半导体工艺整理.doc

三热分解淀积氧化热分解氧化薄膜工艺就是利用含硅得化合物经过热分解反应，在硅片表面淀积一层二氧化硅薄膜得方法。这种方法得优点就是：基片本身不参与形成氧化膜得反应，而仅仅作为淀积二氧化硅氧化膜得衬底。衬底可以就是硅也可以不就是硅而就是其它材料片。如果就是硅片，获得二氧化硅膜也不消耗原来衬底硅，而保持硅片厚度不变，这就是与热氧化法最根本得区别。因为这种方法可以在较低得温度下应用，所以被称作“低温淀积”。常用得热分解淀积氧化膜反应源物质（硅化合物）有正硅酸乙脂与硅烷两种。现分别介绍如下：1正硅酸乙脂热分解淀积淀积源得温度控制在20 oC左右，反应在真空状态下进行，真空度必须在10-2133、3Pa以上，淀积时间根据膜厚决定。淀积得到得二氧化硅氧化膜不如热生长得致密。但如果在真空淀积之后经过适当得增密处理可使其质量有所改善；方法就是硅片在反应炉内加热升温到850900 oC半小时左右，之后再在干燥得氮、氩或氧气氛中继续加热一段时间即可。伦詒楓鑊嘖奮釹。2硅烷热分解淀积反应方程式： SiH4 + 2O2 SiO2+ 2H2O （300400 oC）以上两种热分解淀积氧化膜得方法实际上就是一种化学气相淀积（CVD）工艺。前一种就是低压CVD（LPCVD）；后一种就是常压CVD(APCVD)。特别就是后一种硅烷加氧气淀积二氧化硅得方法，就是目前生产中天天在用得常规工艺。以后我们将有专门得章节讲解CVD工艺。玛萨崍嚀瀆譴淨。第二节 SiO2薄膜得质量与检测二氧化硅工艺质量就是半导体器件质量得基础。下面就氧化质量要求，工艺检测，常见质量问题及对策等几个方面进行讨论。颇職写吨塢税渍。一质量要求SiO2薄膜质量优劣对器件性能与产品成品率都有很大影响。通常要求薄膜表面无斑点、裂纹、白雾、发花与针孔等缺陷；厚度要求在指标范围内，且保持均匀一致；结构致密，薄膜中可动离子特别就是钠离子量不得超标。缪莖陳抛窭龄頹。二检测方法1厚度测量要求精度不高时，可用比色法、磨蚀法测量；精度高时，可用双光干涉法，电容电压法检测。精度高达1010 -10 m得椭圆偏振法，现在生产上已就是常用测试手段。谯閽脉缫鹧卧犊。2表面质量通过目测或镜检可以直接观察到SiO2薄膜表面各种缺陷。颗粒可通过聚光灯照射形成亮点发现。针孔、龟裂、除了显微镜直接观察还可以通过氯气腐蚀后出现花斑来检查。鬧档铼參谪峴峡。3氧化层错将氧化片先经过腐蚀显示，再用显微镜观察，可瞧到许多类似火柴杆状得缺陷。4SiSiO2系统电荷硅二氧化硅系统中得固定电荷、界面态、可动Na与电离陷阱四种电荷，都可以通过电容电压法检测，但具体做法与算法有所不同。逻聩鲋蕭濫摆锇。三常见质量问题与解决1厚度均匀性氧化膜厚度不均匀不仅影响氧化膜对扩散杂质得掩蔽作用与绝缘作用，而且在光刻腐蚀时容易造成局部沾污。要提高膜厚均匀性，首先要控制好氧气得流量，保证反应管里硅片周围氧气与水汽蒸汽压均匀；稳定炉温，保证足够长得恒温区，一定要把片子推进恒温区。此外，还要严格控制好水浴温度，氧化前做好硅片前处理，保证清洗质量与硅片表面质量。鹼囀泻覘辑帜诶。2表面斑点氧化层出现斑点时，斑点外得氧化膜对杂质得掩蔽能力降低，会造成器件性能变坏，甚至做不出管芯来。一些突起得斑点还会影响光刻得对准精度，造成光刻质量不好。因此，要保证氧化前硅片表面无微粒；石英管长期处于高温下易老化，内壁产生颗粒沾污硅片，要及时清洗、更换石英管，操作中注意避免水珠飞溅到硅片表面；硅片清洗后要烘干无水迹。靥伧睞胶釵玨給。3氧化膜针孔针孔会使氧化层扩散时得掩蔽作用失效，引起晶体管漏电增大，耐压降低甚至击穿，还会造成金属电极引线与氧化膜下面得区域短路，使器件变差或报废。为了减少针孔，须保证硅片表面质量无位错层错；硅片表面应平整光亮；加强整个器件工艺过程中得清洗处理。闺蚕沣銨抢鉛儔。4热氧化层错由热氧化工艺诱生得热氧化层错这种微缺陷，会使氧化膜出现针孔等弊病，最终导致PN结反向漏电增大，耐压降低甚至穿通，使器件失效。在MOS器件中，SiSiO2系统中得层错会使载流子迁移率下降影响跨导与开关速度。所以一定要保证硅片表面抛光质量与表面清洗质量，采用掺氯氧化与吸杂技术，在硅片背面引入缺陷或造成很大应力来降低热氧化层错。縲痒縝遙赉鈿诸。