半导体制造工艺流程参考(4)

2019-04-17 00:18

预淀积步骤,N+淀积的后处理采用5%HF溶液进行泡酸处理,而磷吸杂后处理采用P液处理30S。

POCl3扩散的步骤为:POCl3预淀积——后处理——氧化——再扩散(或者后两步同时进行即氧化再扩散),各个分步骤为:

1、POCl3预淀积:

步骤同三扩的POCl3预淀积,但是不同产品预淀积的时间、温度都有所不同。 预淀积在扩散炉中进行,预淀积后需要测试硅片ρs。 2、后处理:

磷吸杂后处理(常常用于外延片小功率产品):利用P液(纯水:HF:HNO3=300:15:10)将硅片磷吸杂后形成大的PSG泡酸去除,一般为30S,如果没有去除干净则加时,P液的温度和PSG腐蚀速率有很大关系;

磷吸杂原理:磷硅玻璃是由P2O5和SiO2的混合物共同组成,结构中存在氧空位,它是负电中心,所以能对以Na+为代表的可动电荷起到固定提取和阻挡的作用,并且Na+绝大部分分布在PSG中,浓度比SiO2中高三倍。

磷掺杂后处理:利用5%的HF溶液浸泡20min去除表面的氧化层; 3、氧化:

步骤同三扩的POCl3氧化,在扩散炉中氧化,但是不同产品采用的氧化方式、氧化的时间、温度都有所不同;

4、再扩散:

将硅片装入石英舟中,将扩散炉炉管预热到800℃之后,将载有硅片的石英舟按照一定速度慢慢推进炉管后,炉管以一定速率加热升温至工艺温度,经过若干小时(视情况而定)扩散后,炉管内以一定速率慢慢降温,将舟慢慢拉出。

离子注入再扩散

离子注入再扩散的步骤为:离子注入(硼或磷)——氧化——再扩散 先行片

圆片在基区扩散后,发射区扩散前都要做先行片,由先行片的实验工艺条件来指导批量生产,在测试前需要进行特性光刻开特性孔,特性光刻后进行前处理:在加热到(75±5)℃的2号液中煮一段时间,然后再进行H2处理,最后利用四探针测试仪测试晶体管的特性。

H2处理的工艺温度为500℃,进行H2处理的目的是为了改善硅片表面的表面态密度,由于硅片特性光刻后在表面形成很多硅的悬挂键,即存在很多表面态,通过H2处理可以将硅悬挂键和氢键结合从而减少界面态,如果不进行H2处理,特性测试不出来。

对于三极管(小功率和大功率)来说,主要是双结测试,主要测试参数有BVCBO、BVCEO、BVEBO、HFE,如果HFE偏小,则需要追加扩散,一般扩散时间越长,HFE越大,当然HFE均匀性也很重要,不能太离散。对于大功率晶体管还需要在基区扩散后进行单结,主要测试BVCBO。

对于二极管(稳压管、开关管,肖特基管除外)来说,主要测试参数有反向击穿电压和正向电压以及正向漏电流,测试击穿电压时,探针是压在相邻两个芯片的焊区上。

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结特性参数异常

扩散工艺中要测单结和双结特性,根据单结和双结测试情况及时改变工艺条件。测单结主要看反向击穿电压和反向漏电流,测双结主要为调电流放大系数HFE。

1、PN结反向击穿电压和反向漏电流:是晶体管的两个重要参数,也是衡量扩散层质量的重要标准。常见不良击穿有:管道型击穿、低击穿、沟道漏电、软击穿、鼓泡、曲线蠕变、双线等。过多或表面吸附了水分子或其他离子,会使表面漏电增大;氧化时由于清洗不好,有一些金属离子入钠离子进入氧化层,从而使得漏电增加,击穿降低;二氧化硅表面吸附了气体或离子以及二氧化硅本身的缺陷如氧空位等,使二氧化硅带上了电荷,形成了表面沟道效应,增大了反向漏电流;硅片表面上有重金属杂质沾污,在高温下很快扩散进硅片体内,沉积在硅内的晶格缺陷中,引起电场集中,发生局部击穿现象,造成很大的反向漏电流。此外,如光刻时图形边缘不完整,出现尖峰毛刺,表面有合金点、破坏点,引起纵向扩散不均匀,PN结出现尖峰会形成电场集中,击穿将首先发生在尖峰上。因此,制造良好的扩散表面、保持表面清洁、严格清洗工艺、保证扩散系统清洁、保证气体纯度高、扩散源质量好、采用低位错密度材料、提高光刻质量或者采用吸杂工艺等,都能够起到改善器件击穿电压的作用。

