集成電路制造生產(chǎn)實(shí)習(xí)實(shí)習(xí)報告

集成電路制造生產(chǎn)實(shí)習(xí)一、工藝原理1．氧化二氧化硅的氧化方法通常有：熱氧化；熱分解淀積；CVD；陽極氧化；蒸發(fā)法(濺射法)。采用熱氧化法的SiO2質(zhì)量好，掩蔽能力強(qiáng)。熱氧化分為干氧氧化，水汽氧化和濕氧氧化。干氧氧化是指高溫下，氧氣與硅片反應(yīng)生成SiO2。這種氧化的特點(diǎn)是：速度慢但是氧化層致密，掩蔽能力強(qiáng)；均勻性和重復(fù)性好；表面與光刻膠的粘附性好，不易浮膠。水汽氧化是指高溫下，硅片與高純水蒸汽反應(yīng)生成SiO2。這種氧化速度快但是生成的二氧化硅薄膜的缺陷較多。通常會將兩者結(jié)合起來，也就是濕氧氧化。即氧氣中攜帶一定量的水汽在高溫下與硅發(fā)生氧化。這樣制備的二氧化硅既有較快的速率，又有著不錯的質(zhì)量。如圖1.1所示，為一個小尺寸的未經(jīng)氧化和摻雜的硅片。如圖1.2所示，將硅片垂直放置在SiO2槽內(nèi)。如圖1.3所示，將放有硅片的SiO2槽用SiO2制成的硅棒將其緩慢推入氧化爐內(nèi)。2．?dāng)U散擴(kuò)散和離子注入是常用的兩種摻雜方法。按照表面摻雜源濃度分類，擴(kuò)散分為恒定表面源擴(kuò)散和有限表面源擴(kuò)散。恒定表面源擴(kuò)散即指在擴(kuò)散過程中，Si片表面的雜質(zhì)濃度始終不變（等于雜質(zhì)在Si中的溶解度）。恒定表面源擴(kuò)散的主要特點(diǎn)如下：（1）在一定擴(kuò)散溫度下，表面雜質(zhì)濃度Ns為由擴(kuò)散溫度下的固溶度決定。（2）擴(kuò)散時間越長，擴(kuò)散溫度越高，擴(kuò)散進(jìn)硅片內(nèi)的雜質(zhì)數(shù)量越多。（3）擴(kuò)散時間越長，溫度越高，擴(kuò)散深度越大。有限表面源是指在擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)源限定于擴(kuò)散前淀積在晶片表面極薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量Q，硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量保持不變，沒有外來雜質(zhì)補(bǔ)充，也不會減少。有限源擴(kuò)散的特點(diǎn)如下：（1）擴(kuò)散時間越長，雜質(zhì)擴(kuò)散越深，表面濃度越低；擴(kuò)散溫度越高，雜質(zhì)擴(kuò)散得也越深，表面濃度下降得越多；（2）在整個擴(kuò)散過程中，雜質(zhì)總量Q保持不變。（3）表面雜質(zhì)濃度可控，通常對硅片進(jìn)行了氧化與光刻后，再采用擴(kuò)散方式或者離子注入。本次實(shí)習(xí)采用兩級擴(kuò)散進(jìn)行p型摻雜，采用硼元素?fù)诫s。如圖1.5（a）所示，將光刻后的硅片放入SiO2槽內(nèi)，再放置進(jìn)氧化爐內(nèi)，高溫下進(jìn)行擴(kuò)散。在實(shí)際工藝中，通常會采用所謂的兩部擴(kuò)散工藝。硅晶體管基區(qū)的硼擴(kuò)散，一般就采用雙步擴(kuò)散的方法。因?yàn)榕鹪诠柚械墓倘芏入S溫度的變化較?。