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半导体制造工艺流程简介


半 导 体 制 造 工 艺

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NPN 高频小功率晶体管制造的工艺流程为: 外延片——编批——清洗——水汽氧化——一次光刻——检查——清洗——干氧氧化 ——硼注入——清洗——UDO 淀积——清洗——硼再扩散——二次光刻——检查——单结 测试——清洗——干氧氧化——磷注入——清洗——铝下 CVD——清洗——发射区再扩散 ——三次光刻——

检查——双结测试——清洗——铝蒸发——四次光刻——检查——氢气 合金——正向测试——清洗——铝上 CVD——检查——五次光刻——检查——氮气烘焙— —检查——中测——中测检查——粘片——减薄——减薄后处理——检查——清洗——背 面蒸发——贴膜——划片——检查——裂片——外观检查——综合检查——入中间库。 PNP 小功率晶体管制造的工艺流程为: 外延片——编批——擦片——前处理——一次氧化——QC 检查(tox)——一次光刻— —QC 检查——前处理——基区 CSD 涂覆——CSD 预淀积——后处理——QC 检查(R□) ——前处理——基区氧化扩散——QC 检查(tox、R□)——二次光刻——QC 检查——单结 测试——前处理——POCl3 预淀积——后处理(P 液)——QC 检查——前处理——发射区 氧化——QC 检查(tox)——前处理——发射区再扩散(R□)——前处理——铝下 CVD— —QC 检查(tox、R□)——前处理——HCl 氧化——前处理——氢气处理——三次光刻—— QC 检查——追扩散——双结测试——前处理——铝蒸发——QC 检查(tAl)——四次光刻 ——QC 检查——前处理——氮气合金——氮气烘焙——QC 检查(ts)——五次光刻—— QC 检查——大片测试——中测——中测检查(——粘片——减薄——减薄后处理——检查 ——清洗——背面蒸发——贴膜——划片——检查——裂片——外观检查) ——综合检查— —入中间库。 GR 平面品种(小功率三极管)工艺流程为: 编批——擦片——前处理——一次氧化——QC 检查(tox)——一次光刻——QC 检查 ——前处理——基区干氧氧化——QC 检查(tox)——一 GR 光刻(不腐蚀)——GR 硼注 入——湿法去胶——前处理——GR 基区扩散——QC 检查(Xj、R□)——硼注入——前处 理——基区扩散与氧化——QC 检查(Xj、tox、R□)——二次光刻——QC 检查——单结测 试——前处理——发射区干氧氧化——QC 检查(tox)——磷注入——前处理——发射区氧 化和再扩散——前处理——POCl3 预淀积(R□)——后处理——前处理——铝下 CVD—— QC 检查(tox)——前处理——氮气退火——三次光刻——QC 检查——双结测试——前处 理——铝蒸发——QC 检查(tAl)——四次光刻——QC 检查——前处理——氮气合金—— 氮气烘焙——正向测试——五次光刻——QC 检查——大片测试——中测编批——中测—— 中测检查——入中间库。

双基区节能灯品种工艺流程为: 编批——擦片——前处理——一次氧化——QC 检查(tox)——一次光刻——QC 检查 ——前处理——基区干氧氧化——QC 检查(tox)——一硼注入——前处理——基区扩散— —后处理——QC 检查(Xj、R□)——前处理——基区 CSD 涂覆——CSD 预淀积——后处 理——QC 检查(R□)——前处理——基区氧化与扩散——QC 检查(Xj、tox、R□)——二 次光刻——QC 检查——单结测试——磷注入——前处理——发射区氧化——前处理——发 射区再扩散——前处理——POCl3 预淀积(R□)——后处理——前处理——HCl 退火、N2 退火——三次光刻——QC 检查——双结测试——前处理——铝蒸发——QC 检查(tAl)— —四次光刻——QC 检查——前处理——氮氢合金——氮气烘焙——正向测试(ts)——外 协作(ts)——前处理——五次光刻——QC 检查——大片测试——测试 ts——中测编批—

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—中测——中测检查——入中间库。

变容管制造的工艺流程为: 外延片——编批——擦片——前处理——一次氧化——QC 检查——N+光刻——QC 检 查——前处理——干氧氧化——QC 检查——P+注入——前处理——N+扩散——P+光刻—— QC 检查——硼注入 1——前处理——CVD(LTO)——QC 检查——硼注入 2——前处理— —LPCVD——QC 检查——前处理——P+扩散——特性光刻——电容测试——是否再加扩 ——电容测试——......(直到达到电容测试要求)——三次光刻——QC 检查——前处理— —铝蒸发——QC 检查(tAl)——铝反刻——QC 检查——前处理——氢气合金——氮气烘 焙——大片测试——中测——电容测试——粘片——减薄——QC 检查——前处理——背面 蒸发——综合检查——入中间库。 P+扩散时间越长,相同条件下电容越小。

稳压管(N 衬底)制造的工艺流程为: 外延片——编批——擦片——前处理——一次氧化——QC 检查——P+光刻——QC 检 查——前处理——干氧氧化——QC 检查——硼注入——前处理——铝下 UDO——QC 检查 ——前处理——P+扩散——特性光刻——扩散测试(反向测试)——前处理——是否要 P+ 追扩——三次光刻——QC 检查——前处理——铝蒸发——QC 检查(tAl)——四次光刻— —QC 检查——前处理——氮气合金——氮气烘焙——大片测试——中测。 P+扩散时间越长,相同条件下反向击穿电压越高。

肖特基二极管基本的制造工艺流程为: 编批——擦片——前处理——一次氧化——QC 检查(tox)——P+光刻——QC 检查— —硼注入——前处理——P+扩散与氧化——QC 检查(Xj,R□,tox)——三次光刻——QC 检查——前处理——铬溅射前泡酸——铬溅射——QC 检查(tcr)——先行片热处理——先 行片后处理——特性检测(先行片:VBR,IR)——热处理——后处理——特性测试(VBR, IR)——前处理——钛/铝蒸发——QC 检查(tAl)——四次光刻——QC 检查——前处理— —氮气合金先行(VBR,IR)——氮气合金——特性测试(VBR,IR)——大片测试——中测 ——反向测试(抗静电测试)——中测检验——如中转库。

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目录
外延 .................................................................................................................................................. 6 气相外延生长机理................................................................................................................... 6 外延层的杂质分布................................................................................................................... 6 外延系统和工艺过程............................................................................................................... 7 外延质量和检验....................................................................................................................... 7 三扩 .................................................................................................................................................. 8 清洗处理................................................................................................................................... 8 前处理....................................................................................................................................... 9 腐蚀........................................................................................................................................... 9 预淀积....................................................................................................................................... 9 中处理....................................................................................................................................... 9 主扩散....................................................................................................................................... 9 后处理..................................................................................................................................... 10 氧化......................................................................................................................................... 10 检验......................................................................................................................................... 10 修片......................................................................................................................................... 10 编批打标......................................................................................................................................... 10 氧化 ................................................................................................................................................ 11 一、二氧化硅结构................................................................................................................. 11 二、二氧化硅性质................................................................................................................. 11 三、二氧化硅应用................................................................................................................. 11 四、二氧化硅薄膜的制备 ..................................................................................................... 12 五、氧化装置......................................................................................................................... 14 六、二氧化硅薄膜质量 ......................................................................................................... 14 扩散 ................................................................................................................................................ 15 CSD 涂源扩散(硼源) ........................................................................................................ 15 POCl3 扩散 .............................................................................................................................. 15 离子注入再扩散..................................................................................................................... 16 先行片..................................................................................................................................... 16 结特性参数异常..................................................................................................................... 17 重要的工艺参数..................................................................................................................... 17 扩散质量................................................................................................................................. 17 离子注入......................................................................................................................................... 18 正面蒸铝......................................................................................................................................... 20 一、前处理............................................................................................................................. 20 二、正面蒸铝......................................................................................................................... 20 三、合金化............................................................................................................................. 21 四、正面蒸铝后 QC 检验 ..................................................................................................... 22 光刻 ................................................................................................................................................ 22 前处理..................................................................................................................................... 22 涂胶......................................................................................................................................... 23 对版曝光................................................................................................................................. 24

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显影......................................................................................................................................... 24 显影后检查............................................................................................................................. 24 后烘坚膜................................................................................................................................. 24 刻蚀......................................................................................................................................... 25 CVD ................................................................................................................................................ 28 一、APCVD:常压 CVD ...................................................................................................... 29 二、LPCVD:低压 CVD ...................................................................................................... 29 三、PECVD:等离子增强 CVD .......................................................................................... 30 钝化 ................................................................................................................................................ 32 清洗 ................................................................................................................................................ 33 自动清洗................................................................................................................................. 33 手动清洗................................................................................................................................. 33 中测 ................................................................................................................................................ 33 芯片后工序(减薄、背蒸) ......................................................................................................... 34 磨抛 ................................................................................................................................................ 34 一、减薄................................................................................................................................. 34 二、抛光................................................................................................................................. 35 三、去蜡、清洗..................................................................................................................... 35 四、检验................................................................................................................................. 36 背蒸 ................................................................................................................................................ 36 一、前处理............................................................................................................................. 36 二、背蒸................................................................................................................................. 36 三、金扩散............................................................................................................................. 38 四、背蒸后 QC 检验 ............................................................................................................. 38 五、背蒸返工处理................................................................................................................. 38 出厂检验......................................................................................................................................... 39 专业术语......................................................................................................................................... 40 一些测试仪器................................................................................................................................. 40

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外延

在制造高频功率器件时, 往往遇到一个击穿电压与集电极串联电阻对集电极材料电阻率 的要求矛盾的问题, 这时如果在低电阻率的单晶硅上外延生长一层高阻的外延层, 器件做在 外延层上,就能很好地解决以上的矛盾。外延层高电阻率保证击穿电压,低电阻率衬底使集 电极串联电阻降低,减少器件功率损耗。 在单晶硅衬底上沿着原来的结晶轴方向延伸生长一层导电类型、 电阻率、 厚度和晶格结 构及其完整性都符合要求的新的单晶层的过程叫做外延, 这层新的单晶层叫做外延层。 若外 延层结构和性质与衬底材料相同叫做同质外延, 反之叫异质外延。 根据外延层在器件制造中 的作用来分,器件直接做在外延层上的叫做正外延,做在原单晶层上,低阻的外延层反过来 作为支撑衬底的叫反外延。 外延方法主要有气相外延、液相外延、真空蒸发、高频溅射、分子束外延等,生产中常 用的是硅的气相外延法。

