集成电路工艺总结

4#210宿舍集体版总结引言第一只晶体管•第一只晶体管,AT&TBellLab,1947•第一片单晶锗,1952•第一片单晶硅,1954(25mm，1英寸)•第一只集成电路（IC）,TI,1958•第一只IC商品,Fairchild,1961摩尔定律晶体管最小尺寸的极限•价格保持不变的情况下晶体管数每12月翻一番，1980s后下降为每18月翻一番；•最小特征尺寸每3年减小70%•价格每2年下降50%；IC的极限•硅原子直径:2.35Å；•形成一个器件至少需要20个原子；•估计晶体管最小尺寸极限大约为50Å或0.005um，或5nm。电子级多晶硅的纯度一般要求含si99.9999以上，提高纯度达到99.9999999—99.999999999%（9-11个9）。其导电性介于10-4-1010cm/。电子级高纯多晶硅以9N以上为宜。1980s以前半导体行业的模式1980s以前：大多数半导体公司自己设计、制造和测试IC芯片，如Intel，IBM1990s以后半导体行业的模式F&F模式，即Foundry(代工)+Fabless(无生产线芯片设计),什么是Foundry有晶圆生产线，但没有设计部门；接受客户订单，为客户制造芯片；IC流程图:接受设计订单→芯片设计→EDA编辑版图→将版图交给掩膜版制造商→制造晶圆→芯片测试→芯片封装硅片制备与高温工艺单晶生长：直拉法区熔法高温工艺:氧化，扩散，退火。Si集成电路芯片元素组成■半导体（衬底与有源区）：单晶Si■杂质（N型和P型）：P(As)、B■导体（电极及引线）：Al、Wu（Cu、Ti）、poly-Si■绝缘体（栅介质、多层互连介质）：SiO2、Si3N4硅的重要性■储量丰富，便宜；（27.6％）■SiO2性质很稳定、良好介质，易于热氧化生长；■较大的禁带宽度（1.12eV），较宽工作温度范围硅提纯I的工艺步骤、化学反应式及纯度从石英砂到硅锭■石英砂（SiO2)→冶金级硅(MGS)■HCl与MGS粉反应形成TCS■（trichlorosilane：氯硅烷）■利用汽化和冷凝提纯TCS■TCS与H2反应形成多晶硅(EGS)■熔融EGS和拉单晶硅锭从硅锭到硅片单晶硅锭→整型→切片→磨片倒角→刻蚀→抛光→清洗→检查→包装化学反应式硅提纯I多晶硅淀积直拉法的拉晶过程拉晶过程①熔硅②引晶（下种）③收颈④放肩直拉法的拉晶过程中收颈的作用目的：抑制位错从籽晶向晶体延伸直拉法与区熔法的对比直拉法，更为常用(占75％以上)⑴便宜⑵更大的圆片尺寸(300mm已生产)⑶剩余原材料可重复使用⑷位错密度：0～104cm2区熔法⑴高纯度的硅单晶(不使用坩锅)（电阻率2000Ω-mm）⑵成本高，可生产圆片尺寸较小(150mm)⑶主要用于功率器件⑷位错密度：103～105cm2定位边或定位槽的作用①识别晶向、导电类型及划片方向②硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；③硅片装架的接触位置外延的定义：外延、外延层、外延片、同质外延、异质外延外延层：单晶衬底上单晶薄膜层外延：同质外延和异质外延同质外延：衬底与外延层为相同晶体，晶格完全匹配异质外延：衬底与外延层为不同晶体，晶格不匹配双极晶体管（电路）和CMOS器件（电路）中外延层的应用双极晶体管（电路）中外延层的应用高阻的外延层可提高集电结的击穿电压■低阻的衬底（或埋层）可降低集电极的串联电阻CMOS器件（电路）中外延层的应用■减小pnpn寄生闸流管效应降低漏电流Si外延的源材料■Si源气体：SiH4(硅烷),SiH2Cl2(二氯硅烷),SiHCl3(三氯硅烷),SiCl4(四氯硅烷)■掺杂剂N型掺杂剂：PH3,AsH3P型掺杂剂：B2H6分子束外延（MBE）的特点高温工艺设备小结■高温工艺通常使用炉管反应室；■反应炉通常由控制系统、气体输运系统、反应腔、装卸片系统和尾气处理系统构成■立式炉管使用最广泛，因为其占地面积小、污染控制好、维护量小■温度控制的精确性和均匀性对