集成电路设计与制造综合性实验讲义.doc

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1、集成电路设计与制造综合性实验讲义实验一：半导体T艺试验一实验目的1熟悉半导体工艺的一般步骤。2掌握半导体工艺各个步骤的要求。会计算方块电阻。3牢记温度控制、溶液配比要求。二实验原理半导体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。半导体屮基本的工艺步骤是：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（sio2）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M

2、OS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血上，也向硅片里面延伸，如图1所示。一般氧化层约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—noo°c,氧化层的厚度和它的生长时间成比例。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°C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

3、的一层硅氧化成sio2o高温氧化乂分为：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，而且过量的水还冇腐蚀Si的作用，所以很少单独釆用水汽氧化。但如果在氧屮掺入一定量的水汽（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吋，往往

4、采用干氧一湿氧一干氧的工艺步骤，这既可以使氧化时间不致过长乂能保证工艺对氧化层质量的要求。高温氧化的机理：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sl+o2-sio2可见一个氧分子就可以生成一个二氧化硅分子。随着sio2层的生成,在氧和硅表面之间隔着一层sio2,那么氧和硅怎样才能继续发生反应呢？显然，要么是氧必须扩散通过已有的sio2层（氧在sio2中的渗透很慢），要么是硅原子必须扩散通过己有的sio2层。现在用放射示综实验表面：sio2层继续生长是通过氧扩散来实现的。氧在sio2屮扩散是以离子形式进行

5、的。氧进入sio2后便离解成负离子:02<=>02+空穴氧离子通过扩散而达到sio2-SI界面，然后在界面处与SI发生反应而形成新的sio2,从而使得sio2层越长越厚。干氧氧化含冇的氧离子通过sio2的扩散和在sio2-SI界面上与硅发生反应这两个过程。在较高温度（例如1000°C以上）下，界面化学反应速度较快，■而氧离子扩散通过sio2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sio2层的快慢。显然，这时随着氧化的进行，sio2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SI+2H2O一

6、>sio2+2H2t可见需要两个水分子才能使一个硅原子形成一个sio2分子，而且反应产物中出现有氢气。由于水汽氧化过程屮sio2网络不断遭受消弱，致使水分子在so12中扩散也较快（在1200°C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sio2层和在硅表面上发生化学反应两个过程。在氧化吋间较短、sio2层较薄时，表面化学反应的过程是主要的，sio2层厚度将随时间线性地增加；而在氧化时间较长、sio2层较厚时，扩散

7、过程是主要的，sio2层厚度将随时间而作亚抛物线式地增加。（二）扩散半导体工艺屮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°C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）和冇限杂质源扩散（冇限表面源扩散），其分布图如图2所示.第一种类型是恒定表面源扩散

8、，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二0时，材料表面冇一无限的杂质源NO。材料内杂质浓度的分布是杂质进人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