气相外延生长机理

硅的气相外延是硅的气态化合物在加热的硅衬底表面与氢发生反应或自身热分解还原 成硅,并以单晶的形式淀积在硅衬底表面的过程。具体包括: (1)反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层表面; (2)反应剂分子被生长层吸附; (3)被吸附的反应剂分子在生长层表面完成化学反应,产生硅及其它副产品; (4)副产品分子从表面解析,随着气流排出反应腔; (5)反应生成的硅原子形成晶格,或加接到晶格点阵上,形成单晶外延层。 外延方法通常有 SiCl4 氢还原法和 SiH4 热分解法,两种化学反应方程式分别为: (1200℃) SiCl4+2H2=Si+4HCl SiH4=Si+2H2 (1100℃)

外延层的杂质分布

外延层必须是经过掺杂的单晶层。 从器件制造的角度考虑, 总希望外延层具有均匀的一 定量的单一杂质分布,而且要求外延层与衬底界面处杂质分布浓度陡峭一些。 SiCl4 氢还原法外延由于在高达 1200℃高温下进行,衬底与外延层中杂质相互扩散,从 而使衬底与外延层形成杂质浓度缓变分布,这就是外延中的扩散效应。这种效应是可逆的, 生成的 HCl 对硅有腐蚀作用。在衬底腐蚀的同时其中杂质就释放出来,加之在高温外延过 程中,高掺杂衬底中的杂质也会挥发,此外整个外延层系统中也存在杂质的沾污源,这三种 因素造成的自掺杂效应严重影响了外延的杂质分布,外延电阻率做高也不容易。 SiH4 热分解法反应温度低, 其化学反应激活能是 1.6eV, SiCl4 小 0.3eV, 比 可以在 1100℃ 时获得与 1200℃下 SiCl4 反应时相当的生长速率,同时这种方法不产生 HCl,无反应腐蚀问 题,因而扩散效应和自掺杂现象不如 SiCl4 严重。如果采用“背封”技术和“二步法”外延, 用 SiH4 热分解法就能获得较为理想的突变结和浓度分布。 虽然 SiH4 热分解法外延有其好处,但是由于 SiCl4 氢还原法操作安全,SiCl4 易纯化,
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且工艺成熟,目前仍然是生产中常用的方法。

外延系统和工艺过程

外延系统装置包括:气体分配及控制系统、加热和测温装置、反应室、废气处理装置。 工艺过程包括: (1) 衬底和基座处理:衬底处理主要是为了去除衬底圆片表面氧化层及尘粒,冲 洗干燥后放入石墨基座内。对于已经用过的石墨基座应预先经过 HCl 腐蚀, 去除前次外延留在上面的硅。 (2) 掺杂剂配制:掺杂剂有气态源,如磷烷 PH3,硼烷 B2H6 等;液态源如 POCl3、 BBr3 等,不同的器件对外延层电阻率及导电类型要求不同,必须根据电阻率 精确控制掺杂源的用量。 (3) 外延生长:主要程序为:装炉——通气,先通氮气再通氢气——升温——衬 底热处理或 HCl 抛光——外延生长——氢气冲洗——降温——氮气冲洗。当 基座温度降到 300℃以下时开炉取片。

外延质量和检验

外延层质量应满足:晶体结构完整、电阻率精确而均匀、外延层厚度均匀且在范围内、 表面光洁,无氧化和白雾、表面缺陷(角锥体、乳突、星形缺陷等)和体内缺陷(位错、层 错、滑移线等)要少。 外延质量检验内容包括:电阻率、杂质浓度分布、外延层厚度、少子寿命及迁移率、夹 层位错与层错密度、表面缺陷等。生产中通常检测项目是缺陷密度、电阻率和外延层厚度。 外延层厚度测量方法有层错法、磨角或滚槽染色法、直读法、红外干涉法等。电阻率测量的 方法有四探针法、三探针法、电容—电压法、扩展电阻法,对于外延层电阻率较高或者厚度 较薄的外延层往往采用电容—电压法、扩展电阻法等。 晶体缺陷包括体内和表面缺陷,体内缺陷包括位错和层错。 位错通常由衬底中的位错延伸而成, 当衬底表面存在机械损伤, 片子在升降温过程中遭 受巨大热冲击时, 就会在晶体内产生大量位错, 因此应该避免衬底硅片机械划伤和衬底不均 匀升降温。位错的检验方法有铬酸化学腐蚀法、红外显微镜直接观察法、X 射线衍射形貌照 相法和扫描电子显微镜分析法等。 层错有外延层错和热氧化层错两种。当衬底表面存在划痕、杂质沾污、氧化物或局部杂 质积累, 而外延时晶核恰巧在这些不均匀区域内长大, 就会破坏衬底原来的晶格原子的规则 排列,造成外延层和衬底间的晶格失配。这是失配随着外延生长过程逐渐传播开来,一直到 达晶体表面,成为区域性缺陷,这就是外延层错。防止外延层错,外延前先将衬底在外延炉 反应室内进行 HCl 气相抛光,提高氢气浓度,控制好外延生长温度和速率等都是行之有效 的方法。单位面积内的层错数量为层错密度。将外延片在按比例配成的二氧化铬、HF 水溶 液中腐蚀后,置于显微镜下观测,就能测出层错密度。 表面缺陷通过肉眼和显微镜可以直接观察到,主要有划痕、雾状、角锥体、乳突、星形 缺陷、小丘和雪球、麻坑、弯曲、图形漂移和畸变等,主要形成原因是操作不当,环境不洁、 衬底制备不良、生长条件不适当等,采用相对措施即可降低层错密度。

铬酸腐蚀法检验位错: 1)将硅片在 321 硅腐蚀液中腐蚀,腐蚀厚度大约为(20—30)μm;
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2)配制腐蚀液: 原液:三氧化二铬:纯水=1:2 铬酸腐蚀液:原液:40%HF 溶液=1:1 硅片在腐蚀液中浸泡(3-4)min; 3)用纯水冲洗干净后甩干; 4)在显微镜下观察,测出位错密度。

三扩

为了解决器件高击穿电压与低集电极电阻对衬底材料电阻率要求的矛盾,从而采用在 外延层上做芯片。 但是目前国内高阻外延尚不能将电阻率做得足够高, 如果器件不仅仅反向 击穿高,而且结深也相当深,那就要求外延层既要高阻又要很厚,这在实际生产上会遇到一 定的困难,于是产生了一种叫做“三重扩散”的硅片材料工艺。 在低掺杂的 N 型单晶硅片上进行较长时间 N 型杂质扩散,形成 N+NN+结构,然后通过 以扩散层 N+为衬底支撑, N 层即原衬底上做芯片, 在 磨片抛光去掉一面 N+层剩下 NN+两层, 这种工艺叫做三重扩散(通常晶体管制作只有基区扩散和发射区扩散,这是第三种扩散;从 字面意义上来说,三重扩散应该包括了基区扩散和发射区扩散在内的三次扩散) 。在三扩工 艺中做芯片的高阻层的厚度必须严格控制, 其由磨抛工艺决定, 它的电阻率则根据器件品种 对反向击穿电压的要求进行选择确定。 三扩的作用类似于反外延,由于扩散沿着结深存在杂质浓度梯度,不像外延片的低阻 层那样纵向分布均匀, 因此做出的晶体管饱和压降不如外延片好, 但是三扩采用成熟的常规 扩散工艺,简便易行,可靠稳定,因此在生产中大量应用。

三扩工序的基本流程是: 前处理——腐蚀——预淀积——中处理——主扩散——后处理 ——氧化——检验——修片,具体步骤为:

清洗处理

在十二槽自动清洗机中进行,每个槽中需要超声清洗,每个槽的溶液分别为: 一槽:上料; 二槽:5%HF 溶液; 三槽:5%HF 溶液; 四槽:纯水; 五槽:0.4%NaOH 溶液+3F 高纯清洗剂+H2O 的混合液; 六槽:温纯水; 七槽:0.4%NaOH 溶液+3F 高纯清洗剂+H2O 的混合液; 八槽:温纯水; 九槽:纯水; 十槽:纯水; 十一槽:纯水; 十二槽:下料。

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前处理

材料片前处理在十二槽自动清洗机中进行,每个槽的浸泡时间为 300S。

腐蚀

将材料片浸入 321 硅腐蚀液中,将硅片表面腐蚀掉一定厚度,大约在 10μm 左右,硅 腐蚀液的温度和腐蚀速度有很大关系,如果温度过高,难以控制腐蚀速度,腐蚀速度也与腐 蚀液新旧有关,因此为了控制腐蚀量,常在腐蚀后用千分表测试腐蚀量,如果腐蚀量没有达 到要求继续腐蚀; 硅片腐蚀后需要冲纯水,再甩干。

预淀积

扩散炉炉管预热到 1000℃之后, 将载有硅片的石英舟中按照一定速度慢慢推进炉管后, 炉管加热升温至 1200℃,并且炉管中通入 O2 和 N2,N 型扩散采用 POCl3 作为扩散源,利用 N2 携带的方式进入炉管,并且源温控制在(20±1)℃。经过大约(110±10)min(视情况 而定,通入 POCl3 时间)预淀积后,炉管内慢慢降低至 1000℃后,将石英舟慢慢拉出。待 硅片自然冷却后,需要测试预淀积硅片表面的电阻率。电阻率的测试是利用陪片,首先用 40%的 HF 溶液将陪片腐蚀,然后冲水后烘干,再利用四探针测试仪测试陪片表面电阻率。 预淀积后硅片表面的电阻率要求控制在一定范围, 如果电阻率大于范围值, 需要减少预淀积 时间,如果电阻率小于范围值,需要再进行预淀积。 POCl3 和氧气反应生成单质 P、偏磷酸和氯的化合物。

中处理

预扩片中处理在十二槽自动清洗机中进行,每个槽的浸泡时间为 400S。

主扩散

主扩散是利用碳化硅舟进行,将硅片依次紧靠放入碳化硅舟中,硅片与硅片之间以及 舟底都要撒上二氧化硅粉,以免高温扩散时硅片粘结在一起,两端用碳化硅挡板挡好。将扩 散炉炉管预热到 800℃之后,将载有硅片的碳化硅舟中按照一定速度慢慢推进炉管后,炉管 加热升温至 1286℃, 经过大约 200 小时 (视情况而定) 扩散后, 炉管内慢慢降低至 800℃后, 将舟慢慢拉出。 待硅片自然冷却后,需要测试硅片表面的参数: 1)电阻率:利用四探针测试仪测试; 2)结深:在结深测试仪上利用微细刚玉粉将硅片的边缘磨出一个斜面,并且用溶剂对 扩散区域进行染色, 利用显微镜可以测出斜面染色区域的长度和斜面长度以及硅片厚度, 根 据三角形相似的方法可以求出结深。 3)表面:检验硅片的翘曲、沾污等。