ü倘芏仁侵冈谝欢囟认码s質(zhì)所能溶入固體中的最大濃度），一般都在1020/cm3以上，而通常要求基區(qū)的表面濃度較低些約1018/cm3．所以只得借助于第二步的主擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)對較低表面濃度的控制。兩部擴(kuò)散工藝如下：第一步：在較低溫度（800－900℃）下，短時間得淺結(jié)恒定源擴(kuò)散，即預(yù)淀積（預(yù)擴(kuò)散）；第二步：將預(yù)淀積的晶片在較高溫度下（1000－1200℃）進(jìn)行深結(jié)擴(kuò)散，最終達(dá)到所要求的表面濃度及結(jié)深，即再分布（主擴(kuò)散）。即預(yù)擴(kuò)散確定了雜志總量，再分布確定了雜質(zhì)分布情況與結(jié)深。對硅片進(jìn)行擴(kuò)散的同時也進(jìn)行了氧化。并分別檢測了預(yù)擴(kuò)散和在分布后的方塊電阻。3．光刻光刻是指通過光化學(xué)反應(yīng)，將光刻版（mask）上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。在二氧化硅或者金屬或者其他的薄膜上，我們需要在一些區(qū)域開窗口，這時就需要在薄膜上涂上光刻膠來劃定需要留下來的薄膜區(qū)域和需要刻蝕掉的薄膜區(qū)域。通過光照來劃定這些區(qū)域的過程就是光刻?？涛g是指在光刻后需要通過腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉(zhuǎn)移到Si片上。經(jīng)過光刻后，光刻膠所覆蓋的區(qū)域已經(jīng)被劃分為了需要被刻蝕掉的和需要保留下來的區(qū)域，根據(jù)不同光刻膠的性質(zhì)，利用相應(yīng)的試劑去掉所需要刻蝕掉的薄膜或金屬區(qū)域的光刻膠，然后進(jìn)行腐蝕，將光刻膠上圖形完整地轉(zhuǎn)移到Si片上。光刻的步驟分別是涂膠，前烘，曝光，顯影，堅(jiān)模，刻蝕，去膠。如圖1.6所示，先將硅片涂上光刻膠，并在該機(jī)器上進(jìn)行甩膠，使得光刻膠均勻地附著在硅片表面上。如圖1.7所示，將涂了光刻膠的硅片放入該儀器內(nèi)，進(jìn)行前烘。前烘可以促進(jìn)膠膜內(nèi)溶劑充分揮發(fā)，使膠膜干燥；增加膠膜與SiO2（Al膜等）的粘附性及耐磨性。但是如果烘焙不足（溫度太低或時間太短），顯影時易浮膠，圖形易變形。若烘焙時間過長，則增感劑揮發(fā)，導(dǎo)致曝光時間增長，甚至顯不出圖形。若烘焙溫度過高，光刻膠黏附性降低，光刻膠中的感光劑發(fā)生反應(yīng)（膠膜硬化），不易溶于顯影液，導(dǎo)致顯影不干凈。前烘之后要進(jìn)行曝光。如圖1.8所示，對前烘后的硅片進(jìn)行曝光。利用電腦操作該儀器，對光刻膠進(jìn)行光照，需要的部分光刻膠在光照后會固化。曝光有很多種類：光學(xué)曝光、X射線曝光、電子束曝光光學(xué)曝光通常采用紫外，深紫外光?？梢圆捎酶邏汗療?，產(chǎn)生紫外(UV）光，或是準(zhǔn)分子激光器：產(chǎn)生深紫外(DUV）光。光學(xué)曝光的方式有三種：a.接觸式：硅片與光刻版緊密接觸。b接近式：硅片與光刻版保持550μm間距。c.投影式：利用光學(xué)系統(tǒng)，將光刻版的圖形投影在硅片上。