半导体工艺试验文档格式.docx

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氧化层生长、热扩散、光刻、离子注入、淀积（蒸发）和刻蚀等步骤。

（一）氧化

氧化是在硅片表面生长一层二氧化硅（）膜的过程。

这层膜的作用是：

保护和钝化半导体表面：

作为杂质选择扩散的掩蔽层；

用于电极引线和其下面硅器件之间的绝缘；

用作MOS电容和MOS器件栅极的介电层等等。

其实现的方法有：

高温氧化（热氧化）、化学气相淀积（CVT）、阳极氧化、溅射等。

氧化即生长在硅片表面上，也向硅片里面延伸，如图1所示。

图1在硅表面生长氧化层

一般氧化层的45%的厚度是在初始表面上形成，46%是在初始表面以下生成。

通常氧化层的厚度，薄的可以小于500A（栅氧化层），厚的可以大于1000Å

（场氧化层）。

氧化的范围为700-1100℃，氧化层的厚度和它的生长进间成比例。

常用的氧化方法是高温氧化。

所以这里，我们着重强调一下高温氧化。

高温氧化就是把硅衬底片置于1000℃以上的高温下，并通入氧化性气体（如氧气、水汽），使衬底本身表面的一层硅氧化成。

高温氧化又分为：

干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化三种。

实践表明，干氧氧化速率慢，但所得到的二氧化硅层质量较好，且和光刻胶有良好的粘附性（不易“浮胶”），而水汽氧化恰恰相反，氧化速度快，使所得二氧化硅层质量较差，而且过量的水还有腐蚀Si的作用，所以很少单独采用水汽氧化。