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后处理

三扩片后处理在十二槽自动清洗机中进行,每个槽的浸泡时间为 500S。

氧化

扩散炉炉管预热到 600℃之后,将载有硅片的石英舟中按照一定速度慢慢推进炉管后, 炉管加热升温至 1200℃,并且炉管中通入 O2,氧化一般采用水汽氧化。在水汽发生装置的 瓶中装入不超过 2/3 的纯水, 将其加热到 100℃纯水沸腾, 利用 O2 将水蒸汽携带或者直接进 入炉管中。经过大约(3.5±0.5)小时(视情况而定)氧化后,炉管内慢慢降低至 600℃后, 将石英舟慢慢拉出。 待硅片自然冷却后,利用膜厚测试仪测试硅片表面氧化层的厚度。

检验

氧化后需要检验的项目有: 1、氧化层厚度:利用膜厚测试仪测试; 2、外观检查:缺口、崩边、划伤、裂缝、凹坑、沾污等。

修片

检查硅片边缘是否有缺口或者毛刺,锐利的边缘部分容易剥落,并且会在以后的加工 过程中产生碎屑,因此需要修片。修片利用修片机上旋转的砂轮将硅片边缘打磨平,硅片需 要垂直放在旋转砂轮打磨位置的切线方向上。 检验修片后的三扩片就可以进行单面磨抛(OSL) 。

编批打标

硅片来料检验(厚度、电阻率、表面等)后,在投料前要进行编批、打标。 在编批车间的硅片分为几类: 外延片:一般会在标签上标明衬底参数:厚度、半径、晶向、掺杂类型(N 型或 P 型) 以及杂质类型(掺 P 或者 As、B 等) 、电阻率等,外延层参数有:外延厚度、掺杂类型(N 型或 P 型)以及杂质类型(掺 P 或者 As、B 等) ,电阻率等,光面为外延面,在光面打上标 记。 经过氧化工艺后的单晶片:一般会在标签上标明衬底参数:厚度、半径、晶向、掺杂类 型(N 型或 P 型)以及杂质类型(掺 P 或者 As、B 等) 、电阻率等,光面为氧化层面,在光 面打上标记。 双磨片:一般会在标签上标明衬底参数:厚度、半径、晶向、掺杂类型(N 型或 P 型) 以及杂质类型(掺 P 或者 As、B 等) 、电阻率等,两边都很粗糙,不分正反面,打上标签后 的一面为正面。 打标是利用激光打标机进行,设置程序后,把硅片放入就可以自动标号打标。有时机器
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产能不够会手工打标,但是由于人刻得力度不一样,刻出的字常常不均匀,由于有时要在硅 片后面手工刻个标记,划片后可能导致芯片厚度不均匀,这样会影响装片。 硅片打标之后要擦片,在自动擦片机上进行。

氧化
1957 年发现用来制造晶体管的掺杂元素硼、磷、砷、锑等在二氧化硅中的扩散系数比 在硅中小得多。 1960 年二氧化硅正式被用为晶体管选择扩散的掩蔽膜, 从而导致了硅平面工艺的诞生。

一、二氧化硅结构

热生长的二氧化硅薄膜具有无定形玻璃状结构,基本单位是一个有 Si—O 原子组成的 正四面体。硅原子位于正四面体的中心,氧原子位于四个顶点,两个相邻的四面体通过一个 桥键氧原子连接起来,构成无规则排列的三维网络结构。

二、二氧化硅性质 1、电阻率:可高达 1015—1016Ω*cm;二氧化硅禁带宽度相当宽,约 0.9eV,因此二氧 化硅是比较理想的绝缘体。 2、介电强度和介电常数:物质介电强度与薄膜结构致密性、均匀性以及杂质总量均有 直接关系。二氧化硅薄膜介电强度可达 106—107V/cm,可以承受较高的电压,适宜做器件 的绝缘膜。二氧化硅的介电系数是 3.9 左右。 3、薄膜密度:二氧化硅密度与制备方法有关,一般在(2.0—2.3)g/cm3 之间。折射率 通常为 1.45 左右,密度高折射率稍大。 4、化学稳定性:二氧化硅的化学稳定性较高,它不溶于水和氢氟酸以外的酸。被氢氟 酸腐蚀的化学方程式为: SiO2+4HF=SiF4+2H2O SiF4+2HF=H2SiF6 H2SiF6(六氟硅酸)是可溶于水的络合物,利用这个性质可以很容易通过光刻工艺实现 选择性腐蚀二氧化硅。为了获得稳定的腐蚀速率,腐蚀二氧化硅的腐蚀液一般用 HF、NH4F 与纯水按一定比例配成缓冲液。

三、二氧化硅应用

1、作为杂质选择扩散的掩蔽膜:利用杂质元素在二氧化硅中的扩散系数比在硅中小得 多的特性,用二氧化硅作选择扩散掩蔽膜能造出不同性能的半导体器件; 2、作为器件表面的保护和钝化层:在硅片表面覆盖一层二氧化硅薄膜,一方面可以避 免硅表面被划伤以及各制造工序带来的杂质沾污, 起保护作用; 另一方面二氧化硅薄膜是表
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面的 PN 结与外面气氛隔绝,从而减弱了环境气氛对硅片表面性质的影响,提高了半导体器 件的稳定性和可靠性,起到了钝化的作用; 3、作为集成电路的隔离介质和绝缘介质; 4、作为集成电路中电容器的介质材料; 5、作为 MOSFET 的绝缘栅材料; 6、在其他半导体器件如太阳能电池中应用,能很好提高器件的性能。

四、二氧化硅薄膜的制备

二氧化硅薄膜的制备方法很多, 如热氧化生长法、 掺氯氧化法、 热分解淀积法、 溅射法、 真空蒸发法、外延生长法和阳极氧化法等。生产上常用的是热氧化生长法、掺氯氧化法、热 分解淀积法三种。 1、热氧化生长法 把清洗干净的硅衬底置于高温下, 并且通入氧气气氛, 使衬底表面的一层硅氧化成二氧 化硅。其又分为干氧氧化、水汽氧化、湿氧氧化和氢氧合成氧化等几种不同工艺。 1)干氧氧化 在高温下用干燥纯净的氧气直接与硅片外表面的原子反应生成二氧化硅。其反应方程 式为:Si+O2=SiO2。 氧化过程中,已形成的二氧化硅层阻止了氧原子与硅表面的直接接触,氧分子以扩散 方式通过二氧化硅层到达二氧化硅—硅界面与硅原子发生反应, 生成新的二氧化硅层使二氧 化硅不断增厚。二氧化硅生长速度受氧分子在二氧化硅中的扩散速率和 SiO2—Si 界面处氧 分子与硅原子反应速率的限制,关系式为:d2=c*t,其中 d 表示氧化层的厚度,c 为氧化速 ,t 率(μm2/min) 为氧化时间。 干氧氧化生成的二氧化硅薄膜干燥致密,和光刻胶沾润良好,光刻时不易产生浮胶现 象,但是氧化速率慢。 2)水汽氧化 在高温下水汽与硅片接触时,水分子与硅片表面原子反应生成二氧化硅初始层。反应 方程式为:Si+2H2O=SiO2+2H2,随后水分子与硅的反应有两个过程:一是水分子透过氧化 层在 SiO2—Si 界面处使硅原子氧化;二是水分子先在二氧化硅表面反应生成硅烷醇(Si— OH) ,它的反应方程式为:H2O+Si-O-Si=2(Si-OH) 生成的硅烷醇再扩散进入二氧化硅层到达 SiO2—Si 界面后与硅原子反应,使二氧化硅 膜增厚,反应式为:Si-Si+2(Si-OH)=2(Si-O-Si)+H2 上述两个过程中所形成的氢气迅速地沿着 SiO2—Si 界面散开,也可能与二氧化硅网络 结构中的氧离子结合成羟基,即 H2+2 -O- =2 -OH 由于水汽氧化过程中二氧化硅网络不断遭到削弱,水分子或硅烷醇在二氧化硅中扩散 加快,其扩散速度大于氧原子的扩散速度,所以水汽氧化速度比干氧氧化快得多。 3)湿氧氧化 将干燥纯净的氧气先经过一个水浴瓶,使氧气通过加热的高纯去离子水携带一定量的 水汽,再通入氧化炉中,水汽的含量由水浴温度和氧气决定。湿氧氧化既有干氧氧化作用又 有水汽氧化的作用, 水汽氧化时氧化物质是一个大气压的水汽, 干氧氧化中氧化物质是一个 大气压的干燥氧气, 湿氧氧化时氧化物质是水和氧气的混合物, 而它们的比例可以根据生产 需要和器件要求进行调节,随着水汽比例的增加,氧气对生长速度的影响越来越小,因此湿 氧氧化的速率介于干氧氧化和水汽氧化之间,即 C 干氧<<C 湿氧<C 水汽,随着水浴温度的增
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加,C 湿氧更加接近 C 水汽。实际生产中,常用干氧—湿氧—干氧的方法生成 SiO2。 湿氧氧化速率快,但是表面有硅烷醇和光刻胶沾润不良,光刻时易浮胶,并能引起杂 质的再分布。 若在湿氧氧化前先通一些时间干氧, 有利于保持硅片表面的完整性和生长高质 量的二氧化硅,提高其间的表面性能;在湿氧氧化后再通入一段时间的干氧,可使湿氧生长 的二氧化硅趋于干氧氧化膜的性质,同时表面的硅烷醇或表面吸附的水分子转变成硅氧烷 (Si-O-Si),从而改善了二氧化硅表面与光刻胶的接触,使光刻时不易浮胶。这样做充分利用 了干氧氧化和湿氧氧化的优点,解决了生长速率和工艺质量的矛盾。 4)氢氧合成氧化 湿氧氧化和水汽氧化都要用到高纯去离子水,如果去离子水的纯度不够高或者水浴瓶 等容器沾污的话, 就会使氧化膜的质量受到影响, 为此将适当比例混合的高纯氢气和氧气通 入氧化炉,在高温下先合成水汽,然后再与硅反应生成二氧化硅,就能得到高质量的二氧化 硅薄膜。 2、掺氯氧化法 在氧化气氛中添加微量氯元素进行二氧化硅薄膜生长,能降低钠离子沾污,抑制钠离 子漂移,获得高质量的氧化膜,提高器件电性能和可靠性。常用的氯源有干燥高纯的氯气 (Cl2)或氯化氢(HCl)和高纯的三氯乙烯(C2HCl3,液态) 。掺氯氧化一般采用干氧氧化 进行,这是因为水的存在会使氯不能结合到氧化膜中去,起不到降低可动钠离子、清洁氧化 膜的作用,而且容易腐蚀硅片表面。 掺氯氧化速率略大于普通干氧氧化,这是由于氯进入二氧化硅薄膜,使二氧化硅结构 发生形变,氧化物质在其中的扩散速率增大的缘故。 在掺氯热氧化工艺中,常用的三种氯源里由于氯化氢气体和氯气都是腐蚀性较强的气 体, 因此在生产上使用越来越多的是三氯乙烯。 在高温下三氯乙烯分解生成氯气和氯化氢就 用于掺氯氧化, 而三氯乙烯本身腐蚀性不如以上两种气体, 因此三氯乙烯是更具有发展前途 的掺氯氧化工艺的氯源材料。 3、热分解淀积法 热分解氧化薄膜工艺是利用含硅的化合物经过热分解反应,在硅片表面淀积一层二氧 化硅薄膜的方法。 优点是基片本身不参与形成氧化膜的反应, 而仅仅作为淀积二氧化硅氧化 膜的衬底(也可以不是硅衬底) ,保持硅片厚度不变(这是和热氧化法的根本区别) 。因为这 种方法可以在较低温度下应用,因此称为“低温淀积” 。常用的热分解淀积氧化膜反应源物 质有正硅酸乙酯和硅烷两种。 正硅酸乙酯热分解淀积的温度控制在 20℃左右,反应在真空状态下进行,真空度必须 在 100*133.3Pa 以上,淀积时间根据膜厚决定。淀积得到的二氧化硅氧化膜不如热生长的致 密, 但如果在真空淀积之后经过适当的增密处理可使其质量有所改善, 方法是硅片在反应炉 内加热升温到 850—900℃半小时左右,之后再在干燥的氮气、氩气或者氧气气氛中继续加 热一段时间即可。其实是一种 LPCVD 工艺,反应方程式为: Si(OC2H5)4=SiO2+H2+CO2+CH4+C2H6+……; 硅烷热分解淀积的反应方程式为:SiH4+2O2=SiO2+2H2O(300—400℃) ,它其实是一种 APCVD 工艺,是目前生产中常用的常规工艺。