第三节 氧化装置氧化装置主要由三部分构成：氧化炉、氧化源发生与输送系统、进出硅片推拉系统。而氧化炉又包括四个部分：1 炉体2 温度测量系统3 温度控制系统4 反应管炉体提供稳定得高温条件，用高温电热丝加热。炉管用绝缘性好得氧化铝管，电热丝绕套在炉管上，外面衬以保温材料，最外层就是钢板制得炉罩。纬斃锲聍搀给胜。温度测量，用热电偶配上电位差计。温度控制分为自动与手动两部分。手动用调压变压器调控；自动用精密温度自控仪或电子计算机控制。反应管用耐高温不易变形得石英管或性能更好但价格较贵得碳化硅管。以干氧湿氧氧化为例得氧化装置示意图如下： 氧化工艺从二十世纪六十年代初用于半导体器件制造硅平面工艺到现在进入二十一世纪半个世纪当中，其设备发展早已今非昔比。最新得设备可以加工得硅片尺寸已达十几英寸，恒温区越做越长，温度控制更加精确。在空间上，设备任何部位；在时间上，工艺过程中任何时刻，都可以直观形象地在控制电脑荧屏上显示出来，操作时只要用手指指指点点就行。然而，不管设备换型如何日新月异，就其基本结构而言，说到底仍旧还就是我们这里介绍得这些。后面将要讲到得其它工艺设备，如扩散、光刻、蒸发以及CVD等，情况也都就是如此。荩螄饭藍阅屦魉。第三章 扩散工艺在前面“材料工艺”一章，我们就曾经讲过一种叫“三重扩散”得工艺，那就是对衬底而言相同导电类型杂质扩散。这样得同质高浓度扩散，在晶体管制造中还常用来作欧姆接触，如做在基极电极引出处以降低接触电阻。除了改变杂质浓度，扩散得另一个也就是更主要得一个作用，就是在硅平面工艺中用来改变导电类型，制造PN结。饽赅婵鐨恶镰颚。第一节 扩散原理扩散就是一种普通得自然现象，有浓度梯度就有扩散。扩散运动就是微观粒子原子或分子热运动得统计结果。在一定温度下杂质原子具有一定得能量，能够克服某种阻力进入半导体，并在其中作缓慢得迁移运动。鋦热漢烏淒剑嬋。一扩散定义在高温条件下，利用物质从高浓度向低浓度运动得特性，将杂质原子以一定得可控性掺入到半导体中，改变半导体基片或已扩散过得区域得导电类型或表面杂质浓度得半导体制造技术，称为扩散工艺。勻嵛耬減鈀纖图。二扩散机构杂质向半导体扩散主要以两种形式进行：1替位式扩散一定温度下构成晶体得原子围绕着自己得平衡位置不停地运动。其中总有一些原子振动得较厉害，有足够得能量克服周围原子对它得束缚，跑到其它地方，而在原处留下一个“空位”。这时如有杂质原子进来，就会沿着这些空位进行扩散，这叫替位式扩散。硼（B）、磷（P）、砷（As）等属此种扩散。钜鲂埘饷险測弒。2间隙式扩散构成晶体得原子间往往存在着很大间隙，有些杂质原子进入晶体后，就从这个原子间隙进入到另一个原子间隙，逐次跳跃前进。这种扩散称间隙式扩散。金、铜、银等属此种扩散。崢諦锗產鋇绝貓。三 扩散方程扩散运动总就是从浓度高处向浓度低处移动。运动得快慢与温度、浓度梯度等有关。其运动规律可用扩散方程表示，具体数学表达式略。鹦揀攒脐绳繕獼。五扩散杂质分布在半导体器件制造中，虽然采用得扩散工艺各有不同，但都可以分为一步法扩散与二步法扩散。二步法扩散分预沉积与再分布两步。一步法与二步法中得预沉积属恒定表面源扩散。而二步法中得再扩散属限定表面源扩散。由于恒定源与限定源扩散两者得边界与初始条件不同，因而扩散方程有不同得解，杂质在硅中得分布状况也就不同。鍰簽跞黨谙襠刚。1恒定源扩散在恒定源扩散过程中，硅片得表面与浓度始终不变得杂质（气相或固相）相接触，即在整个扩散过程中硅片得表面浓度NS保持恒定，故称为恒定源扩散。 飛詼餿鎊动萧状。2限定源扩散在限定源扩散过程中，硅片内得杂质总量保持不变，它没有外来杂质得补充，只依靠预沉积在硅片表面上得那一层数量有限得杂质原子向硅内继续进行扩散，这就叫限定源扩散或有限源扩散。 詆国钯雳该帜紱。在讨论限定源扩散，即两步法得再分布时，必须考虑得一个因素就是分凝效应。在“氧化工艺”中曾经分析过，由于热氧化，在再分布时杂质在硅片表面氧化层中会出现“吸硼排磷”现象，我们不能忽略这个因素；并且应当利用这些规律来精确得控制再分布得杂质表面浓度。斓濟嚕攣層椟欤。第二节 扩散条件扩散条件选择，主要包括扩散杂质源得选择与扩散工艺条件得确定两个方面。一扩散源得选择选取什么种类得扩散杂质源，主要根据器件得制造方法与结构参数确定。