò)散：在低溫下采用恒定表面源擴(kuò)散方式，控制擴(kuò)散雜質(zhì)的數(shù)量 主擴(kuò)散將由預(yù)擴(kuò)散引入的雜質(zhì)作為擴(kuò)散源， 在較高溫度下進(jìn)行擴(kuò)散。 控制表面濃度和擴(kuò)散 深度 分布形式：D1t1 D2t2 ,余誤差分布D1t1 D2t 2 ,高斯分布影響雜質(zhì)分布的因素：橫向擴(kuò)散第 4章 離子注入離子注入：最主要的摻雜工藝 離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底硅的過(guò)程，注入能量介于 1KeV 到1MeV 之間，注入深度平均可達(dá) 10nm 10 m 。離子劑量變動(dòng)范圍，從用于閾值電壓調(diào)整12 2 18 2的1012 /cm2

14、 到形成絕緣埋層的 1018/ cm2 。相對(duì)于擴(kuò)散，它能更準(zhǔn)確地控制雜質(zhì)摻雜、可 重復(fù)性和較低的工藝溫度。離子注入已成為 VLSI 制程上最主要的摻雜技術(shù)。一般 CMOS制程，大約需要 612 個(gè)或更多的離子注入步驟。 應(yīng)用：隔離工序中防止寄生溝道用的溝道截?cái)?調(diào)整閾值電壓用的溝道摻雜CMOS 阱的形成 淺結(jié)的制備 離子注入的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 注入的離子純度高 可以精確控制摻雜原子數(shù)目 溫度低：小于 400 摻雜深度可控 非平衡過(guò)程，雜質(zhì)含量不受固溶度限制 低溫注入，避免高溫?cái)U(kuò)散所引起的熱缺陷 橫向擴(kuò)散效應(yīng)比熱擴(kuò)散小得多 離子通過(guò)硅表面的薄膜注入，防止污染。 可以對(duì)化合物半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜 LSS

15、理論： 注入離子在靶內(nèi)的分布理論缺點(diǎn)：產(chǎn)生的晶格損傷不易消除 很難進(jìn)行很深或很淺的結(jié)的注入 高劑量注入時(shí)產(chǎn)率低 設(shè)備價(jià)格昂貴（約 200 萬(wàn)美金）LSS 理論認(rèn)為，注入離子在靶內(nèi)的能量損失分為兩個(gè)彼此獨(dú)立的過(guò)程：核碰撞（核阻止）和 電子碰撞（電子阻止）差 Rp ，沿著入射軸垂直方向上的統(tǒng)計(jì)漲落，稱(chēng)為橫向偏差縱向分布：一級(jí)近似下用高斯函數(shù)表示：n(x)Ns2 Rpexp 1exp22x RpRp橫向分布：高斯分布；橫向滲透遠(yuǎn)小于熱擴(kuò)散溝道效應(yīng)及避免的方法R。不同能區(qū)的能量損失形式 低能區(qū)：以核碰撞為主 中能區(qū)：核碰撞、電子碰撞持平 高能區(qū)：以電子碰撞為主 注入離子在無(wú)定形靶中的分布計(jì)算 相同質(zhì)量

16、且相同初時(shí)能量的離子在靶中有一定的空間分布， 投影射程的統(tǒng)計(jì)漲落稱(chēng)為投影偏 定義： 當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個(gè)晶向平行時(shí)， 一些離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)。 溝道離子 唯一的能量損失機(jī)制是電子阻止，因此注入離子的能量損失率就很低，故注入深度較大。 避免方法：a. 傾斜樣品表面，晶體的主軸方向偏離注入方向，典型值為7b. 先重轟擊晶格表面，形成無(wú)定型層 在無(wú)定形靶運(yùn)動(dòng)的離子由于碰撞方向不斷改變，因而也會(huì)有部分離子進(jìn)入溝道，但在溝道 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又有可能脫離溝道，故對(duì)注入離子峰值附近的分布并不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響c. 表面長(zhǎng)二氧化硅薄層注入離子造成的損傷 級(jí)聯(lián)碰撞 簡(jiǎn)單晶格損傷 孤立的點(diǎn)缺陷或缺陷群（注入離

