第十章微電子工藝實(shí)驗(yàn)

1、第十章微電子工藝實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,熱氧化生長(zhǎng)二氧化硅：主要內(nèi)容包括熱氧化工藝，二氧化硅膜的腐蝕，二氧化硅膜厚度測(cè)量等。 熱擴(kuò)散對(duì)硅片進(jìn)行摻雜：主要內(nèi)容包括熱擴(kuò)散工藝，二氧化硅膜的腐蝕，方塊電阻的測(cè)量等。 在硅片上蒸發(fā)鋁圖形：主要內(nèi)容包括光刻工藝，蒸發(fā)工藝，剝離法(lift-off)圖形化工藝等。 簡(jiǎn)單MOS器件的制備：主要內(nèi)容包括光刻工藝，蒸發(fā)工藝，剝離工藝，擴(kuò)散工藝等。,工藝復(fù)習(xí),熱氧化工藝 蒸發(fā)工藝 熱擴(kuò)散工藝 光刻工藝,10.1 熱氧化工藝,內(nèi)容：熱生長(zhǎng)二氧化硅薄膜的生長(zhǎng)原理、制備技術(shù)和特性測(cè)量。 要求：了解干氧、濕氧情況下熱生長(zhǎng)二氧化硅層的生長(zhǎng)規(guī)律，掌握熱生長(zhǎng)二氧化硅層的制備工藝和膜層特

2、性的測(cè)量方法。,熱氧化工藝方法,干氧法：硅和分子氧反應(yīng)生成SiO2 特點(diǎn)：氧化速度慢，但氧化層致密。 水汽氧化：硅和水汽反應(yīng)生成SiO2 特點(diǎn)：氧化速度快，但氧化層疏松。 濕氧法：硅和氧分子及水汽反應(yīng)生成SiO2 特點(diǎn)：氧化速度介于干氧和水汽氧化之間。,生長(zhǎng)厚氧化層時(shí)，常采用濕氧干氧；生長(zhǎng)薄氧化層時(shí)，則采用干氧。,氧化層應(yīng)用,自然氧化層（Native Oxide）,場(chǎng)氧化（Field Oxide）,柵氧化（Gate Oxide）,Purpose: 用于MOS的柵介質(zhì)層,Comments: 厚度從 30 到 500 ，通常使用干氧工藝。,緩沖氧化（Pad Oxide）,Purpose: 通常用于

3、氮化硅與硅襯底之間的緩沖層，降低應(yīng)力。,Comments: 厚度從100 到 200 ，通常使用干氧工藝。,屏蔽氧化層（Screen Oxide）,Purpose: 通常在離子注入工藝中作為非晶阻擋層，降低溝道效應(yīng)。,Comments: 厚度200 左右，通常使用干氧工藝。,掩蔽氧化層（Masking Oxide）,Purpose: 熱擴(kuò)散或離子注入摻雜時(shí)，作為掩蔽膜。,Comments: 厚度5000 左右，使用濕氧工藝。,阻擋氧化層（Barrier Oxide）,犧牲氧化（Scrificial Oxide）,Purpose: 通常用于硅片表面清潔，MEMS器件制備,Comments: 厚度

4、根據(jù)工藝要求而定，熱氧化或淀積工藝均可。,迪爾格羅夫模型,B/A被稱(chēng)為線性速率系數(shù)；而B(niǎo)被稱(chēng)為拋物線速率系數(shù),影響氧化速率的因素,溫度：氧化速率隨溫度升高而增大。 氣氛：摻氯氣氛增加氧化速率。 氣壓：氧化速率與氧化劑分壓成正比。 硅襯底摻雜：一般情況下硅中的摻雜會(huì)增加氧化速率。 硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)R(110)R(100)。,一塊硅樣品在1200下采用干氧氧化10分鐘，再在1200 采用濕氧氧化40分鐘，再1200 下干氧氧化30分鐘，最終得到的氧化層有多厚？,二氧化硅厚度測(cè)試方法,二氧化硅膜厚度測(cè)量方法主要包括：臺(tái)階法、干涉條紋法、橢偏光法等； 臺(tái)階法：先將