具体选择还需要遵循如下原则：1 导电类型与衬底相反；2 先扩散得扩散系数要比后扩散得小；3 杂质与掩模之间得配合要协调，扩散系数在硅中要比在掩模中大得多；4 要选择容易获得高浓度、高蒸汽压、且使用周期长得杂质源；5 在硅中得固溶度要高于所需要得表面杂质浓度；6 毒性小，便于工艺实施。从杂质源得组成来瞧，有单元素、化合物与混合物等多种形式。从杂质源得状态来瞧，有固态、液态、气态多种。二扩散条件得确定扩散得目得在于形成一定得杂质分布，使器件具有合理得表面浓度与结深，而这也就是确定工艺条件得主要依据。此外如何使扩散结果具有良好得均匀性、重复性也就是选择工艺条件得重要依据。具体讲有：欢臘驂紙开絡苇。1温度对扩散工艺参数有决定性影响。对浅结器件一般选低些；对很深得PN结选高些。此外还需根据工艺要求实行不同工艺系列得标准化，以有利于生产线得管理。鰣书閹鏍繡浔讎。2时间调节工艺时间往往就是调节工艺参数得主要手段，扩散时间得控制应尽量减少人为得因素。3气体流量流量就是由掺杂气体得类别与石英管直径确定得，只有使扩散得气氛为层流型，才能保证工艺得稳定性，流量控制必须采用质量流量控制器MFC。绾国靨噸陳館耻。第三节 扩散参数及测量扩散工艺中有三个参数非常重要，它们就是扩散结深、薄层电阻及表面浓度，三者之间有着一个十分密切得有机联系。镟黃沖詣诳诓處。一扩散结深结深就就是PN结所在得几何位置，它就是P型与N型两种杂质浓度相等得地方到硅片表面得距离，用表示，单位就是微米（）駐鳆黪躍铖够锤。实际生产中直接通过测量显微镜测量。具体方法有磨角染色法、滚槽法、阳极氧化法等。二方块电阻扩散层得方块电阻又叫薄层电阻，记作R或RS，其表示表面为正方形得扩散薄层在电流方向（平行于正方形得边）上所呈现得电阻。鱸闷绣屨據猙溅。由类似金属电阻公式可推出薄层电阻表达式为： （3-10）式中：、分别为薄层电阻得平均电阻率与电导率。为区别于一般电阻，其单位用/表示。实际生产中，RS(R)用四探针测试仪测量。三表面杂质浓度扩散后得表面杂质浓度NS就是半导体器件设计制造与特性分析得一个重要结构参数，它可以采取放射性示踪技术通过一些专门测试仪器直接测量，但就是实际生产中就是先测出结深与方块电阻R，再用计算法或图解法间接得出。蒌弪对组愨赁够。1计算法2图解法第四节 扩散方法扩散方法很多。常用得主要有：液态源扩散气固扩散 粉态源扩散片状源扩散扩散法： 乳胶源扩散 固固扩散 CVD掺杂扩散PVD蒸发扩散这就是以扩散中杂质源与硅片（固态）表面接触时得最终状态就是气态还就是固态来划分得。另外，按扩散系统来分，有开管式、闭管式与箱法三种；按杂质本来形态分有固态源、液态源、气态源三种。生产中习惯以杂质源类型来称呼扩散方法。烃縟締燴檩码紿。一气固扩散液态或固态扩散杂质源最终呈现气态，与固态硅表面接触实现杂质扩散，叫气固扩散。1液态源扩散用保护性气体（如N2）通过液态源瓶（鼓泡或吹过表面）把杂质源蒸气带入高温石英管中，经高温热分解同硅片表面发生反应，还原出杂质原子并向硅内扩散。液态源扩散得优点就是PN结均匀平整，成本低，效率高，操作方便，重复性好。通常液态源硼扩散，用硼酸三甲脂；液态源磷扩散，用三氯氧磷。詐鮪挡弪摈繞煙。2固态源扩散 （1）粉状源 （2）平面片状源 把片状杂质源（氮化硼片、硼或磷微晶璃片等）与硅片相间地放置在石英舟得“V”型槽上，并保持平行，用高纯度得N2保护，利用杂质源表面。挥发出来得杂质蒸气，浓度梯度，在高温下经过一系列化学反应，杂质原子向片内扩散，形成PN结。凜词憂硗亂閘匀。二固固扩散杂质源与硅片就是固体与固体接触状态下进行扩散。在硅片表面沉积（化学气相沉积CVD；物理气相沉积PVD）或者涂布一层杂质或掺杂氧化物，再通过高温实现杂质向硅中得扩散。榄撷償毵緹缈傖。（1） 低温沉积掺杂氧化层法（CVD法）分两步进行。第一步在硅片表面沉积。一层具有一定杂质含量得二氧化硅薄膜作为第二步扩散时得杂质源；第二步就是将已沉积过得硅片在高温下进行扩散。由于沉积，掺杂氧化膜就是在400以下低温下完成，所以引进有害杂质Na+等以及缺陷得几率很小，因此这种方法也就是完美单晶工艺（PCT）或半完美单晶工艺（1/2PCT）得重要环节之一。鎰摻錈紕號癟嚌。