由于水汽氧化成本比较低,而氧化层不致密,氢氧合成氧化质量稍好,从成本角度考 虑,可以采用水汽氧化,而湿氧氧化一般用于三扩和一次氧化,干氧氧化常用于离子注入前 淀积氧化层。

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五、氧化装置

氧化装置主要由三部分构成: 1、氧化炉:又分为炉体、温度测量系统、温度控制系统、反应管四个部分,炉体提供 稳定的高温条件,用高温电热丝加热,炉管用绝缘性好的氧化铝管,电热丝绕套在炉管上, 外面衬以保温材料,最外层是钢板制的炉罩。温度测量用电热偶配上电位差计,温度控制系 统分为自动和手动两部分, 手动用调压变压器调控, 自动用精密温度自控仪或者计算机控制。 反应管用耐高温不易变形的石英管或性能更好但价格较贵的碳化硅管。 2、氧化源发生和输送系统; 3、进出硅片推拉系统。

氧化装置和扩散装置结构基本相同,通常氧化都是在扩散炉中进行,具体步骤见扩散。

六、二氧化硅薄膜质量

1、厚度:要求在指标范围内,且保持均匀一致。厚度测量要求精度不高时可用比色法、 磨蚀法;精度高时,可用双光干涉法、电容—电压法;精度高达 10A 时用椭圆偏振仪,也 是现在常用的方法。 氧化膜的厚度不均匀不仅影响氧化膜对扩散杂质的掩蔽作用和绝缘作用,而且在光刻 腐蚀时容易造成局部沾污。要提高膜厚均匀性,首先要控制好氧气的流量,保证反应管里硅 片周围氧气和水蒸汽气压均匀;稳定炉温,保证足够长的恒温区;还要控制好水浴温度;氧 化前做好硅片的处理,保证清洗质量和硅片表面质量。 2、表面质量:要求薄膜表面无斑点、裂纹、白雾、发花、和针孔等缺陷。通常通过在 聚光灯下目测或者镜检发现各种缺陷。 氧化膜出现斑点会导致斑点周围的氧化膜对杂质的掩蔽能力降低,会造成器件性能变 坏,甚至做不出芯片来。一些突起的斑点还会影响光刻的对准精度,造成光刻质量不好,因 此要保证氧化前硅片表面无微粒;石英管长期处于高温下易老化,内壁产生颗粒沾污硅片, 要及时清洗、 更好石英管; 操作中注意避免水珠飞溅到硅片表面; 硅片清洗后要烘干无水迹。 针孔会使氧化层扩散时的掩蔽作用失效,引起晶体管漏电增大,耐压降低甚至击穿, 还会造成金属电极引线和氧化膜下面的区域短路,使器件变差或报废。为了减少针孔,必须 保证硅片表面质量无位错层错。 硅片表面应平整光亮; 加强整个器件工艺过程中的清洗处理。 3、氧化层层错:将氧化片先经过腐蚀显示,再用显微镜观察,可以看到很多类似火柴 杆状的缺陷。氧化层层错会使得氧化膜出现针孔等,最终导致 PN 结反向漏电增大,耐压降 低甚至穿通,使器件失效。在 MOS 器件中,Si-SiO2 系统中的层错会使载流子迁移率下降影 响跨导和开关速度。 因此要保证硅片表面抛光质量和表面清洗质量, 采用掺氯氧化和吸杂技 术,在硅片背面引入缺陷或造成很大应力来降低热氧化层错。 4、Si-SiO2 系统电荷:包括 Si-SiO2 系统中的固定电荷、界面态、可动 Na+和电离陷阱 等,都可以通过电容—电压法检测。

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扩散
掺杂的作用是制作 N 型或 P 型半导体区域,以构成各种器件结构。掺杂工艺的基本思 想就是通过某种技术措施,将一定浓度的三价元素(如硼、锑)或五价元素(如磷、砷等) 掺入半导体衬底,从而原材料的部分原子被杂质原子代替。 掺杂工艺方法分为:热扩散法和离子注入法。 热扩散是最早使用也是最简单的掺杂工艺,它利用原子在高温下的扩散运动,使杂质 原子从浓度很高的杂质源向硅中扩散并形成一定的分布。 热扩散通常分两个步骤进行: 预淀 积(预扩散)和主扩散(也称推进) 。预淀积是在高温下利用诸如硼、磷等杂质源对硅片上 的掺杂窗口进行扩散, 在窗口处形成一层较薄但具有较高浓度的杂质层。 主扩散是利用预淀 积所形成的表面杂质层做杂质源, 在高温下将这层杂质向硅体内扩散的过程。 通常推进的时 间较长。 扩散炉有:HDC 8000A、ADVANTECH sevenstar 5474、Thermco 4303、青岛赛瑞达扩 散炉等。现分别列出不同扩散方式的步骤:

CSD 涂源扩散(硼源) 涂源扩散(硼源) CSD 涂源扩散的步骤为:CSD 涂源——CSD 预淀积——后处理——基区氧化——基区 再扩散(或者后两步同时进行即基区氧化再扩散) : 1、硼源 CSD 涂覆:利用凃源机在硅片表面进行硼源涂覆,硼源选用硼源 B 30,主要 成份是 B2O3,液态。涂源步骤为: 1)清洗:硅片在 2 号清洗液中清洗,如果硅片较脏,还需要在煮沸的 SH 清洗液 中浸泡清洗; 2)涂覆:硅片旋转速度约为 2500 转/min,涂覆后硅片传送到加热板,温度为(80 ±1)℃,加热时间为 20S; 3)测试:硼源涂覆的厚度为 0.5μm,利用假片测试涂覆的厚度和均匀性,用紫外 分光光度计分别测试硅片的上、下、左、右、中五点; 4)检验:涂覆的硼源表面要求不发花、无缺损、无颗粒等; 5)返工:如果硅片表面发花,则用纯水冲洗干净后再涂布。 2、CSD 硼源预淀积:在扩散炉中预淀积,预淀积后需要测试硅片ρs,方法是将陪片 表面的二氧化硅腐蚀掉, 然后利用四探针测试仪测试表面的电阻率。 不同产品预淀积的时间、 温度都有所不同。 如果硅片由于卡位在扩散炉炉口停留过久造成硼源氧化,需要返工,首先将 SH-3 清洗 液将硅片清洗干净,然后用 HF 溶液去除表面 SiO2,甩干后再重新涂布硼源。 3、后处理:用 5%的 HF 溶液浸泡(10—20)min。 4、再扩散:硅片手动进出炉,再扩散后的硅片需要测试电阻率ρs 和结深 jx。

POCl3 扩散 POCl3 扩散的作用有:磷掺杂、N+淀积和磷吸杂,N+淀积和磷吸杂只需要经过 POCl3
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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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为 110℃,厚度不同,蒸发速度有所不同大致为 15A/S。

三、合金化

为了在铝和硅之间形成欧姆接触, 还必须在惰性气体或者还原的氢气环境中进行一次热 处理,这一加热过程称为合金化或者低温退火。当铝硅界面的温度达到 300℃以上时,硅会 以一定比例固溶到铝中, 从而在界面处形成一层铝硅合金, 铝通过合金层与接触孔下面的掺 杂半导体接触,从而获得金属和硅的欧姆接触。 合金过程中比较重要的控制参数有:温度(一般为 500℃左右) 、时间、气流速度等。

在正面蒸铝后的合金工艺是在扩散炉中进行,具体工艺条件如下: 工艺名称 T:(500±2)℃ 炉口 炉中 炉口 t(min) 5 15 5 N2(L/min) 5 5 5 进舟:20cm/min 出舟:20cm/min 氮气:5±0.1L/min T:(500±2)℃ 炉口 7 6 / / / 炉中 8-10 / 5 / / 炉中 / / / 2-4 6 炉口 7 6 / / / 工艺条件

氮气合金

氢气合金

t(min) N2(L/min) H2(L/min) t(min) N2(L/min)