電子束曝光的優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、不需光刻版（直寫式）、缺點(diǎn)是產(chǎn)量低。X射線曝光的特點(diǎn)是分辨率高，產(chǎn)量大。對硅片進(jìn)行曝光之后要用顯影液去除掉不需要的光刻膠。顯影的作用是將未感光的負(fù)膠或感光的正膠溶解去除，從而顯現(xiàn)出所需的圖形。正負(fù)膠的顯影液是不同的，通常正膠顯影液使用含水的堿性顯影液，如KOH、TMAH(四甲基氫氧化胺水溶液)，等。負(fù)膠顯影液使用有機(jī)溶劑，如丙酮、甲苯等。對KPR（負(fù)膠）來說，顯影液使用丁酮－最理想；甲苯－圖形清晰度稍差；三氯乙烯－毒性大。曝光時間、前烘的溫度與時間、膠膜的厚度、顯影液的濃度、溫度、顯影時間都會影響顯影效果。顯影時間t太短，可能留下光刻膠薄層，阻擋腐蝕SiO2(金屬），形成氧化層“小島”。如果t太長則會導(dǎo)致光刻膠軟化、膨脹、鉆溶、浮膠，從而導(dǎo)致圖形邊緣破壞。顯影后將硅片放入儀器內(nèi)進(jìn)行堅(jiān)模。堅(jiān)膜可以使軟化、膨脹的膠膜與硅片粘附更牢；從而增加膠膜的抗蝕能力。具體的方法是將硅片放入恒溫烘箱，在180－200℃下，烘培30min。采用紅外燈在距離6cm的地方照射10min。若堅(jiān)膜不足則腐蝕時易造成浮膠和側(cè)蝕。若堅(jiān)膜過度則會導(dǎo)致膠膜熱膨脹，從而導(dǎo)致光刻膠翹.若溫度大于300℃則會導(dǎo)致光刻膠分解，失去抗蝕能力。堅(jiān)模后進(jìn)行刻蝕。如圖1.11所示。腐蝕（刻蝕）要求腐蝕液（氣體）既能腐蝕掉裸露的SiO2（金屬），又不損傷光刻膠。腐蝕有兩種方法：濕法腐蝕的腐蝕劑是化學(xué)溶液，它是各向同性腐蝕。干法腐蝕的腐蝕劑是活性氣體，如等離子體；它的分辨率高；各向異性強(qiáng)。去膠也有兩種方法：濕法去膠可以采用無機(jī)溶液去膠，如H2SO4（負(fù)膠）；也可以采用有機(jī)溶液去膠，如丙酮（正膠）；而干法去膠通?？梢圆捎肙2等離子體。如圖1.12所示，在刻蝕之后采用該儀器進(jìn)行去膠。

去膠完成了，基本完成了光刻操作。進(jìn)行光刻操作時需注意光刻膠涂抹均勻，前烘和堅(jiān)模的時間長短以及溫度，曝光顯影的時長等因素。同時也需要光刻膠的選取，正膠顯影時，感光部分溶解，未感光部分不溶解。負(fù)膠顯影時，感光部分不溶解，不感光部分溶解。4．金屬化金屬化是指金屬及金屬性材料在IC中的應(yīng)用。按功能可劃分為：①M(fèi)OSFET柵電極材料－MOSFET器件的組成部分；②互連材料－將各個獨(dú)立的元件連接成為具有一定功能的電路模塊。③接觸材料－直接與半導(dǎo)體材料接觸的材料以及提供與外部相連的接觸點(diǎn)。常用金屬材料有Al、Cu、Pt、Au、W、Mo等制備鋁膜的常用方法有真空蒸發(fā)法(電阻絲或電子束加熱)和濺射法(目前的主流，質(zhì)量好)。如圖1.13所示，使用該儀器在硅片上進(jìn)行淀積一層金屬。金屬化是在硅片表面形成一層金屬互連線，之后還要進(jìn)行光刻，將多余的金屬除去。進(jìn)行金屬淀積后，采用探針法或其他設(shè)備來測量該金屬層的厚度。

