半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)

半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)第1頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

提綱一、概論二、工藝流程實例（圖解）三、基本單項工藝技術(shù)1、擴散－摻雜2、離子注入－摻雜3、氧化－薄膜生長4、CVD－薄膜生長7、金屬化（PVD）－薄膜，互連5、光刻－圖形轉(zhuǎn)移6、刻蝕－形成圖形8、清洗四、工藝集成開發(fā)第2頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

集成電路制造工藝的技術(shù)性和實用性強，涉及面廣，發(fā)展依賴于基礎(chǔ)材料、器件物理、工藝原理、電子光學(xué)、離子光學(xué)、電子計算機技術(shù)、超凈和超純技術(shù)、真空技術(shù)、自動控制、精密機械、冶金化工等方面的新成果。一、概論第3頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)、集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展規(guī)律

Intel公司創(chuàng)始人摩爾于1975年總結(jié)出IC工業(yè)發(fā)展的一個重要規(guī)律，即摩爾定律：IC的集成度將每年翻一番。1980年摩爾定律被修改為：

IC的集成度每1.5年翻一番，即每3年乘以4。

IC發(fā)展的另一些規(guī)律為：

建立一個芯片廠的造價也是每3年乘以4。線條寬度每4~6年下降一半。芯片上每個器件的價格每年下降30%~40%。

晶片直徑的變化：60年：0.5英寸，65年：1英寸，70年：2英寸，75年：3英寸，80年：4英寸，90年：6英寸，95年：8英寸(200mm),2000年：12英寸(300mm)。第4頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、集成電路的發(fā)展展望目標：集成度、可靠性、速度、功耗、成本。努力方向：線寬、晶片直徑、設(shè)計技術(shù)。

1992

1995

1998

2001

2004

2007比特/芯片16M64M256M1G4G16G特征尺寸（μm）

0.5

0.35

0.25

0.18

0.12

0.07晶片直徑（mm）

200

200

200~400

200~400

200~400

200~400美國1992~2007年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃第5頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月美國1997~2012年半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展規(guī)劃

1997

1999

2001

2003

2006

2009

2012比特/芯片256M1G4G16G64G256G特征尺寸（μm）

0.25

0.18

0.15

0.13

0.1

0.07

0.05晶片直徑（mm）

200

300

300

300

300

450

450第6頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月世界硅微電子技術(shù)發(fā)展的預(yù)測

2000

2010

2020集成度1G64G256G

特征尺寸（μm）

0.18

0.10~0.07

0.05~0.01

晶片直徑（mm）

300

400

450第7頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月可以看出，專家們認為，至少在未來10年內(nèi)，IC的發(fā)展仍將遵循摩爾定律，即集成度每3年乘以4，而線寬則是每6年下降一半。硅技術(shù)過去一直是，而且在未來的一段時期內(nèi)也還將是微電子技術(shù)的主體。目前硅器件與集成電路占了3000多億美圓的半導(dǎo)體市場的95%以上。第8頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月二、工藝流程實例1、以工藝分：雙極（Bipolar），互補雙極（ComplementaryBipolar）

MOS（硅/鋁柵,自/非自對準CMOS，VDMOS）

BiCMOS（BiCMOS，CBiCMOS）、BCD2、以隔離技術(shù)分：

PN結(jié)隔離、LOCOS、深/淺槽隔離、SOI隔離3、以材料分：體硅，SiGe，AsGa，SOI（襯底）等4、以應(yīng)用分：

模擬IC、數(shù)字IC、混合信號IC、RF、微波IC等常見單片IC工藝流程第9頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月硅柵非自對準CMOS工藝流程PWELL光刻場氧化襯底硅片N-第10頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月PWELL推進硼注入注入預(yù)氧漂光注入預(yù)氧PSD光刻N-第11頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月NSD磷注入NSD光刻PSD硼注入LTOACTIVE光刻

柵氧化N-第12頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

刻蝕PolyPoly摻雜Poly淀積LTOLCONT光刻濺射MET1N-P-N+N+P+P+MET1光刻第13頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月?lián)诫s工程： 熱擴散、離子注入/退火、中子嬗變等薄膜制備： 包括氧化、蒸發(fā)、CVD、濺射(PVD)等圖形的轉(zhuǎn)移與形成： 包括光刻、刻蝕等工藝

三、基本單項工藝技術(shù)第14頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.1概述

擴散是將一定數(shù)量和一定種類的雜質(zhì)摻入到硅片或其它晶體中，以改變其電學(xué)性質(zhì)，并使摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況都滿足要求。這是一種基本而重要的半導(dǎo)體技術(shù)。擴散工藝用于形成雙極器件中的基區(qū)、發(fā)射區(qū)和集電區(qū)、MOS器件中的源區(qū)與漏區(qū)，擴散電阻、互連引線以及多晶硅摻雜等。濃度的差別越大，擴散越快；溫度越高，擴散也越快。1、擴散摻雜第15頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月間隙式雜質(zhì)（雜質(zhì)原子半徑較?。┨嫖皇诫s質(zhì)（雜質(zhì)原子與本體原子電子殼層和價電子數(shù)接近，半徑大小相當）§1.2擴散機構(gòu)第16頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月半徑較小的雜質(zhì)原子從半導(dǎo)體晶格的間隙中擠進去，即所謂“間隙式”擴散；半徑較大的雜質(zhì)原子代替半導(dǎo)體原子而占據(jù)格點的位置，再依靠周圍空的格點（即空位）來進行擴散，即所謂“替位式”擴散。對硅而言，Au、Ag、Cu、Fe、Ni等半徑較小的雜質(zhì)原子按間隙式擴散，而P、As、Sb、B、Al、Ga、In等半徑較大的雜質(zhì)原子則按替位式擴散，間隙式擴散的速度比替位式擴散的速度快得多。

第17頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.3擴散系數(shù)與擴散方程（一）、費克第一定律——擴散定律一維情況下，單位時間內(nèi)垂直擴散通過單位面積的粒子數(shù)——即擴散流密度jp(x,t)與粒子的濃度梯度成正比。擴散系數(shù)D與溫度T（K）之間有如下指數(shù)關(guān)系：