17、子每次傳遞給硅原子的能量約等于移位閾能） 局部的非晶區(qū)域（單位體積的移位原子數(shù)目接近半導(dǎo)體的原子密度） 非晶層注入離子引起損傷的積累熱退火 定義： 又叫熱處理， 集成電路工藝中所有的在氮?dú)獾炔换顫姎夥罩羞M(jìn)行的熱處理過(guò)程都可 以稱(chēng)為退火 作用 激活雜質(zhì)：使不在晶格位置上的離子運(yùn)動(dòng)到晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子， 起到雜質(zhì)的作用消除損傷 退火方式：爐退火快速退火：脈沖激光法、掃描電子束、連續(xù)波激光、非相干寬帶頻光源（如鹵光燈、電弧燈、石墨加熱器、紅外設(shè)備等 ） 快速熱退火a.傳統(tǒng)熱退火的缺點(diǎn) 不能完全消除缺陷，產(chǎn)生二次缺陷 高劑量注入時(shí)的電激活率不夠高 高溫長(zhǎng)時(shí)間熱退火會(huì)導(dǎo)致明顯的雜質(zhì)

18、再分布b.快速退火技術(shù) 在氮?dú)饣蚨栊詺怏w的氣氛下，極短的時(shí)間內(nèi)，把晶片溫度提高到1000 以上。C.快速熱退火作用： 消除由注入所產(chǎn)生的晶格損傷 恢復(fù)材料少子壽命和載流子遷移率 雜質(zhì)激活第 5章 物理氣相淀積兩種基本方法 物理氣相淀積定義： 利用某種物理過(guò)程， 例如蒸發(fā)或者濺射現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移， 即原子 或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底表面上，并淀積成薄膜。 基本方法：蒸發(fā)（ - 族化合物半導(dǎo)體）濺射蒸發(fā)和濺射各自的優(yōu)缺點(diǎn)真空蒸發(fā)法濺射蒸發(fā)優(yōu)設(shè)備簡(jiǎn)單適用于任何物質(zhì)較高的淀積速率點(diǎn)操作容易 純度較高 成膜快 機(jī)理簡(jiǎn)單不受蒸氣壓和膜成分限制 靶材料與膜成分符合 附著好 臺(tái)階覆蓋較好薄膜純度高 厚度控制精確

19、生長(zhǎng)機(jī)理簡(jiǎn)單缺點(diǎn)附著力小工藝重復(fù)性差 臺(tái)階覆蓋性差 不適用多組分材料設(shè)備、操作較復(fù)雜臺(tái)階覆蓋能力差 工藝重復(fù)性不好 淀積多元化合金薄膜時(shí)組 分難以控制濺射作為主流濺射方法： 直流濺射：淀積金屬薄膜 射頻濺射：適用于淀積各種金屬和非金屬薄膜 磁控濺射：磁控濺射為淀積速率比一般方法高一個(gè)數(shù)量級(jí)；工作氣壓低，薄膜質(zhì)量好。 反應(yīng)濺射：在淀積同時(shí)形成化合物 偏壓濺射：改善濺射薄膜的組織結(jié)構(gòu) 接觸孔中薄膜的濺射淀積：（深寬比大于 1）濺射原子離開(kāi)靶面時(shí)遵守余弦分布，故濺射原子在襯底表面和接觸孔上 表面的拐角處，沉積速率最高，側(cè)壁適中，底角最低。可采用帶準(zhǔn)直器的濺射淀積方法（降低淀積速率，換準(zhǔn)直器增加了成本

