第十章 微电子工艺实验

颜色－ 颜色－厚度对照表
10.2 热扩散工艺
• 内容 ： 半导体集成电路中硼扩散的机理 、 内容： 半导体集成电路中硼扩散的机理、 方法和特性测量。 方法和特性测量。 • 要求 ： 熟悉硼扩散工艺中予淀积和再分布 要求： 的操作方法，掌握薄层电阻的测量方法。 的操作方法，掌握薄层电阻的测量方法。
tox + Atox = B(t + τ )
2
1 1 A = 2 D( + ) ks hg B= 2 DHPg N1
to 2 + At0 τ= B
B/A被称为线性速率系数；而B被称为抛物线 被称为线性速率系数； 被称为线性速率系数 被称为抛物线 速率系数
影响氧化速率的因素
1. 温度：氧化速率随温度升高而增大。 温度：氧化速率随温度升高而增大。 2. 气氛：掺氯气氛增加氧化速率。 气氛：掺氯气氛增加氧化速率。 3. 气压：氧化速率与氧化剂分压成正比。 气压：氧化速率与氧化剂分压成正比。 4. 硅衬底掺杂： 一般情况下硅中的掺杂会增加氧 硅衬底掺杂 ： 化速率。 化速率。 5. 硅片晶向 ： 硅原子密度大的晶面上氧化速率大 ， 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)。 。
4 POCl3 + 3O2 → 2 P2O5 + 6Cl2 ↑
接着用硅取代磷， 接着用硅取代磷 ， 磷被释放出来后扩散进入 同时Cl 硅，同时Cl2被排出
2 P2O5 + 5Si → 4 P + 5SiO2
注意： 、在磷扩散时通入少量的氧气，是为了使源充分分解， 注意：1、在磷扩散时通入少量的氧气，是为了使源充分分解，否
Silicon dioxide (oxide)
p+ Silicon substrate
Comments: 厚度 Å左右 厚度20 左右
场氧化（ Oxide） 场氧化（Field Oxide）
Purpose: 用作器件之间的隔离
Field oxide
Transistor site
p+ Silicon substrate
第十章 微电子工艺实验
实验内容
1. 热氧化生长二氧化硅 ： 主要内容包括热氧化工 热氧化生长二氧化硅： 二氧化硅膜的腐蚀， 艺 ， 二氧化硅膜的腐蚀 ， 二氧化硅膜厚度测量 等。 2. 热扩散对硅片进行掺杂 ： 主要内容包括热扩散 热扩散对硅片进行掺杂： 工艺， 二氧化硅膜的腐蚀， 方块电阻的测量等。 工艺 ， 二氧化硅膜的腐蚀 ， 方块电阻的测量等 。 3. 在硅片上蒸发铝图形 ： 主要内容包括光刻工艺 ， 在硅片上蒸发铝图形： 主要内容包括光刻工艺， 蒸发工艺，剥离法(lift-off)图形化工艺等。 图形化工艺等。 蒸发工艺，剥离法 图形化工艺等 简单MOS器件的制备：主要内容包括光刻工艺， MOS器件的制备 4. 简单MOS器件的制备：主要内容包括光刻工艺， 蒸发工艺，剥离工艺，扩散工艺等。 蒸发工艺，剥离工艺，扩散工艺等。
Comments: 厚度从 30 Å 到 500 Å，通常使用干氧工艺。 ，通常使用干氧工艺。
缓冲氧化（ Oxide） 缓冲氧化（Pad Oxide）
Purpose: 通常用于氮化硅与硅衬底之间的缓冲层，降低应 通常用于氮化硅与硅衬底之间的缓冲层， 力。
Comments: 厚度从 厚度从100 Å 到 200 Å，通常使用干氧工艺。 ，通常使用干氧工艺。
热氧化工艺方法
1. 2. 3. 干氧法：硅和分子氧反应生成 干氧法：硅和分子氧反应生成SiO2 特点：氧化速度慢，但氧化层致密。 特点：氧化速度慢，但氧化层致密。 水汽氧化：硅和水汽反应生成SiO2 水汽氧化：硅和水汽反应生成 特点：氧化速度快，但氧化层疏松。 特点：氧化速度快，但氧化层疏松。 湿氧法：硅和氧分子及水汽反应生成SiO2 湿氧法：硅和氧分子及水汽反应生成 特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。 特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。
以硼酸三甲酯为液态杂质源，首先 以硼酸三甲酯为液态杂质源，首先B(CH3O)3 在硅片表面分解， 在硅片表面分解，
B(CH 3O)3 B2O3 + CO2 ↑ +C + H 2O ↑ →
接着用硅取代硼， 接着用硅取代硼，硼被释放出来后扩散进入硅
>500° C
2 B2O3 + 3Si → 4 B + 3SiO2
扩散炉示意图
组成部分：气路装置、炉体、石英舟。 组成部分：气路装置、炉体、石英舟。
扩 散
1.