氮气烘焙

T:(300±3)℃ t:(12-24)h N2:(10±0.1)L/min

1、氮气合金 、 圆片经过正面蒸铝光刻并用 210 硅腐蚀液处理后后传入合金间, 用去离子水冲洗后, 按 照工艺条件(一般为 500—530℃)进行合金处理,步骤同金扩散,不要进行后处理。 2、氢气合金 、 圆片经过正面蒸铝光刻后传入合金间,用去离子水冲洗 15min 后,按照工艺条件(一 般为 500—530℃)进行合金处理,步骤同金扩散,不要进行后处理。由于氢气和氧气混合 易爆炸, 所以在氢气合金中需要用硅橡胶塞子塞紧石英管口, 并且在石英管口有一个点火装 置,可以将里面多余的氢气在管口烧掉以免泄露。 3、氮氢合金 、氮氢合金 氮氢合金是先向炉管中通入退火进行 N2 合金,接着通入 H2 进行 H2 合金。工艺温度一 般为 500—530℃。 4、氮气烘焙 、 氮气烘焙在净化烘箱进行,一般紧接着氢气合金、氮气合金后进行,工艺温度为(300

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±10)℃。

进行合金是温度过高发生的异常有铝层发黄,即铝在高温下被氧化。

四、正面蒸铝后 QC 检验

蒸发形成铝膜之后需要进行检验,主要有: 1) 铝层厚度:通常利用四探针法测量出铝层的电导率,再根据铝层厚度和电导率的关 系换算出铝层的厚度。 器件对铝层厚度有一定的要求, 通常根据芯片的功率和面积大小来确 定膜厚,铝膜太厚光刻时不容易套准,太薄会影响封装过程中引线键合的强度,而且也会由 于电流过大而影响可靠性。 2) 铝层表面检查:表面应该光亮,颗粒正常,如果铝膜由于氧化而表面发黄会影响引 线键合牢度,也影响光刻。 3) 铝层与硅片的粘附性良好,要求没有铝层脱落等状况。

光刻

光刻的作用是把掩模版上的图形转换成晶圆上的器件结构,它对集成电路图形结构的 形成,如各层薄膜的图形及掺杂区域等,均起着决定性的作用。

光刻的基本流程:前处理——涂胶——对版曝光——显影——显影检查——后烘—— 腐蚀——腐蚀检查——去胶——检验归批。

前处理

硅片容易吸附潮气到它的表面,硅片暴露在潮气中叫做亲水性。对于光刻胶的粘附性, 具有干燥成疏水性的硅片表面非常重要, 所以在成底膜和光刻胶旋涂前要进行脱水烘焙。 典 型的烘焙是在传统的充满惰性气体(如氮气)的烘箱或者真空烘箱中完成,实际的烘焙温度 是可变的,常用的温度是 200—250℃。 脱水后的硅片马上要用 OAP (常用 HMDS 溶液:六甲基二硅胺烷)成底膜进行表面 处理,它起到提高粘附力的作用。在硅片成底膜操作后尽快涂胶,使潮气问题达到最小化。 成底膜的方法有: 1、滴浸润液和旋涂:温度和用量容易控制,但系统需要排液和排气装置,HMDS 溶液 消耗量大。 2、 喷雾分滴和旋转: 优点是喷雾有助于硅片上颗粒的去除, 缺点是处理时间长和 HMDS 消耗大。 3、气相成底膜和脱水烘焙:最常用,气相成底膜一般 200—250℃下约 30S 完成。优点 是由于没有与硅片接触减少了来自液体 HMDS 颗粒沾污的可能,HMDS 的消耗量也小。一 种方法是先进行脱水烘焙, 再将单个硅片置于热板上通过热传导熏蒸形成底膜, 这种方法优 点是硅片由里向外烘焙, 低缺陷密度, 均匀加热和可重复性。 另一种方法是以氮气携带 HMDS
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气体进入真空腔。 OAP 处理主要是为了改善亲水性表面如二氧化硅表面等,Al 淀积后的表面是疏水性, 不需进行 OAP 处理。所以,对于未淀积金属的硅片表面光刻前需要通入 HMDS 气体,而淀 积金属后只进行烘焙,工艺温度一般为(145±10)℃,10min 左右,具体时间视产品而定。

涂胶

光刻胶一般有两种:正性光刻胶和负性光刻胶。正胶受光或紫外线照射后感光的部分 发生光分解反应,可溶于显影液,未感光的部分显影后仍然留在晶圆的表面,它一般适合做 长条形状;负胶的未感光部分溶于显影液中,而感光部分显影后仍然留在基片表面,它一般 适合做窗口结构,如接触孔、焊盘等。 光刻胶对大部分可见光敏感,对黄光不敏感。因此光刻通常在黄光室内进行。 涂胶是在 SVG 8000/8626 涂胶机上进行(非真空) ,目前采用的光刻胶的粘度主要有有 30、60、100mPas 以及 PW-1500 等,一到四次光刻光刻胶一般采用负胶,类型有 OMR 83 环化光刻胶、HTR-80 环化光刻胶、HTR 3-50、HTR 3-100 光刻胶等,而钝化层光刻采用聚 酰亚胺光刻胶,它是正胶(也有部分聚酰亚胺负胶,但是很少用) ,涂胶的具体步骤为: 1、上料; 2、传送; 3、预旋转:硅片旋转甩掉表面的脏物; 4、停止旋转,滴胶; 5、推胶:硅片旋转将胶慢慢涂布满整个硅片的表面; 6、匀胶:将将胶涂匀在表面,光刻胶粘度越大,转速越高,这样得到的膜更均匀; 7、甩胶:硅片旋转将多余的胶甩在残胶回收器中; 8、背喷:在甩胶过程中,光刻胶可能会溅射到回收器壁上后回弹至硅片背面,从而使 得背面沾上光刻胶, 而使得沾胶处的二氧化硅在后续喷砂减薄工序中不能去除 (但是磨片减 薄可以去除) ,从而使得硅片背面不平整(有黑点) ,为此在甩胶后从硅片背面喷出显影液将 胶去除; 9、前烘(软烘) : 目的是将光刻胶的溶剂去除,增强光刻胶的粘附性以便显影时光刻胶能很好粘附,防 止光刻胶沾到设备上,缓和在旋转过程中光刻胶薄膜内产生的应力,改善光刻胶的均匀性、 抗蚀性,优化光刻胶的光吸收特性等。 前烘温度和时间视光刻胶和工艺条件而定。温度一般控制在 120℃左右,时间根据光刻 胶种类和厚度不同而变化,通常在 20-60S。 光刻胶粘度越大,烘烤温度越高;为了提高产能,减少硅片的等待时间,SVG 8000 有 两个热板,可以同时加热。 前烘时间过长或温度过高,显影后容易产生底膜现象;前烘时间过短或者温度过低, 显影后容易产生脱胶现象。 10、下料。

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对版曝光

光刻室黄光为安全光,曝光是利用佳能 PLA-501F/501FA 曝光机进行,一般采用接触式 曝光,又分为硬接触(真空状态下接触)和软接触(半真空状态下接触) ,一般采用软接触, 掩膜版的铬膜朝下,和硅片接触。对于首次光刻的硅片,只要硅片在掩膜版的图形范围内就 可以自动对版光刻, 而以后的光刻必须手动对版曝光, 曝光时间根据产品和选择的胶来确定, 一般在 6S 左右,曝光光源常用高压汞灯发出的紫外光(紫外曝光) ,曝光时间根据胶的粘 度来确定,粘度越大,曝光时间越长。

显影

在 SVG 8100/8632/site 显影机上进行,显影的具体步骤为: 1、上料旋转; 2、显影:环化光刻胶利用环化胶显影液显影,而聚酰亚胺利用聚酰亚胺显影液显影; 3、漂洗:利用环化胶漂洗液进行漂洗,聚酰亚胺利用异丙醇漂洗; 4、下料。

显影后 显影后检查

1、窗口内无残留 SiO2 残留、无氧化物小岛、无过腐蚀、无染色现象、氧化膜无腐蚀针 孔、氧化膜无划伤等; 2、无连铝、铝过腐蚀、铝条间残铝、铝条不过细、铝条氧化、铝条变色(灰、黑、黄) 等现象; 3、无残胶、残液、残迹,窗口无二氧化硅或铝残留等; 4、掩膜版对版时位置准确,没有倾斜、错版、错位、反向等,掩膜版要与硅片接触。

后烘坚膜

在通有 N2 的烘箱中烘烤坚膜,负胶的坚膜温度一般为(140-150)℃左右,负胶的坚膜 时间在 40min 左右。聚酰亚胺胶的固化温度大约为 250-300℃,固化 5 小时左右。 坚膜时间太长,光刻胶会流动,破坏图形;坚膜时间太短,溶剂没有完全蒸发,胶与 硅片的粘附性差,腐蚀时会出现脱胶,导致圆片报废。

聚酰亚胺(PIQ)是一种高温环链高分子聚合物,它热稳定性好,热膨胀系数小,台阶 覆盖性、抗辐射性好,并且具有耐各种有机溶剂的优良化学特性,绝缘性好,有负电效应, 电学、微电子学性能优良,因此常用作表面钝化。 PIQ 具有感光性,使用方法就像光刻涂胶一样, 用涂胶机均匀地将聚酰亚胺液涂敷于待 钝化的硅片上,再在高温下使之转变为聚酰亚胺,这一加温处理过程称为亚胺化。亚胺化过 程很有讲究,如果亚胺化温度低,则会有较多的聚酰胺酸未转变为亚胺结构,降低了绝缘性 能;如果温度升的太快,溶剂挥发过急,就容易产生气泡,使薄膜粘附不牢。
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正性聚酰亚胺胶 (PW-1500) 是红色粘稠液态物质, 经过曝光显影后变成金黄色或黄色。 它一般采用手动显影,在常温下的正胶显影液浸泡 50-60S,并且用 N2 鼓泡,然后用纯水冲 洗干净甩干。 聚酰亚胺光刻胶用 HDK-2 型等离子刻蚀去胶机去胶,在去胶机内通入 O2,刻蚀气体是 CF4。 聚酰亚胺光刻返工:如果聚酰亚胺曝光显影后未坚膜,发现异常需要返工的话可以将 圆片钝化层全部曝光后再显影去除聚酰亚胺;如果聚酰亚胺坚膜固化后,显影不能除去,需 要放入 HDK-2 型等离子刻蚀去胶机中用 O2 和 CF4 将固化的聚酰亚胺干法刻蚀去除。