但如果在氧中掺入一定量的水汽（就是所谓的湿氧氧化的方法），就在一定程度上解决了氧化速度和氧气质量之间的矛盾，因此不宜于在生长较厚的氧化层时使用。

但终究湿氧氧化生成的二氧化硅层的质量不如干氧氧化的好，且易引起Si表面内杂质再分布。

所以，在生长较厚的氧化层时，往往采用干氧-湿氧-干氧的工艺步骤，这既可以使氧化时间不致过长而能保证工艺对氧化层质量的要求。

高温氧化打赌量：

1.干氧氧化

在高温下，氧气与硅接触时是通过以下化学反应在硅表面形成二氧化硅的

可见一个氧分子就可以生成一个二氧化硅分子。

随着层的生成，在氧和硅表面之间隔着一层，那么氧和硅怎样才能继续发生反应呢？

显然，那么是氧必须扩散通过已有的层（氧在中的渗透很慢），要么是硅原子必须扩散通过已有的层，现在用放射示综实验表面：

层继续生长是通过氧扩散来实现的。

氧在中扩散是以离子形式进行的。

氧进入后便离解成负离子：

氧离子通过扩散而达到界面，然后在界面处于SI发生反应而形成新的，从而使得层越长越厚。

干氧氧化含有的含离子通过的扩散和在界面上与硅发生反应这两个过程。

在较高温度（例如1000℃以上）下，界面化学反应速度较快，而氧离子扩散通过的过程较慢，因此，氧化速度将主要取决于氧化氧离子扩散过程层的快慢。

显然，这时随着氧化的进行，层将不断增厚，氧化速度也就越来越慢。

2.水汽氧化

水汽氧化的化学反应是

可见需要两个水分子才能使一个硅原子形成一个分子，而且反应产物中出现有氢气。

由于水汽氧化过程中网络不断遭受消弱，致使水分子在中扩散也较快（在1200℃以下，水分子的扩散速度要比氧离子的快十倍）。

因此，水汽氧化的速度要比干氧氧化的快。

高温氧化的规律：

在干氧氧化中，决定氧化速度的基本使氧分子（暂不考虑离解效应）扩散通过层和在硅表面上发生化学反应两个过程。

在氧化时间较短、层较薄时，表面化学反应的过程是主要的，层厚度将随时间线性地增加；

而在氧化时间较长、层较厚时，扩散过程是主要的，层厚度将随时间而作亚抛物线式地增加。

（二）扩散

半导体工艺中扩散是杂质原子从材料表面向内部的运动。

和气体在空气中扩散的情况相似，半导体杂质的扩散是在800-1400℃温度范围内进行。

从本质上来讲，扩散是微观离子作无规则的热运动的统计结果。

这种运动总是由离子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，而使得离子得分布逐渐趋于均匀；

浓度差别越大，扩散也越快。

根据扩散时半导体表面杂质浓度变化的情况来区分，扩散有两类，即无限杂质源扩散（恒定表面源扩散）和有限杂质源扩散（有限表面源扩散），其分布图如图2所示。

（a）表面处有—无限杂质源（b）表面处有—有限杂质源

图2扩散杂质分布作为时间的函数

第一种类型是恒定表面源扩散，在整个扩散过程中硅片表面得杂质浓度始终不变。

假设在t=0时，材料表面有一无限的杂质源N0。

材料内杂质浓度的分布是杂质进入材料内部深度的函数，随着时间的推移，该浓度逐步增加并超过扩散前的浓度NB。

第二种类型的扩散是有限表面源扩散，在扩散之前，在硅表面淀积一层杂质，在整个扩散过程中不再有新源补充。

假定在材料表面有—有限杂质源。

t=0时其值为N0然而，随着时间的推移，表面的杂质浓度趣步减小，此处NB是半导体内扩散前的杂质浓度。

值得注意的是，有限源扩散服从高斯分布，如图3所示。

图3.高斯分布示意图

随着扩散时间的加长，虽然进入半导体的杂质总量Q不变，但是扩散深度确不断的增大，而且表面的了浓度不断的下降。

显然，这种扩散有利于制作表面浓度较低、而深度较大的p-n结（例如基区扩散形成的集电结）。

扩散分别用于预淀积和再扩散，预淀积的目的是在靠近材料表面的地方形成—高浓度的杂质趣。

可扩散到硅中的最大杂质浓度随杂质元素而异，最大浓度决定于元素的固溶度，常用元素固溶度的范围约在。

再扩散是在预淀积之后进行，其目的是将杂质推入半导体内部，扩散前的衬底杂质浓度和扩散进入衬底的相反类型的杂质浓度相绰的地方就是半导体的“结”。

这个结位于p剁和n型材料之间，故称为“Pn结”，半导体表面与结之间的距离称为结深。

典型的扩散结深为0.1um（预淀积扩散）到20um（再扩散）之间。

1.扩散结深：

扩散的结深可以近似的用表达式，式中A是一个与NS/NB有关的常数。

决定扩散结深的因素有四个：

a.衬底杂质浓度NB

在相同分布下，NB越大则xj愈小，如图4所示。

图4扩散后xj与NB的关系

因此，对高掺杂的衬底，一般扩散结深较浅。

也正因为如此，所以通常就说杂质较难扩散到高掺杂衬底中去。

b.表面杂质浓度NS

对erfc分布，NS愈低，则扩散进入体内的杂质总量就愈小，从而xj愈浅。

但因为NS与温度关系不大，故通过改变NS来控制xj是不现实的。

对高斯分布，在Q不同的情况下，NS愈大（即Q愈大），则显然xj愈大；

但在Q相同的情况下，NS愈大（扩散温度或扩散时间减小所致），反而xj愈小，如图3所示。

总之，NB和NS对xj都有影响，而且NS的影响更为复杂些。

不过决定xj的主要因素还是扩散温度（即D）和扩散时间这两个因素。

c.扩散时间t

设扩散时间t在1小时以上，所得的结深；

因为xj正比根号t，如果t差了10%（即差6分钟），则将引起xj的误差仅5%（即0.14um）。

因此，如果要求xj的误差小于5%，则扩散时间t的误差只要小于6分钟即可，这是很容易做到的。

d.扩散温度T

扩散系数D对结深的影响就体现在温度T上，温度对结深的影响很大，它与结深成指数关系。

所以，精确的控制温度是搞好扩散工艺的关键之一。

2.扩散方块电阻

图5方块电阻定义示意图

如图5所示结深为xj、长宽相等的一个扩散薄层（设平均电阻率为）的电阻，就是该扩散层的方块电阻（或称为薄层电阻）即

其中，为扩散层的平均电导率。

注意的单位是“”不过为了强调是一个方块电阻，常记为“/□”。

若衬底中原有底杂种浓度分布为NB（x），而扩散杂质底浓度分布为N（x），则扩散层中有效杂质浓度分布为在xj处，。

又若杂质是全部电离底，则载流子浓度分布也是。

于是扩散层底电导率或电阻率底分布为

式中q为电子电荷；

为载流子迁移率；

而平均电导率可表示为

如果为常数（即与坐标x无关），则

式中底积分，显然是代表从单位面积扩散到xj出的有效杂质总量；

而即代表扩散层中的平均掺杂浓度，进而，如果衬底中原有的杂质浓度很底，近似有，则

故

这里Q是单位面积底扩散杂质总量。

因此，R的大小友映了扩散到体内的杂质总量的多少，杂质总量Q越大，R就越小。

（三）光刻

光刻是一种复印图象和化学腐蚀相接合的综合技术。

它先采用照相复印的方法，将事先制好的光刻板上的图象精确地、重复地印在涂有感光胶的层（或AL层上），然后利用光刻胶的选择性保护作用对层（或AL层）进行选择性的化学腐蚀，从而在层（或AL层）刻出与光刻版相应的图形，如图6所示。

