曾聰杰-集成電路工藝

1、集成電路工藝制造模擬實(shí)驗(yàn) 姓 名： 曾聰杰 學(xué) 號(hào)： 111300203 年 級(jí)： 2013 指導(dǎo)老師： 魏榕山 2016年5月1日工藝模擬實(shí)驗(yàn)一 氧化工藝模擬一實(shí)驗(yàn)原理 在本系統(tǒng)中預(yù)先采用SUPREM-III進(jìn)行氧化工藝模擬，將晶向、氧化溫度、氧化時(shí)間、氧化厚度等多組數(shù)據(jù)，一一對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)于Foxpro數(shù)據(jù)庫表中，用ODBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)Authorware和Foxpro數(shù)據(jù)庫開放式連接。實(shí)驗(yàn)中通過相關(guān)查詢，在Authorware內(nèi)部再利用插值方式，對(duì)操作者給出的晶向、氧化溫度、氧化時(shí)間等進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算后，給出模擬結(jié)果?？紤]到系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)而非工程計(jì)算，因此采用了數(shù)據(jù)庫查詢加差值數(shù)據(jù)擬合而非實(shí)時(shí)計(jì)算完

2、成模擬，避免了長時(shí)間的工程計(jì)算。二實(shí)驗(yàn)?zāi)康?系統(tǒng)提供了實(shí)際氧化爐設(shè)備操作面板，在計(jì)算機(jī)上完成氧化工藝控制程序的編輯以及氧化爐的操作，并得到相應(yīng)操作的模擬結(jié)果。從而對(duì)氧化工藝操作過程有簡(jiǎn)單直觀的了解。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 分別在干氧、濕氧兩種條件下固定溫度，三次改變時(shí)間和固定時(shí)間、三次改變溫度各重復(fù)進(jìn)行氧化工藝模擬，并記錄12組原始數(shù)據(jù)：條件和氧化層厚度，分析模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。濕氧條件下：干氧條件下：分析：在同樣的晶向下，上圖顯示了晶片在干氧、濕氧兩種條件下改變溫度和時(shí)間得到的不同氧化深度。 在濕氧條件下，保持氧化溫度不變，改變氧化時(shí)間的長度，可以發(fā)現(xiàn)，晶片的氧化厚度隨著時(shí)間的增加而增加。 在濕氧條件下，

3、保持氧化時(shí)間不變，改變氧化溫度的大小，發(fā)現(xiàn)，晶片的氧化厚度也隨著溫度的增加而增加。 在干氧條件下，保持氧化溫度不變，改變氧化時(shí)間的長度，可以發(fā)現(xiàn)氧化厚度雖然也隨著時(shí)間的變長而變厚，但變化程度不大，其相對(duì)于濕氧條件下，厚度的增加不明顯。 在干氧條件下，保持氧化時(shí)間不變，改變氧化溫度的大小，發(fā)現(xiàn)溫度的變化使得氧化深度的大小變化很大。 因此，氧化深度的影響因素主要有溫度，時(shí)間，和氧氣的環(huán)境（即干濕氧）。其中在相同條件，濕氧的環(huán)境下對(duì)氧化厚度的影響更大。 2、找3組課外作業(yè)的計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較，解釋出現(xiàn)偏差的各種原因。硅片熱氧化生長遵從如下公式：t2oxAtoxB(t+)，其中tox為硅片

4、經(jīng)過t時(shí)間后SiO2的生長厚度(m)；B為拋物線速率系數(shù)(m2/h)；B/A為線性速率系數(shù)(m/h)；為生成初始氧化層（同一工藝參數(shù)）所用的時(shí)間(h)。假設(shè)：950下水汽氧化相關(guān)工藝參數(shù)分別為：A=0.50m，B=0.20m2/h；1100下干氧氧化相關(guān)工藝參數(shù)分別為：A=0.09m，B=0.03m2/h（1）1 h內(nèi)干氧在1100生成的SiO2厚度（m）： t2ox+AtoxB(t+)，又初始氧化層厚度為0；1(t2ox+Atox)/B=0ht2oxAtoxB(t+1)，又t1=1ht2ox0.09tox0.03(1+0)；即tox0.1339m（2）2h內(nèi)濕氧水汽氧化所生成的SiO2厚度（