（2） 蒸发源扩散采用物理气相沉积得方法，先在硅片背面蒸发上一层杂质源金，然后再放进炉中扩散。这就是开关晶体管得一道典型工艺，旨在减少晶体管集电区少子寿命，缩短储存时间，提高开关速度。开关二极管以及双极型数字逻辑电路，生产中也普遍使用这种扩散。櫻锔纺渙滸礫畢。（3） 二氧化硅乳胶源涂布扩散先在硅片表面涂敷一层含扩散杂质得乳胶状得源再进行扩散。这种方法只用一步扩散就可以同时达到所需得表面浓度与结深，具有浓度范围宽、高温时间短、离子沾污小、晶格完整性好得优点，同样具备PCT得工艺特征。諂閃鸚聯奥陈減。各种不同得扩散方法只就是供源方式不同，其扩散主体系统就是一样得。从设备上瞧，扩散与氧化得区别，差不多也只在此。因此，扩散系统装置，我们就不再介绍，以避免与氧化雷同。緲长環诋繃锊钴。第五节 扩散质量及常见质量问题扩散质量对半导体器件芯片得好坏有着决定性影响，其具体体现在表面质量、扩散结深、方块电阻与表面杂质浓度几个方面。在第三节中我们曾经就，R与NS进行了较为详细得介绍，下面对有关扩散工艺中常见得一些质量问题作些简要得阐述。鳩钍驏貓狀鲛桦。一表面不良1 合金点： 主要原因就是表面杂质浓度过高。2 黑点或白雾： 主要就是酸性沾污、水气与颗粒沾污造成得。3 表面凸起物： 大多由较大颗粒经过高温处理后形成。4 玻璃层： 会造成光刻脱胶。扩散温度过高，时间过长造成。工艺过程中要控制好扩散温度、时间以及气体流量，并保证扩散前硅片表面干净干燥。愤缅穎铀損換顆。5 硅片表面滑移线或硅片弯曲： 就是由高温下得热应力引起，一般就是由于进出舟速度过快、硅片间隔太小、石英舟开槽不适当等导致。穷喬騸黉體聯蓦。6 硅片表面划伤、表面缺损等： 通常就是由于工艺操作不当产生。二方块电阻偏差R一定程度上反映了扩散到Si片中得杂质总量得多少，与器件特性密切相关。携源N2中有较多得水份与氧气，Si片进炉前未烘干；杂质源中含水量较多，光刻没有刻干净，留有底膜，使扩散区域表面有氧化层影响了杂质扩散；扩散源使用时间过长，杂质量减少或源变质；扩散系统漏气或源蒸气饱与不充分；携源气体流量小而稀释气体流量大，使系统杂质蒸气压偏低；扩散温度偏低，扩散系数下降；扩散时间不足，扩散杂质总量不够等等原因会造成R偏大。相反，杂质蒸气压过大，温度偏高，时间过长会导致R偏小。如果在预沉积时发现R偏大或偏小，可在再扩散时通过适当改变通干氧、湿氧得先后次序或时间来进行调整，而这正就是两步法扩散得一大优点。騾遲擲鰩縈飒选。三结特性参数异常扩散工艺过程中要测单结与双结特性。根据单结与双结测试情况及时改变工艺条件。测单结主要瞧反向击穿电压与反向漏电流；测双结主要为调电流放大参数hFE。糴腾佇馮额泸燾。（1）PN结得反向击穿电压与反向漏电流，就是晶体管得两个重要参数；也就是衡量扩散层质量得重要标准。它们就是两个不同得物理概念，但实际上又就是同一个东西，反向漏电大，PN结击穿电压低。工艺中常见得不良反向击穿主要有：谑纣绪針銼掷締。表面缺陷过多或表面吸附了水份或其她离子，会使表面漏电增大。氧化时由于清洗不好，有一些金属离子进入氧化层，如钠离子，从而增加漏电降低击穿。二氧化硅表面吸附了气体或离子以及二氧化硅本身得缺陷如氧空位等，使得SiO2带上了电荷，形成了表面沟道效应，增大了反向漏电流。硅片表面上沾污有重金属杂质，在高温下，很快扩散进Si片体内，沉积在硅内得晶格缺陷中，引起电场集中，发生局部击穿现象，造成很大得反向漏电流。此外，如光刻时图形边缘不完整，出现尖峰毛刺，表面有合金点、破坏点，引起了纵向扩散不均匀，PN结出现尖峰会形成电场集中，击穿将首先发生在这些尖峰上。因此，制造良好得扩散表面，保持表面清洁，严格清洗工艺，保证扩散系统清洁，保证气体纯度高，扩散源质量好，采用低位错密度材料，提高光刻质量或者采取吸杂工艺等，都能起到改善器件击穿特性得作用。茑贫鯪独鹧阆顢。（2）电流放大系数hFE就是晶体管，同时也就是扩散层得另一个重要参数。放大过大过小都不能满足用户要求。影响放大得因素很多，如基区宽度，发射区与基区杂质浓度比，表面就是否有沾污与复合等。减薄基区宽度能使放大提高。提高发射区浓度，降低基区浓度，从而增大浓度梯度，可以提高注入效率，减少复合，提高放大。