集成电路制造工艺复习总结

集成电路制造工艺复习总结
主要内容
一集成电路制造工艺概况
二. 晶体生长和晶片的制备
三. 外延工艺
四. 氧化工艺
五. 掺杂工艺
六. 光刻工艺
七. 腐蚀工艺
八. 金属化工艺
九. 组装和封装工艺
十. 微加工技术在其它领域的应用
为什么采用硅作为集成电路的材料，而不用锗？
1.锗的漏电流大（原因:锗的禁带宽度小, 0.66eV)。

2.硅器件工作温度高(150℃),锗为100℃。

3.易生长高质量的氧化硅，氧化锗会水解。

4.锗的本征电阻率为47 •cm，不能用于制造高击穿电压的
整流器件，硅的本征电阻率为230000 •cm。

5.电子纯锗的锗成本是纯硅的十倍。

单晶硅的晶向与性质
1.（111）面
2.原子面密度最高，生长容易，
3.氧化速度快
4.（100）面
5.二氧化硅界面缺陷密度低
6.表面迁移率高
7.实际晶向的选择取决于器件设计的考虑
8.双极电路－（111）
9.MOS电路－（100）
硅的整形
1.硅锭
2.外部研磨
i.直径磨削
ii.磨主面（基准面）和第二平面（辅助面）
3.切成大圆片
4.腐蚀
5.抛光
硅热氧化设备与二氧化硅膜质量控制
常规热氧化方法
1.干氧氧化：Si+O2:高温加热
热氧化速率取决于氧原子在二氧化硅中的扩散速率，温度越高、扩散越快，二氧化硅层越厚。

特点：结构致密、干燥性和均匀性好、钝化效果好、掩蔽性能好，但总体反应速率慢；
2.水汽氧化：Si+H2O:高纯水、高温加热
由于水汽的进入，使氧化膜结构疏松，反应速率加快。

所需水蒸气由高纯去离子水汽化或氢氧化合而成。

特点：反应速率快—水在二氧化硅中的平衡浓度大于氧气；结构疏松，含水量大，掩蔽性能不好，目前很少使用
常规热氧化方法
1.湿氧氧化：Si+H2O+O2:氧气携带去离子水产生的水蒸气（95-98℃）、高温加热；
特点：介于干氧和水汽氧化之间，实际应用时，常采用干氧-湿氢氧合成氧化：H2：O2=2：1 氧气须过量；
2.高纯氢-氧反应生成水，水汽化后与氧气一同参与反应。

优点：膜质量好、均匀性好，但安全性控制较复杂。

氧-干氧交替进行的方式，既保证膜质量又提高了氧化速率。

掺氯氧化
本质：在二氧化硅界面形成氯-硅-氧复合结构，保护结构不受钠离子影响而减少层错等缺陷的出现。

作用过程：在干氧氧化基础上，通入含氯化合物气体，提高器件电学性能和可靠性。

热氧化界面
热氧化设备-常规热氧化设备
特点：可同时氧化200片硅片，生产效率高，参数控制好。

氢氧合成热氧化设备
安全措施：错误比例连锁保险和低温报警连锁保险装置；
空气中氢气含量4%-74.2%之间会发生爆炸。

掺氯氧化设备
特点：氮气携带三氯乙烯进入反应室；
氮气作用：载流、提供压力；
氧化基本步骤
1.硅片送至炉管口，通氮气和少量氧气排杂
2.硅片送至恒温区，预热，控制升温速率5-30℃/min
3.通入大量氧气，开始氧化反应
4.按比例要求通入反应气体
5.停通其他气体、续通氧气，消耗残余反应气体
6.硅片拉至炉管口，降温处理，控制降温速率2-10℃/min
7.将处理好的硅片拉出炉管
其他生长方法
氧化和分解均可以获得二氧化硅，热分解含硅化合物也是形成二氧化硅的重要途径之一。

作用原理：以待加工硅片作为形成氧化膜层的淀积衬底，硅片本身不参与氧化膜形成。

此外，陶瓷片、金属片等也可以作为衬底材料——低温”淀积”
淀积：
悬浮在液体或气体中的固态微粒发生连续沉降的现象。

烷氧基硅烷热分解法
淀积得到的二氧化硅膜致密性不如热氧化生长的氧化膜，在淀积后应进行致密处理。

操作注意事项：
1、确保系统密封性，不能漏气或堵塞；
2、源温和源流量须进行控制，d=kt；
3、源使用时间不宜太长，一旦变成黄色则不能使用；
4、硅片进炉后，应先抽真空，达到要求后方能通源；
断源后仍需抽气五分钟左右，才能排气；
硅烷热分解法
特点：气态副产物少，生长温度较低，氧化膜质量好
操作要点：
1、保证反应室整个淀积面积上的气流均匀，反应室和
横截面面积进行适当控制，对气体流量严格控制；
2、严格控制反应温度，以防发生爆炸；
3、注意使用安全，严格控制装置气密性，硅烷使用前进行
稀释（3%-5%）,如何稀释？
二氧化硅膜质量控制
二氧化硅膜质量要求：
宏观上：表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔等现象；
微观上：厚度符合要求、均匀、结构致密，可移动钠离子含量低
二氧化硅质量检验
一、厚度测量
常用厚度测量方法：
比色法、腐蚀法、双光干涉法、电容电压法、椭圆偏振光法等，不同测量方法的主要区别在于测量精度高低。