刻蚀

刻蚀的目的是把经曝光、 显影后光刻胶微图形中下层材料的裸露部分去掉, 即在下层材 料上重现与光刻胶相同的图形。刻蚀方法分为:干法刻蚀和湿法刻蚀,干法刻蚀是以等离子 体进行薄膜刻蚀的技术, 一般是借助等离子体中产生的粒子轰击刻蚀区, 它是各向异性的刻 蚀技术,即在被刻蚀的区域内,各个方向上的刻蚀速度不同,通常 Si3N4、多晶硅、金属以 及合金材料采用干法刻蚀技术;湿法刻蚀是将被刻蚀材料浸泡在腐蚀液内进行腐蚀的技术, 这是各向同性的刻蚀方法,利用化学反应过程去除待刻蚀区域的薄膜材料,通常 SiO2 采用 湿法刻蚀技术,有时金属铝也采用湿法刻蚀技术。下面分别介绍各种薄膜的腐蚀方法流程: 二氧化硅腐蚀: 二氧化硅腐蚀: 在二氧化硅腐蚀清洗机中进行,腐蚀液是由 HF、NH4F、与 H2O 按一定比例配成的缓 冲溶液。腐蚀温度一定时,腐蚀速率取决于腐蚀液的配比和 SiO2 掺杂情况。掺磷浓度越高, 腐蚀越快,掺硼则相反。SiO2 腐蚀速率对温度最敏感,温度越高,腐蚀越快。 具体步骤为: 1、将装有待腐蚀硅片的片架放入浸润剂(FUJI FILM DRIWEL)中浸泡 10—15S,上 下晃动,浸润剂(FUJI FILM DRIWEL)的作用是减小硅片的表面张力,使得腐蚀液更容易 和二氧化硅层接触,从而达到充分腐蚀; 2、将片架放入装有二氧化硅腐蚀液(氟化铵溶液)的槽中浸泡,上下晃动片架使得二 氧化硅腐蚀更充分,腐蚀时间可以调整,直到二氧化硅腐蚀干净为止; 3、冲纯水; 4、甩干。 二氧化硅腐蚀机理为: SiO2+4HF=SiF4+2H2O SiF4+2HF=H2SiF6 H2SiF6(六氟硅酸)是可溶于水的络合物,利用这个性质可以很容易通过光刻工艺实现 选择性腐蚀二氧化硅。为了获得稳定的腐蚀速率,腐蚀二氧化硅的腐蚀液一般用 HF、NH4F 与纯水按一定比例配成缓冲液。

由于基区的氧化层较发射区的厚,以前小功率三极管的三次光刻(引线孔光刻)一般 基极光刻和发射极光刻分步光刻, 现在大部分都改为一步光刻, 只有少部分品种还分步光刻, 比如 2XN003,2XN004,2XN013,2XP013 等。但是由于基区的氧化层一般比发射区的厚, 所以刻蚀时容易发生氧化区的侵蚀。

二氧化硅腐蚀后检查: 二氧化硅腐蚀后检查:
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1、窗口内无残留 SiO2(去胶重新光刻) ; 2、窗口内无氧化物小岛(去胶重新光刻) ; 3、窗口边缘无过腐蚀(去胶重新光刻) ; 4、窗口内无染色现象(报废) ; 5、氧化膜无腐蚀针孔(去胶重新光刻) ; 6、氧化膜无划伤等(去胶重新光刻) 。 Al 上 CVD 腐蚀: 腐蚀: 掺磷的 SiO2 是磷硅玻璃,如果 PSG 是长在铝上做钝化层,这时采用二氧化硅腐蚀液腐 蚀会伤及铝层,所以一般采用如下腐蚀液:冰乙酸:氟化铵=2:3。具体步骤为: 1、将装有待腐蚀硅片的片架放入浸润剂(FUJI FILM DRIWEL)中浸泡 10—15S; 2、将片架放入装有腐蚀液(冰乙酸:氟化铵=2:3)的槽中浸泡,并且上下晃动片架; 3、将片架放入装有甲醇溶液(甲醇:纯水=1:1)的槽中浸泡; 4、在溢流槽中溢流冲水; 5、冲纯水; 6、甩干。

铝腐蚀: 铝腐蚀: 在铝腐蚀清洗机中进行,具体步骤为: 1、将装有待铝腐蚀硅片的片架放入浸润剂(FUJI FILM DRIWEL)中浸泡 10-15s,并 且上下晃动; 2、将片架放入装有 45℃左右的铝腐蚀液(磷酸+硝酸+醋酸+纯水)的槽中浸泡,上下 晃动片架,使得铝腐蚀更充分,腐蚀的时间根据先行片的腐蚀时间进行调整,直到腐蚀后看 到二氧化硅表面为止; 3、冲纯水; 4、甩干:在甩干机中甩干后烘干。 磷酸约占 80%,主要起腐蚀铝的作用,硝酸占 1%-5%,其与铝反应生成溶于水的硝酸 盐,可以提高腐蚀速率,但含量过多会影响光刻胶抗蚀刻能力,醋酸占 10%左右,它能降 低腐蚀液的表面张力, 增加硅片与腐蚀液的浸润效果, 提高腐蚀均匀性, 同时具有缓冲作用, 纯水占 5%左右。 铝腐蚀后检验,主要项目有: 铝腐蚀后检验,主要项目有: 1、连铝、铝过腐蚀、铝条间残铝、铝条不过细、铝条氧化——去胶后重新蒸铝; 2、铝条变色(灰、黑、黄)——如果变色严重则报废。 SIPOS 腐蚀: 腐蚀: 1、将装有待腐蚀硅片的片架放入浸润剂(FUJI FILM DRIWEL)中浸泡 20—30S,上 下晃动; 2、将片架放入装有腐蚀液(40%NH4F 溶液:H2O:40%HF 溶液=10:6:1)的槽中浸 泡,并且上下晃动片架; 3、冲纯水; 4、甩干。

等离子体刻蚀: 等离子体刻蚀: 等离子体刻蚀可用于刻蚀 SiO2,Si3N4,多晶硅等,但是,通常氧化硅用湿法腐蚀快,

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而氮化硅也可以采用二氧化硅腐蚀液,但是腐蚀速度慢,因此氮化硅刻蚀用干法刻蚀,所用 的设备有 901E/903E TEGAL plasma etching system 型等离子刻蚀设备,用的的刻蚀气体有: CF4、O2、N2、SF6、CHF3、NF3、He、C2F6 等。 1)Si3N4 刻蚀: 在 903E 刻蚀机中刻蚀,刻蚀机内通入的气体有:CF4、NF3、He。 刻蚀机理是: CF4 电离→CF3+F*(氟自由基) CF3 电离→CF2+F* CF2 电离→CF1+F* 12F*+ Si3N4→3Si F4↑+2 N2↑ 氟游离基的作用是使氮化硅被腐蚀,生成物是气体,被真空装置抽气抽走。为了加快 腐蚀速率可以在 CF4 中加入少量氧气(5%-8%) ,因为氧能够抑制 F*在反应腔壁的损失,并 且:CF4+O2→F* +O*+COF*+COF2+CO+…… (电离) COF*寿命较长,当它运动到硅片表面时发生以下反应从而加速了腐蚀速率: COF*→F* CO (电离) 但是氧气加多了要腐蚀光刻胶降低选择比。 2)SIPOS、多晶硅刻蚀: 在 901E 刻蚀机中刻蚀,刻蚀机内通入的气体有:SF6。 玻璃腐蚀: 玻璃腐蚀: 1、 配制 5%HF 溶液, 配制腐蚀液:5%HF 溶液:H2O=3:50; 2、常温下,将硅片放入腐蚀液中浸泡; 3、在溢流槽中冲洗; 4、冲纯水; 5、甩干。

湿法去胶: 湿法去胶: 去胶 铝淀积前去胶在 SH 去胶清洗机(湿法腐蚀机)中进行,采用 SH 溶液将胶氧化的方法 去胶,具体步骤为: 1、在 SH 清洗剂(98%H2SO4:H2O2=3:1)中浸泡; 2、在温纯水中溢流冲水; 3、在溢流槽中溢流冲水; 4、甩干。 由于酸对铝有腐蚀作用,淀积铝后去胶就不能用酸,在此采用有机溶剂 OMR502 剥离 液去胶,在 OMR 剥离清洗机中进行,具体步骤为: 1、在剥离液(OMR-83 剥离液)中浸泡去除光刻胶; 2、再在 H-1 清洗剂中浸泡去除剥离液; 3、在异丙醇中浸泡去除 H-1 清洗剂; 4、冲纯水; 5、甩干。

等离子体干法去胶: 等离子体干法去胶: 干法去胶 用 HDK-2 型等离子刻蚀去胶机去胶,在去胶机内通入刻蚀气体 O2。等离子体内的活化 氧使有机物在(50—100)℃下很快氧化,生成 CO2、CO、H2O 等挥发性成份,从而达到去

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胶目的。 特殊胶(PI 钝化产品、带胶注入产品) :PI 去胶时除了 O2,再加适量的 CF4,如果去不 干净再在等离子刻蚀机上用 SF6 处理。 一般在 Si3N4 刻蚀后去胶用有机溶剂剥除,然后在等离子体去胶机中去胶丝,刻蚀后在 显微镜下观察硅片表面是否有残丝。

去胶后检查: 去胶后检查: 1、有残胶——再去胶; 2、有残液——再清洗; 3、有残迹——用 1 号液清洗; 4、窗口有二氧化硅或铝残留。

CVD

化学气相淀积(CVD)是通过气体混合的化学反应在硅片表面淀积一层固体膜的工艺。 硅片表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供附加的能量。包括: 1、产生化学变化,这可以通过化学反应或热分解; 2、膜中所有的材料物质都源于外部的源; 3、化学气相淀积工艺中的反应物必须以气相形式参加反应。 5 种基本反应: 种基本反应: 1、高温分解:通常在无氧的条件下,通过加热化合物分解(化学键断裂) ; 2、光分解:利用辐射使化合物的化学键断裂分解; 3、还原反应:反应物分子和氢发生的反应; 4、氧化反应:反应物原子或分子和氧发生的反应; 5、氧化还原反应:反应 3 与 4 的组合,反应后形成两种新的化合物。 个主要步骤: 基本的化学气相淀积反应包含 8 个主要步骤: 1)气体传输至淀积区域; 2)膜先驱物的形成; 3)膜先驱物附着在硅片表面; 4)膜先驱物黏附; 5)膜先驱物扩散; 6)表面反应; 7)副产物从表面移除; 8)副产物从反应腔移除。 膜有: 常用 CVD 膜有: 氧化硅(SiO2,CVD 述语 LTO 或 UDO) 、磷硅玻璃(PSG) 、氮化硅(Si3N4 或 SixNy) 、 非晶硅(α:Si) 、多晶硅(POLY) 、半绝缘掺氧多晶硅(SIPOS)等。 CVD 膜的主要用途: 膜的主要用途: 1、做在 Al 下或 Al 上,作一次钝化或二次钝化; 2、作层间介质起隔离作用; 3、PSG 作扩散杂质源; 4、玻璃钝化时,做在玻璃上起保护作用;
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5、多层金属化之间的绝缘层; 6、多晶硅掺杂可以作电阻; 7、其他用处。 CVD 工序圆片接收和送出检验: 氧化层均匀;无划伤、白雾、沾污、密集亮点、边缘缺角;铝层不发灰、无黑点等。