D=D∞e—ΔE/kT第18頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）、費克第二定律——擴散方程體積元內(nèi)雜質(zhì)變化量：第19頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月 式中假定D為常數(shù)，與雜質(zhì)濃度N(x,t)無關(guān)，x和t分別表示位置和擴散時間。針對不同邊界條件求出方程的解，可得出雜質(zhì)濃度N的分布，即N與x和t的關(guān)系。 兩種擴散方式恒定表面源擴散有限表面源擴散第20頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月A、恒定表面源擴散在整個擴散過程中，雜質(zhì)不斷進入硅中，而表面雜質(zhì)濃度始終保持不變。雜質(zhì)濃度分布呈余誤差分布。第21頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

恒定表面源擴散的主要特點如下：（1）表面雜質(zhì)濃度Ns由所擴散的雜質(zhì)在擴散溫度下（900℃~1200℃）的固溶度決定。（2）擴散時間越長，擴散溫度越高，擴散進硅片內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量越多。（3）擴散時間越長，溫度越高，擴散深度越大。結(jié)深的位置：

稱為“擴散長度”第22頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）雜質(zhì)濃度梯度：對公式求導(dǎo)，可得出濃度梯度為：

將公式代入，可得結(jié)深處的雜質(zhì)濃度梯度為：

結(jié)論：1、NB和Ns一定，PN結(jié)越深，結(jié)深處的雜質(zhì)濃度梯度就越小；2、在相同擴散條件下，Ns越大或D越小的雜質(zhì)，擴散后的濃度梯度將越大。第23頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

B、有限表面源擴散

擴散開始時，表面薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量一定，而在以后的擴散過程中不再有雜質(zhì)加入，此種擴散稱為有限源擴散。

第24頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月有限源擴散的雜質(zhì)分布為高斯分布，其表達式為：第25頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

有限源擴散的特點如下：（1）雜質(zhì)分布：擴散時間越長，雜質(zhì)擴散得越深，表面濃度越低；擴散時間相同時，擴散溫度越高，雜質(zhì)擴散得也越深，表面濃度下降得越多；（2）在整個擴散過程中，雜質(zhì)總量Q保持不變。（3）表面雜質(zhì)濃度可控，任何t時刻的表面濃度為：（4）結(jié)深：根據(jù)NB=N（xj,t），可求出結(jié)深為：

第26頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月上式中A與比值（Ns/NB）有關(guān)，其數(shù)值可從高斯分布的計算曲線求得。表面濃度Ns與擴散深度成反比，擴散越深，則表面濃度越低；NB越大，結(jié)深將越淺；（5）雜質(zhì)濃度梯度：

第27頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）、兩步擴散恒定表面源擴散，難于制作低表面濃度的深結(jié)；有限表面源擴散，難于制作高表面濃度的淺結(jié)。為了同時滿足對表面濃度、雜質(zhì)總量以及結(jié)深等的要求，實際生產(chǎn)中常采用兩步擴散工藝：第一步稱為預(yù)擴散或預(yù)淀積，在較低的溫度下，采用恒定表面源擴散方式在硅片表面擴散一層雜質(zhì)原子，其分布為余誤差函數(shù)，目的在于控制擴散雜質(zhì)總量；第二步稱為再擴散或再分布，將表面已沉積雜質(zhì)的硅片在較高溫度下擴散，以控制擴散深度和表面濃度。第28頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.4雜質(zhì)的擴散方法擴散方法很多，按所用雜質(zhì)源的形式來分，有：

固態(tài)源擴散、液態(tài)源擴散、氣態(tài)源擴散；按所用擴散系統(tǒng)的形式來分，有：

開管式擴散、閉管式擴散、箱法擴散以及涂源法擴散。(一)、硼擴散擴硼的雜質(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)擴散。2B2O3+3Si4B+3SiO2B2O3的性質(zhì)第29頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、磷擴散磷擴散源很多，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)擴散。2P2O5+5Si4P+5SiO2

1、磷的固態(tài)源擴散2、磷的液態(tài)源擴散3、磷的氣態(tài)源擴散(三)、砷擴散(四)、銻擴散(五)、金擴散第30頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.5雜質(zhì)擴散后結(jié)深和方塊電阻的測量(一)、結(jié)深的測量測量結(jié)深的方法主要有磨角法、磨槽法和光干涉法。1、磨角法首先將擴散片磨成斜角（1~5），然后采用染色液對表面染色以區(qū)分N區(qū)和P區(qū)的界面位置。常用的染色液是濃氫氟酸加0.1~0.5體積的濃硝酸的混合液。最后通過以下兩個公式可求出結(jié)深：第31頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、磨槽法適用于測量淺結(jié)。

其中，R是磨槽圓柱體的半徑，a和b由顯微鏡測出。若R遠大于a和b，則近似為：第32頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月3、光干涉法第33頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、擴散層電阻第34頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月半無窮大樣品：

樣品尺寸有限：第35頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月離子注入是另一種對半導(dǎo)體進行摻雜的方法?！?.1離子注入設(shè)備由以下幾個部分組成：

離子源

質(zhì)量分析器

加速器

中性束偏移器

聚焦系統(tǒng) 偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng) 工作室2、離子注入摻雜第36頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.2注入離子的濃度分布與退火離子注入過程：入射離子與半導(dǎo)體的原子核和電子不斷發(fā)生碰撞，從而損失其能量，經(jīng)過一段曲折路徑的運動，最后因動能耗盡而停止在半導(dǎo)體中的某處。

第37頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)、注入離子濃度分布

φ注入劑量，單位為cm-2RP是平均投影射程，RP為射程偏差，與注入能量有關(guān)。第38頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

注入離子濃度分布的特點：

1、最大濃度位置在樣品內(nèi)的平均投影射程處：

(1)注入離子的劑量φ越大，濃度峰值越高； (2)注入離子的能量E（20~200KeV）越大，RP、RP相應(yīng)越大，濃度峰值越低。

2、在x=RP處的兩邊，注入離子濃度對稱地下降，且下降速度越來越快。第39頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月表3.1硅中離子注入能量(KeV)與射程(?)的對應(yīng)關(guān)系