2、电流放大系数HFE:是扩散层另外一个重要的参数。影响HFE的因素有:基区宽度、发射区与基区杂质浓度比、表面是否有沾污和复合等。减薄基区能够使放大提高;提高发射区浓度,降低基区浓度,从而增大浓度梯度,可以提高注入效率,减小复合,提高放大。此外,材料中的位错密度大,有害金属杂质多,会降低少子寿命,缩短载流子扩散长度,导致放大降低。

重要的工艺参数

扩散的目的在于形成一定的杂质分布,使器件具有合理的表面浓度和结深,而这也是确定工艺条件的主要依据。此外如果使扩散结果具有良好的均匀性、重复性也是选择工艺条件的重要依据。扩散的重要工艺控制参数有:温度、时间、和气体流量。

温度对扩散工艺参数有决定性的影响。对于浅结器件一般选低些,对于很深的PN结选高些。此外还需要根据工艺要求实行不同工艺系列的标准化,以有利于生产线的管理。调节工艺时间往往是调节工艺参数的主要手段,扩散时间的控制应尽量减少人为的因素。气体流量是由掺杂气体的类型和石英管直径决定的,只有使扩散的气氛为层流型才能保证工艺的稳定性。

氧化:温度大约为1000-1100℃,不管哪次光刻的氧化,在氧化的前期和后期常常通入HCl一段时间,HCl的作用是清洗炉管,因为炉管在扩散后可能有沾污;

扩散:温度大约为1150-1250℃,基区扩散时间大约为5小时,扩散时间根据结深来确定,而发射区扩散时间根据HFE来确定;

POCl3预淀积:温度大约为900-1000℃,时间大约100min; 扩散质量

扩散质量对半导体器件芯片的好坏有决定性的影响,其具体表现在表面质量、扩散结

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深、方块电阻、和表面杂质浓度等几个方面。

一、表面不良:

1、合金点:主要原因是表面杂质浓度过高;

2、黑点和白雾:主要是酸性沾污、水汽和颗粒沾污造成的; 3、表面凸起物:大多由较大颗粒经过高温处理后形成;

4、玻璃层:扩散温度过高,时间过长造成,会造成光刻时脱胶。工艺过程中要控制好扩散温度、时间以及气体流量,并保证扩散前硅片表面干净干燥;

5、硅片表面滑移线或硅片弯曲:由高温下热应力引起,一般由于进出舟速度过快、硅片间隔太小、石英舟开槽不适当等导致;

6、硅片表面划伤、缺损等:操作不当造成. 二、方块电阻:

方块电阻一定程度上放映了扩散到硅片中的杂质总量的多少,与器件特性密切相关。 造成方块电阻偏大原因:携源氮气中有较多的水份和氧气;硅片进炉前未烘干;杂质源中含水量较多;光刻没有刻干净,留有底膜,使扩散区域表面有氧化层影响了杂质扩散;扩散源使用时间过长,杂质减少或源变质;扩散系统漏气或源蒸汽饱和不充分;携源气体流量小和稀释气体流量大,使系统杂质蒸汽压偏低;扩散温度偏低,扩散系数下降;扩散时间不足,扩散杂质总量不够等。

造成方块电阻偏小原因:杂质蒸汽压过大;温度偏高;时间过长等。

如果在预淀积时发现方块电阻偏大或偏小,可以在再扩散时通过适当改变通干氧、湿氧的先后顺序或时间来进行调节,这正是两步扩散法的优点。

三、扩散均匀性和重复性

对于半导体器件参数的一致性要求要非常好,允许的技术指标范围要越窄越好,这就要求制造工艺,尤其是扩散的均匀性和重复性要非常好。

均匀性:同一炉硅片一片之内和各片之间的技术参数基本在一个水平上,在实际生产中造成硅片不均匀的原因有:衬底材料本身参数的电阻率等不均匀;扩散前硅片处理不好,硅片表面有局部的沾污和氧化层,造成扩散进去的杂质原子的多少、结的深浅与其他地方不一样;杂质扩散系数和固溶度与温度有关,石英舟各处的温度若有差异,就会影响扩散结果的均匀性;石英舟各处的杂质蒸汽压不完全相同,也会造成扩散结果不均匀。

