工艺实习报告.docx
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工艺实习报告
CMOS 工艺流程
电科 1101 班钟文斌3110209129
CMOS 工艺流程主要步骤:
晶体的生长
晶体切片成 wafer
晶圆制作
功能设计 模块设计 电路设计 版图设计 制作光罩
工艺流程
1) 表面清洗
晶圆表面附着一层大约 2um 的 Al2O3 和甘油混合液保护之,在制作前必须进
行化学刻蚀和表面清洗。
2) 初次氧化
有热氧化法生成 SiO2 缓冲层,用来减小后续中 Si3N4 对晶圆的应力
氧化技术
干法氧化 Si(固) + O2 à SiO2(固)
湿法氧化 Si(固) +2H2O à SiO2(固) + 2H2
干法氧化通常用来形成,栅极二氧化硅膜,要求薄,界面能级和固定电荷密度
低的薄膜。
干法氧化成膜速度慢于湿法。
湿法氧化通常用来形成作为器件隔离
用的比较厚的二氧化硅膜。
当 SiO2 膜较薄时,膜厚与时间成正比。
SiO2 膜变
厚时,膜厚与时间的平方根成正比。
因而,要形成较 厚的 SiO2 膜,需要较长
的氧化时间。
SiO2 膜形成的速度取决于经扩散穿过 SiO2 膜到达硅表面的 O2 及
OH 基等氧化剂的数量的多少。
湿法氧化时,因在于 OH 基在 SiO2 膜中的扩散系
数比 O2 的大。
氧化反应,Si 表面向深层移动,距离为 SiO2 膜厚的 0.44 倍。
因此,不同厚度的 SiO2 膜,去除后的 Si 表面的深度也不同。
SiO2 膜为透明,
通过光干涉来估计膜的厚度。
这种干涉色的周期约为 200nm,如果预告知道是
几次干涉,就能正确估计。
对其他的透明薄膜,如知道其折射率,也可用公式
计算出(d SiO2) / (d ox) = (n ox) / (n SiO2)。
SiO2 膜很薄时,看不到干
涉色,但可利用 Si 的疏水性和 SiO2 的亲水性来判断 SiO2 膜是否存在。
也可用
干涉膜计或椭圆仪等测出。
SiO2 和 Si 界面能级密度和固定电荷密度可由 MOS
二极管的电容特性求得。
(100)面的 Si 的界面能级密度最低,约为 10E+10--
10E+11/cm –2 .e V -1 数量级。
(100)面时,氧化膜中固定电荷较多,固定
电荷密度的大小成为左右阈值的主要因素。
3) CVD(Chemical Vapor deposition)法沉积一层 Si3N4(Hot CVD 或 LPCVD)。
1 常压 CVD (Normal Pressure CVD)
NPCVD 为最简单的 CVD 法,使用于各种领域中。
其一般装置是由
(1)输送反
应气体至反应炉的载气体精密装置;
(2)使反应气体原料气化的反应气体气化室;
(3)反应炉;(4)反应后的气体回收装置等所构成。
其中中心部分为反应炉,炉
的形式可分为四个种类,这些装置中重点为如何将反应气体均匀送入,故需在
反应气体的流动与基板位置上用心改进。
当为水平时,则基板倾斜;当为纵型
时,着反应气体由中心吹出,且使基板夹具回转。
而汽缸型亦可同时收容多数
基板且使夹具旋转。
为扩散炉型时,在基板的上游加有混和气体使成乱流的装
置。
2 低压 CVD (Low Pressure CVD)
此方法是以常压 CVD 为基本,欲改善膜厚与相对阻抗值及生产所创出的
方法。
主要特征:
(1)由于反应室内压力减少至 10-1000Pa 而反应气体,载气体
的平均自由行程及扩散常数变大,因此,基板上的膜厚及相对阻抗分布可大为
改善。
反应气体的消耗亦可减少;
(2)反应室成扩散炉型,温度控制最为简便,
且装置亦被简化,结果可大幅度改善其可靠性与处理能力(因低气压下,基板容
易均匀加热),因基可大量装荷而改善其生产性。
3 热 CVD (Hot CVD)/(thermal CVD)
此方法生产性高,梯状敷层性佳(不管多凹凸不平,深孔中的表面亦产生反