入射能量雜質(zhì)20406080100120140160180BRP71414132074269532753802428447455177RP276443562653726713855910959PRP25548872997612281483174019962256RP90161226293350405459509557AsRP151263368471574677781855991RP345981102122143161180198第40頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、晶格損傷與退火1、晶格損傷由離子注入所引起的空位和間隙原子對等點缺陷稱為晶格損傷，與注入離子的能量、質(zhì)量、劑量、靶溫和靶材料等有關(guān)。(1)在相同的入射能量和相同的靶材料下，輕離子注入損傷密度小，但區(qū)域較大；重離子注入損傷密度大，但區(qū)域很小；(2)注入劑量增大，靶的晶格損傷越嚴重。(4)注入劑量一定時，劑量率（單位時間通過單位面積注入的離子數(shù)）越高，注入時間越短；(5)避免溝道滲透效應(yīng)，沿某一晶向入射離子優(yōu)于隨機入射，偏離晶向5o左右。第41頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、退火

目的：消除晶格損傷，并且使注入的雜質(zhì)轉(zhuǎn)入替代位置而實現(xiàn)電激活。(1)熱退火溫度范圍：600℃~1200℃。低溫長時間+高溫短時間。

(2)快速退火采用脈沖激光、脈沖電子束與離子束、掃描電子束、連續(xù)波激光、寬帶非相干光源（如鹵燈和高頻加熱）等退火，特點是瞬時內(nèi)使晶片的某個區(qū)域加熱到極高的溫度，并在較短的時間內(nèi)（10-3~10-2S）完成退火。第42頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§2.3離子注入的特點及參數(shù)（一）優(yōu)點1、離子注入擴大了雜質(zhì)的選擇范圍；掩蔽膜可用SiO2、金屬膜或光刻膠。

2、注入溫度一般不超過400℃，退火溫度也較低（650℃），避免了高溫過程帶來的不利（如結(jié)的推移、熱缺陷等）。3、離子注入能精確控制摻雜的濃度分布和摻雜深度，易制作極低濃度和淺結(jié)。4、離子注入可選出單一的雜質(zhì)離子，保證了摻雜的純度。5、離子注入的橫向擴散很小，集成度高，高頻特性好。6、劑量在1011~1017離子/cm2較寬的范圍內(nèi)，同一平面內(nèi)雜質(zhì)分布的均勻性。7、無固溶度限制。

第43頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）缺點1、高能注入形成晶格缺陷、損傷；2、注入設(shè)備復(fù)雜。（三）、離子注入?yún)?shù)1、劑量2、能量：決定射程（投影射程Rp，標準偏差)第44頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.1SiO2的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途(一)、結(jié)構(gòu)分為結(jié)晶形和無定形兩類。結(jié)晶形SiO2由Si–O四面體在空間規(guī)則排列而成，如石英、水晶等；無定形SiO2是Si-O四面體在空間無規(guī)則排列而成，如熱生長SiO2、淀積SiO2等。無定形SiO2中硅原子要運動須打斷四個Si-O鍵，而氧原子的運動最多打斷兩個Si-O鍵，因此，氧空位的出現(xiàn)易于硅空位。氧化的過程均是含氧的氧化劑穿過SiO2層到達Si-SiO2界面與Si反應(yīng)生成SiO2。

3、氧化第45頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、SiO2的主要性質(zhì)1、物理性質(zhì)性質(zhì)SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁帶寬度（eV）1.12~8介電常數(shù)11.73.9熔點（℃）14171700熱導(dǎo)率(W/cm.k)1.50.01擊穿電場(V/cm)3χ1056χ106第46頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅被HF酸腐蝕。

(三)、SiO2膜在集成電路中的應(yīng)用1、用作選擇擴散的掩膜；2、用作表面保護及鈍化；3、用作絕緣介質(zhì)（隔離、絕緣柵、多層布線絕緣、電容介質(zhì)等）；4、離子注入中用作掩蔽層及緩沖介質(zhì)層等。第47頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.2

SiO2的掩蔽作用(一)、雜質(zhì)在SiO2中的擴散系數(shù)

其中：E為雜質(zhì)在SiO2中的擴散激活能；D0為表觀擴散系數(shù)。

SiO2中雜質(zhì)擴散系數(shù)：B、P、As、Sb、Au等擴散系數(shù)較小；Ga、Na、K、H2、H2O等擴散系數(shù)較大。

SiO2層為無定形體，不是晶體，故雜質(zhì)在SiO2中不存在固溶度的概念。第48頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、SiO2掩蔽層厚度的確定

SiO2層起掩蔽作用的條件：（1）具有一定厚度；（2）Dsi>>DSiO2

雜質(zhì)在SiO2層中的分布大部分按余誤差函數(shù)分布：定義N(x)/NS的比值為10–3時對應(yīng)SiO2的xmin：第49頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.3高溫氧化（熱氧化）高溫氧化法生長的SiO2結(jié)構(gòu)致密，掩蔽性能良好。氧化層厚度x0與消耗掉的硅厚度x的關(guān)系：

x=0.44x0氧化方法：

1、高質(zhì)量氧化：干氧氧化或分壓氧化；2、厚層的局部氧化或場氧化：干氧（10min）+濕氧+干氧(10min)或高壓氧化；3、低表面態(tài)氧化：摻氯氧化、濕氧氧化加摻氯氣氛退火或分壓氧化（H2O或O2+N2或Ar或He等）。第50頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.4熱氧化生長動力學(xué)(一)、熱氧化過程1、氧化劑擴散穿過滯留層達到SiO2表面，其流密度為F1。

2、氧化劑擴散穿過SiO2層達到SiO2-Si界面，流密度為F2。

3、氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2，流密度為F3。

4、反應(yīng)的副產(chǎn)物離開界面。第51頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月1）DSiO2>>KSx0

SiO2的生長速度主要由Si表面的化學(xué)反應(yīng)速度決定，稱為反應(yīng)控制。2）DSiO2<<KSx0

SiO2的生長速度主要由氧化劑的擴散速度決定，稱為擴散控制。

第52頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、SiO2的生長厚度計算1）在氧化的初期，t+<<A2/4B，為線性氧化規(guī)律：

B/A為線性速率常數(shù)，SiO2生長速率由SiO2–Si表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)KS決定。2）氧化進行一段時間后，t>>，t>>A2/4B，為拋物線氧化規(guī)律：

x02=Bt第53頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)、決定氧化速率的各種因素1、氧化劑分壓的影響2、氧化溫度的影響3、硅表面晶向的影響

B與硅晶向無關(guān)；B/A與硅原子晶向有關(guān)：

第54頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月4、雜質(zhì)的影響(1)氧化層中高濃度Na+將增大B和B/A；