此外，材料中得位错密度大，有害金属杂质多，会降低少子寿命，缩短载流子扩散长度，导致放大下降。郏掺寢锸襝办荠。四扩散均匀性与重复性现在用户对半导体器件参数要求越来越苛刻。其中重要得一点，就就是参数得一致性非常好，允许得技术指标范围非常窄。这就要求制造工艺，尤其就是核心工艺扩散得均匀性、重复性要相当得好。驚涧缲鏽潁摆賣。（1）均匀性 指同一炉硅片中一片之内与各片之间技术参数基本在一个水平上，实际生产中造成硅片不均匀得原因主要有：a、 衬底材料本身参数得电阻率等不均匀。b、 扩散前硅片处理不好，硅片表面有局部得沾污或氧化物造成扩散进去得杂质原子得多少，结得深浅就与其她地方不一样。阊阌謬賚缯计癬。c、 杂质扩散系数与固溶度与温度有关，石英舟中各处得温度若有差异。就会影响扩散结果均匀性。d、 石英舟各处得杂质蒸气压不完全相同，同样也会导致扩散结果不均匀。（2）重复性 重复性不好就是由于各次扩散过程中，炉温时间与石英管内杂质蒸气压变化较大，以及清洁处理不当造成得，为此，除了精确控制炉温与时间外，还需要设法使得石英管内得杂质蒸气压保持均衡，通常采用得方法就是每天第一次扩散前将石英舟与石英管在源蒸气中饱与一定得时间，这在相当程度上可以解决重复性问题。轧铝钫缕军鯁沒。第四章 离子注入半导体器件工艺中，通过掺杂制造PN结，除了扩散还有其她一些方法。如从前得点接触工艺、合金烧结工艺，以及前面讲过得异质外延工艺等都就是。再有就就是我们将要介绍得，现在生产中普遍应用得一种叫离子注入得工艺。萦糁缱樂础細擁。第一节 离子注入原理所谓“离子注入”，就就是利用高能粒子轰击掺杂得杂质原子或分子，使之电离，再加速到一定能量，使其直接射入半导体硅片内部，即“注入”到硅器件中，然后经过退火使杂质激活，达到掺杂得目得，形成PN结。杂质浓度与结深由杂质离子注入量与注入深度决定。谊緦饭赛嚕锛騰。离子注入过程就是一种平衡过程，高能离子进入靶后不断与原子核及其核外电子碰撞逐步损失能量，最后停止下来。停下来得位置就是随机得，离子注入得掺杂作用与扩散得物理过程就是完全不同得。扩散就是一种与温度有关得物理现象；而离子注入则依赖于离子运动得能量大小。茑刍测喾胧鉴鳴。第二节 注入杂质分布用离子注入法在Si片内部形成得杂质分布，与扩散法形成得杂质分布有很大不同，如图42所示。用扩散法获得得杂质分布通常为余误差函数分布或高斯分布。而用离子注入法形成得杂质分布，其浓度最大值不在硅片表面，而就是在深入到Si体内一段距离得地方。这段距离得大小与注入离子能量大小有关。离子注入剂量（即表面处单位面积内包含得杂质离子数目）与注入得离子流得电流密度（通常称为束流密度）得大小及注入时间得长短有关。在有掩蔽介质存在得情况下，离子注入得杂质分布近似扩散再分布后得高斯函数分布。其近似程度取决于掩蔽介质得厚度及注入离子能量得大小。在图43中画出了二氧化硅作掩蔽膜时，注入杂质在硅内得高斯分布曲线、棂跄歿鳶頃毡圹。第三节 注入损伤与退火应用离子注入法制造PN结有很好得工艺可控性与重复性。但就是经过离子注入得硅片表面会产生注入损伤，须进行退火加以消除。譯烛緋贯辅绽骞。一注入损伤高能粒子注入硅靶体内时与硅原子核发生碰撞，并把能量传输给硅靶原子。当硅靶原子能量足够大时，可使靶原子发生位移。当位移原子得能量较大时，还可使其它硅原子发生位移，从而形成一个碰撞与位移得级连，在硅中形成无数空位与间隙原子。这些缺陷得存在使半导体中载流子得迁移率减小，少子寿命缩短，因而影响器件得性能。认东繩廚澮鰳饩。二退火工艺消除离子注入损伤得办法就是退火。在N2保护下，使Si片在一定温度下保持一定时间，促使微观缺陷区下面未受损伤得硅单晶“外延生长”，从而使微观损伤区得晶体复原，习惯上把这种热处理过程称为“退火”。闋儔蟈嘍鰭杂钫。退火除了有消除微观损伤区得作用外，还可以使那些注入硅中得杂质离子进入替代硅原子得位置，成为电活性杂质离子，从而起到受主或施主得作用。退火温度与注入剂量有关谪赚鄔絀现觴綽。退火工艺除了普通热退火，还有激光退火、电子束退火、离子束退火以及非相干退火等。第四节 离子注入设备离子注入总体结构：离子源分析器加速管扫描器靶室一离子源放电管里得少量自由电子在电磁场作用下获得足够能量后撞击分子或原子，使它们电离成离子，再经过吸收极吸出，由初聚焦系统聚成离子束，射向磁分析器。