硅加工工藝PPT課件

1、 硅加工工藝 2.1 硅晶圓制程1 1硅單晶片的制備硅單晶片的制備制造集成電路芯片需要硅單晶，硅單晶片實(shí)際上是從圓柱形的單晶硅錠上切割下來的。單晶硅錠的生長方法主要有“直拉法”和“懸浮區(qū)熔法”。一般用直拉法制造硅單晶，在這里我們介紹采用直拉法制備硅單晶。第1頁/共59頁 硅加工工藝 直拉法制備硅單晶：加熱一個(gè)大坩堝中的硅，直到它熔化。一塊稱為籽晶的單晶硅浸入熔融的硅熔液中在旋轉(zhuǎn)籽晶的同時(shí)緩慢地將其從硅的熔融液中提升起來，在籽晶的周圍逐漸生長出單晶硅，最后形成圓柱形的單晶棒。 生成的單晶硅經(jīng)過物理性能測試和電氣參數(shù)測試后對其進(jìn)行切割，形成硅單晶片，然后再對硅單晶片進(jìn)行研磨、倒角、拋光，最后得到需

2、要的單晶硅片。第2頁/共59頁 硅加工工藝 第3頁/共59頁 硅加工工藝 單晶生長設(shè)備第4頁/共59頁 硅加工工藝 生長硅單晶第5頁/共59頁 硅加工工藝 第6頁/共59頁 硅加工工藝 單晶生長設(shè)備第7頁/共59頁 硅加工工藝 2.2 摻雜第8頁/共59頁 硅加工工藝 A族受主摻質(zhì)(P型)A族半導(dǎo)體A族施體摻質(zhì)(N型)元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量元素元素原子量原子量硼5碳6氮7鋁13硅14磷15鎵31鍺32砷33銦49錫50銻51第9頁/共59頁 硅加工工藝 第10頁/共59頁 硅加工工藝 在目前的集成電路生產(chǎn)中，擴(kuò)散方式主要有兩種：恒定表面源擴(kuò)散和有限表面源擴(kuò)散。(1) 恒定表面

3、源擴(kuò)散。如果硅片(或其他半導(dǎo)體晶片)表面的擴(kuò)散雜質(zhì)濃度在擴(kuò)散的過程中始終保持不變，則這種擴(kuò)散方式叫做恒定表面源擴(kuò)散。在恒定表面源擴(kuò)散的過程中，不斷有外來源補(bǔ)充因擴(kuò)散到硅片(或其他半導(dǎo)體晶片)中而損失的雜質(zhì)源。(2) 有限表面源擴(kuò)散。如果擴(kuò)散之前在硅片表面先沉積一層雜質(zhì)作為擴(kuò)散的雜質(zhì)源，在整個(gè)擴(kuò)散過程中不再有新源補(bǔ)充，則這種擴(kuò)散稱為有限表面源擴(kuò)散。第11頁/共59頁 硅加工工藝 離子注入的基本原理 離子注入和退火再分布 基本原理是用能量為100keV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分

4、、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。 第12頁/共59頁 硅加工工藝 離子注入的基本原理第13頁/共59頁 硅加工工藝 離子注入設(shè)備第14頁/共59頁 硅加工工藝 第15頁/共59頁 硅加工工藝 第16頁/共59頁 硅加工工藝 2.3 生長外延層 外延生長外延生長用來用來生長生長薄層單晶材料，即薄層單晶材料，即薄膜薄膜 外延生長：按照原來的晶向在單晶襯底外延生長：按照原來的晶向在單晶襯底上，上，生長另生長另一層合乎要求的一層合乎要求的單晶單晶層的方法。層的方法。 生長的這層生長的這層單晶單晶叫叫外延層外延層。第17頁/共59頁 硅加工工藝 將晶圓放在一個(gè)特制的爐