(2)氧化劑中Cl2、HCl、（C2HCl3）將增大B和B/A，有利于改善SiO2質(zhì)量和SiO2–Si界面性質(zhì)；(3)重摻雜硅氧化得比輕摻雜硅快。第55頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.5熱氧化過程中雜質(zhì)的再分布(一)、熱氧化時硅中雜質(zhì)再分布產(chǎn)生的原因1、雜質(zhì)在Si、SiO2中平衡濃度不同分凝系數(shù)m=

2、雜質(zhì)在Si、SiO2中擴散速度不同3、氧化速度與氧化層厚度第56頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月熱氧化中雜質(zhì)在SiO2-Si界面再分布的四種情況(a)氧化層中慢擴散（硼）；(b)氧化層中快擴散（硼，在H2氣氛下）；(c)氧化層中慢擴散（磷）；(d)氧化層中快擴散（鎵）第57頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、熱氧化過程中硅中雜質(zhì)的再分布1、硅中摻磷(1)溫度一定時，水汽氧化（濕氧氧化）導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度較大，其NS/NB大于干氧氧化；(2)同一氧化氣氛下，氧化溫度越高，磷向硅內(nèi)擴散的速度越快，表面堆積現(xiàn)象減小，NS/NB趨于1。2、硅中摻硼(1)溫度一定時，水汽氧化（濕氧氧化）導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度增大，NS/NB小于干氧氧化；(2)同一氧化氣氛下，氧化溫度越高，硼向硅表面擴散速度加快，補償了雜質(zhì)的損耗，NS/NB趨于1。第58頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§3.6氧化膜質(zhì)量檢測及應(yīng)用(一)、氧化膜厚度測量方法表4.6SiO2層厚度與顏色的關(guān)系顏色氧化層厚度（?）~灰100

~黃褐300

~藍800

紫10002750465065008500深藍14003000490068008800綠18503300520072009300黃20003700560075009600橙22504000600079009900紅250043506250820010200第59頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、氧化膜缺陷檢測包括氧化膜針孔、氧化層錯的檢測。(三)、介電系數(shù)和擊穿特性測量計算介電系數(shù)公式：其中：Cmax代表電容器的最大電容;0代表真空電容率;tox代表氧化膜厚度；A代表氧化層的面積。(四)、應(yīng)力測量圓盤彎曲法；基片彎曲法；X射線和電子衍射技術(shù)。

第60頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(五)、熱生長SiO2–Si系統(tǒng)中的電荷

與熱氧化有關(guān)電荷的名稱及位置示意圖Qf：固定氧化物電荷，Qit：界面陷阱電荷，

Qm：可動離子電荷，Qot：氧化物陷阱電荷。第61頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§4.1CVD的薄膜及技術(shù)分類化學(xué)氣相淀積（ChemicalVaporDeposition）是指單獨地或綜合的利用熱能、輝光放電等離子體、紫外光照射、激光照射或其它形式的能源，使氣態(tài)物質(zhì)在固體的熱表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在該表面上淀積，形成穩(wěn)定的固態(tài)物質(zhì)的工藝過程。4、化學(xué)氣相淀積（CVD）第62頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)、CVD分類1、按溫度分，可分為低溫（200-500oC）、中溫（500-1000oC）、和高溫（1000-1300oC）CVD。

2、按壓力分，可分為常壓CVD（APCVD）和低壓CVD（LPCVD）。

3、按反應(yīng)室壁溫度分，可分為熱壁CVD和冷壁CVD。熱壁是指壁溫高于晶片溫度，通常是在反應(yīng)室外采用電阻發(fā)熱方式透過室壁對晶片進行加熱。冷壁是指壁溫低于晶片溫度，可采用射頻感應(yīng)或電阻發(fā)熱方式在反應(yīng)室內(nèi)對基座進行加熱。4、按反應(yīng)激活方式分，可分為熱激活、等離子激活（PECVD）和紫外光激活等。5、按氣流是水平還是垂直流動，可分為臥式CVD和立式CVD。第63頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、CVD薄膜分類半導(dǎo)體集成電路制造中所用的薄膜材料，包括介質(zhì)膜、半導(dǎo)體膜、導(dǎo)體膜以及超導(dǎo)膜等，幾乎都能用CVD工藝來制備。介質(zhì)膜：SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、PSG、BSG、Si3N4

半導(dǎo)體：Si、Ge、GaAs、GaP、AlN、InAs、V2O3導(dǎo)體：Al、Ni、Au、Pt、Ti、W、Mo、WSi2、摻雜多晶硅超導(dǎo)體：Nb3Sn、NbN、Nb4N5

第64頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)、CVD淀積方法淀積方法壓力Pa淀積溫度（℃）反應(yīng)能量提供方式特點常壓CVDAPCVD100K370~1250高頻加熱，電阻加熱裝備簡單、工藝成熟；膜均勻性差，產(chǎn)量低、成本高，需大量攜帶氣體，高頻射線對人體有害低壓CVDLPCVD27~270350~900電阻加熱膜的質(zhì)量和均勻性好；產(chǎn)量高，成本低，易于實現(xiàn)自動化，國內(nèi)外普遍采用等離子體增強CVDPECVD13~270250~400射頻能量激活氣體分子，產(chǎn)生輝光放電等離子體（襯底需用電阻加熱）膜厚均勻性好，產(chǎn)量高，成本低，因淀積溫度低，可用于器件表面鈍化光-CVDPCVD40~13050~200遠紫外光或激光照射（襯底用電阻加熱）反應(yīng)溫度低，薄膜質(zhì)量好，尚在實驗研究階段第65頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(四)、CVD工藝特點1、CVD成膜溫度遠低于體材料的熔點或軟化點，因而減輕了襯底片的熱形變，減小了沾污，抑制了缺陷生成，減輕了雜質(zhì)的再分布，適于制造淺結(jié)分立器件以及VLSI電路；2、薄膜的成分精確可控、配比范圍大，重復(fù)性好；3、淀積速率一般高于PVD（物理氣相淀積，如蒸發(fā)、濺射等）；厚度范圍從幾百?至數(shù)毫米，生產(chǎn)量大；4、淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好，臺階覆蓋性能好。第66頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§4.2化學(xué)氣相淀積生長動力學(xué)(一)、薄膜生長過程1、氣體分子擴散到襯底表面2、氣體分子被襯底表面吸附3、被吸附的分子在襯底表面上反應(yīng)，生成薄膜及化學(xué)反應(yīng)副產(chǎn)物4、反應(yīng)副產(chǎn)物分子從襯底表面脫附5、副產(chǎn)物分子擴散離開襯底表面第67頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、化學(xué)氣相淀積模型