源
固态源：含有杂质的固态片状物；氮化硼(BN)、五氧化 固态源：含有杂质的固态片状物；氮化硼 、 二磷(P 二磷 2O5)、三氧化二砷 2O3)。通常将它们压成和硅 、三氧化二砷(As 。 片大小相似的片状。 片大小相似的片状。 液态源：硼酸三甲酯（B(CH3O)3）、溴化硼 溴化硼(BBr3)、三 液态源：硼酸三甲酯（ 、 氯氧磷(POCl3) 、氯化砷 氯化砷(AsCl3)等； 氯氧磷 等 气态源：乙硼烷 和砷烷(AsH3)等。 气态源：乙硼烷(B2H6)、磷烷 、磷烷(PH3)和砷烷 和砷烷 等 对于每种扩散杂质都要自配一套扩散系统，不得混用， 对于每种扩散杂质都要自配一套扩散系统，不得混用， 以防杂质互相污染。对于硅扩散， 是最常用的 是最常用的P型掺杂 以防杂质互相污染。对于硅扩散，B是最常用的 型掺杂 是最常用的N型掺杂剂 剂，P，As是最常用的 型掺杂剂。 ， 是最常用的 型掺杂剂。
台阶仪测量膜厚
椭偏仪测量厚度
基本原理是：一束椭圆偏振光作为探针照射到样品上， 基本原理是：一束椭圆偏振光作为探针照射到样品上，由于样品对 入射光p分量和 分量有不同的反射、折射系数， 分量和s分量有不同的反射 入射光 分量和 分量有不同的反射、折射系数，因此从样品上出射 的光，其偏振状态相对于入射光来说要发生变化， 的光，其偏振状态相对于入射光来说要发生变化，利用湿氧 干氧； 生长薄氧化层时， 湿氧＋ 生长厚氧化层时 ， 常采用 湿氧 ＋ 干氧 ； 生长薄氧化层时 ， 则采用干氧 干氧。 则采用干氧。
氧化层应用
自然氧化层（ Oxide） 自然氧化层（Native Oxide）
Purpose: 在空气中自然生成，是不希望生成的。 在空气中自然生成，是不希望生成的。
Purpose: 热扩散或离子注入掺杂时，作为掩蔽膜。 热扩散或离子注入掺杂时，作为掩蔽膜。
Comments: 厚度 厚度5000 Å左右，使用湿氧工艺。 左右， 左右 使用湿氧工艺。
阻挡氧化层（ Oxide） 阻挡氧化层（Barrier Oxide）
Purpose: 用途层与层之间的隔离
Interlayer oxide Passivation layer Bonding pad metal ILD-5 M-4 ILD-4 M-3
工艺复习
热氧化工艺 蒸发工艺 热扩散工艺 光刻工艺
10.1 热氧化工艺
• 内容 ： 热生长二氧化硅薄膜的生长原理 、 内容： 热生长二氧化硅薄膜的生长原理、 制备技术和特性测量。 制备技术和特性测量。 • 要求 ： 了解干氧 、 湿氧情况下热生长二氧 要求： 了解干氧、 化硅层的生长规律， 化硅层的生长规律 ， 掌握热生长二氧化硅 层的制备工艺和膜层特性的测量方法。 层的制备工艺和膜层特性的测量方法。
Comments: 采用淀积方法制备
牺牲氧化（ Oxide） 牺牲氧化（Scrificial Oxide）
Purpose: 通常用于硅片表面清洁，MEMS器件制备 通常用于硅片表面清洁， 器件制备
Comments: 厚度根据工艺要求而定，热氧化或淀积工艺均 厚度根据工艺要求而定， 可。
迪尔－ 迪尔－格罗夫模型
一块硅样品在1200℃下采用干氧氧化 分钟，再在 ℃下采用干氧氧化10分钟 分钟， 一块硅样品在 1200 ℃采用湿氧氧化 分钟，再1200 ℃下干氧氧 采用湿氧氧化40分钟 分钟， 化30分钟，最终得到的氧化层有多厚？ 分钟，最终得到的氧化层有多厚？ 分钟
二氧化硅厚度测试方法
二氧化硅膜厚度测量方法主要包括：台阶法、 二氧化硅膜厚度测量方法主要包括：台阶法、 干涉条纹 主要包括 椭偏光法等； 法、椭偏光法等； 1. 台阶法：先将氧化层刻蚀出台阶，然后利用探针绘制出 台阶法：先将氧化层刻蚀出台阶， 台阶曲线； 台阶曲线； 2. 干涉条纹法 ： 利用氧化层和硅衬底对入射光的反射干涉 干涉条纹法： 现象测量氧化层厚度，不同厚度的氧化层的干涉光的颜 现象测量氧化层厚度， 色不一样； 色不一样； 3. 椭偏光法： 也是利用氧化层和硅衬底对入射偏振光的反 椭偏光法： 射差别来测量氧化层厚度， 射差别来测量氧化层厚度，不同厚度的氧化层对偏振光 的改变不一样。 的改变不一样。
2.