20、） 長(zhǎng)投準(zhǔn)直濺射技術(shù)第 6章 化學(xué)氣相淀積Grove 模型：兩個(gè)重要環(huán)節(jié)Grove 模型認(rèn)為控制薄膜淀積速率的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)是：其一是反應(yīng)劑在邊界層中的輸運(yùn)過(guò) 程；其二是反應(yīng)劑在襯底表面上的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。淀積速率與反應(yīng)劑濃度或氣相中反應(yīng)劑的摩爾百分比成正比薄膜淀積速率（其中 N1 表示形成一個(gè)單位體積薄膜所需要的原子數(shù)量） ：G Fkshg Cgkshg CT YN1 ks hg N1 ks hg N1結(jié)論：（1）淀積速率與 Cg （反應(yīng)劑的濃度）或者 Y （反應(yīng)劑的摩爾百分比）成正比；（2）在 Cg 或者 Y為常數(shù)時(shí)，薄膜淀積速率將由 ks和hg 中較小的一個(gè)決定。質(zhì)量輸送控制和表面化學(xué)反應(yīng)控

21、制決定 ks的主要因素：溫度ks k0exp EA /kT決定 hg的主要因素：氣體流速，氣體成分，系統(tǒng)壓力hg Dg / s所以為了保證統(tǒng)一的淀積速率，就必須： 對(duì)于表面反應(yīng)控制，保持處處恒定的溫度 對(duì)于質(zhì)量輸運(yùn)控制，保持處處恒定的反應(yīng)劑濃度熱壁和冷壁(冷壁的優(yōu)點(diǎn))熱壁系統(tǒng)： Tw Ts冷壁系統(tǒng)： Tw TsTw ：反應(yīng)室的側(cè)壁溫度Ts：放置硅片的基座溫度冷壁系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：能夠降低在側(cè)壁上的淀積，降低了壁上顆粒因剝離對(duì)淀積薄膜質(zhì)量的影響， 也減小了反應(yīng)劑的損耗。CVD 系統(tǒng)的分類(lèi)：三種 CVD 系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)常壓化學(xué)氣相淀積 (APCVD)操作簡(jiǎn)單 淀積速率高 適合介質(zhì)薄膜的淀積易發(fā)生氣

22、相反應(yīng) 產(chǎn)生污染 臺(tái)階覆蓋性和均勻性比較差低壓化學(xué)氣相淀積 (LPCVD)污染少 均勻性和臺(tái)階覆蓋性較APCVD 好 對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)要求低 裝片量大相對(duì)低的淀積速率 相對(duì)高的工作溫度等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(PECVD)反應(yīng)溫度低附著性好 良好的階梯覆蓋 良好的電學(xué)特性可以與精細(xì) 圖形轉(zhuǎn)移工藝兼容 薄膜應(yīng)力低主流工藝具備 LPCVD 的優(yōu)點(diǎn)APCVD ：質(zhì)量輸運(yùn)控制淀積速率，對(duì)反應(yīng)室結(jié)構(gòu)和氣流模式提出高的要求 LPCVD ：表面反應(yīng)速率控制淀積速率 PECVD ：表面反應(yīng)控制淀積速率氣缺現(xiàn)象及減輕方法( LPCVD ) 氣缺現(xiàn)象：當(dāng)氣體反應(yīng)劑被消耗而出現(xiàn)的反應(yīng)劑濃度改變的現(xiàn)象 對(duì)于只有一個(gè)入氣口的