F1=hG（CG-CS）

F2=kSCS

F1：到達襯底表面的反應(yīng)物流量F2：膜生長時消耗的反應(yīng)物流量CG：主氣流中反應(yīng)物的濃度CS：襯底表面上的反應(yīng)物濃度

hG：氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)

kS：表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)第68頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜的生長速率（淀積率）其中：N1為淀積膜的密度（1）高溫區(qū)，hG<<kS即：高溫下，淀積率受氣相質(zhì)量遷移速率hG決定。（2）低溫區(qū)，hG>>kS因，故即：低溫下，淀積率受表面反應(yīng)速率控制。

第69頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)、滯留層（附面層或速度邊界層）與hG的關(guān)系

：襯底表面滯留層的厚度（與氣體流速平方根成反比）

DG：氣體分子通過滯留層向襯底表面擴散的速率

1、常壓CVD中，質(zhì)量遷移速率hG與表面反應(yīng)速率kS常屬同一數(shù)量級。總的淀積速率由兩者決定，受反應(yīng)室的幾何尺寸、氣體流速、基座形狀及放置方式影響大；2、LPCVD及PECVD中，壓力從105Pa降到十幾~270Pa。DG1/P，故DG增加1000倍以上；比常壓增大3~10倍。因此hG=DG/增大100~300倍，hG>>kS，反應(yīng)主要受溫度控制。

第70頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§4.3化學(xué)氣相淀積工藝(一)、APCVD

化學(xué)反應(yīng)在常壓下進行，APCVD常用于淀積二氧化硅，特別是摻雜的SiO2，如磷硅玻璃（PSG）。產(chǎn)量低，片內(nèi)及片間均勻性較差，易產(chǎn)生霧狀顆粒、粉末等。為提高均勻性，須提高稀釋氣體流量，同時降低淀積溫度。目前普遍采用LTCVD（常壓下低溫化學(xué)氣相淀積）SiO2和摻雜SiO2膜。第71頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月第72頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、基本化學(xué)反應(yīng)稀釋的SiH4（硅烷）同過量O2反應(yīng)在熱襯底上生長SiO2：

SiH4+O2SiO2+2H2稀釋的SiH4和PH3（磷烷）同過量O2反應(yīng)生成磷硅玻璃（PSG），PSG是一種兩元玻璃質(zhì)化合物：(1-x)SiH4+2xPH3+3[O2](SiO2)1-x(P2O5)x+[H2]第73頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、常壓LTCVD工藝特點（1）溫度升高，淀積速率增大，淀積溫度選擇在400~450℃；（2）SiH4或O2流量增大，淀積速率增大；SiH4流量幾十到幾百毫升/分，總氣體流量幾到幾十升/分，淀積速率幾百?至幾微米/分；（3）在保證足夠淀積速率下，應(yīng)選擇足夠大的稀釋氣體（N2）流量，避免大量SiO2白色粉末的形成，同時提高均勻性；（4）淀積的SiO2或PSG膜均需在700~1000℃溫度下（N2或惰性氣體）處理5~15min，目的在于提高膜的密度、抗蝕性及介電擊穿強度。第74頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、LPCVD

1、LPCVD的一般工藝流程裝片；爐子恒溫并對反應(yīng)室抽真空到1.3Pa；充N2氣或其它惰性氣體進行吹洗；再抽真空到1.3Pa；完成淀積；關(guān)閉所有氣流，反應(yīng)室重新抽到1.3Pa；回充N2氣到常壓，取出硅片。

2、LPCVD工藝的一般特點（1）LPCVD都在65~130Pa氣壓下進行，硅片垂直于氣流方向背靠背密集豎直放置，裝片量大，能保證膜厚及膜組分的高度均勻性，臺階覆蓋性能好；（2）與APCVD相比，LPCVD在更寬的溫度范圍內(nèi)，其淀積速率的對數(shù)與絕對溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系；（3）LPCVD的淀積速率隨反應(yīng)氣體分壓的升高而增大；（4）淀積溫度與反應(yīng)氣體分壓恒定時，增加反應(yīng)氣體的流量，淀積速率增大，淀積速率一般為幾十至幾百?。第75頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月3、LPCVD淀積SiO2

4、LPCVD淀積Si3N4

第76頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月5、LPCVD淀積多晶硅。特點：(a)LPCVD熱分解硅烷淀積多晶硅的溫度一般為600~750℃，低于600℃淀積出的是非晶硅，高于此溫度才能生長出多晶硅;(b)LPCVD多晶硅膜中通常包含（111）、（110）、（100）、（311）等取向的晶粒，各成分的含量主要取決于淀積溫度；(c)多晶硅中晶粒尺寸取決于淀積溫度，淀積溫度升高，晶粒尺寸增大；淀積溫度在625~750℃時，晶粒尺寸在720~870?；

(d)淀積過程中摻入硼將增大多晶硅淀積速率；摻磷或砷時，多晶硅淀積速率減??；(e)熱處理溫度越高，晶粒生長越大；(f)多晶硅摻雜將促進晶粒生長。第77頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)、PECVD工藝（Plasma-EnhancedCVD）

等離子增強CVD，輝光放電等離子場中的高能電子撞擊反應(yīng)物氣體分子，使之激活并電離，產(chǎn)生化學(xué)性質(zhì)很活潑的自由基團，并使襯底產(chǎn)生更為活潑的表面結(jié)點，從而啟動并加快了低溫下的化學(xué)反應(yīng)，實現(xiàn)化學(xué)氣相淀積的技術(shù)。