5、m）t2oxAtoxB(t2+2)，又t=1h；t2ox0.5tox0.2(1+0.25)；即tox0.3659m； 3、分析出現(xiàn)偏差的原因生長的快慢將由氧化劑在SiO2種的擴(kuò)散速度以及與Si反應(yīng)速度中較慢的一個(gè)因素所決定，因此出現(xiàn)偏差的原因有可能是未考慮氧化劑的擴(kuò)散速度，或者還有其他因素未考慮。4、分析氧化工藝中的工藝參數(shù)對(duì)氧化結(jié)果的影響（1） 、濕氧氧化速率比干氧氧化速率快得多。雖然干氧方法的生長速度很慢，但生長的SiO2薄膜結(jié)構(gòu)致密，干燥，均勻性和重復(fù)性好，且由于SiO2表面與光刻膠接觸良好，光刻時(shí)不易浮膠。而濕氧氧化速率雖然快，但在氧化后的Si片表面存在較多的位錯(cuò)和腐蝕坑，而且還存在著

6、一層使O2表面與光刻膠接觸差的硅烷醇（SiOH)，因此在生產(chǎn)實(shí)踐中，普遍采用干氧濕氧干氧交替的氧化方式。這種干、濕氧的交替氧化方式解決了生長速率和質(zhì)量之間的矛盾，使生長的iO2薄膜更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。（2） 溫度的影響：在一定條件下，溫度越高，氧化厚度越大。（3） 時(shí)間的影響：在一定條件下，隨著時(shí)間的增長，氧化厚度越大。實(shí)驗(yàn)二：擴(kuò)散工藝模擬實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)原理 在本系統(tǒng)中預(yù)先采用SUPREM-III進(jìn)行擴(kuò)散工藝模擬，將晶向、擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散結(jié)深、方塊電阻多組數(shù)據(jù)，一一對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)于Foxpro數(shù)據(jù)庫表中，用ODBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)Authorware和Foxpro數(shù)據(jù)庫開放式連接。實(shí)驗(yàn)中通過相關(guān)

7、查詢，在Authorware內(nèi)部再利用插值方式，對(duì)操作者給出的晶向、擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散結(jié)深、方塊電阻等進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算后，給出模擬結(jié)果。考慮到系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)而非工程計(jì)算，因此采用了數(shù)據(jù)庫查詢加差值數(shù)據(jù)擬合而非實(shí)時(shí)計(jì)算完成模擬，避免了長時(shí)間的工程計(jì)算。二實(shí)驗(yàn)?zāi)康?系統(tǒng)提供了實(shí)際擴(kuò)散爐設(shè)備操作面板，在計(jì)算機(jī)上完成擴(kuò)散工藝控制程序的編輯以及擴(kuò)散爐的操作，并得到相應(yīng)操作的模擬結(jié)果。從而對(duì)擴(kuò)散工藝操作過程有簡(jiǎn)單直觀的了解。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 分別以硼、磷為擴(kuò)散源，進(jìn)行固定溫度，三次改變時(shí)間和固定時(shí)間、三次改變溫度各重復(fù)進(jìn)行擴(kuò)散工藝模擬實(shí)驗(yàn)，記錄原始數(shù)據(jù)：條件及結(jié)深、方塊電阻等。2 結(jié)論：總結(jié)分析擴(kuò)散工藝中的工藝參數(shù)對(duì)

8、擴(kuò)散結(jié)果的影響。（1）雜質(zhì)類型對(duì)擴(kuò)散結(jié)果的影響：從圖中可以看到，在相同溫度和擴(kuò)散時(shí)間下，p類型雜質(zhì)的結(jié)深要比B大。這是由于P源擴(kuò)散反應(yīng)與B源擴(kuò)散反應(yīng)的產(chǎn)生的SiO2量不同，而擴(kuò)散源在SiO2中的擴(kuò)散非常慢，SiO2起到一種屏蔽作用。 擴(kuò)硼的雜質(zhì)源均是先分解或化合產(chǎn)生B2O3 ，再與表面硅反應(yīng)產(chǎn)生單質(zhì)B并向硅內(nèi)擴(kuò)散。2B2O3 + 3Si = 4B + 3SiO2 磷擴(kuò)散源很多，其共性在于先生成P2O5 ，再與硅反應(yīng)生成單質(zhì)磷向硅內(nèi)擴(kuò)散。 2P2O5 + 5Si = 4P + 5SiO2 如上可知生成同樣的SiO2，所需的硼源越多，這就相當(dāng)于雜質(zhì)濃度降低了（2）擴(kuò)散時(shí)間對(duì)擴(kuò)散結(jié)果的影響：由結(jié)深

