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硅工艺简易笔记第二章 氧化n SiO2作用：a.杂质扩散掩蔽膜和离子注入屏蔽膜b.器件表面保护或钝化膜c. MOS电容介质材料d. MOSFET绝缘栅材料e. 电路隔离介质或绝缘介质2.1 SiO2结构和性质n Si-O4四面体中氧原子： 桥键氧为两个Si原子共用，是多数； 非桥键氧只和一个Si原子联结，是少数；n 无定形SiO2网络强度：和桥键氧数目成正比，和非桥键氧数目成反比。2.2.1 杂质在SiO2中存在形式1.网络形成者：即替位式杂质，替换Si，如B、P、Sb等。其特 点是离子半径和Si靠近。n 族杂质元素：价电子为3，只和3个O形成共价键，剩下1 个O 变成非桥键氧，造成网络强度降低。 n 族杂质元素：价电子为5，和4个O形成共价键，多出1个 价电子和周围非桥键氧形成桥键氧，网络强度增加。 2.网络改变者：即间隙式杂质，如Na、K、Pb、Ca、 Ba、Al等。 其特点是离子半径较大，多以氧化物形式掺入；结果使非桥键氧增加，网络强度降低。2.2.2 杂质在SiO2中扩散系数n 扩散系数:DSiO2=D0exp(-E/kT) D0-表观扩散系数（E/kT 0时扩散系数） E-杂质在SiO2中扩散激活能n B、P、AsDSiO2比DSi小，Ga、AlDSiO2比DSi大得多，NaDSiO2 和DSi全部大。2.3.1 硅热氧化n 定义：在高温下，硅片（膜）和氧气或水汽等氧化剂化学反应生成SiO2。1.干氧氧化：高温下，氧气和硅片反应生成SiO2n 特点速度慢； 氧化层致密，掩蔽能力强； 均匀性和反复性好； 表面和光刻胶粘附性好，不易浮胶。2.水汽氧化：高温下，硅片和高纯水蒸汽反应生成SiO2n 特点：氧化速度快； 氧化层疏松质量差； 表面是极性硅烷醇-易吸水、易浮胶。3.湿氧氧化氧气中携带一定量水汽n 特点：氧化速率介于干氧和水汽之间； 氧化层质量介于干氧和水汽之间；4.掺氯氧化在干氧中掺少许Cl2、HCl、C2HCl3 （TCE）、 C2H3Cl3 （TCA） 掺氯作用：吸收、提取大多数有害重金属杂质及 Na+，减弱Na+正电荷效应。 注意安全：TCE可致癌；TCA高温下可形成光气 （COCl2），俗称芥子气，是高毒物质， 而且TCA会对臭氧造成破坏。2.3.2 热氧化生长动力学，时间常数，反应了初始氧化层对后继热氧化影响（初始氧化层修正系数）。2.4.1 决定氧化速率常数原因1.氧化剂分压Bpg ， B/Apg ； （线性关系） 2.氧化温度n 和抛物型速率常数B关系： B=2DOX C*/N1 Dox =D0 exp(-E/kT) B和氧化温度是指数关系 不管干氧、湿氧，氧化 温度和B/A是指数关系2.4.2 影响氧化速率其它原因1.硅表面晶向 DOX和Si片晶向无关，ks和Si表面原子密度 (键密度）成正比； 抛物型速率常数B=2DOX C*/N1，和Si晶向无关； 线性速率常数B/A ksC*/N1，和Si晶向相关： 所以（111）面B/A比 （100）面大。 2.杂质硼：在SiO2中是慢扩散，且分凝系数m1 氧化再分布后：少许P分凝到SiO2中，使氧化剂在SiO2中扩散能力增加不多，所以抛物型速率常数B改变不大；大部分P集中在Si表面，使线性速率常数B/A显著增大。水汽n 干氧中，极少许水汽就会影响氧化速率；n 水汽会增加陷阱密度。钠n 钠以Na2O形式进入SiO2中，使非桥键氧增加，氧化剂扩散能力增加，但SiO2强度下降了。氯n 氯作用：固定重金属、Na+等杂质；增加Si中少子寿命；降低SiO2中缺点；降低界面态和固定电荷密度；降低堆积层错。2.5 热氧化杂质再分布n 分凝系数m=杂质在Si中平衡浓度/杂质在SiO2中平衡浓度对同一杂质、同一温度条件，在平衡状态下，m是一 个常数。由m可判定在界面处杂质分布情况。