1、設(shè)備的組成反應(yīng)室和襯底加熱系統(tǒng)、射頻功率源、供氣及抽氣系統(tǒng)。第78頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、PECVD淀積Si3N4的工藝流程：（1）裝硅片；（2）抽真空到0.13Pa；（3）回充N2，再抽真空，反復(fù)2~3次，實現(xiàn)真空清洗；（4）硅襯底加熱到淀積溫度；（5）反應(yīng)室充N2，壓力維持在67~133Pa，起輝10min，干法清洗硅片；（6）調(diào)節(jié)氣體（SiH4、NH3、N2）到預(yù)定的流量；（7）接通RF電源，完成淀積；（8）斷電，切斷SiH4、NH3，對質(zhì)量流量計進行N2清洗；（9）整個系統(tǒng)充N2到常壓，斷N2，開爐，取片。第79頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、工藝參數(shù)對淀積的影響（1）射頻功率增大，淀積速率幾乎線性上升（2）襯底溫度對淀積速率影響小，但對薄膜的物理性質(zhì)影響較大。溫度在250℃~350℃，膜應(yīng)力小，抗酸腐蝕。（3）氣體流量是影響淀積速率的主要因素。為保證淀積的均勻性，氣體流量應(yīng)維持在1000~2500ml/min范圍內(nèi)。（4）反應(yīng)室壓力增大，淀積速率增大，壓力在27~270Pa范圍內(nèi)可保持穩(wěn)定的輝光放電等離子體、均勻性與重復(fù)性良好的薄膜。（5）氣體總流量恒定時，SiH4百分比濃度增大，淀積速率增大。第80頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

4、PECVD淀積薄膜反應(yīng)式

（1）3SiH4+4NH3Si3N4+12H2

（2）SiH4+2N2OSiO2+2N2+2H2

（3）SiH4Si+2H2

（4）(1-x)SiH4+xPH3Si1-xPx+[H2]第81頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、CVD法的反應(yīng)發(fā)生在SiO2

膜的表面，膜厚與時間成線性關(guān)系。而在氧化法中，一旦SiO2

膜形成以后，反應(yīng)劑須穿過SiO2

膜，反應(yīng)發(fā)生在SiO2/Si界面上。CVD法氧化法化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)SiO2SiO2SiSi3、CVD法用的溫度較低，但膜的質(zhì)量較差。而氧化法則正好相反。(四)、氧化制備的SiO2膜與CVD制備的SiO2

膜比較

1、CVD法SiO2膜中的硅來自反應(yīng)氣體，而氧化法SiO2膜中的硅來自硅襯底。第82頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.1概述(一)、金屬化工藝的作用金屬化工藝是根據(jù)集成電路的設(shè)計要求，將各種晶體管、二極管、電阻、電容等元器件用金屬薄膜線條（互連線）連接起來，形成一個完整的電路與系統(tǒng)，并提供與電源、接地、輸入、輸出等外電路相連接的接點。金屬化系統(tǒng)和金屬化工藝的優(yōu)劣將影響整個電路的電特性和可靠性。為提高電路速度與集成度，應(yīng)盡可能縮短互連線，或采用多層金屬化系統(tǒng)。5、金屬化（PVD）第83頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、對金屬化系統(tǒng)的要求1、電導(dǎo)率高，能提供低阻的互連引線；2、與高摻雜硅或高摻雜多晶硅能形成低阻的歐姆接觸；3、與硅、SiO2的粘附能力強；4、抗電遷移能力強；5、抗電化學(xué)腐蝕能力強；6、易于淀積和刻蝕；7、便于超聲或熱壓鍵合，且鍵合點能經(jīng)受長期工作；8、多層互連時，層與層之間不互相滲透和擴散。第84頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)、金屬-半導(dǎo)體接觸1、肖特基接觸肖特基接觸的特點是金屬-半導(dǎo)體接觸區(qū)具有整流特性，即單向?qū)щ娦浴?、歐姆接觸歐姆接觸的特點是流過金屬-半導(dǎo)體接觸區(qū)的電流與電壓成正比關(guān)系，近似服從歐姆定律，接觸電阻上的電壓降與硅體內(nèi)的電壓降相比可忽略。

對于金屬化系統(tǒng)來說，要求形成歐姆接觸。措施：（1）半導(dǎo)體高摻雜；（2）選取適當?shù)慕饘匐姌O（如Pt

、Ti等），使其與半導(dǎo)體接觸的勢壘較低。第85頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.2金屬薄膜的制備方法(一)、真空蒸發(fā)鍍膜1、概念及過程真空蒸發(fā)技術(shù)是對淀積薄膜的源材料施加熱能或動能，使之分解為原子或原子的集合體，并輸運到硅片表面后結(jié)合或凝聚在硅片表面而形成薄膜。蒸發(fā)過程：（1）被蒸發(fā)物質(zhì)由凝聚相（固體或液體）轉(zhuǎn)化為汽相。（2）汽相原子或分子在真空系統(tǒng)中輸運。（3）汽相原子或分子到達襯底后在襯底上淀積、成核和生長。第86頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、對真空蒸發(fā)的要求（1）真空蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)具有加熱源，以便將被蒸發(fā)材料加熱到足夠高的溫度，形成汽相原子或分子。（2）蒸發(fā)必須在真空室中進行，真空度應(yīng)在1.3310-2Pa~1.3310–5Pa，使金屬蒸發(fā)原子在系統(tǒng)中輸運時的平均自由程遠大于蒸發(fā)源與襯底間的距離。第87頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電阻加熱蒸發(fā)（1）對制作電阻加熱器的材料的性能要求（a）熔點遠高于蒸發(fā)源的熔點，且蒸汽壓極低；（b）蒸發(fā)過程中不軟化，不與蒸發(fā)源生成合金；（c）容易加工成所需要的各種形狀。常用的電阻加熱器材料有：鎢、鉬、鉭。加熱器的形狀有：金屬絲、金屬舟。第88頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月第89頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月基片加熱器基片架基片真空室鐘罩蒸發(fā)料蒸發(fā)源加熱電極電阻加熱金屬舟抽氣第90頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）蒸發(fā)工藝流程（以鎢絲加熱器蒸鋁膜為例）