于高温工艺的成功至关重要氧化膜在IC中的应用■掺杂阻挡层■表面钝化(保护)隔离层■栅氧化层■MOS电容的介质材料各种氧化层在工艺中的应用、厚度及工艺掺杂阻挡氧化层应用■MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinS■SiO2canbeusedasdiffusionmask表面钝化(保护)氧化层应用■PadOxide衬垫（缓冲）氧化层,ScreenOxide屏蔽氧化层SacrificialOxide牺牲氧化层,BarrierOxide阻挡氧化层■Normallythinoxidelayer(~150Å)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress器件隔离氧化层应用■Electronicisolationofneighboringdevices■Blanketfieldoxide■Localoxidationofsilicon(LOCOS)■Thickoxide,usually3,000to10,000Å栅氧化层应用■Gateoxide:thinnestandmostcriticallayer■Capacitordielectric1号液和2号液的配方及作用■SC-1－NH4OH:H2O2:H2Owith1:1:5to1:2:7ratioat70to80℃toremoveorganiccontaminants.(1号液)■SC-2--HCl:H2O2:H2Owith1:1:6to1:2:8ratioat70to80℃toremoveinorganiccontaminates.(2号液)颗粒、有机粘污、无机粘污及本征氧化层的清洗Pre-oxidation（预氧化）WaferCleanOrganic（有机）Removal■Strongoxidantsremoveorganicresidues■H2SO4:H2O2orNH3OH:H2O2followedbyDIH2Orinse.■Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).Pre-oxidationWaferCleanInorganic（无机）Removal■HCl:H2O■Immersion(浸入)indunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)Pre-oxidationWaferCleanNativeOxideRemoval（本征氧化层）■HF:H2O■Immersion(浸入)indunktankorsinglewafervaporetcherfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)SiO2生长的迪尔-格罗夫模型干氧氧化和湿氧氧化的特点与应用干（氧）氧化■氧化剂：干燥的O2■Si+O2→SiO2■O来源于提供的氧气；Si来源于衬底硅圆片■O2通过表面已有的氧化层向内扩散并与Si反应生长SiO2■氧化膜越厚，生长速率越低■干氧化速率最低湿（氧）氧化■氧化剂：O2携带H2O■Si+O2→SiO2■Si+2H2O→SiO2+2H2■湿氧化的生长速率介于水汽氧化与干氧化之间■实际氧化工艺：干氧+湿氧+干氧氧化工艺应用干氧化，薄氧化层（1000A）－■MOS栅氧化层（30～120A）-■衬垫氧化层（100～200A），--■屏蔽氧化层（～200A），■牺牲氧化层（1000A），等等湿氧化，厚氧化层■场氧化层（3000～5000A）■扩散掩膜氧化层（400～1200A）掺氯氧化的作用■Cl可以减少氧化层中的可动离子（如Na+）■MOS栅极氧化中广泛采用■氧化速率提高（1～5）％影响氧化速率的因素■温度■湿氧化或干氧化■厚度■压力■硅片晶向(100或111)■硅中杂质氧化速率与温度■氧化速率对温度很敏感，指数规律■温度升高会引起更大的氧化速率升高氧化速率与圆片晶向■111表面的氧化速率高于100表面■原因：111表面的Si原子密度高氧化速率与杂质浓度■掺杂浓度越高，氧化层生长速率越高Si-SiO2界面特性替位式扩散、间隙式扩散、扩散系数在Si-SiO2界面有四种不同类型的电荷：（1）可动离子电荷（2）氧化层固定电荷（3）界面陷阱电荷（4）氧化层陷阱电荷杂质再硅晶体中的主要扩散机构有：间隙式扩散、替位式扩散。