二、器件制作1．工藝流程N(yùn)/N＋型襯底――氧化生長――光刻窗口――P型擴(kuò)散――光刻接觸孔――金屬淀積――Al反刻――合金――測試本次生產(chǎn)實(shí)習(xí)工藝流程主要分為六個步驟。①氧化為了在n型襯底上進(jìn)行p型摻雜，需要先制備一層二氧化硅薄膜。②光刻一在二氧化硅薄膜上進(jìn)行光刻，刻蝕出需要進(jìn)行p型摻雜的區(qū)域。③擴(kuò)散在刻蝕出的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行p型摻雜，這里采用B的兩步擴(kuò)散工藝進(jìn)行摻雜，第一步預(yù)淀積確定雜質(zhì)總量，第二步再擴(kuò)散確定擴(kuò)散深度。擴(kuò)散的同時也形成了新的二氧化硅薄膜。④光刻二對p型摻雜區(qū)上的二氧化硅薄膜進(jìn)行光刻，刻蝕出需要淀積金屬鋁的區(qū)域。⑤金屬化在硅片上淀積一層金屬鋁膜。⑥光刻三在金屬鋁膜上進(jìn)行光刻，刻蝕掉不需要的金屬，形成金屬線。2．工藝條件①氧化●溫度T：1145℃●時間t：干氧氧化5分鐘濕氧氧化40分鐘干氧氧化15分鐘●氧氣流量：100ml/min測量氧化層厚度doc=400nm②光刻一●曝光時間：3.5秒●顯影時間：2分30秒●SiO2腐蝕時間：3分●去膠時間：10分鐘③擴(kuò)散第一步硼的預(yù)淀積：●溫度T：930℃●時間t：20分鐘●N2流量：100ml/min測量方塊電阻為750Ω/□第二步再擴(kuò)散：●溫度T：1150℃●時間t：30分鐘干氧5分鐘濕氧15分鐘干氧10分鐘●O2流量：100ml/min測量方塊電阻為243Ω/□④光刻二●曝光時間：3.5秒●顯影時間：2分30秒●SiO2腐蝕時間：3分30秒●去膠時間：10分鐘⑤金屬化●襯底溫度T：102℃●真空度：5E-3Pa●濺射時間：3分鐘測量金屬鋁膜厚度dAL=150nm。⑥光刻三●曝光時間：3.5秒●顯影時間：2分30秒●Al腐蝕時間：3分45秒●去膠時間：10分鐘3．測試結(jié)果采用如圖2.1（a）、（b）所示的設(shè)備進(jìn)行擊穿電壓測量。

測試了pn結(jié)的反向擊穿電壓（15個測試點(diǎn)），結(jié)果如下：V擊穿=58、60、65、70、50、62、70、60、58、55、50、50、50、64、60V4．結(jié)果分析①本組測試氧化層厚度400nm。采用干濕干的氧化方法，既擁有較高的氧化速率，同時也有較好的氧化質(zhì)量。②硼的預(yù)淀積和再分布的方塊電阻分別為750Ω/□和243Ω/□。采用兩部擴(kuò)散工藝使得雜質(zhì)分布較均勻。③金屬層的厚度為150nm。采用濺射法淀積了金屬層。④最終15個測試點(diǎn)的反向擊穿電壓相差不多，在正常范圍內(nèi)。去掉一個相差極大的值70V，得到該pn結(jié)的反向擊穿電壓均值為60V，屬于正常范圍。因此本次實(shí)習(xí)所制作的pn結(jié)符合要求。三、實(shí)習(xí)收獲與建議本次生產(chǎn)實(shí)習(xí)，讓我進(jìn)一步學(xué)習(xí)和了解到了制作一個pn結(jié)的工藝設(shè)備、工藝條件、以及工藝流程。老師們十分悉心地講解了設(shè)備的工作原理，操作方法，并進(jìn)行提問，還指導(dǎo)了我們親自動手，有必要時指出問題所在。這次實(shí)習(xí)讓我切身體驗(yàn)到了科學(xué)工作人員的辛苦，悶熱的防靜電服，在實(shí)驗(yàn)時長達(dá)幾個小時早已令