23、反應(yīng)室，情況比較嚴(yán)重。 措施：在水平方向上逐漸提高溫度來(lái)加快反應(yīng)速度，從而提高淀積速率采用分布式的氣體入口增加反應(yīng)室中的氣流速度多晶硅采用硅烷熱分解實(shí)現(xiàn)多晶硅的優(yōu)點(diǎn)：多晶硅與隨后的高溫?zé)崽幚砉に囉泻芎玫募嫒菪耘c Al 柵相比，多晶硅與熱生長(zhǎng)二氧化硅的接觸性能更好在陡峭的臺(tái)階上淀積多晶硅時(shí)能夠獲得很好的保形性應(yīng)用：柵電極 互聯(lián)引線(xiàn) 電學(xué)特性a. 多晶硅的電阻率高于單晶硅的電阻率摻雜原子在熱處理過(guò)程中易到晶界處，不能有效的貢獻(xiàn)自由載流子 晶界處的懸掛鍵俘獲自由載流子 , 由此降低載流子的濃度b. 晶粒尺寸大的多晶硅的電阻率低 一般是用 LPCVD ，在 580 650下熱分解硅烷實(shí)現(xiàn)： SiH 4

24、Si 2H 2多晶硅的摻雜技術(shù) 擴(kuò)散摻雜：在淀積完成之后在較高的溫度下進(jìn)行摻雜優(yōu)點(diǎn)：能夠在多晶硅薄膜中摻入濃度很高的雜質(zhì)。同時(shí)完成摻雜和退火工藝缺點(diǎn)：溫度較高、薄膜表面粗糙程度增加 離子注入：淀積后的離子注入和退火優(yōu)點(diǎn)：可精確控制摻入雜質(zhì)的數(shù)量，適合于不需要太高摻雜的多晶硅薄膜 特點(diǎn)：形成的高摻雜多晶硅電阻率約為擴(kuò)散形成的電阻率的 10 倍 原位摻雜：邊淀積邊摻雜簡(jiǎn)單，但薄膜厚度、摻雜均勻性及淀積速率會(huì)隨著摻雜氣體的加入變得復(fù)雜CVD 和熱氧化 SiO2 的對(duì)比CVD SiO2 的方法低溫 CVD SiO2 ：低于 500中溫 LPCVD SiO2 ： 500 800TEOS 與臭氧混合源的

25、SiO 2淀積：低于 500左右氮化硅的應(yīng)用應(yīng)用：鈍化層和機(jī)械保護(hù)層鈉和水汽在氮化硅中的擴(kuò)散速度非常慢，即擁有很強(qiáng)的掩蔽能力 硅選擇性氧化的掩蔽膜氮化硅氧化速度非常慢（ LOCOS 工藝基于此） 二氧化硅緩沖層 電容中的絕緣材料 作為 MOSFETs 的側(cè)墻用于 LDD 結(jié)構(gòu)的側(cè)墻淺溝隔離的 CMP 的停止層鎢的應(yīng)用鎢栓塞（ plug） :CVD 鎢比 PVD 鋁有更好的通孔填充能力局部互連材料 短程互聯(lián)（電導(dǎo)率較低） 全局互聯(lián)（ Al 、Cu）缺點(diǎn)： 電阻率相對(duì)鋁高 在氧化物和氮化物上附著力差 鎢與硅在 600以上接觸時(shí)，會(huì)形成鎢的 硅化物 鎢廣泛用于互連的原因 優(yōu)點(diǎn)：體電阻率小（ 7 12

26、uQ.cm） 熱穩(wěn)定性好（熔點(diǎn)最高） 應(yīng)力低，保形性好； 抗電遷移能力和抗腐蝕性強(qiáng) 鎢的淀積方法覆蓋式（過(guò)程復(fù)雜，費(fèi)用高，但比較成熟）選擇式（存在問(wèn)題，如選擇性差、橫向擴(kuò)展、空洞形成）第七章：光刻與刻蝕工藝ULSI 中對(duì)光刻的基本要求高分辨率在集成電路工藝中， 通常把線(xiàn)寬作為光刻水平的標(biāo)志， 一般也可以用加工圖形線(xiàn)寬的能力 來(lái)代表集成電路的工藝水平。 高靈敏度的光刻膠 光刻膠的靈敏度是指光刻膠的感光速度。 為了提高產(chǎn)品的產(chǎn)量，曝光時(shí)間越短越好。 確保光刻膠各項(xiàng)屬性均為優(yōu)異的前提下，提高光刻膠的靈敏度 低缺陷缺陷關(guān)系成品率 精密的套刻對(duì)準(zhǔn) 集成電路芯片的制作需要經(jīng)過(guò)多次光刻，在各次曝光圖形之間要