替位式扩散：杂质从一个晶格位置运动到另一个晶格位置上称为替位式扩散间隙式扩散：杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置上的运动称为间隙式扩散两步扩散工艺两步法扩散分预淀积和再分布两步进行，第一步称为预扩散或预淀积，在较低的温度下，采用恒定表面浓度扩散方式在硅片便面扩散一薄层杂质原子，目的在于确定进入硅片的杂质总量。第二步称为主扩散或再分布或推进扩散，在较高的温度下，采用很定杂质总量扩散方式，让淀积在表面的杂质继续往硅片中扩散，目的在于控制扩散深度和表面浓度。扩散的局限性与应用扩散技术的主要缺陷■扩散是各向同性的，掩膜下方也会有杂质横向扩散■不能独立控制结深和掺杂浓度扩散应用■主要用在阱注入后的推进工艺离子注入后为什么要退火■高能离子损伤晶体结构■非晶硅有很高的电阻率■需要外部能量如热使其恢复单晶结构■只有在单晶结构中杂质才能被激活RTP（快速热退火）的优点■快速升温(75to150°C/sec)■更高温度(upto1200°C)■过程快速■使杂质扩散最小化■热预算的更好控制（节约能源）■更好的圆片间均匀性控制薄膜淀积真空蒸发法蒸发源加热方式■电阻加热■电子束加热■激光加热■高频感应加热溅射的工作原理与特点原理；具有一定能量的入射离子对固体表面轰击时，入射离子与固体表面原子碰撞发生能量和动量的转移，将固体表面的原子溅射出来直流溅射特点：只适于金属靶材。磁控溅射特点：淀积速率最高。RF溅射特点：适于各种金属与非金属靶材。PVD与CVD对比■CVD：衬底表面发生化学反应■PVD：衬底表面不发生化学反应■CVD:更好的台阶覆盖性(50%to~100%)和空隙填充能力■PVD:台阶覆盖性差(~15%)和空隙填充能力差■PVD源:固态材料■CVD源:气体或蒸汽CVD氧化硅与热生长氧化硅对比■热生长氧化硅•O来源于气源，Si来源于衬底•氧化物生长消耗硅衬底•高质量■CVD氧化硅•O和Si都来自气态源•淀积在衬底表面•生长温度低（如PECVD）•生长速率高CVD介质薄膜的应用■浅槽隔离(STI):undopedsilicondioxideglass,USG■侧墙隔离：USG■金属前介质(PMD）：PSGorBPSG■金属层间介质(IMD/ILD）：USGorFSG■钝化介质(PD）：Oxide/NitrideCVD的基本过程①传输②吸附③化学反应④淀积⑤脱吸⑥逸出CVD生长的两种极限：表面反应控制与质量输运（传输）控制表面反应控制型■化学反应速率不能满足反应剂扩散和吸附的速率，反应剂堆积在衬底表面等待反应；■淀积速率＝反应速率■淀积速率对温度很敏感质量输运控制型■表面化学反应速率足够高，当反应剂被吸附在衬底表面时会立即反应■淀积速率＝Ddn/dx■淀积速率对温度不敏感■淀积速率主要受到气体流速的控制CVD的三种类型及各自的应用■APCVD常压化学气相淀积■LPCVD低压化学气相淀积■PECVD等离子体增强化学气相淀积CVD淀积速率G与温度T的关系■低温下，hgks，反应控制过程，故G与T呈指数关系；■高温下，hgks，质量输运控制过程，hg对T不敏感，故G趋于平稳。离子注入离子注入与热扩散的对比离子注入的两种阻挡机制核碰撞和电子碰撞避免沟道效应的方法■倾斜硅片,7°最常用■屏蔽氧化层（无定形）■注入前预先无定型处理离子注入机的原理离子注入工艺的应用及技术趋势离子注入工艺■CMOS工艺应用■CMOS离子注入的工艺要求■离子注入工艺的评价。技术趋势■超浅结(USJ)■绝缘体上硅(SOI)■