半导体工艺实验.doc

微机电系统课程实验之一 集成电路基本制造工艺实验 《微机电系统》课程组 编写 电子科技机械电子工程学院 2005年3月 实验名称：集成电路基本制造技术工艺实验 一、实验目的 1. 熟悉集成电路基本制造工艺的一般步骤。 2. 掌握集成电路基本制造工艺各个步骤的要求。会计算方块电阻。 3. 熟悉温度控制、溶液配比要求等基本工艺参数。 二、实验原理 集成电路基本制造工艺建立在一些已经成熟的工艺步骤基础上，为了了解其生产过程，下面我们就了解这些工艺步骤。基本的工艺步骤是：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1000?（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