（a）掛鋁絲（99.99%純度），將硅片置于襯底加熱器上，轉(zhuǎn)動活動擋板，使之位于蒸發(fā)源與硅片之間，蓋好鐘罩。（b）抽真空：開動機械泵，打開低真空閥，待真空度高于1.3Pa后，關(guān)低真空閥，開高真空閥，轉(zhuǎn)到用擴散泵抽高真空。（c）硅片加熱：當真空度抽到6.710-3Pa后，開始加溫，使襯底溫度升到約400℃，恒溫數(shù)分鐘以除去硅片表面吸附的污物，然后降溫。（d）蒸發(fā)：襯底溫度降至150℃且真空度達到6.710-3Pa以上，逐步加熱蒸發(fā)源使之熔化后附在鎢絲上，先使鋁中高蒸汽壓雜質(zhì)揮發(fā)掉（提高鋁的純度），然后迅速增大加熱電流到一定值，打開擋板，使鋁蒸發(fā)到硅片上。蒸發(fā)完畢轉(zhuǎn)回擋板，并停止蒸發(fā)源加熱。（e）取片：待硅片溫度降至150℃以下，關(guān)閉高真空閥，關(guān)閉擴散泵電源，對真空室放氣，打開鐘罩，取出硅片。

第91頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）特點（a）優(yōu)點：操作簡單，不產(chǎn)生電離輻射。（b）缺點：可能受到來自加熱器的污染，如鎢絲加熱器會引入K、Na離子的沾污，而鉭絲或鉭舟則幾乎不會引入沾污；只能蒸發(fā)熔點在2000℃以下的材料；裝載量小而限制了薄膜的最終厚度。第92頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月4、電子束蒸發(fā)（1）原理電子束蒸發(fā)是利用陰極電子槍發(fā)射出電子，電子束在電場作用下穿過加速極陽極進入磁場空間，通過調(diào)節(jié)磁場強度控制電子束的偏轉(zhuǎn)半徑，準確地打到坩堝內(nèi)的蒸發(fā)源上（Al或Ti等），將電子的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使金屬熔化并蒸發(fā)到硅片表面上，形成薄膜。第93頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月第94頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）特點

優(yōu)點：K、Na離子沾污輕；能夠蒸發(fā)熔點在2000℃以上的材料或難熔金屬；蒸發(fā)速率大；臺階覆蓋性好；膜厚控制好。

缺點：導(dǎo)致輻射損傷；蒸發(fā)合金時，蒸發(fā)所得薄膜的成分與蒸發(fā)源的成分會有差異。蒸發(fā)后應(yīng)當采用退火的方法來消除輻射損傷。退火條件：380℃~500℃，N2或N2+H2混合氣氛中退火15~40min。第95頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月5、蒸發(fā)工藝中影響薄膜質(zhì)量的因素（1）金屬膜淀積前硅片的清洗2號清洗劑（HCl:H2O2:H2O=1:2:8）煮，2.5%HF酸腐蝕90秒，冷去離子水沖洗，甩干。（2）蒸發(fā)速率蒸發(fā)速率過低，金屬膜不光亮，電阻大，鍵合困難；蒸發(fā)速率過高，會在硅片表面形成金屬原子團淀積小丘，影響光刻，且厚度也不易控制。（3）蒸發(fā)源的合金成分為了防止合金化時硅向鋁中溶解而引起PN結(jié)穿通，可采用Al-Si(1~2%)合金蒸發(fā)源；為了提高鋁膜的抗電遷移能力，可采用Al-Cu(1~4%)或Al-Si-Cu(含Cu4%，含Si1%)合金源。第96頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）襯底溫度較高的襯底溫度可使蒸發(fā)薄膜與Si、SiO2粘附得更好，有利于降低接觸電阻，膜的晶粒越大，臺階處的連續(xù)性越好。（5）蒸發(fā)后金屬膜的合金化將光刻好金屬化布線的硅片在真空中或干N2或N2+H2（3:1）混合氣體的保護下加熱到一定溫度并保持足夠時間的過程。目的：改進金屬化薄膜與襯底（Si或SiO2）之間的粘附性，并與硅之間形成良好的歐姆接觸；消除電子束蒸發(fā)引起的輻射損傷；保證雙層布線間的良好接觸。合金溫度：380℃~450℃，時間：15~30min。第97頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、濺射鍍膜1、濺射鍍膜的基本原理用高能粒子（經(jīng)電場加速的正離子）沖擊作為陰極的固態(tài)靶，靶原子與這些高能粒子交換能量后從表面飛出，淀積在作為陽極的硅片上，形成薄膜。直流二極濺射臺第98頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月