应,及气体可到达表面而附着薄膜)等,故用途极广。
膜生成原理,例如由挥发
性金属卤化物(MX)及金属有机化合物(MR)等在高温中气相化学反应(热分解,氢
还原、氧化、替换反应等)在基板上形成氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼
化物、高熔点金属、金属、半导体等薄膜方法。
因只在高温下反应故用途被限
制,但由于其可用领域中,则可得致密高纯度物质膜,且附着强度极强,若用
心控制,则可得安定薄膜即可轻易制得触须(短纤维)等,故其应用范围极广。
热 CVD 法也可分成常压和低压。
低压 CVD 适用于同时进行多片基片的处理,压
力一般控制在 0.25-2.0Torr 之间。
作为栅电极的多晶硅通常利用 HCVD 法将
SiH4 或 Si2H。
气体热分解(约 650 oC)淀积而成。
采用选择氧化进行器件隔
离时所使用的氮化硅薄膜也是用低压 CVD 法,利用氨和 SiH4 或 Si2H6 反应面
生成的,作为层间绝缘的 SiO2 薄膜是用 SiH4 和 O2 在 400 --4500 oC 的温度下
形成
SiH4 + O2 –-SiO2 + 2H2 或是用 Si(OC2H5)4 (TEOS:
tetra – ethoxy –
silanc )和 O2 在 750 oC 左右的高温下反应生成的,后者即采用 TEOS 形成的
SiO2 膜具有台阶侧面部被覆性能好的优点。
前者,在淀积的同时导入 PH3 气体,
就形成 磷硅玻璃(PSG:
phosphor – silicate –glass)再导入 B2H6 气体
就形成 BPSG(borro – phosphor –silicate –glass)膜。
这两种薄膜材料,
高温下的流动性好,广泛用来作为表面平坦性好的层间绝缘膜。
4 电浆增强 CVD (Plasma Enhanced CVD)
NPCVD 法及 LPCVD 法等皆是被加热或高温的表面上产生化学反应而形成薄
膜。
PECVD 是在常压 CVD 或 LPCVD 的反应空间中导入电浆(等离子体),而使存
在于空间中的气体被活化而可以在更低的温度下制成薄膜。
激发活性物及由电
浆中低速电子与气体撞击而产生。
光 CVD (Photo CVD)PECVD 使薄膜低温化,
且又产生如 A-Si 般的半导体元件。
但由于薄膜制作中需考虑:
(1)在除去高温
(HCVD)及 PECVD 时掺入元件中的各种缺陷(如 PECVD 中带电粒子撞击而造成的损
伤);
(2)不易制作的元件(不纯物剖面),不希望在后面受到工程高温处理被破
坏,因此希望可于低温中被覆薄膜。
PCVD 是解决这此问题的方法之一。
遇热
分解时,因加热使一般分子的并进运动与内部自由度被激发(激发了分解时不需
要的自由度),相对的,在 PCVD 中,只直接激发分解必须的内部自由度,并提
供活化物促使分解反应。
故可望在低温下制成几无损伤的薄膜且因光的聚焦及
扫描可直接描绘细线或蚀刻。
5 MOCVD (Metal OrganicCVD) &分子磊晶成长(Molecular Beam Epitaxy)
CVD 技术另一重要的应用为 MOCVD,此技术与 MBE(Molecular Beam
Epitaxy) 同为:
(1)成长极薄的结晶;
(2)做多层构造;(3)多元混晶的组成控
制;(4)目标为化合物半导体的量产。
此有装置有下列特征:
(1)只需有一处加
热,装置构造简单,量产装置容易设计;
(2)膜成长速度因气体流量而定,容易
控制;(3)成长结晶特性可由阀的开头与流量控制而定;(4)氧化铝等绝缘物上
可有磊晶成长;(5)磊晶成长可有选择,不会被刻蚀。
相反地亦有:
(1)残留不
纯物虽已改善,但其残留程度极高;
(2)更希望再进一步改良对结晶厚度的控制;
(3)所用反应气体中具有引火性、发水性,且毒性强的气体极多;(4)原料价格
昂贵等缺点。
多层布线间的层间绝缘膜的沉积,以及最后一道工序的芯片保护