一、APCVD:常压 CVD : APCVD 工作在一个大气压下,即 1*105Pa 压强下。APCVD 工艺最为成熟,装置过去 比较简单,膜厚均匀性不太好;现在的设备则非常精密,膜厚均匀性相当好。APCVD 需要 大量携带气体;可连续性生产,出片率高,因此成本低。 常压 CVD 设备有:WJ-TEOS999 CVD。 常压 CVD 常用来淀积的薄膜有: Al 下 CVD:PSG+UDO; Al 上 CVD:PSG+UDO; CVD:PSG; CVD:UDO; CVD:UDO+PSG+UDO(三层) 。 通入的气体有:SiH4 浓度:100%,PH3 浓度:3—5%,O2 浓度:100%。 硅烷热分解淀积 SiO2 的反应方程式为:SiH4+2O2=SiO2+2H2O(300—400℃) 。 CVD 淀积过程中,在 SiO2 中掺入杂质对硅片加工来说也是很重要。例如,在淀积 SiO2 的过程中,反应气体中加入 PH3 后,会形成磷硅玻璃(PSG) 。化学反应方程如下: SiH4(气)+2PH3(气)+6O2(气)=SiO2(固)+P2O5(固)+5H2O(气) 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。另外磷硅玻璃还具有界面态密度小、薄膜针孔少、粘附性能好、 绝缘强度高、制作温度低等优点。对于要永久黏附在硅片表面的磷硅玻璃来说,P2O5 含量 不能超过 4%,这是因为磷硅玻璃(PSG)有吸潮作用,并且磷浓度过高容易极化,反而会 增加漏电。

二、LPCVD:低压 CVD : 低压 CVD 的反应压力下降到 1*102Pa。LPCVD 膜厚致密,腐蚀速率慢,均匀性好,生 长速率慢,但一次装片量大,产量并不低,易自动化生产,应用较普遍。 通常 LPCVD 系装置采用扩散炉式结构,只是多了一个真空系统。LPCVD 设备有: THERMCO 4300,可以用于淀积 Si3N4、SIPOS、POLY-Si、PSG、UDO 等,通入的气体分 别为: Al 下 Si3N4:SiH2Cl2、NH3 SIPOS:SiH4、N2O POLY-Si:SiH4
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UDO:SiH4、O2 铝上、铝下 PSG+UDO: PSG:SiH4、PH3、O2 UDO:SiH4、O2 Si3N4 反应机理为:3SiH2Cl2+4NH3→Si3N4+6HCl↑+6H2↑ (650-750℃) LPCVD SIPOS 钝化常用于可控硅产品的铝下 CVD,具体工艺步骤为: 1、硅表面氧化层去除:利用 NH3F 腐蚀液(可加入适量的 5%HF 溶液)常温腐蚀(为 了腐蚀充分,时间需要长点)后冲水,再在甩干机中甩干; 2、前处理:利用 A’方式或者手动清洗 SC-1+SC-2 方式,然后甩干; 3、酸处理:在酸液:HNO3:HF=99:1 中浸泡,上下抖动,在纯水中冲洗后甩干; 4、进炉:在酸处理后需要立即进炉钝化,保持各个步骤衔接。 SIPOS 含氧量与湿法腐蚀速率有关,须通过测试湿法腐蚀速率对 SIPOS 含氧量进行监 控。

三、PECVD:等离子增强 CVD : PECVD 是依据表面吸附作用和由低能离子轰击而增加的异质自由基原理进行的一种物 理-化学反应。一定压力的低压气体加上一个射频电场时,其中少量自由电子就可在两次碰 撞之间被电场加速而获得高达 1~10ev 的能量。这种加速电子与反应气体分子碰撞, 使得分 子键被打开,导致活化粒子的产生,形成自然界物质的第四态——等离子体。等离子体成分 非常复杂, “电子气温度” 其 比普通气体分子的平均温度高 10~100 倍, 达到 104~105K (绝 对温度) ,从而使反应温度大大降低,低温是 PECVD 的显著特征。 PECVD 优点: 1、更低的工艺温度:用来淀积 SiN 只要 250℃~300 ℃,而 APCVD 和 LPCVD 则需要 900 ℃和 750 ℃以上,因此它多用于 Al 上 SiN 钝化层的淀积; 2、对高的深宽比间隙有好的填充能力 (用高密度等离子体); 3、淀积的膜对硅片有优良的黏附能力; 4、高的淀积速率; 5、少的针孔和空洞,因为有高的膜密度、膜厚均匀性好; 6、工艺温度低,因而应用范围广。 PECVD 的设备有:AMP-3300,可以用来淀积 Al 上 SixNy、Al 下 SixNy、UDO 等, 由于淀积 SixNy 的温度一般在 300℃左右,因此常用于 Al 上 SixNy 的淀积(因为铝的熔点 低, 660℃) 通入的气体有 N2:浓度 50—80%, 4: 为 。 SiH 浓度 5—24%, 3: NH 浓度 40—60%; 淀积 UDO 的温度在 230℃左右,通入气体有 N2O、SiH4。 反应机理为:N2O+SiH4=SixNy+副产物 (250-350℃) PECVD 反应室内采用 CF4 和 O2(浓度均为 30%)干法清洗,功率为(1300-1500)W。 技术比较: 各种 CVD 技术比较:

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工艺
APCVD

优点
反应简单 淀积速度快

缺点
台阶覆盖能力差,

应用
低温二氧化硅 (掺杂或不

有颗粒沾污 掺杂) 低产出率 高温,低的淀积速率, 高温二氧化硅 (掺杂或不 需要更多的维护,要求 掺杂)、氮化硅、多晶硅等 真空系统支持

(常压 CVD) 低温 高纯度和均匀性, LPCVD 一致的台阶覆盖能力, 大 (低压 CVD) 的硅片容量

低温,快速淀积,好的台 等离子体增强 阶覆盖能力, 好的间隙填 CVD(PECVD) 充能力

要求 RF 系统,高成本, 高的深宽比间隙的填充, 金 压力远大于张力,化学 属上的 SiO2、钝化( Si3N4) 物质和颗粒沾污

LPCVD 和 PECVD 氮化硅的性质: 氮化硅的性质: 性质 淀积温度 (°C) 组成成分 台阶覆盖 23°C 下硅上的应力 (dyn/cm-2) APCVD 800-900 Si3N4 —— —— LPCVD 700 – 800 Si3N4 整形
10

PECVD 300 – 400 SixNyHz 共形 (1-8)* 109 (张力或压力)

(1.2-1.8)*10 (张力)

氮气退火 Al 下 CVD 经过前处理后需要进行氮气退火, 退火的目的是为了将钝化层增密,并且改 善钝化层的结构,氮气退火的工艺温度为(900-1050)℃。 CVD 擦片: 擦片: 对于部分 CVD 淀积的薄膜淀积后需要擦片去除表面沾污, 利用 SVG-8620 擦片机进行, 具体擦片流程为:冲洗——刷片——冲洗——吹干。 CVD 膜检查: 膜检查: 1、针孔检查(Al 层覆盖 CVD 膜后) :利用显微镜观察; 2、ρs 检查:PSG; 3、膜厚以及膜厚均匀性:利用 Nanospec 膜厚测试仪测试; 4、小丘:在聚光灯下目检,形成小丘的原因有 SiO2 屑、Si 屑、CVD 屑等; CVD 膜厚常见异常情况: 膜厚常见异常情况: 1、色差 2、白雾 3、流水 4、颗粒 5、擦伤 6、开裂:CVD 氧化膜和 PE 氮化硅在我们生产线上都出现过开裂,开裂原因是应力。
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应力是应力系数与膜厚的乘积, 应力系数大小是通过一定条件下, 测试长膜圆片翘曲的曲率 半径, 经过计算确定, 其与薄膜种类、 衬底材料、 环境温度以及淀积工艺、 淀积设备等有关。 应力有张应力与压应力之分,CVD 膜应力基本上为张应力。开裂是应力释放的结果。CVD 薄膜越厚,钝化效果越好,但是更容易开裂。 CVD 工序检验: 工序检验: 1、UDO CVD:膜厚、表面(颜色一致,无颗粒、划痕、白雾、流水等异常) ; 2、铝下 CVD:方块电阻、氧化层厚度、表面(颜色一致,无颗粒、划痕、白雾、流水 等异常) ; 3、PECVD Si3N4:膜厚、折射率(用椭偏仪检验) 、表面(颜色一致,无颗粒、划痕、 白雾、流水等异常) ; 4、铝上 CVD:方块电阻、氧化层厚度、表面(颜色一致,无颗粒、划痕、白雾、流水 等异常) ; 5、SIPOS 膜:检验膜厚以及表面(颜色一致,无颗粒、划痕、白雾、流水等异常) 。

钝化

半导体器件的特性和稳定性可靠性与半导体表面性质有很密切的关系。为了避免因环 境和其他外界因素对器件的影响, 除了将芯片封入一个特制的气密性很好的外壳外, 还需要 在芯片表面覆盖一层保护膜。 这种形成表面保护膜和为克服表面缺陷而采用的工艺统称为表 面钝化工艺。 钝化,除了通常意义上的“保护”作用外,还有着明确的特定的微电子学物理意义, 这就是钝化层对以 Na+为代表的可动电荷有着阻挡、固定和提取的作用。 常用的钝化工艺 1、磷硅玻璃(PSG) :见光刻 2、聚酰亚胺(PIQ) :见光刻 3、氮化硅(Si3N4、SixNy) : 氮化硅是一种很好的绝缘介质。其结构致密、硬度大、介电强度高、化学稳定性好, 除与 HF 和 180 ℃以上的热磷酸有轻微作用外, 几乎不与任何酸类反应。 它不仅对 Na+有很 好的掩蔽作用;由于 Na+在氮化硅中的固溶度大于在 Si 和 SiO2 中的固溶度,所以它还有固 定、提取 Na+的作用。氮化硅是目前生产中用的较多较理想的钝化介质膜。 氮化硅薄膜的缺点是应力比较大,厚度一厚就容易开裂。 氮化硅薄膜采用 LPCVD、APCVD 都能生长,但是淀积温度分别高达 750 ℃和 900 ℃ 以上,只能用作 Al 下的一次钝化。只有 PECVD 氮化硅( SixNy ) ,可以作 Al 上钝化膜。