5、氧化層刻蝕出臺(tái)階，然后利用探針繪制出臺(tái)階曲線； 干涉條紋法：利用氧化層和硅襯底對(duì)入射光的反射干涉現(xiàn)象測(cè)量氧化層厚度，不同厚度的氧化層的干涉光的顏色不一樣； 橢偏光法：也是利用氧化層和硅襯底對(duì)入射偏振光的反射差別來(lái)測(cè)量氧化層厚度，不同厚度的氧化層對(duì)偏振光的改變不一樣。,臺(tái)階儀測(cè)量膜厚,橢偏儀測(cè)量厚度,基本原理是：一束橢圓偏振光作為探針照射到樣品上，由于樣品對(duì)入射光p分量和s分量有不同的反射、折射系數(shù)，因此從樣品上出射的光，其偏振狀態(tài)相對(duì)于入射光來(lái)說(shuō)要發(fā)生變化，利用該變化測(cè)出厚度。,干涉條紋測(cè)量厚度,工作原理是：氧化層表面的反射光與硅片表面的反射光發(fā)生干涉現(xiàn)象； 測(cè)量方法：用HF酸刻蝕掉部分氧化層

6、，形成坡?tīng)钆_(tái)階，根據(jù)顏色的周期性變化，對(duì)照顏色表得到大致厚度。,顏色厚度對(duì)照表,10.2 熱擴(kuò)散工藝,內(nèi)容：半導(dǎo)體集成電路中硼擴(kuò)散的機(jī)理、方法和特性測(cè)量。 要求：熟悉硼擴(kuò)散工藝中予淀積和再分布的操作方法，掌握薄層電阻的測(cè)量方法。,擴(kuò)散爐示意圖,組成部分：氣路裝置、爐體、石英舟。,擴(kuò)散源,固態(tài)源：含有雜質(zhì)的固態(tài)片狀物；氮化硼(BN)、五氧化二磷(P2O5)、三氧化二砷(As2O3)。通常將它們壓成和硅片大小相似的片狀。 液態(tài)源：硼酸三甲酯（B(CH3O)3）、溴化硼(BBr3)、三氯氧磷(POCl3) 、氯化砷(AsCl3)等； 氣態(tài)源：乙硼烷(B2H6)、磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)等。

7、對(duì)于每種擴(kuò)散雜質(zhì)都要自配一套擴(kuò)散系統(tǒng)，不得混用，以防雜質(zhì)互相污染。對(duì)于硅擴(kuò)散，B是最常用的P型摻雜劑，P，As是最常用的N型摻雜劑。,液態(tài)源擴(kuò)散裝置,液態(tài)源和氣態(tài)源擴(kuò)散流程,液態(tài)源和氣態(tài)源和輸運(yùn)氣體一起進(jìn)入反應(yīng)室； 雜質(zhì)源在高溫下分解，形成氧化物淀積在硅表面； 雜質(zhì)氧化物與硅反應(yīng)生成二氧化硅和雜質(zhì)原子，經(jīng)過(guò)硅片表面向內(nèi)部擴(kuò)散。,以三氯氧磷為雜質(zhì)源，首先在硅片上反應(yīng)形成磷硅玻璃，,接著用硅取代磷，磷被釋放出來(lái)后擴(kuò)散進(jìn)入硅，同時(shí)Cl2被排出,注意：1、在磷擴(kuò)散時(shí)通入少量的氧氣，是為了使源充分分解，否則源分解不充分而淀積在硅片表面，難以腐蝕；2、三氯氧磷有毒，所以系統(tǒng)要密封，排出氣體通進(jìn)通風(fēng)管道；3

8、、三氯氧磷在室溫下蒸汽壓很高，為保持蒸汽壓穩(wěn)定，擴(kuò)散時(shí)源要放在冰水中；4、三氯氧磷易水解，系統(tǒng)要保持干燥。,以硼酸三甲酯為液態(tài)雜質(zhì)源，首先B(CH3O)3在硅片表面分解，,接著用硅取代硼，硼被釋放出來(lái)后擴(kuò)散進(jìn)入硅,注意：1、考慮到石英管壁的吸收，在正式擴(kuò)散之前先通源一段時(shí)間；2、考慮到硼酸三甲酯分解產(chǎn)物中有C生成，對(duì)石英管和硅片均有腐蝕作用，因此盡量縮短通源時(shí)間和流量；3、硼酸三甲酯易水解，因此系統(tǒng)要密封和使用干燥輸運(yùn)氣體。,固態(tài)源擴(kuò)散裝置,固態(tài)源有：氮化硼(BN)、五氧化二磷(P2O5)、三氧化二砷(As2O3)。通常將它們壓成和硅片大小相似的片狀。 擴(kuò)散過(guò)程： 以氧化物的形式淀積到硅片表面