高頻濺射臺第99頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、濺射鍍膜方法離子濺射鍍膜過程分為三步：離子的產(chǎn)生、離子對靶的轟擊引起濺射、從靶材料濺射出來的粒子對基片的淀積。其中前兩步與離子濺射刻蝕相同。在第三步中，從靶材料濺射出來的粒子，在真空環(huán)境中向基片作渡越運動，碰撞到基片后被基片吸附而淀積成薄膜。離子濺射鍍膜技術(shù)有直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、離子束濺射、反應(yīng)濺射等。第100頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月3、濺射鍍膜的特點(1)由于淀積粒子的能量較高，膜與襯底的粘附性更好。(2)可用于難熔金屬膜的淀積。(3)濺射膜的合金成份與靶的合金成份比例基本相同。(4)濺射膜對襯底的臺階覆蓋更好。(5)與電阻加熱器蒸發(fā)相比，減小了K、Na離子的沾污。(6)與電子束蒸發(fā)相比，濺射電壓較低，尤其是磁控濺射，電壓約為300~700V，從而大大降低了硅片的輻射損傷。(7)淀積速率比蒸發(fā)慢。第101頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)、化學(xué)氣相淀積（CVD）技術(shù)包括常壓、低壓、等離子增強CVD等技術(shù)。優(yōu)點：(1)薄膜的成分精確可控。(2)淀積速率一般高于物理氣相淀積，如蒸發(fā)、濺射等。(3)厚度范圍廣，由幾十納米至數(shù)毫米，且能大量生產(chǎn)。(4)膜的結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好，臺階覆蓋性好。第102頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月§5.3金屬化互連技術(shù)(一)、金屬化系統(tǒng)金屬化互連線分為兩大類：(1)以鋁為主的金屬化系統(tǒng)，可以不加接觸層、粘附層和阻擋層等，工藝簡單，容易與鋁絲鍵合，產(chǎn)品價格低廉，因而獲得了廣泛的使用。但抗電遷移能力差。(2)以金為主的金屬化互連，抗電遷移能力強，特別是采用金絲球形熱壓鍵合，鍵合點特別牢固，適于特殊要求的高可靠集成電路。第103頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月硅集成電路的金屬化系統(tǒng)第104頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月互連線在接觸孔處的縱向結(jié)構(gòu)第105頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)、常用金屬化系統(tǒng)及其特點1、純鋁系統(tǒng)鋁是三價元素，在硅中是強P型雜質(zhì)，與P型硅能形成低阻歐姆接觸。N型硅表面當雜質(zhì)濃度超過1019cm-3時，鋁能與其形成低阻歐姆接觸。雙極及MOS兩類集成電路，無論是單層布線或多層布線，均廣泛采用鋁作互連材料。（1）優(yōu)點能單獨作金屬化布線，工藝簡單。材料價格低廉。電阻率低。能用電阻絲加熱蒸發(fā)，工藝簡單。第106頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月與SiO2粘附性強。容易腐蝕，且在腐蝕鋁時對SiO2和Si不產(chǎn)生腐蝕。鋁能夠穿透引線孔內(nèi)殘余的氧化層，容易形成歐姆接觸。鋁與硅的接觸處無空隙，粘附牢固。鋁與P型硅及高濃度N型硅均能形成低歐姆接觸。固溶在鋁引線內(nèi)的硅對鋁引線的電阻率影響不大。鋁互連線與內(nèi)引線鍵合容易。第107頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）缺點鋁布線的電遷移現(xiàn)象比較嚴重。高溫下與SiO2反應(yīng)，使鋁膜變薄，電阻變大，SiO2受侵蝕金絲與鋁互連線鍵合會產(chǎn)生黃斑和紫斑，可靠性差。鋁是軟金屬，容易擦傷。當鋁與硅在較高溫度下熱處理時，由于硅在鋁中的溶解和擴散，會導(dǎo)致淺PN結(jié)退化甚至穿通。第108頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）克服鋁系統(tǒng)缺點的措施在鋁中摻入銅（2~4%），可以有效減緩電遷移。采用鋁絲鍵合技術(shù)，可以克服黃斑和紫斑。采用鈍化層保護，可以避免鋁膜的擦傷。在鋁中摻入硅（1~2%），使硅在鋁膜中達到飽和，可以克服鋁對硅的溶解。第109頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、鋁-硅（1~2%）合金系統(tǒng)(1)避免硅在鋁中溶解，保護PN結(jié)。(2)抗電遷移能力強。3、鋁-銅（2~4%）-硅（1~2%）合金系統(tǒng)(1)抗電遷移能力強。(2)熱處理過程中能阻止鋁、硅的再結(jié)晶，減小膜中小丘的產(chǎn)生，對多層布線有利。4、Al–TiW–Pt–Si互連系統(tǒng)優(yōu)點：(1)Pt與P型硅及高濃度N型硅能形成阻值極低的歐姆接觸。(2)抗電遷移能力強，可靠性高。(3)適于超淺結(jié)電路。第110頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月5、多晶硅和難熔金屬硅化物復(fù)合柵結(jié)構(gòu)和互連（1）多晶硅柵的優(yōu)點可采用自對準方式，減小了晶體管的尺寸和柵電極與源、漏電極間的交疊電容，從而提高器件的集成度與工作速度。多晶硅可以高溫氧化，對多層布線非常有利。閾值電壓低（取決于硅與硅的功函數(shù)差）。有利于利用比縮法則。耐擊穿時間長。第111頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月第112頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）多晶硅柵的缺點隨著集成電路的發(fā)展，器件和薄膜的縱向尺寸和橫向尺寸都將按比例縮小，作為互連材料的多晶硅薄膜，其過高的電阻率成為限制集成電路速度的因素之一。延遲時間常數(shù)RC與電阻率和方塊電阻的關(guān)系如下：

式中為多晶硅的方塊電阻，重摻雜時，l

、w和d分別為多晶硅互連引線的長度、寬度和厚度，ox、tox分別為多晶硅互連引線下面的絕緣層的介電常數(shù)和厚度。第113頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）難熔金屬硅化物的優(yōu)點難熔金屬硅化物具有類似金屬的低電阻率（約為多晶硅的十分之一或更低）。高溫穩(wěn)定性好，抗電遷移性能好。可直接在多晶硅上淀積難熔金屬，經(jīng)加溫處理形成硅化物，工藝與現(xiàn)有硅柵工藝兼容。第114頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月適于制作柵和互連的硅化物材料有：

TiSi2（二硅化鈦）、TaSi2（二硅化鉭）、MoSi2（二硅化鉬）和WSi2（二硅化鎢）。適于制作歐姆接觸的材料有：

TiSi（硅化鈦）、PtSi（硅化鉑）和PdSi2（二硅化鈀）。（4）多晶硅和難熔金屬硅化物復(fù)合柵和互連的制作工藝先淀積一層多晶硅（約500?），離子注入或擴散摻入磷，再淀積一層硅化物（4000?~5000?），一般采用濺射工藝以確保硅化物組分。或在多晶硅上淀積難熔金屬后，再經(jīng)加溫處理形成硅化物。第115頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月(三)、金屬化互連系統(tǒng)中的失效及改進措施1、鋁尖楔現(xiàn)象（結(jié)穿刺現(xiàn)象）這是由于硅溶解到鋁中，特別是在幾個點上大量溶解形成的。它使鋁像尖釘一樣刺入硅中，造成PN結(jié)的短路失效。改進措施：（1）Al-重摻雜多晶硅雙層金屬化結(jié)構(gòu)（2）Al-阻擋層結(jié)構(gòu)如Al-TiN或TiW(阻擋層)-PtSi或PdSi2(接觸層)-

Si。第116頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電遷移現(xiàn)象這是一種導(dǎo)電材料內(nèi)的質(zhì)量輸運現(xiàn)象，是由在外電場影響下導(dǎo)體內(nèi)運動的電子，將其動能傳給金屬離子所引起的。改進措施：(1)Al-Cu（4%）合金或Al-Si（1~2%）-Cu（2~4%）合金采用濺射工藝以確保金屬膜合金成分與靶一致。(2)Al–TiW–Pt–Si互連系統(tǒng)第117頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月3、臺階覆蓋問題臺階覆蓋問題容易導(dǎo)致金屬化引線斷路，對精細光刻工藝帶來不良影響，嚴重影響集成電路的可靠性和成品率。第118頁，課件共173頁，創(chuàng)作于2023年2月改進措施：