5、內(nèi)，爐是一個(gè)能夠承受非常高溫度的石英爐管。 在爐管的一端安放了一些將被泵入的可高度反應(yīng)的氣體?；旌蠚怏w被高溫激勵(lì)而相互碰撞反應(yīng)，這些反應(yīng)氣體在爐管內(nèi)被輸運(yùn)直到它們撞擊到晶圓，由于晶圓的溫度比氣體低，因此，混合氣體中的硅被凝聚在晶圓的表面。 這個(gè)過程就在晶圓表面生長了與襯底晶格一致的外延層?；瘜W(xué)氣相沉積第18頁/共59頁 硅加工工藝 采用不同的氣體混合，就能夠生長不同類型的硅。可以是N型的，也可以是P型的。 另一種CVD技術(shù)是等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積-PECVD，跟CVD非常相像，所不同的是利用等離子體代替高溫啟動化學(xué)反應(yīng)。 等離子體提供了氣體間化學(xué)反應(yīng)的能量而不用提高晶圓的溫度，低溫將有助于維持

6、原先的雜志分布，避免雜質(zhì)的進(jìn)一步擴(kuò)散。第19頁/共59頁 硅加工工藝 硅表面上總是覆蓋一層二氧化硅（SiO2），即使是剛剛解理的硅，在室溫下，只要在空氣中，一暴露就會在表面上形成幾個(gè)原子層的氧化膜。氧化膜相當(dāng)致密，能阻止更多的氧原子通過它繼續(xù)氧化。這種天然形成的氧化層厚度只能達(dá)到40左右。形成的二氧化硅不但能緊緊地依附在硅襯底上，而且具有極為穩(wěn)定的化學(xué)特性和電絕緣特性。 2.4 氧化層生長第20頁/共59頁 硅加工工藝 氧化硅層的主要應(yīng)用二氧化硅的重要應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：u 表面鈍化層u 摻雜阻擋層u 表面絕緣層u 器件絕緣層第21頁/共59頁 硅加工工藝 圖4-4 作為摻雜阻擋層的二氧

7、化硅摻雜阻擋層第22頁/共59頁 硅加工工藝 圖4-5 作為絕緣層的二氧化硅層表面絕緣層第23頁/共59頁 硅加工工藝 圖4-6 在MOS柵極中，二氧化硅作為場氧化器件絕緣層第24頁/共59頁 硅加工工藝 圖4-7 在固態(tài)電容里的二氧化硅層器件絕緣層第25頁/共59頁 硅加工工藝 p干氧氧化干氧氧化是指在高溫下，氧氣與硅反應(yīng)生成二氧化硅的氧化方法。干氧氧化具有速度慢、氧化膜質(zhì)量好的特點(diǎn)。其反應(yīng)方程式如式所示。(3.2) 2高溫2SiOOSi第26頁/共59頁 硅加工工藝 p水汽氧化水汽氧化是指在高溫下，利用硅與高純水反應(yīng)生成二氧化硅的方法。在水汽氧化中水分子在二氧化硅中的擴(kuò)散速度快，但質(zhì)量比在

8、干氧氧化中生成的二氧化硅要差。(3.3) 22高溫22HSiOO2HSi第27頁/共59頁 硅加工工藝 2.5 濺射 高能等離子體能夠幫助我們沉積某些不能通過CVD沉積的材料，在稱為濺射臺的設(shè)備中，利用氬氣等惰性氣體產(chǎn)生等離子體，利用等離子體轟擊出材料原子。在一個(gè)密閉容器中，晶圓上方懸掛著一大塊準(zhǔn)備沉積的金屬材料，該金屬將被轟擊到晶圓的表面形成一個(gè)新的表面層，方法？第28頁/共59頁 硅加工工藝 第29頁/共59頁 硅加工工藝 2.6 蒸發(fā)第30頁/共59頁 硅加工工藝 2.7 去除材料層 刻蝕技術(shù)：包含了所有將材質(zhì)表面均勻移除或是有選擇性的部分去除的技術(shù)。例如去除金屬、氧化層等。第31頁/共