9、； 然后與硅反應(yīng)生成二氧化硅和雜質(zhì)原子，同時(shí)向硅內(nèi)部擴(kuò)散。,對(duì)于BN，擴(kuò)散前要使其通氧活化，生成B2O3，然后進(jìn)行一步的擴(kuò)散。,摻雜流程,窗口刻蝕,光 刻,除去雜質(zhì)氧化物,雜質(zhì)再分布,直線四探針,其中，A為修正因子，通?？梢匀?.5325。,四探針?lè)y(cè)量薄層電阻,方塊電阻,上圖為結(jié)深為xj的正方形擴(kuò)散層，由于半導(dǎo)體存在雜質(zhì)分布梯度，所以擴(kuò)散層的電阻率用平均電阻率來(lái)表示：,根據(jù)歐姆定律，上述方形的薄層電阻值為：,由上式可見(jiàn)，方形的薄層電阻與薄層平均電阻率成正比，與薄層厚度成反比，而與正方形的連長(zhǎng)無(wú)關(guān)，所以這一類(lèi)電阻稱(chēng)為方形電阻（RS）。進(jìn)而根據(jù)電導(dǎo)率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系式，求出方塊電阻與雜質(zhì)濃度的關(guān)

10、系為：,可見(jiàn)方塊電阻取決于擴(kuò)散到硅片內(nèi)的雜質(zhì)總量，雜質(zhì)越多， RS越小,r,點(diǎn)電流源的電場(chǎng)分布,距離電流注入r的地方，電流密度為：,該處體積單元的電阻值為：,流經(jīng)該處的電流為：,該處體積單元的電壓降為：,距離電流注入r1和r2兩點(diǎn)處的電壓為：,同理，電流流出的探針可看作一個(gè)負(fù)的點(diǎn)電流源。由電場(chǎng)疊加原理，空間任意兩點(diǎn)的電位差，為兩個(gè)電流源I和-I在此兩點(diǎn)產(chǎn)生的電壓和。對(duì)于四探針情況，P1和P4兩根探針通過(guò)的電流在P2和P3之間產(chǎn)生的電壓和為：,如果探針排成一條直線，而且針尖距離相等，則有：,四探針?lè)y(cè)量薄層電阻,方形四探針 (范德堡法),其中，F(xiàn)為形狀修正因子，對(duì)于正方形，F(xiàn)1。,在硅片上預(yù)淀積

11、雜質(zhì)磷，雜質(zhì)劑量為1011cm-2。然后在硅片上覆蓋一層Si3N4，以防止任何擴(kuò)散，然后在950 下對(duì)圓片進(jìn)行600分鐘的再分布。只考慮輕摻雜，忽略所有重?fù)诫s效應(yīng)。a. 退火后表面磷的濃度是多少？b. 如果硅片是P型，本底硼（B）濃度為1014 cm-3，請(qǐng)問(wèn)結(jié)深是多少？,10.3 蒸發(fā),內(nèi)容：真空蒸發(fā)制備圖形化金屬鋁薄膜工藝。 要求：了解蒸發(fā)鍍膜的原理，掌握蒸發(fā)鍍膜的技術(shù)、鋁層薄膜質(zhì)量與工藝參數(shù)的關(guān)系。,蒸發(fā)臺(tái)示意圖,蒸發(fā)必須在一定真空度下進(jìn)行，這是因?yàn)檎婵斩忍?，蒸氣分子?huì)與空氣分子碰撞而損失能量，改變運(yùn)動(dòng)方向，從而到達(dá)不了晶片表面。 其次，低真空下，蒸氣分子會(huì)與空氣發(fā)生氧化等反應(yīng)。 在真空下，蒸氣分子的平均自由程很大，基本上可以沿直線方向運(yùn)動(dòng)到晶片表面堆積。,蒸發(fā)工藝步驟,打開(kāi)電源； 升起真空罩，裝片（Loading），將硅片和鋁絲裝入真空腔室； 粗抽至10-2 Torr之下（使用機(jī)械泵）； 切換成擴(kuò)散泵進(jìn)行細(xì)抽，至510-6 Torr以下，即可進(jìn)行蒸發(fā)； 逐步增加電流，使Al絲熔化，打開(kāi)擋板，進(jìn)行蒸發(fā)； 向真空罩充氣，打開(kāi)真空罩，取出硅片，清潔真空腔； 抽真空后，等待擴(kuò)散泵冷卻之后關(guān)機(jī)。,剝離工藝(