n 四种分凝现象：依据m1和快、慢扩散 m1、 SiO2中慢扩散：B m1、 SiO2中慢扩散：P m1、 SiO2中快扩散：Gan 影响Si表面杂质浓度原因： 分凝系数m DSiO2/DSi 氧化速率/杂质扩散速率1. P再分布（m=10）n CS/CB：水汽干氧 原因：氧化速率越快，加入 分凝杂质越多；CS/CB随温度升高而下降。2. B再分布（m=0.3）n CS/CB：水汽900）快速氧化3.化学改善氧化层工艺：引入Cl、F、N2、NH3、N2O4. CVD和叠层氧化硅第三章 扩 散n 掺杂：将所需杂质，以一定方法掺入到半导体基 片要求区域内，并达成要求数量和符合要 求分布。n 扩散：将掺杂气体导入放有硅片高温炉中，从而达 到将杂质扩散到硅片内目标。间隙式扩散-杂质在晶格间间隙中运动（扩散）势垒间隙位置势能相对极小，相邻两间隙之间 是势能极大位置，必需越过一个势垒Wi。替位式扩散 定义杂质原子从一个晶格点替位位置运动到另一个替位位置。势垒-和间隙式相反，势能极小在晶格位置，间隙处 是势能极大位置，必需越过一个势垒WS。3.2 扩散系数和扩散方程0 振动频率n D0表观扩散系数，即1/kT 0时扩散系数n E激活能；间隙扩散： E = Wi， 替位扩散： E = Ws+ Wv3.3.1 恒定表面源扩散n 定义: 在扩散过程中，Si片表面杂质浓度一直 不变（等于杂质在Si中溶解度）。 比如：预淀积工艺、箱法扩散工艺3.3.2 有限表面源扩散3.3.3 两步扩散工艺n 第一步：在较低温度（800900）下，短时间得 浅结恒定源扩散，即预淀积（预扩散）； 第二步：将预淀积晶片在较高温度下（1000 1200）进行深结扩散，最终达成所要求 表面浓度及结深，即再分布（主扩散）。3.4 影响杂质分布其它原因3.4.2 扩散系数和杂质浓度关系3.4.3 氧化增强扩散（OED）n 试验结果：P、B、As等在氧化气氛中扩散增强。3.4.4 发射区推进（陷落）效应n 试验现象：NPN 管工艺中，发射区下方内基区B扩散深度大于发射区(P扩散形成)外基区扩散深度。3.4.5 二维扩散（横向扩散）n 实际扩散：杂质在垂直Si表面扩散同时，也进行平行Si表面横向扩散。扩散层方块电阻 Rs（R）第四章 离子注入n 离子注入:将带电、且含有能量粒子入射到衬 底中过程。特点：注入温度低:对Si，室温；对GaAs, ks时， Cs Cg ，n 反应控制；b. hg ks，G=（CTksY)/N1 ，反应控制；hg ks， 反应控制过程，故 G和T呈指数关系；n 高温下，hg ks， 质量输运控制过程， hg对T不敏感，故 G趋于平稳。6.2.4 CVD技术1. APCVD（常压 CVD ）n 定义：气相淀积在1个大气压下进行；n 淀积机理：气相质量输运控制过程。n 优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便；n 缺点：均匀性差；台阶覆盖差； 易发生气相反应，产生微粒污染。n 可淀积薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄 膜。2. LPCVD（低压 CVD ）n 定义：在27270Pa压力下进行化学气相淀积。n 淀积机理：表面反应控制过程。n 优点：均匀性好（35，APCVD： 10）； 台阶覆盖好；效率高、成本低。n 缺点：淀积速率低；温度高。n 可淀积薄膜： poly-Si、 Si3N4 、 SiO2、PSG、 BPSG、W等。3. PECVD（等离子体增强CVD）n 定义: RF激活气体分子（等离子体）,使其在低温 （室温）下发生化学反应，淀积成膜。n 淀积机理：表面反应控制过程。n 优点：温度低（200350）；更高淀积速率；附着 性好；台阶覆盖好；电学特征好；n 缺点：产量低；n 淀积薄膜：金属化后钝化膜（ Si3N4 ）；多层布 线介质膜（ Si3N4 、SiO2）。