3.
液态源扩散装置
液态源和气态源扩散流程
1. 液态源和气态源和输运气体一起进入反应 室； 2. 杂质源在高温下分解，形成氧化物淀积在 杂质源在高温下分解， 硅表面； 硅表面； 3. 杂质氧化物与硅反应生成二氧化硅和杂质 原子，经过硅片表面向内部扩散。 原子，经过硅片表面向内部扩散。
以三氯氧磷为杂质源， 以三氯氧磷为杂质源，首先在硅片上反应形 成磷硅玻璃， 成磷硅玻璃，
则源分解不充分而淀积在硅片表面，难以腐蚀； 、三氯氧磷有毒， 则源分解不充分而淀积在硅片表面，难以腐蚀；2、三氯氧磷有毒， 所以系统要密封，排出气体通进通风管道； 、 所以系统要密封，排出气体通进通风管道；3、三氯氧磷在室温下蒸 汽压很高，为保持蒸汽压稳定，扩散时源要放在冰水中； 、 汽压很高，为保持蒸汽压稳定，扩散时源要放在冰水中；4、三氯氧 磷易水解，系统要保持干燥。 磷易水解，系统要保持干燥。
Comments: 场氧化层厚度从 2,500 Å 到15,000 Å，通常用湿 ， 氧化工艺生长。 氧化工艺生长。
栅氧化（ Oxide） 栅氧化（Gate Oxide）
Purpose: 用于MOS的栅介质层 的栅介质层 用于
Gate oxide Source
Gate Drain Transistor site p+ Silicon substrate
屏蔽氧化层（ Oxide） 屏蔽氧化层（Screen Oxide）
Purpose: 通常在离子注入工艺中作为非晶阻挡层，降低沟 通常在离子注入工艺中作为非晶阻挡层， 道效应。 道效应。
Comments: 厚度 厚度200 Å左右，通常使用干氧工艺。 左右， 左右 通常使用干氧工艺。
掩蔽氧化层（ Oxide） 掩蔽氧化层（Masking Oxide）
对于BN，扩散前要使其通氧活化，生成 然后进行一步的扩散。 对于 ，扩散前要使其通氧活化，生成B2O3，然后进行一步的扩散。
固态源扩散装置
固态源有： 氮化硼(BN)、 五氧化二磷 2O5)、 固态源有 ： 氮化硼 、 五氧化二磷(P 、 三氧化二砷(As 三氧化二砷 2O3)。通常将它们压成和硅片 。 大小相似的片状。 大小相似的片状。 扩散过程： 扩散过程： 1.以氧化物的形式淀积到硅片表面； 以氧化物的形式淀积到硅片表面； 以氧化物的形式淀积到硅片表面 2.然后与硅反应生成二氧化硅和杂质原子 ， 然后与硅反应生成二氧化硅和杂质原子， 然后与硅反应生成二氧化硅和杂质原子 同时向硅内部扩散。 同时向硅内部扩散。
注意： 、 考虑到石英管壁的吸收， 注意 ： 1、考虑到石英管壁的吸收 ， 在正式扩散之前先通源
一段时间； 、 考虑到硼酸三甲酯分解产物中有C生成 生成， 一段时间 ； 2、考虑到硼酸三甲酯分解产物中有 生成， 对石 英管和硅片均有腐蚀作用，因此尽量缩短通源时间和流量； 、 英管和硅片均有腐蚀作用，因此尽量缩短通源时间和流量；3、 硼酸三甲酯易水解，因此系统要密封和使用干燥输运气体。 硼酸三甲酯易水解，因此系统要密封和使用干燥输运气体。
干涉条纹测量厚度
• 工作原理是 ： 氧化层表面的反射光与硅片表面的 工作原理是： 反射光发生干涉现象； 反射光发生干涉现象； • 测量方法：用HF酸刻蚀掉部分氧化层，形成坡状 测量方法： 酸刻蚀掉部分氧化层， 酸刻蚀掉部分氧化层 台阶，根据颜色的周期性变化， 台阶 ， 根据颜色的周期性变化 ， 对照颜色表得到 大致厚度。 大致厚度。