厚度单位：埃
单位换算：毫米（mm)、微米（μm)、纳米（nm）、
埃、微微米（pm)
厚度测量-比色法
测量原理：不同厚度氧化膜在白光照射下会呈现出不同的干
涉颜色，利用金相显微镜观察并与标准比色样品进行对比，得出氧化膜厚度。

首先需预判氧化膜厚度范围，然
后对比标准比色样品得出厚度值。

适
用于1000 - 7000埃之间的厚度，超过
7500埃则效果不明显。

厚度测量-双光干涉法
测量原理：
利用光照射氧化硅台阶的不
同界面获得的干涉条纹数目
得到氧化层的厚度。

作用过程：
1、制备氧化层台阶；
2、用可见光照射氧化物斜面；
3、依据显微镜下观测的干涉条纹数目计算二氧化硅厚度。

厚度测量-双光干涉法
技术要点：
干涉条纹数目的确定；
氧化物斜面不能太窄；
干涉条纹应清晰可见；
局限性：不能测太薄的厚度（2000埃以上）；折射率确定? 厚度测量-椭圆偏振光法
作用原理：
光源发出的单色自然光，经过起偏器后，变成偏振光。

转动起偏器可改变光速偏振方向，线偏振光经四分之一波片后变为椭圆偏振光，椭圆偏振光在待测样品表面反射后，光的偏振状态（偏振幅度和相位）发生变化，依据此变化可以测量样品的固有光学参数（折射率等）或样品膜厚度。

偏振光与起偏器
光是一种电磁波，电磁波是横波。

振动方向与波前进
方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定
方向的，称为平面偏振光或线偏振光。

四分之一波片
一定厚度的双折射单晶薄片，当一束线偏振光垂直入射
到波片时，在波片中分解成沿原方向传播但振动方向互相
垂直的o光和e光。

当光法向入射时，o光和e光之间相位差等于π/2或其奇数倍，该晶片称为四分之一波片。

椭圆偏振光
垂直于光传播方向的固定平面内, 光矢量的方向和大小都随时间
改变, 光矢量端点描出一个椭圆, 此偏振光称椭圆偏振光。

用起偏器获得线偏振光，当线偏振光垂直入射四分之一波片，且光的偏振和晶片光轴面成θ角，出射后变成椭圆偏振光（θ=45 度时，为圆偏振光）。

二氧化硅膜缺陷检验
宏观缺陷：1.氧化层针孔-----氧化方法、硅片质量
2.表面氧化斑点----表面残留杂质：三个来源
3.氧化层厚度不均----原料不均、加热不均
微观缺陷：
1.钠离子沾污----主要来源于操作环境：
去离子水质量、石英管道、气体系统
所用化学试剂；
2.热氧化层错----层错核形成：固有点缺陷；
层错加剧：滑移与攀移；
与晶向有关；
热处理
热处理目的】
将材料放在一定的介质内进行加热、保温或冷却处理，
通过改变材料表面或内部组织结构,来控制材料综合力学性能。

金属材料主要热处理过程：
退火（软化）、正火（硬化）、淬火（钢化）、回火（韧化）等。

半导体材料主要热处理过程：
退火、硫化、熔流、固化等。

退火处理
退火目的：
消除材料热加工过程中因缺陷而累积残余应力（内应力）。

作用过程：将材料在适当温度下加热一段时间，利用热能进行部分晶格位置原子重排，降低缺陷密度。

典型例子：离子注入
硅化反应
目的及原理：
作为集成电路引出线的铝、铜及其合金与硅界面极不稳定，
常制备TiN扩散阻挡层阻挡两者间的原子扩散等界面反应，
但TiN与硅接触导电性能差，因此增加一层导电性能好的
TiSi2，改善电极与硅的电接触性能。

熔流及固化
在制备介质材料保护膜时，常采用硼磷硅玻璃（BPSG）。

BPSG玻璃通常采用APCVD（常压化学气相淀积）或PECVD （等离子化学气相淀积）方法制得，淀积完成后的BPSG玻璃经加热熔融流动趋于平坦化、均匀化的过程称为熔流。

在较低温度下加热，使光刻胶中有机溶剂挥发的过程
称为固化。

多用于多层金属薄膜间的绝缘介质层制备，常见
的应用是SoG（Spin on Glass)-旋涂玻璃膜。

快速热处理
1.快速热处理（Rapid Thermal Processing，RTP)是指将
硅晶片快速加热到设定温度，并进行短时间快速热量处理的方法。

2.快速热处理可以满足需要短时间处理的工艺过程，适用
于使硅片的逐片加工、升降温速率极快和生产效率很高的场合（自动化程度）。

它是应用新技术来改进各类型热处理过程的一种新型工艺。