6.3.2 CVD多晶硅n 工艺：LPCVD热分解（通常关键采取）；气体源：气态SiH4；总反应式： SiH4（吸附) = Si（固体)+2H2(g)n 特点： 和Si及SiO2接触性能愈加好； 台阶覆盖性好。n 缺点： SiH4易气相分解。n 用途：欧姆接触、栅极、互连线等材料。6.4.1 CVD SiO2方法1. 低温CVD 气态硅烷源 n 硅烷和氧气： APCVD、LPCVD、PECVD n 硅烷和N2O（NO） ：PECVDn 优点：温度低；反应机理简单。n 缺点：台阶覆盖差。 液态TEOS源：PECVDn 淀积机理： Si(OC2H5)4+O2 250-425 SiO2+H2O+CXHYn 优点：安全、方便；厚度均匀；台阶覆盖好。n 缺点：SiO2膜质量较热生长法差； SiO2膜含C、有机原子团。2. 中温LPCVD SiO2n 温度：680-730n 化学反应：Si(OC2H5)4 SiO2+2H2O+4C2H4n 优点：很好保形覆盖； 缺点：只能在Al层淀积之前进行。6.5 CVD Si3N4n Si3N4薄膜用途： 最终钝化膜和机械保护层； 掩蔽膜：用于选择性氧化； DRAM电容绝缘材料； MOSFETs中侧墙； 浅沟隔离CMP停止层。第七章 外延 定义：在单晶衬底上，按衬底晶向生长一层新单 晶薄膜工艺技术。n 应用 双极器件和电路： 轻掺杂外延层较高击穿电压； 重掺杂衬底降低集电区串联电阻。 CMOS电路： 避免了闩锁效应：降低漏电流。 外延分类 按工艺分类：n 气相外延（VPE）：硅关键外延工艺；n 液相外延（LPE）：-化合物外延；n 固相外延（SPE）：离子注入退火过程；n 分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy）7.1.2 外延生长模型 生长步骤 传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面； 吸附：反应物吸附在Si表面； 化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物； 脱吸：副产物脱离吸附； 逸出：脱吸副产物从表面转移到气相，逸出反应室； 加接：生成Si原子加接到晶格点阵上，延续衬底晶向；n 生长特征：横向二维层层生长。（注意和CVD区分）7.1.3 化学反应H2还原SiCl4体系n 生长总反应：SiCl4 + 2H2 Si(s)+4HCl(g)7.1.4 生长速率和温度关系B区为高温区，外延生长为质量运输（扩散控制），外延通常选择此区，优点：1.对于温度控制精度要求不是太高 2.高温区外延时，硅原子含有很强迁移能力，易生成单晶A区为低温区，外延生长为反应控制7.1.5 生长速率和反应剂浓度关系BA注意：氯硅烷氢还原法外延层生长速度关键受两个原因控制，一是释放硅原子速度，二是释放硅原子在衬底生成单晶外延层速度。A点之前，释放速度生长速度，B点以后多氯硅烷开始产生腐蚀效应。7.1.6 生长速率v和气体流速U关系n SiCl4外延温度：1200，输运控制； n 故，v随U增大而增加。7.2 外延层杂质分布7.2.2 扩散效应n 扩散效应：衬底杂质和外延层杂质相互扩散，造成界 面处杂质再分布；7.2.3 自掺杂效应（非有意掺杂）n 定义：衬底杂质及其它起源杂质非人为地掺入外延层。7.3 低压外延（5-20kPa）n 低压作用：减小自掺杂效应；n 优点：n 杂质分布陡峭；n 厚度及电阻率均匀性改善；n 外延温度随压力降低而下降；n 降低了埋层图形畸变和漂移；7.4 选择性外延n SEG ：在特定区域有选择地生长外延层；n 原理：Si在SiO2或Si3N4上极难核化成膜；n 选择性：特定区域；硅源。n 硅源选择性次序：SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4；7.6 SOS及SOI技术SOI技术特点和优势n 1速度高 ：在相同特征尺寸下，工作速度可提升n 30-40； n 2功耗低： 在相同工作速度下，功耗可降低n 50 - 60； n 3尤其适合于小尺寸器件；n 4尤其适合于低压、低功耗电路；n 5集成密度高 ： 封装密度提升约40；n 6低成本： 最少少用三块掩模版，降低13%-20% n （30）工序；n 7耐高温环境： 工作温度300-500；n 8抗辐照特征好： 是体硅器件50-100倍。