9、可得，擴(kuò)散時(shí)間越長，結(jié)深越大，模擬結(jié)果得到相似的結(jié)果。（3）溫度對(duì)擴(kuò)散結(jié)果的影響：如圖可知，溫度越大，結(jié)深越大，即擴(kuò)散深度越深。由于溫度越高，原子被激發(fā)的概率越高，替位式擴(kuò)散越容易。（4）方塊電阻：擴(kuò)散層薄層電阻是反映擴(kuò)散層質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求與否的重要工藝指標(biāo)之一。對(duì)應(yīng)于一對(duì)確定數(shù)值的結(jié)深和薄層電阻，擴(kuò)散層的雜質(zhì)分布是確定的。也就是說，把薄層 電阻的測(cè)量同結(jié)深的測(cè)量結(jié)合起來，我們就能夠了解到擴(kuò)散入硅片內(nèi)部雜質(zhì)的具體分布。深入了解薄層電阻的定義和測(cè)試方法，對(duì)我們控制擴(kuò)散條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量 具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。實(shí)驗(yàn)三： 離子注入工藝模擬A .離子注入工藝原理一實(shí)驗(yàn)原理利用Authorware、3DS

10、 max、Photoshop等工具制作圖形、動(dòng)畫及聲音解說，展示離子注入原理課件。二實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆针x子注入原理，了解離子注入設(shè)備和工藝過程，理解離子注入損傷的形成，并對(duì)離子注入在IC中的應(yīng)用有清晰的認(rèn)識(shí)。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 簡(jiǎn)要說明離子注入的原理與設(shè)備組成（1）離子注入原理:離子是原子或分子經(jīng)過離子化后形成的，即等離子體，它帶有一定量的電荷?？赏ㄟ^電場(chǎng)對(duì)離子進(jìn)行加速，利用磁場(chǎng)使其運(yùn)動(dòng)方向改變，這樣就可以控制離子以一定的能量進(jìn)入wafer內(nèi)部達(dá)到摻雜的目的。離子注入到wafer中后，會(huì)與硅原子碰撞而損失能量，能量耗盡離子就會(huì)停在wafer中某位置。離子通過與硅原子的碰撞將能量傳遞給硅原子，使得硅原子成

11、為新的入射粒子，新入射離子又會(huì)與其它硅原子碰撞，形成連鎖反應(yīng)。雜質(zhì)在wafer中移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一條晶格受損路徑，損傷情況取決于雜質(zhì)離子的輕重，這使硅原子離開格點(diǎn)位置，形成點(diǎn)缺陷，甚至導(dǎo)致襯底由晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷w結(jié)構(gòu)。（2） 設(shè)備組成： 離子注入機(jī)離子注入機(jī)的主要部件有：離子源、離子束吸取電極、質(zhì)量分析器、加速器、聚焦器、掃描系統(tǒng)、終端系統(tǒng)以及工藝室等。 2 說明注入損傷的形成及解決辦法形成：離子注入會(huì)對(duì)晶格造成損傷，這使硅原子離開格點(diǎn)位置，形成點(diǎn)缺陷，甚至導(dǎo)致襯底由晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷w結(jié)構(gòu)。 解決辦法：通過退火能修復(fù)晶格缺陷。缺陷修復(fù)需要500的溫度，雜質(zhì)的激活需要950的高溫，有高溫爐退火和快速熱