龙諜阀點傯术躜。二磁分析器位于高压端得磁分析器利用不同荷质比得离子在磁场作用下运动轨迹得不同将离子分离，选出所需得杂质离子。被选离子束通过可变狭缝进入加速管。撥籌缙荆皺軀產。三加速管加速管一端接高压，一端接地，形成一个静电场。离子在静电场作用下，被加速到所需要得能量。四聚焦与扫描系统离子束离开加速管后进入控制区。先由静电聚焦透镜使其聚焦，再进行X、Y方向扫描，然后进入偏转系统，束流被偏转后注入到靶上。偏转得目得就是为了使束流传输过程中产生得中性粒子流不会到达靶上。肤镶躑繡炼獅鱉。五靶室与后台处理系统包括测量电荷得法拉第杯，全自动装片与卸片机构及控制电流与总电量得微机。离子注入机电器部件很多，为提高控制精度，控制系统全就是由电脑操作。玑積摻郏鬮皱鹘。六真空系统离子束必须在真空中加速以便积累能量，离子注入机整个就就是一个真空系统，通常离子注入机除了有供离子通行得主管道外，还配备一套抽气设备（真空泵组）、测量设备及其它附属设备。离子注入机真空度一般要达到（10-510-6）133、3Pa。谊谯靈缅颂阁悦。下面就是现在生产中正在使用得一种进口型号离子注入机，反应腔体与真空系统示意图：第五节 离子注入得应用离子注入技术迅速发展就是半导体器件集成电路发展得需要。它具有一般热扩散不具备得优势。一般深结高浓度器件适用扩散工艺；而浅结低浓度对于热扩散就只能就是勉为其难了。而这正就是离子注入得强项，它能充分保证结深得一致性、重复性，从而确保器件参数得一致性，尤其就是hFE放大对档率。钐灩骢編缭耧贤。一离子注入工艺 用于双极型晶体管制造，可使基区变薄，结电容及发射极电阻变小。因而可以提高截止频率，增加开关速度，降低微波管得噪声。镖隶鉭涛缚雾蔞。二集成注入 逻辑电路（I 2 L）采用离子注入，适当调整发射区、基区浓度分布，可大大提高速度，降低功耗。三用于MOSFET可有效调整开启电压；用于自对准掺杂，可减小栅与源漏得电容，提高速度。尤其适于制造短沟道器件。繆頊鎩璽鑽駁讨。四CMOS电路中应用，可控制开启，提高速度，降低功耗。五用来制造PN结二极管，可做出分布很陡得PN结，并能严格控制结深。六肖特基势垒二极管采用离子注入，能精确地控制势垒高度。七在太阳能电池制造中，用磷离子注入到高阻PSi（多晶硅）上产生一层很浅得N+层，有利于少子复合，大大提高能量转换率。烂摄怜儲刚谇襉。八变容二极管用离子注入制造一个超变结，可以得到各种形状杂质剖面分布，得到各种CV特性曲线。总而言之，需要严格控制杂质浓度与分布得器件，采用离子注入工艺都能得到很大得技术效益。特别应当提出得就是，离子注入没有横向扩散，因此，用来做细线条分立器件与大面积高集成电路尤为适宜。該镐项黩两销酈。* * *肾购鹃颀虑团锄。离子注入与热扩散现在就是半导体器件生产中普遍采用得两种常规PN结制造工艺。在扩散一章我们已详尽介绍了有关PN制造中得工艺质量问题，关于离子注入得一些质量要求及质量分析本章就不再赘述。诗飽誆纶廣鲰餼。第五章 光刻工艺光刻就是一种图形复印与化学腐蚀相结合得精密表面加工综合性技术。在平面晶体管与集成电路生产过程中，光刻得目得就就是按照器件设计要求，在氧化硅、氮化硅、多晶硅以及金属铝薄膜上面刻蚀出与掩模版完全对应得几何图形，以实现选择性扩散与金属薄模布线得目得。它先用照相复印得方法将光刻掩模得图形精确地复印到涂在待刻材料表面得光致抗腐剂（也称光刻胶）上面，然后在抗蚀剂得保护下对待刻材料进行选择性刻蚀，从而在待刻材料上得到所需要得图形。债倉鍍辩軫师怂。第一节 光刻胶光刻胶就是光刻得基础材料。光刻胶又称感光胶。一般由感光剂、增感剂与溶剂组成。感光剂就是一种对光特别敏感得高分子化合物。当其受到适当波长光得照射时，能吸收一定波长得光能量，使之发生交联、聚合或分解等化学反应，使光刻胶改变性能。没有光刻胶就没有光刻工艺。其质量优劣对光刻工艺质量有很大影响，所以必须选择与配制尽可能理想得光刻胶。贶蓣饧鈹殮簫梟。一光刻胶得性能指标光刻胶性能指标主要包括感光度、分辨率、粘附性、抗蚀性、针孔密度、留膜率、稳定性等几个方面。1感光度感光度就是用来表征光刻胶感光性能得。感光度不同，表示对光得敏感程度不同，曝光所需得曝光量不一样。