7.7 分子束外延（MBE）n 原理：在超高真空下，利用薄膜组分元素受热蒸发所 形成原子或分子束，直接射到衬底表面，形 成外延层。n 应用：元素半导体Si、Ge 化合物半导体-GaAs、GaN、SiGen MBE特点： 温度低； 生长速度低； 化学组成及掺杂浓度正确可控； 厚度可正确控制到原子级；第八章 光刻和刻蚀工艺n 光刻：经过光化学反应，将光刻版（mask）上图形 转移到光刻胶上。n 刻蚀：经过腐蚀，将光刻胶上图形完整地转移到Si片上n 光刻三要素： 光刻机 光刻版（掩膜版） 光刻胶8.1 光刻工艺步骤n 关键步骤： 涂胶、前烘、曝光、显影、 坚膜、刻蚀、去胶。n 两种基础工艺类型：负性光刻和正性光刻。8.1.1 涂胶1.涂胶前Si片处理(以在SiO2表面光刻为例)n SiO2:亲水性；光刻胶：疏水性；脱水烘焙:去除水分HMDS：增强附着力2.涂胶对涂胶要求：粘附良好，均匀，薄厚合适n 胶膜太薄针孔多，抗蚀性差；n 胶膜太厚分辨率低（分辨率是膜厚58倍）8.1.2 前烘作用：促进胶膜内溶剂充足挥发，使胶膜干燥； 增加胶膜和SiO2 （Al膜等）粘附性及耐磨性。影响原因：温度，时间。8.1.3 曝光： 光学曝光、X射线曝光、电子束曝光光学曝光紫外，深紫外）光源：n 高压汞灯：产生紫外(UV）光， 光谱范围为350 450nm。n 准分子激光器：产生深紫外(DUV）光， 光谱范围为180nm330nm。）曝光方法 a.接触式：硅片和光刻版紧密接触。 b.靠近式：硅片和光刻版保持5-50m间距。 c.投影式电子束曝光： 几十100；n 优点： 分辨率高； 不需光刻版（直写式）；n 缺点：产量低；邻近效应因为背散射使大面积光刻胶层发生程度不一样曝光，造成大面积图形模糊，造成曝光图形出现畸变。n 减小邻近效应方法：减小入射电子束能量，或采取低原子序 数衬底和光刻胶。X射线曝光 2 40 ，软X射线；X射线曝光特点：分辨率高，产量大。缺点：存在图形畸变(半影畸变和几何畸变)。8.1.4 显影作用：将未感光负胶或感光正胶溶解去除，显现 出所需图形。 显影液：专用影响显影效果关键原因： ）胶膜厚度； ）前烘温度和时间； ）曝光时间； ）显影液浓度； ）显影液温度； 显影时间合适n t太短：可能留下光刻胶薄层阻挡腐蚀SiO2(金属） 氧化层“小岛”。n t太长：光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶 图形边缘破坏。8.1.5 坚膜作用：使软化、膨胀胶膜和硅片粘附更牢； 增加胶膜抗蚀能力。方法）恒温烘箱：180200，30min；）红外灯：照射10min，距离6cm。温度和时间）坚膜不足：腐蚀时易浮胶，易侧蚀；）坚膜过分：胶膜热膨胀翘曲、剥落 腐蚀时易浮胶或钻蚀。 若T300：光刻胶分解，失去抗蚀能力。8.1.6 腐蚀（刻蚀）对腐蚀液（气体）要求： 既能腐蚀掉裸露SiO2（金属），又不损伤光刻胶。腐蚀方法)湿法腐蚀：腐蚀剂是化学溶液。 特点：各向同性腐蚀。)干法腐蚀：腐蚀剂是活性气体，如等离子体。 特点：分辨率高；各向异性强。8.1.7 去胶湿法去胶n 无机溶液去胶：H2SO4（负胶）；n 有机溶液去胶：丙酮（正胶）；干法去胶：O2等离子体；8.2 分辨率n 分辨率R表征光刻精度 光刻时所能得到光刻图形最小尺寸。 影响R关键原因：曝光系统（光刻机）： X射线（电子束）R高于紫外光。光刻胶：正胶R高于负胶；其它：掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。