9、59頁 硅加工工藝 光刻是利用光學(xué)系統(tǒng)把掩膜版上的圖形精確地投影曝光到涂過光刻膠的硅片上。最終的圖形是用多個(gè)掩膜版按照特定的順序在晶圓表面一層一層疊加建立起來的。光刻占硅片工藝60%的時(shí)間。2.8 光刻第32頁/共59頁 硅加工工藝 IC制造中最制造中最關(guān)鍵的步驟關(guān)鍵的步驟IC晶圓中最晶圓中最昂貴的設(shè)備昂貴的設(shè)備決定最小決定最小特征尺寸特征尺寸最有挑戰(zhàn)最有挑戰(zhàn)的技術(shù)的技術(shù)第33頁/共59頁 硅加工工藝 光刻膠：光敏材料，利用光刻膠的保護(hù)，能夠?qū)^(qū)域選擇加工，僅僅對未被保護(hù)的區(qū)域能夠進(jìn)行注入、刻蝕、濺射等。掩膜板：一塊有圖形的玻璃板，透過這塊玻璃板投射一束光到晶圓的表面，就在晶圓的表面形成了圖形

10、的陰影。光線通過玻璃板上透過區(qū)域照射到光刻膠上使其曝光，而板上的圖形阻礙了光線的通過，未被曝光的區(qū)域是抗蝕層。第34頁/共59頁 硅加工工藝 正膠和負(fù)膠的性質(zhì)第35頁/共59頁 硅加工工藝 正膠：曝光前不可溶正膠：曝光前不可溶,曝光后可溶曝光后可溶負(fù)膠：曝光前可溶負(fù)膠：曝光前可溶,曝光后不可溶曝光后不可溶正膠：分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠負(fù)膠：分辨率差，適于加工線寬3m的線條第36頁/共59頁 硅加工工藝 下凹圖形的加工（正膠）暗場掩膜板：掩膜板上除了透光的地方全都覆蓋著一層鉻層，被鉻覆蓋了大部分區(qū)域的掩膜板被稱為暗場掩膜板。第37頁/共59頁 硅加工工藝 凸起圖形的加工

11、（正膠）亮場掩膜板：掩膜板保持了玻璃的透明，僅有少量的鉻區(qū)，被鉻覆蓋了很少部分區(qū)域的掩膜板被稱為亮場掩膜板。第38頁/共59頁 硅加工工藝 正膠：曝光后正膠：曝光后 可溶可溶負(fù)膠：曝光后負(fù)膠：曝光后 不可溶不可溶第39頁/共59頁 硅加工工藝 1、涂膠光刻步驟第40頁/共59頁 硅加工工藝 2前烘前烘 涂膠后的膠膜要立即進(jìn)行烘干。一般是在80oC溫度下烘烤1015分鐘。烘烤的溫度不能過高，時(shí)間不能太長，否則會造成顯影困難。例如溫度若在100oC以上，由于增感劑揮發(fā)而造成曝光時(shí)間增長，甚至完全顯不出圖形來。第41頁/共59頁 硅加工工藝 3曝光曝光 曝光就是對涂有光刻膠且進(jìn)行了前烘之后的硅片進(jìn)行

12、選擇性的光照，曝光部分的光刻膠將改變其在顯影液中的溶解性，經(jīng)顯影后在光刻膠膜上得到和“掩膜”相對應(yīng)的圖形。第42頁/共59頁 硅加工工藝 4顯影顯影 顯影是把曝光后的硅片放在顯影液里，將應(yīng)去除的光刻膠膜溶除干凈，以獲得腐蝕時(shí)所需要的抗蝕劑膜保護(hù)圖形。 顯影液和顯影時(shí)間的選擇對顯影效果的影響是極為重要的。顯影液的選擇原則是：對需要去除的那部分膠膜溶解得快，溶解度大，對需要保留的那部分膠膜的溶解度極小。第43頁/共59頁 硅加工工藝 顯影液硅片光刻膠二氧化硅膜曝光后的光刻膠第44頁/共59頁 硅加工工藝 5堅(jiān)膜堅(jiān)膜 堅(jiān)膜是在一定的溫度下，將顯影后的片子進(jìn)行烘干處理，除去顯影時(shí)膠膜所吸收的顯影液和殘