12、退化兩種方法。高溫爐退火是在8001000的高溫下加熱30分鐘，因會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)再分布，不常采用；快速熱退火采用快速升溫并在1000的高溫下保持很短的時(shí)間，可達(dá)到最佳效果。3 總結(jié)離子注入的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用 優(yōu)點(diǎn)：（1）注入的離子經(jīng)過質(zhì)量分析器的分析，純度很高、能量單一。而且注入環(huán)境清潔、干燥，大大降低了雜質(zhì)污染。（2）注入劑量可精確控制，雜質(zhì)均勻度高達(dá)1%；（3）注入在中低溫度下進(jìn)行，二氧化硅、光刻膠、氮化硅等都可以作為注入時(shí)的掩蔽層。襯底溫度低，就避免了高溫?cái)U(kuò)散所引起的熱缺陷；（4）離子注入是一個(gè)非平衡過程，不受雜質(zhì)在襯底中的固溶 度限制；（5） 工藝條件容易控制缺點(diǎn)：（1）離子注入的橫向摻雜效應(yīng)

13、比擴(kuò)散大大減少了；（2）離子注入最大的缺點(diǎn)就是高能離子轟擊wafer對(duì)晶格結(jié)構(gòu)造成的損傷；應(yīng)用： 金屬材料改性、延長模具的使用壽命、離子注入技術(shù)在半導(dǎo)體器件制造中的具體應(yīng)用如柵閥值調(diào)整（Threshold Adjust）,Halo 注入等;源極,漏極的形成和多晶硅柵極的摻雜。N/P井的形成,倒摻雜井（retrograde well）等 B.離子注入設(shè)備介紹和工藝模擬實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)原理在本系統(tǒng)中預(yù)先采用SUPREM-III進(jìn)行離子注入工藝模擬，將晶向、離子注入能量、離子注入劑量、離子注入雜質(zhì)分布濃度等多組數(shù)據(jù)，一一對(duì)應(yīng)地存儲(chǔ)于Foxpro數(shù)據(jù)庫表中，用ODBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)Authorware和Foxp

14、ro數(shù)據(jù)庫開放式連接。實(shí)驗(yàn)中通過相關(guān)查詢，在Authorware內(nèi)部再利用插值方式，對(duì)操作者給出的晶向、離子注入劑量、離子注入雜質(zhì)分布濃度等進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算后，給出模擬結(jié)果。考慮到系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)而非工程計(jì)算，因此采用了數(shù)據(jù)庫查詢加差值數(shù)據(jù)擬合而非實(shí)時(shí)計(jì)算完成模擬，避免了長時(shí)間的工程計(jì)算。二. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?系統(tǒng)提供學(xué)習(xí)了解實(shí)際離子注入設(shè)備各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)和功能，并在計(jì)算機(jī)上完成離子注入工藝初始條件的編輯以及離子注入工藝模擬，得到相應(yīng)操作的模擬結(jié)果及雜質(zhì)濃度分布曲線。而且還能對(duì)不同初始條件下的模擬結(jié)果曲線進(jìn)行比較。從而使學(xué)生對(duì)離子注入原理及工藝操作過程有簡(jiǎn)單直觀的了解。并根據(jù)注入模擬的曲線粗略的計(jì)算出注入

15、的結(jié)深, 以及比較在不同初始條件下曲線的變化情況(如:固定劑量, 改變初始能量)下曲線的變化。用戶還可以完成諸如為了得到一定的注入深度, 而調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)的工作。三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 原始數(shù)據(jù)記錄：A. 離子注入機(jī)原理結(jié)構(gòu)B. 實(shí)驗(yàn)?zāi)M初始條件及結(jié)果（表）共六組數(shù)據(jù)：固定能量改變注入劑量（大、中、?。┤魏凸潭▌┝扛淖冏⑷肽芰咳?。（1）保持初始能量不變，改變注入劑量大?。?）保持劑量不變，改變初始能量大小。C. 相應(yīng)雜質(zhì)濃度分布曲線，標(biāo)明結(jié)深。（1）保持初始能量不變，改變劑量大小初始能量為150Keva、 注入劑量為1e11 (atom/cm2) 結(jié)深為0.33microb、 注入劑量為1e13(atom/cm2) 結(jié)深為0.55microc、 注入劑量為1e15 (atom/cm2) 結(jié)深為0.67micro（2）保