重复性:重复性不好是由于各次扩散工艺中,炉温、时间和石英管内杂质蒸汽压变化较大,以及清洁处理不当造成的。为此,除了精确控制炉温和时间外,还需要设法使得石英管内的杂质蒸汽压保持平衡。通常采用的方法是每天第一次扩散前将石英舟和石英管在源蒸汽中饱和一定的时间。

HCl退火、HCl氧化等用HCl的目的是将晶体管的放大曲线拉开,如果不用HCl的话放大系数HFE很小。不同的环境会影响放大,有些环境下不用HCl退火。

所有预淀积(CSD涂覆硼源后预淀积和POCl3预淀积)之后都要泡酸,一般为5%HF溶液泡20min。

扩散和氧化工艺控制不好会出现氧化层不致密,氧化层均匀性差,从而造成注入或者扩散后掺杂浓度的均匀性差,氧化层厚度不均匀表现为氧化层发花。

离子注入

一般浅结高浓度器件适合扩散工艺,而浅结低浓度器件用离子注入工艺。离子注入是

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利用高能粒子轰击掺杂的杂质原子或分子,使之电离,再加速到一定能量,使其直接射入硅片内部,然后经过退火使杂质激活,达到掺杂的目的。离子注入能保证结深的一致性、重复性,从而确保器件参数的一致性,尤其是HFE,并且离子注入可以将浓度分布做的很陡。

在离子注入前一般干氧氧化形成一层大约1000A的氧化层,氧化层的作用是:1、减少离子注入时对硅片的损伤,起屏蔽作用;2、离子注入后杂质在硅中的分布式高斯分布,即注入至表面一段距离后(大约1000A)留在硅片中,为了使得硅片表面的杂质浓度最高,在离子注入前淀积一层氧化层,就可以使得浓度最高处在硅的表面。

在离子注入中,比较重要的控制参数有:原子量、注入能量、注入剂量、束流大小、注入时间、扫描次数等,它们之间的关系为:I=Q/t,注入剂量=Q/q,从而可以计算出注入时间,但是这个只是个估算,可能在实际由于设备的不稳定性,当中有偏差。原子量控制的是注入杂质种类,注入能量控制注入的深度,即结深,注入剂量控制掺杂浓度。

注入能量和剂量根据产品的需要来确定,能量越高,注入的越深,一般硼注入的能量在50KeV左右,磷注入的能量一般在60—100KeV,剂量一般在104、105 cm-3数量级。离子注入系统中必须保持高真空状态,至少在10-6torr以下,以免残余气体与离子束反应,造成能量不正确的离子,形成沾污。

为了减小沟道效应,常常把硅片倾斜一个角度,如(100)晶向的硅片常用角度是偏离垂直方向7°,氧化层也可以减小沟道效应。

大束流离子注入机:NV10-160,NV10-90

大束流离子注入一般用于深结的注入,硼注入采用BF3,磷注入采用红磷,红磷是固态源,注入时需要加热(300-350℃,坩埚不同,温度也不同)使其升华成气体。氩气作用是清洁离子源弧室以及作为固体源的携带源,它不作为离子注入源。

一般硼注入的束流不超过2.2mA,磷注入的束流不超过3.6mA。灯丝的电流大约为200A,此时的弧流为3—20A。

NV10-160的吸极能量和后加速能量可以达到80KeV,在实际生产中一般不超过70KeV NV10-90的吸极能量可以达到90KeV,在实际生产中一般不超过80KeV,它没有后加速功能,所以没有后加速能量。