13、留水分，改善膠膜與基片間的粘附性增強(qiáng)膠膜的抗蝕能力，以及消除顯影時(shí)所引起的圖形變形。第45頁/共59頁 硅加工工藝 6腐蝕腐蝕 腐蝕就是用適當(dāng)?shù)母g劑，對未被膠膜覆蓋的二氧化硅或其他性質(zhì)的薄膜進(jìn)行腐蝕，按照光刻膠膜上已經(jīng)顯示出來的圖形，進(jìn)行完整、清晰、準(zhǔn)確的腐蝕，達(dá)到選擇性擴(kuò)散或金屬布線的目的。它是影響光刻精度的重要環(huán)節(jié)。第46頁/共59頁 硅加工工藝 7去膠去膠 去膠是常規(guī)光刻工藝的最后一道工序，簡單地講，是使用特定的方法將經(jīng)過腐蝕之后還留在表面的膠膜去除掉。通常，采用的去膠方式有溶劑去膠、氧化去膠、等離子體去膠等方式。第47頁/共59頁 硅加工工藝 光刻方式光刻方式 一、曝光光源一、曝光光

14、源 常用的紫外線光源是高壓汞燈。 曝光光線波長越短能曝出的特征尺寸就越小，光刻一直是不斷縮小芯片特征尺寸的主要限制因素，1985年有人預(yù)言光刻不可能分辨出小于0.5um的特征尺寸?，F(xiàn)在的光刻可以做到nm級。 分辨率：清晰分辨出硅片上特征圖形的能力。減小曝光光源的波長能提高分辨率。第48頁/共59頁 硅加工工藝 第49頁/共59頁 硅加工工藝 二、常規(guī)光刻方式 第50頁/共59頁 硅加工工藝 幾種常見的曝光方法 接觸式曝光：分辨率較高，但是容易造成掩膜版和光刻膠膜的損傷。 接近式曝光：在硅片和掩膜版之間有一個(gè)很小的間隙(1025m)，可以大大減小掩膜版的損傷，分辨率較低 投影式曝光：利用透鏡或反

15、射鏡將掩膜版上的圖形投影到襯底上的曝光方法，目前用的最多的曝光方式第51頁/共59頁 硅加工工藝 遠(yuǎn)紫外線曝光 電子束光刻 三、超細(xì)線條曝光技術(shù)三、超細(xì)線條曝光技術(shù)第52頁/共59頁 硅加工工藝 2.9 平坦化平坦化：光刻形成圖形后，晶圓的表面變得非常不平整?？梢酝ㄟ^一些新技術(shù)，如刻蝕、研磨和拋光方法使晶圓表面再次變平，使晶圓表面變平的技術(shù)被稱為平坦化。作用：只要使原來的表面變平坦了，你就可以采用較薄的材料層，就能夠制作更小的圖形，加工更小的尺寸，平坦化改善了芯片的性能。第53頁/共59頁 硅加工工藝 2.10 自對準(zhǔn)硅柵自對準(zhǔn)硅柵：光刻形成硅柵后，利用硅柵材料自身作為掩膜區(qū)精確地對準(zhǔn)源區(qū)和漏區(qū)。自對準(zhǔn)硅柵原理：1）將裸片放入通有氧氣的高溫爐內(nèi)一定時(shí)間，就得到相當(dāng)厚度的氧化層，接著光刻膠曝光、顯影，然后再氧化層上刻蝕出一個(gè)窗口。第54頁/共59頁 硅加工工藝 2）這個(gè)窗口直達(dá)硅襯底，使下面的硅裸露出來，這樣在有需要的地方有了非常厚的氧化層作為隔離區(qū)（場氧場氧）。3）將晶圓再次放入氧化爐幾分鐘，在窗口處生長另一層二氧化硅。第55頁/共59頁 硅加工工藝 4）沉積多晶硅作為柵材料，利用柵掩膜板進(jìn)行光刻膠的曝光和顯影。5）刻蝕二氧化硅，只有多晶硅柵下的二氧化硅由于柵的保護(hù)而留下來，柵條則位于二氧化硅薄層的上面。第56頁/共5