图6光刻示意图

光刻的基本要素是光刻胶和掩模版，掩模版使部分的光刻胶暴露在紫外光（UV）下，而把另一部分遮挡起来．集成电路由许多层不同的材料组成，借以形成不同的器件或元件；

先画出这一层被放大了的图形，然后利用光学的方法将它们缩小到需要的面积．但最常用的方法是产生一计算机数据，它确定各层的适当面积，根据不同的设计工具，这些面积可能被限制为只能是矩形，光刻胶（或称光致扰蚀剂）是一种有机化含物，在紫外光照射下其性质会改变。

光刻胶分为正胶、负胶两种。

采用正胶时，它在掩模版有图形的地方生成一层保护膜（对紫外光、有图形的地方是不透明的）。

采用负胶时，在没有图形的地方生效保护层（这部分的掩模版对紫外光是透明的）。

用正胶时，受紫外光照射的部分光刻胶可以用溶剂（显影液）去掉，留下未被照射的部分。

相反，如果用的是负胶，受紫外光照射的部分不溶于溶剂中，因此，去掉的是未被照射的区域。

光刻工艺的第一步是硅片清洗处理。

其目的是使片子表面清洁干燥。

能和抗蚀剂很好地粘附。

可用浓硫酸煮，冷热去离子水冲，最后烘干即可。

第二步是涂胶。

将光刻胶涂在硅片表面上。

硅片表面要量很干净才可使胶根好地粘附。

涂胶后，硅片以每分钟几千转的速度旋转，使胶能均匀涂布在表面上；

光刻胶的厚度只和旋转的角逮度有关。

第三步是在80-110℃下将硅片“前烘”5—10分针，以使其中的溶剂挥发。

第四步是在紫外光下对硅片进行选择曝光。

可以采用好几种曝光系统，最简单的是直接接触曝光系统。

这种方法要用一块和硅片实际尺寸相同的玻璃，在和涂了胶的硅片相接触的那了面有设计好的图形（不透光的介质），这种玻璃片通常叫掩模版。

这种接触曝光系统分辨率高、产出高而价格低廉。

但是，由于是直接接触，掩模版逐渐被磨损；

使用10-25次后就要更换。

同时，还会引进杂质或缺陷。

第二种曝光系统叫投影曝光系统。

在这种系统中，掩模版不与硅片接触，掩模版上的图形通过透镜投影到硅片上。

由于掩摸版不接触硅片，使用次数增多而且缺陷也减少，这对集成电路的制造是极其重要的。

第三种曝光系统叫直接硅片步进重复曝光系统（DSW）。

这种系统改善子分辨率并减少了缺陷，它使用比硅片上的实际图形大1到10倍的掩模版。

虽然也要求掩模版有较高的质量，不过，它上面的缺陷或尘埃在投影到硅片止时都将缩小10倍（对10X的掩模版而盲）。

在DSW工艺中，掩摸版上的图形只是一个芯片的图形，而在其他工艺中，掩模版上的图形是许多芯片图形组成的矩阵。

矩阵的大小要求能覆盖整片硅片。

所以，DSW掩模版要在硅片上重复进行曝光和快速移动，直到完成整片硅片的复制工作。

显然，DSW工艺比上述其他工艺产出要低。

电子束技术已越来越广泛地用来做高分辨率和小图形的曝光系统。

由于其分辨率高（小于1um）。

第五步，曝光后，选择性地除去光刻胶的过程叫显影，显影液—般用丁酮，将显影后地片子浸入丁酮中，约一分钟后再将其浸入新丁酮中洗干净（约一分钟）取出用离子水漂洗干净，显影后的端片在稍高于100℃温度下进行“后烘”即坚膜，以便保留的光刻胶有更好的附着能力。

拱干了的光刻胶保护住它下面所选定的面积，使得在腐蚀