膜的沉积必须在低温下(450 C 以下)下进行,以免损伤铝布线。
等离子 CVD 法
就是为此而发明的一种方法。
6 外延生长法(LPE)
外延生长法(epitaxial growth)能生长出和单晶衬底的原子排列同样的单晶
薄膜。
在双极型集成电路中,为了将衬底和器件区域隔离(电绝缘),在 P 型衬
底上外延生长 N 型单晶硅层。
在 MOS 集成电路中也广泛使用外延生长法,以便
容易地控制器件的尺寸,达到器件的精细化。
此时,用外延生长法外延一层杂
质浓度低(约 10 15 cm-3)的供形成的单晶层、衬底则为高浓度的基片,以降低
电阻,达到基极电位稳定的目的。
LPE 可以在平面或非平面衬底生长、能获得
十分完善的结构。
LPE 可以进行掺杂,形成 n-和 p-型层,设备为通用外延生长
设备,生长温度为 300 oC-900 oC,生长速率为 0.2um-2um/min,厚度 0.5um-
100um,外延层的外貌决定于结晶条件,并直接获得具有绒面结构表面外延层。
4) 涂敷光刻胶
光刻制造过程中,往往需采用 20-30 道光刻工序,现在技术主要采有紫外线(包
括远紫外线)为光源的光刻技术。
光刻工序包括翻版图形掩膜制造,硅基片表面
光刻胶的涂敷、预烘、曝光、显影、后烘、腐蚀、以及光刻胶去除等工序。
(1)光刻胶的涂敷
在涂敷光刻胶之前,将洗净的基片表面涂上附着性增强剂或将基片放在惰
性气体中进行热处理。
这样处理是为了增加光刻胶与基片间的粘附能力,防止
显影时光刻胶图形的脱落以及防止湿法腐蚀时产生侧面腐蚀(side etching)。
光刻胶的涂敷是用转速和旋转时间可自由设定的甩胶机来进行的。
首先、用真
空吸引法将基片吸在甩胶机的吸盘上,将具有一定粘度的光刻胶滴在基片的表
面,然后以设定的转速和时间甩胶。
由于离心力的作用,光刻胶在基片表面均
匀地展开,多余的光刻胶被甩掉,获得一定厚度的光刻胶膜,光刻胶的膜厚是
由光刻胶的粘度和甩胶的转速来控制。
所谓光刻胶,是对光、电子束或 X 线等
敏感,具有在显影液中溶解性的性质,同时具有耐腐蚀性的材料。
一般说来,
正型胶的分辩率高,而负型胶具有高感光度以及和下层的粘接性能好等 特点。
光刻工艺精细图形(分辩率,清晰度),以及与其他层的图形有多高的位置吻合
精度(套刻精度)来决定,因此有良好的光刻胶,还要有好的曝光系统。
(2)预烘 (pre bake)
因为涂敷好的光刻胶中含有溶剂,所以要在 80C 左右的烘箱中在惰性气体
环境下预烘 15-30 分钟,去除光刻胶中的溶剂。
(3)曝光
将高压水银灯的 g 线(l=436 nm), i 线(l=365nm)通过掩模照射在光刻胶上,
使光刻胶获得与掩模图形同样的感光图形。
根据曝光时掩模的光刻胶的位置关
系,可分为接触式曝光、接近式曝光和投影曝光三种。
而投影曝光又可分为等
倍曝光和缩小曝光。
缩小曝光的分辩率最高,适宜用作加工,而且对掩模无损
伤,是较常用的技术。
缩小曝光将掩模图形缩小为原图形的 1/5-1/10,这种场
合的掩模被称为掩模原版(reticle)。
使用透镜的曝光装置,其投影光学系统的
清晰度 R 和焦深 D 分别用下式表示:
R=k1 λ/NA
D=k2 λ/(NA) 2
λ 曝光波长
NA 透镜的数值孔径
k1、k2 为与工艺相关的参数,k1(0.6-0.8), k2(0.5)
由此可知:
要提高清晰度(R 变小),必须缩短波长,加大透镜数值孔径。
随着曝光波长的缩短,清晰度得到改善,但是焦深却变短,对光刻胶表面平坦
度提出了更严格的要求,这是一个很大的缺点。
通常采用的高压水银灯,还有
比高压水银灯 I-line 波长短的远紫外线准分子激光器(excimer laser,
KrF:
248nm,ArF:
193nm)为曝光光源。
为了 解决上述所提到的缺点,用比光的波
长更短的 X 线(l=1-10
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