8.3 光刻胶基础属性8.3.1 对比度n 表征曝光量和光刻胶留膜率关系； 以正胶为例n 临界曝光量D0：使胶膜开始溶解所需最小曝光量；n 阈值曝光量D100：使胶膜完全溶解所需最小曝光量；8.3.3 光敏度S 完成所需图形最小曝光量；8.3.4 抗蚀能力n 表征光刻胶耐酸碱（或等离子体）腐蚀程度。8.6 紫外光曝光8.6.4 靠近式曝光n 硅片和光刻版保持5 50m间距。n 优点：光刻版寿命长。n 缺点：光衍射效应严重-分辨率低 （线宽3m）。8.6.5 接触式曝光n 硅片和光刻版紧密接触。n 优点：光衍射效应小，分辨率高。n 缺点：对准困难，掩膜图形易损伤，成品率低。8.6.6 投影式曝光n 利用光学系统，将光刻版图形投影在硅片上。n 优点：光刻版不受损伤，对准精度高。n 缺点：光学系统复杂，对物镜成像要求高。n 用于3m以下光刻。8.7 掩模版（光刻版）制造基版材料：玻璃、石英。 要求：透光度高，热膨胀系数和掩膜材料匹配。掩膜材料： 金属版（Cr版）：Cr2O3抗反射层/金属Cr / Cr2O3基层 特点：针孔少，强度高，分辨率高。乳胶版卤化银乳胶 特点：分辨率低（2-3 m），易划伤。8.7.4 移相掩模（PSM）n PSM：Phase-Shift Maskn 作用：消除干涉，提升分辨率；n 原理：利用移相产生干涉，抵消图形边缘光衍射效应。8.10 ULSI对图形转移要求8.11 湿法刻蚀n 特点：各相同性腐蚀。n 优点：工艺简单，腐蚀选择性好。n 缺点：钻蚀严重（各向异性差），难于取得精细图形。衬底膜胶 （刻蚀3m以上线条）n 刻蚀材料：Si、SiO2、Si3N4；8.12 干法腐蚀n 优点： 各向异性腐蚀强； 分辨率高； 刻蚀3m以下线条。n 类型：等离子体刻蚀：化学性刻蚀；溅射刻蚀：纯物理刻蚀；反应离子刻蚀（RIE）：结合 、；1.等离子体刻蚀原理 a.产生等离子体:刻蚀气体经辉光放电后，成为含有很强化学活性离子及游离基-等离子体。b.等离子体活性基团和被刻蚀材料发生化学反应。n 特点：选择性好； 各向异性差。2.溅射刻蚀原理a.形成能量很高等离子体；b.等离子体轰击被刻蚀材料， 使其被撞原子飞溅出来，形成刻蚀。n 特点：各向异性好；选择性差。n 刻蚀气体：惰性气体；3.反应离子刻蚀原理 同时利用了溅射刻蚀和等离子刻蚀机制；n 特点：各向异性和选择性兼顾。n 刻蚀气体：和等离子体刻蚀相同。第九章 金属化和多层互连9.2 Al应用9.2.1 铝膜制备方法n 要求：污染小，淀积 速率快，均匀性、 台阶覆盖好n 方法：真空蒸发法(电阻丝或电子束加热) 溅射法(现在主流，质量好)9.2.4 Al/Si接触改善Al-掺杂多晶Si 双层金属化结构经典工艺： 重磷（砷）掺杂多晶硅薄膜。优点：抑制铝尖楔； 抑制p+-n结； 作为掺杂扩散源。Al-阻挡层结构9.2.5 电迁移现象及其改善方法电迁移：大电流密度下发生质量（离子）输运。现象：在阳极端堆积形成小丘或须晶，造成电极间短路； 在阴极端形成空洞，造成电极开路。机理：在大电流密度作用下，导电电子和铝金属离子发生 动量交换，使金属离子沿电子流方向迁移。改善电迁移方法a.“竹状”结构：晶粒间界垂直电流方向。b.Al-Cu合金和Al-Si-Cu合金：Cu等杂质分凝降低Al在晶粒间界 扩散系数。c.三层夹心结构： 两层Al之间加一层约500金属过渡层， 如Ti、Hf、Cr、Ta。d.新互连线：Cu9.3 Cu及低K介质n 问题引出： 互连线延迟随器件尺寸缩小而增加；亚微米尺寸，互连延迟大于栅（门）延迟。9.3.5 Cu淀积处理：大马士革镶嵌工艺工艺步骤在低K介质层上刻蚀出Cu互连线用沟槽；9.5 VLSI和多层互连9.5.1 多层互连对VLSI意义1.使集成密度大大增加，集成度提升；2.使单位芯片面积上可用互连线面积大大增加；3.降低互连延迟：有效降低了互连线长度；使全部互连线靠近于平均长度；降低连线总电容随连线间隔缩小而增加效应；降低了连线间干扰，提升了频率；加紧了整个系统工作速度。4. 降低成本（现在Cu互连可高达10层）