NV10-160,NV10-90是采用机械扫描的方法进行注入,即载有硅片的转盘旋转并上下移动,而离子源固定从而使得离子注入到硅片中。

中束流离子注入机:VARIAN 350D

中束流离子注入一般用于浅结的注入,硼注入采用BF3,磷注入采用PH3。

VARIAN 350D是采用电扫描的方法进行注入,即离子源上下移动,而硅片固定从而使得离子注入到硅片中,且它是一片一片进行注入,注入机会自动从片盒中拾取硅片。

经过离子注入后的硅片表面会产生注入损伤,需要进行退火加以消除。高能粒子注入硅体内时与硅原子核发生碰撞,并把能量传输给硅原子,当硅原子能量足够大时可是硅原子移位,当移位原子的能量较大时,还可使其它硅原子发生位移,从而形成一个碰撞与位移的连级,在硅中形成无数空位和间隙原子。这些缺陷的存在使半导体中载流子的迁移率减小,少子寿命缩短,从而影响器件性能。退火是在氮气的保护下使硅片在一定温度下保持一定时间,促使微观缺陷区下面未受损伤的硅单晶外延生长,从而使微观损伤区的晶体复原。退火还可以使那些注入硅中的杂质离子进入替代硅原子的位置,成为电活性杂质离子,从而起到受主或施主的作用。

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通常,离子注入的深度较浅且浓度较大,必须使它们重新分布。同时由于高能粒子的撞击,导致硅结构的晶格发生损伤,为恢复晶格损伤,在离子注入后要进行退火处理。在退火的同时,掺入的杂质同时向半导体体内进行再分布。

退火可以单独进行退火工艺,还可以和注入后的扩散工艺同时进行,一般选择后者,节省工艺步骤和时间。

离子注入最重要的质量控制是离子注入的均匀性,通常需要利用陪片测试。测试条件为:利用N型陪片进行硼注入,注入能量为50 KeV,注入剂量为3*104cm-3,注入在1050℃下快速退火10S,然后利用RS55四探针测试仪测试硅片表面的电阻率,它们的偏差不能超过规定值。

有时离子注入需要分两步,第一次低浓度的离子注入后得到结深,第二次离子注入浓度高,是为了将浓度增加。

正面蒸铝

金属层的形成主要采用物理汽相沉积(Pysical Vapor Deposition,简称PVD)技术,主要有两种PVD技术:蒸发和溅射。蒸发是通过把被蒸镀物体加热,利用被蒸镀物在高温(接近其熔点)时的饱和蒸汽压,来进行薄膜沉积的;而溅射是利用等离子体中的离子,对被溅射物体电极(也就是离子的靶)进行轰击,使汽相等离子体内具有被溅镀物的粒子(如原子),这些粒子沉积到硅片上就形成了薄膜。

铝是用于互连的最主要的材料之一,因为铝的价格相对低廉,并且铝能够很容易和二氧化硅反应形成氧化铝,这促进了二氧化硅和铝之间的粘附性。在生产中采用电子束蒸发工艺淀积铝膜,大致步骤为:圆片在清洗液中清洗干净后浸入HF溶液中去除表面的氧化层,去离子水冲洗后离心甩干;将圆片装上行星盘,把行星盘装回蒸发台后就可以开始根据程序淀积薄膜,可以根据需要觉得是否对蒸发的圆片衬底加热。

已经完成前道工序并且表面已经氧化光刻,送入正蒸间进行表面金属化,具体步骤如下: 一、前处理

清洗:对应不同的产品有不同的清洗方式

泡酸:将圆片浸入5%的HF溶液中浸泡20S左右,然后冲水后甩干。对于肖特基产品采用1%的HF溶液浸泡30S。泡酸后的圆片在2小时之内必须正蒸,否则要重新泡酸(防止放置过长时间产生氧化层)。

二、正面蒸铝

将泡酸完的圆片装在行星盘上,放入蒸发台中,按照程序进行蒸发淀积。蒸发的铝层的厚度一般根据芯片功率的大小来确定,从1.4μm到7.5μm不等。一般肖特基等二极管铝层厚度在5μm左右,如果芯片面积大的话加到7.5μm。

目前用的蒸发台有ULVAC EBX-2000和ei-5z,都是电子束蒸发台。铝蒸发的工艺温度

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