27、相互套準(zhǔn)。ULSI 的圖形線(xiàn)寬在 1 m 以下，通常采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。 大尺寸硅片上的加工ULSI 的芯片尺寸為 1 2cm2提高經(jīng)濟(jì)效益和硅片利用率光刻工藝流程 涂膠：在硅片表面形成厚度均勻、附著性強(qiáng)、并且沒(méi)有缺陷的光刻膠薄膜。 前烘：去除膠內(nèi)的溶劑，提高膠的粘附力提高膠的抗機(jī)械摩擦的能力 減小高速旋轉(zhuǎn)形成的薄膜應(yīng)力 曝光：確定圖案的精確形狀和尺寸 完成順序兩次光刻圖案的準(zhǔn)確套制 顯影： 堅(jiān)膜：去除光刻膠中剩余的溶劑，增強(qiáng)光刻膠對(duì)硅片表面的附著力 提高光刻膠在刻蝕和離子注入過(guò)程中的抗蝕性和保護(hù)能力 刻蝕 去膠：經(jīng)過(guò)刻蝕或離子注入后，將光刻膠從表面除去 檢驗(yàn)SiO2 表面是親水性的，光刻膠是疏水

28、性的分辨率： 每 mm 內(nèi)能刻蝕出可分辨的最多線(xiàn)條數(shù)，是對(duì)光刻工藝中可以達(dá)到的最小光刻圖 形尺寸的一種描述R 1 mm 12L光刻膠分為正膠和負(fù)膠 主要有兩種光刻膠： 正膠：曝光后顯影時(shí)曝光部分被溶解，而沒(méi)有曝光的部分留下來(lái) 鄰疊氮醌類(lèi) 負(fù)膠：曝光后顯影時(shí)沒(méi)有曝光部分被溶解， 而曝光的部分留下來(lái)聚乙烯醇肉桂酸酯和聚 乙烯氧乙基肉桂酸酯實(shí)際工藝中正膠用的比較多，原因如下：a. 分辨率高b. 抗干法腐蝕的能力較強(qiáng)c. 抗熱處理的能力強(qiáng)d. 可用水溶液顯影，溶漲現(xiàn)象小e. 可涂得較厚 （2-3um） 不影響分辨率，有較好臺(tái)階覆蓋性f. 適合 1：1 及縮小的投影光刻 負(fù)膠也有一些優(yōu)點(diǎn)，如 : 粘附性

29、好，抗?jié)穹ǜg能力強(qiáng)等 對(duì)比度、光敏度和抗刻蝕能力對(duì)比度：對(duì)比度會(huì)直接影響到曝光后光刻膠膜的傾角和線(xiàn)寬。光刻膠的對(duì)比度越高， 光刻膠層的側(cè)面越陡， 線(xiàn)寬描述掩模尺寸的準(zhǔn)確度就越高。 且陡峭 的光刻膠在干法刻蝕中可以減小刻蝕過(guò)程中的鉆蝕效應(yīng)，從而提高分辨率。光敏度：指光刻膠完成所需圖形曝光的最小曝光劑量 曝光劑量（ mj/cm 2）光強(qiáng)（單位面積的功率）曝光時(shí)間 光敏度由曝光效率決定曝光效率：參與光刻膠曝光的光子能量與進(jìn)入光刻膠中的光子能量的比值 正膠比負(fù)膠有更高的曝光效率，故正膠的光敏度大，光敏度大可減小曝光時(shí)間 抗刻蝕能力 圖形轉(zhuǎn)移時(shí)，光刻膠抵抗刻蝕的能力。光刻膠對(duì)濕法腐蝕有比較好的抗腐蝕能