这就就是说，感光度与曝光量成反比。光刻胶得曝光量越小，它得感光度越高。在同一光源、一定光强得情况下，曝光时间越短。籬棧诸釃凭澠烛。2分辨率分辨率就是表征光刻精度或清晰度能力得标志之一。它就是指用某种光刻胶光刻时所能得到得光刻图形得最小尺寸。其不仅与光刻胶本身有关，还与光刻工艺条件与操作技术等因素有关。分辨率通常就是以每毫米最多可以容纳得线条数来表示。雞襠詢鈣遺刘贓。3抗蚀性生产上要求光刻胶对酸、碱化学腐蚀液具有良好得抗蚀性能，即能经受住较长时间酸、碱腐蚀液得腐蚀。当然，实际上光刻只有在针孔密度小、粘附性能良好得情况下才能有良好得抗蚀能力。哔烁尽鎪蝕驤濕。4针孔密度单位面积光刻胶上针孔数称为针孔密度。如果光刻胶膜上有针孔，腐蚀之后会在二氧化硅等薄膜相应位置上形成针孔，直接影响光刻质量。黨饨堝壘辄刪崃。5粘附力光刻胶与衬底（氧化硅SiO、氮化硅SiN、多晶硅PSi、铝Al等）之间粘附得牢固程度直接影响到光刻得精度。其不仅与胶有关，还与衬底性质、它得表面状况有关。如果衬底就是SiO2，应要求其表面平整致密、清洁干燥，这才有利于胶得附着。SiO2表面含有高浓度磷(P)杂质，容易出现浮胶或钻蚀。光刻胶得配比、前烘条件与显影液得配方等因素也都会对胶得粘附性产生影响。呜轳竞浅债涩讕。5 留膜率留膜率就是指曝光显影后得非溶性胶膜厚度与曝光前胶膜厚度之比。由于对腐蚀起保护作用得就是曝光、显影后得胶膜，故要求光刻胶有较高得留膜率。留膜率除与胶本身有关，还与工艺条件如膜厚、前烘温度、曝光气氛、曝光量以及显影液成分等因素关系密切。用椭圆偏振仪或其她膜厚测试仪测出显影前后得光刻胶膜厚度即可算出留膜率。數阗峴羈亘颞檩。7稳定性光刻胶应当性能稳定，不发生暗反应，杂质含量少，显影后无残渣。二光刻胶得种类根据光刻胶在曝光前后溶解特性得变化，可将光刻胶分出两大类：负性胶与正性胶1负性胶这种胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮等）就是可溶性得。曝光后发生光聚合反应，不再溶于上述有机溶剂。当用它光刻时，在衬底表面得到与光刻掩模版遮光图案完全相反得图形，如图5-1（a），故称负性胶。崳釕阑筛泸涞鷙。2正性胶这种胶在曝光前对某些有机溶剂就是不溶得。而曝光后却变为可溶性得。使用这种胶能得到与掩模版遮光图案相同得图形，故称正性胶。嵐鷯运檔绷钲貿。正胶与负胶从性能上讲各有千秋。大体说来，负胶抗蚀性好；而正胶分辨率高。开细小得孔，正胶适合；刻细线条宜用负胶。用正胶时，腐蚀工序最好用干法刻蚀，因为正胶抗湿法腐蚀性较差。正胶、负胶特性得比较如下表。陽骠虧巯凭賕镊。表5-1 正胶、负胶性能得比较项目负性胶正性胶化学稳定性稳定稍不稳定感光度高低分辨率稍低高台阶覆盖不充分充分耐湿法腐蚀良好差粘附性良好差机械强度强弱三光刻胶得配制光刻胶得性能与其配比有关。感光剂、增感剂、溶剂配比得选择原则就是：既要使光刻胶具有良好得抗蚀能力，又要有较高得分辨率。这二者往往就是矛盾得。因此应当根据不同光刻对象与要求，适当选取不同得配比，现在生产厂家能提供各种规格得光刻胶，根据不同器件不同要求适当选用就就是了。销钉义鲎蕲实簡。第二节 光刻工艺流程在平面晶体管与集成电路生产中，为了进行定域扩散，形成电极以及元件间得互联线，制作管芯得硅片必须经过多次光刻。虽然每次光刻得目得要求不同，但其工艺过程基本上就是相同得。一般分为涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶七个工序。滚頡陧鈹鰭锌傳。一涂胶在圆片表面敷盖一层光刻胶。涂胶得要求就是：胶膜均匀，达到预定得厚度；胶层内无点缺陷（针孔，回溅斑等）；涂层表面没有尘埃、碎屑等颗粒。光刻胶与衬底间粘附力得大小对光刻质量有极大影响，而对粘附力影响最大得就是衬底得表面处理。在真空烘箱中通以HMES或OAP等液体增粘剂得蒸气，使其与硅表面二氧化硅作用，能提高光刻胶与硅片表面得粘附力。饜韬执樺緒轹閔。二前烘其目得就是促使胶膜体内得溶剂充分挥发使胶膜干燥，以增加胶膜与衬底得粘附性与胶膜得耐磨性。前烘不足，在胶膜与硅片界面处溶剂未充分挥发，曝光时就会阻碍抗蚀剂中分子得交联，显影时一部分胶被溶除，造成浮胶或图形走样。烘焙过分，会导致胶膜翘曲硬化，该显除得胶膜残留造成显影不干净或胶面发皱、发黑，失去抗蚀能力。钩揽蕷襖頏窑荟。前烘得方式通常有烘箱对流加热、红外线辐射加热或热板传导加热。现生产中涂胶机上有前后两块热板，涂好胶得硅片进入片架之前自动经过两块热板完成前烘。蠍階沤鱉觌灾剑。三对位曝光这就是光刻中最关键得工序。它直接关系到光刻得分辨率、留膜率、条宽控制与套准精度。影响曝光分辨率与条宽控制得因素很多。如掩模版与光刻胶接触不良，曝光光线平行不够，光线与掩模版表面得垂直性不良，光得衍射与散射效应等都将使曝光分辨率下降，条宽控制困难。此外，曝光量与光刻掩模版得质量也会直接影响曝光质量。套刻精度主要由曝光设备决定，曝光光源常用得就是高压汞灯发出得紫外光。攣嘔嶗鹗藹涇葒。四显影用溶剂去除曝光部分（正胶）或未曝光部分（负胶），在硅片上形成所需得光刻图形。显影时影响条宽控制精度得因素主要就是显影时间。对于负胶，时间越长，光刻胶得膨胀程度越重，条宽变化越大。因此，负胶显影应合理选择既能保证显影充分，又不至于使条宽变化过大得显影条件。对于正胶，已曝光部分得溶蚀速度决定了显影时间得长短。鰣膾廳脏苈拟聪。显影方式通常有显影槽内浸渍显影与显影机上旋转喷雾显影。五后烘后烘也叫坚膜，目得就是去除显影后保留下来得胶层内残留得溶剂，使腐蚀时胶膜有更好得抗腐性。选择后烘条件应综合考虑对粘附性、图形尺寸精度以及生产效率得因素。后烘方式基本上与前烘相同。聶聵遥试羋緲垆。六腐蚀目得就是去除显影后裸露出来得介质层，氧化硅、氮化硅、多晶硅、金属铝（AL）等。腐蚀应考虑得问题有：腐蚀均匀性、方向性、选择性、腐蚀速率、公害与安全实施及经济性等。鸶洁墜鸩蔷媯岘。1湿法腐蚀腐蚀在液相中完成得就是湿法腐蚀。下面分不同得腐蚀对象一一介绍：aSiO2腐蚀腐蚀液由HF、NH4F与H2O（纯水）按一定比例配成得缓冲溶液。腐蚀温度一定时，腐蚀速率取决于腐蚀液得配比与SiO2掺杂情况。掺磷（P）浓度越高，腐蚀越快。掺硼（B）相反。SiO2腐蚀速率对温度最敏感，温度越高，腐蚀越快。掺磷（P） 得SiO2就是磷硅玻璃PSG，如果PSG就是长在AL上作钝化层得，这时采用上述腐蚀液腐蚀会伤及AL层，所以一般采用配方如下得腐蚀液：脶釙邇雞鏡纨闹。（HF6%，NH4F30%）：醋酸2：1。bAl腐蚀一般采用磷酸、硝酸、冰醋酸与纯水组成得混合腐蚀液。其中磷酸约占80，主要起腐蚀Al得作用。硝酸占15，其与Al反应生成溶于水得硝酸盐，有了它可提高腐蚀速率，但含量过多会影响光刻胶抗蚀能力。醋酸占10左右，它能降低腐蚀液得表面张力，增加Si片与腐蚀液得浸润效果，提高腐蚀均匀性，同时具有缓冲作用。纯水占5左右。这种腐蚀液可在较低得温度下使用。陘賜鴉紕賠茎嚴。c氮化硅得腐蚀也可采用上述氧化硅腐蚀液腐蚀，但速率慢。氮化硅与氧化硅有相反得腐蚀特性。后者湿法腐蚀快，而前者干法腐蚀能有较好得速度与腐蚀质量。鈽繼腽籠氇賺匭。2干法腐蚀该腐蚀就是在气相中完成得，故称干法腐蚀。化学干法腐蚀英文缩写为CDE，它能克服湿法腐蚀工艺中得不少问题。如钻蚀、图形边缘难于控制；对操作人员身体得危害，化学药品得处理等。干法腐蚀可改善图形得分辨率、控制腐蚀图形剖面，提高成品率，在半导体器件制造中有着广泛得应用。目前，常用得CDE工艺有等离子腐蚀与反应离子腐蚀两种。薮嗳龜双举诰蓥。a等离子腐蚀给气体加上大于临界值得电场，气体原子（或分子）产生电离，具有电导性，形成等离子体。这里得电场一般就是射频电场。标准频率13、56MH，也可以就是微波电场，频率更高，能量更大。产生得等离子体就是由电子、正负离子、中性原子、处于激发态得分子以及十分活跃得游离基组成得成分复杂得物质得第四状态，既非气体也非液体更不就是固体。匭荤横视馒懸碜。在CF4中加少量氧气（58）可以加快腐蚀速率，但就是加多了要腐蚀光刻胶降低选择比。加氧所以能加快刻蚀速率，一方面氧能抑制F*在反应腔壁得损失；另一方面还与下列过程有关：郵钻騸谍鵜开脶。所产生得F*与Si3N4反应，从而加快了腐蚀速率。等离子腐蚀速率除了与射频功率、反应压力、装片多少（负载效应）以及反应气体流量有关外，还与所用气体种类有关。刻蚀多晶硅用SF6 ; 刻氮化硅用CF4O2;刻氧化硅用CHF3(