30、力， 對(duì)大部分的干法刻蝕， 光刻膠的抗刻蝕能力 則比較差投影曝光的兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)， 3um 優(yōu)點(diǎn)：樣品與掩膜版不接觸，避免缺陷產(chǎn)生掩膜板不易損壞，可仔細(xì)修整 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求高，產(chǎn)率低 過(guò)刻蝕和選擇比計(jì)算濕法和干法刻蝕的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)濕法刻蝕（液態(tài)溶液，化學(xué)反應(yīng)）工藝簡(jiǎn)單 選擇性好 操作方便各向同性 精細(xì)線(xiàn)條難以刻蝕 大量的顆粒污染化學(xué)廢液干法刻蝕 （等離子體， 化學(xué)反應(yīng)物理濺射）較高的各向異性 能形成更小的特征尺寸 等離子體可以容易的開(kāi)始和結(jié)束 溫度不敏感 工藝重復(fù)性好更少的顆粒玷污 很少的化學(xué)廢液選擇性比較差 設(shè)備復(fù)雜三種干法刻蝕的對(duì)比等離子刻蝕：化學(xué)反應(yīng)，高速率，高選擇比，低缺陷，

31、但各向同性濺射刻蝕（粒子銑） ：物理濺射，各向異性，低選擇比，高缺陷反應(yīng)粒子刻蝕：化學(xué)和物理雙重作用，各性能介于二者之間 共同點(diǎn)：都是利用低壓狀態(tài)下氣體放電來(lái)形成等離子體作為刻蝕基礎(chǔ) 不同點(diǎn)：刻蝕系統(tǒng)壓力：等 反 濺；溫度：等 反 濺；功率：反之；氣流等相關(guān)可控參 數(shù)。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)干法刻蝕分辨率高 各向異性腐蝕能力強(qiáng) 均勻性重復(fù)性好 便于連續(xù)自動(dòng)操作成本高選擇比一般較低濕法刻蝕成本低廉 選擇比高各向同性 腐蝕速率難以控制第 7章 金屬化與多層相連互連線(xiàn)延遲與 RCwlRC lwtm toxl2tmtox鋁的優(yōu)點(diǎn)，尖楔現(xiàn)象和電遷移及改進(jìn)方法鋁作為互連金屬材料的優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用最廣泛的互聯(lián)材料電阻率低， 2

32、.7u ?cm與 n+和 p+硅或多晶硅的歐姆接觸電阻低， 106 /cm2與硅和磷硅玻璃的附著性很好易于淀積和刻蝕 鋁作為互連金屬材料的缺點(diǎn)： Al/Si 接觸的尖楔現(xiàn)象 在較大的電流密度下的電遷移現(xiàn)象 Al/Si 接觸中的尖楔現(xiàn)象：V 2 Dt w d s nAl /nSiwdZ 2 Dt A s nAl /nSi硅向鋁中擴(kuò)散，同時(shí)鋁也向硅中擴(kuò)散，形成尖楔，可能會(huì)造成pn 結(jié)失效Al/Si 接觸的改進(jìn)方法：a. 鋁-硅合金金屬化引線(xiàn)b. 鋁-摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)c. 鋁-阻擋層結(jié)構(gòu)d. 其它方法減小鋁體積 采用 Al/ 阻擋層 /Al-Si-Cu降低 Si 在 Al 中的擴(kuò)散系數(shù) 電遷移現(xiàn)象： 在較高的電流密度作用下， 互連引線(xiàn)中的金屬原子將會(huì)沿著電子運(yùn)動(dòng)方向進(jìn) 行遷移，這種現(xiàn)象就是電遷移 (EM) 。改進(jìn)電遷移的方法：a. 結(jié)構(gòu)的選擇 竹狀結(jié)構(gòu)，晶粒間界垂直電流方向b. 鋁- 銅合金