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清洗

自动清洗 自动清洗在 TAW-3 双槽清洗机中进行,清洗机会根据程序依照清洗步骤自动添加清洗 剂、冲纯水,而泡酸是手动在泡酸柜中进行,具体清洗模式有: 清洗步骤 清洗方式 A A’ B 15 √ 20 5 C 15 √ D 10 √ 2 10 10 E F 超声 √ √ √ 温纯水+1% 3F 型高纯清洗剂 冲纯水 4min*2 温纯水+1% 3F 型高纯清洗剂 +1%Na(OH)溶液 冲纯水 4min*3 温纯水冲洗时间(min) 冲纯水 4min*2 纯水冲洗 4min 手动泡酸 20S 泡酸后纯水冲 10min √ √ √ √ √ √

√ 10 √

√ 10 √ 8 √ 8 √ √

√ 8 √

√ 10 √

√ 10 √ √

√ √ √ √

√ √

√ √

其中:A 液是 3F 型高纯清洗剂,B 液是 Na(OH)溶液,C 液是 HF 溶液,D 液是(70± 5)℃的温纯水。

手动清洗

1、SC-1 处理:SC-1 处理溶液为温纯水:H2O2:氨水=5:1:1, (75±5)℃,浸泡 10min; 2、SC-2 处理:SC-2 处理溶液为温纯水:H2O2:HCl=5:1:1, (75±5)℃,浸泡 15min; 3、SC-3 处理(SH 处理) :SH 溶液为 H2SO4:H2O2=3:1,120℃,浸泡 10min; 4、LV-210 处理:在溢流槽中溢流 30S,重复冲洗 9 次,然后冲水; 在铝淀积之后一般用 LV-210 处理方式,在三氧化磷扩散前常采用 B 方式清洗,一般硅 片的前处理都采用 A、A’ 方式,泡酸主要为了去除硅片表面的自然氧化层。 、B

中测

圆片制造完成经过钝化之后,流入中测工序。 1、大片测试:通过测试程序测试每片圆片上、下、左、右、中间五点的参数,测试机 器采用探针台和 JUNO 机,测试参数有: 二极管:反向漏电流,击穿电压,对于变容二极管来说,还要利用 MDC C-V 测试仪测 试电容; 三极管:BVCEO、HFE 等。
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2、Ts 测试:三极管测试完成后还要抽测 ts,仪器为:MPT-561 型探针台,UT9600A 晶 体管多功能筛选机。 3、中测编批:在每个塑料袋上贴上相应的批号标签并且归批。 4、中测:编批后的圆片进行中测,中测分为全测和免测。 全测是指圆片上的每个管芯都进行测试, 免测是指按照一定的步径抽测部分管芯, 通常 免测片面积小,数量多,如果全测要耗费很多时间。 中测的测试机器有: (1)探针台:TZ-109B、TZ-603、TZ-610 自动探针测试台,2001X 探针测试台(可以 自动从传送盒中上下料,测免测片时常用自动上下料) (2)测试机:都是采用 JUNO DTS-1000 测试步骤:将圆片放置在探针台上,调节好圆片位置,抽真空将圆片吸附住,设置芯片 的长宽步径,通过显微镜观察,将芯片的压焊区移至探针下方的合适位置,试测成功后就可 以进行测试了。 如果有不合格的产品机器会自动打点, 一般采用绿墨水或者黑墨水。 芯片测试结束后需 将圆片要放到烘箱中以使得墨水烘干,烘烤温度为: (175±10)℃。 中测结束后的产品转入中转库,进行芯片后工序。

芯片后工序(减薄、背蒸) 芯片后工序(减薄、背蒸)

芯片后工序是指芯片制造完成,经过中测、打点后根据需要再进行的减薄、蒸金工艺。

磨抛

一、减薄

在半导体制造过程中,为了保证圆片的机械强度、防止翘曲,硅片必须具有一定厚度, 但是制造完毕后,为了便于划片、减少接触电阻、利于封装后芯片的散热,需要将芯片从背 面减薄,一般减薄到 200μm 左右,减薄分为有蜡减薄和无蜡减薄。 有蜡减薄是在粘片机上利用熔融的蜡将圆片粘在承片盘上, 将承片盘装入磨片机利用研 磨液进行研磨,磨片结束清洗干净后,根据需要确定是否进行抛光。而无蜡减薄是利用 DFG8540 磨片机减薄,它分为精磨和粗磨,不要涂蜡,但是需要在圆片正面贴膜。 1、有蜡减薄:主要利用粘片机和单面减薄机(磨片机) ,工艺很老,由于要加热石蜡, 会产生难闻气味。 研磨液: 金刚砂:研磨液=(300±15)g:1L 或者 Al2O3:研磨液=(150±15)g:1L) 不同研磨液研磨出的硅片表面粗糙度不一样。 磨片结束后将承片盘取下,用三脚的千分表测试圆片的厚度,看是否达到要求。 2、无蜡减薄:利用自动磨片机(DFG8540 磨片机,和长电磨片机一样)减薄,不要涂
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蜡,但是需要在圆片正面贴膜,磨片分为精磨和粗磨。

对于大功率管常采用喷砂机喷砂进行减薄, 通过金刚砂和水的混合液喷打在硅片背面将 硅片减薄。

圆片减薄清洗后,送入检验室检验: 外观检:在显微镜或日光灯下检验碎片、缺角、崩边,正面有无划伤、沾污、芯片有无 侵蚀,背面有无沾污、水印、微裂纹、损伤等; 厚度:用千分表测试圆片中心点厚度,如果圆片厚度过大可能会影响封装质量; 表面粗糙度:用 SURFCOM 1400B 粗糙度测试仪测试,粗糙度必须需要符合要求,如 果粗糙度过大会影响后续的背面蒸金工序。

二、抛光

在自动粘片机上将硅片用电子蜡粘在承片盘上,将承片盘装入抛光机上,启动机器,开 始抛光,此时必须保证抛光液(抛光液: 纯水=1:10)一直流入转盘上。磨片结束后将承片 盘取下,此时可以用三脚的千分表测试圆片的厚度,看是否达到要求,一般硅片在减薄后通 常抛光 3μm。可以在抛光前后用三脚千分表测量硅片的厚度以确定是否符合磨抛的要求, 磨抛结束后需要检查表明是否有划伤、碎片等。 抛光分为圆片抛光和、双磨片抛光。 抛光片 QC 检查: 1)平行度:用非接触厚度测试仪测试; 2)外观检:在显微镜或日光灯下检验碎片、缺角、崩边、划伤、沾污、裂缝、翘曲、 桔皮、麻点、白雾、突起等; 3)氧化层层错:铬酸腐蚀法。

三、去蜡、清洗 去蜡、

有蜡减薄和抛光的圆片需要去蜡清洗。首先将两个清洗槽中的 H-1 清洗液加热到至沸 腾, 再将盛有圆片的转移盒依次放入两个槽中浸泡, 然后将圆片在异丙醇溶液的槽中浸泡以 去除 H-1 清洗液, 最后放在超声波清洗机中用纯水超声清洗以除去异丙醇, 利用甩干机甩干 后(加热,通氮气)送到检验室检验。

对于抛光后(有蜡和无蜡)的圆片,在工序完成后需要清洗,在七槽清洗机中进行, 每个槽中的溶液分别为: 1)一槽:纯水; 2)二槽:NaOH 溶液和界面活性剂的混合液; 3)三槽:纯水; 4)四槽:NaOH 溶液和界面活性剂的混合液; 5)五槽:纯水; 6)六槽:纯水;
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7)七槽:纯水。 在每个槽中分别清洗(280±20)S,清洗结束后需要在离心甩干机中甩干。

四、检验

圆片减薄清洗后,送入检验室检查: 1、外观检:在显微镜或日光灯下检验碎片、缺角、崩边,正面有无划伤、沾污、芯片 有无侵蚀,背面有无沾污、水印、微裂纹、损伤等(背面允许有划痕) 。 2、厚度测量:用千分表测试圆片中心点厚度,厚度值需要达到要求。 3、抽测表面粗糙度,用 SURFCOM 1400B 粗糙度测试仪测试圆片背面中心一点,需要 符合要求。

背蒸

一、前处理

检验完成后送入背蒸间, 蒸发工序接收圆片时要检查片子表面有无异常情况, 特别是铝 层有无减薄现象、中测针迹的深度等,检验合格后进行前处理。 (1) 清洗:各种圆片在减薄后,背面蒸发前都要清洗,步骤如下: 1、一槽:ABZOL 溶液,加热至(55±5)℃,加超声; 2、二槽:ABZOL 溶液; 3、三槽:甲醇,目的是去除 ABZOL 溶液; 4、四槽:甲醇; 5、溢流槽:冲水,去除甲醇; 6、厚度大于 200μm 的片子在离心甩干机中甩干,角片有隐裂和厚度小于 200μm 的 片子用甲醇脱水后在氮气烘箱烘干。 (2) 泡酸:对于减薄片用 5%的 HF 水溶液,对于喷砂片用冰乙酸:氟化铵=1:3 的 氟化铵溶液。泡酸后必须充分冲水,使硅片上的酸液在极短的时间内冲走,以免部分酸液停 留在引线孔内或中测点上导致部分地方过腐蚀。将片架放到离心甩干机中甩干。 角片冲水后经甲醇脱水后在氮气烘箱中烘干。 (3) 金砷工艺背蒸前处理:清洗同前,泡酸步骤为: 1、背面单面泡 5%的 HF 溶液 16s 左右; 2、冲纯水; 3、甩干。 金砷蒸发在背面蒸发专用金砷工艺蒸发台中进行,金源要使用有坩埚套的。

二、背蒸

背蒸是在离子束蒸发台中进行,背蒸工艺根据背面金属化结构来命名,具体工艺如下:

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工艺名称

工艺方法

材料名 V Ni

J 方式

五层工艺 (1.2-1.6)μm

AuGe AuGeSb Au Ti Ni SnCu SnCu SnCu Au

S 方式

四层工艺 (2.4-3.0)μm

N 方式

三层工艺 最外层为金 三层工艺 最外层为银 (0.75-1.05)μm 三层工艺 最外层为银 (0.6-0.9)μm Ti Ni Ag Ti Ni Ag Ti AuGe AuGeSb Au Ti 四层工艺 最外层为银 (3.5±0.3)μm 单层金工艺 (800±100)A 单层金工艺要掺入砷 (1.4±1.6)μm Ni Sn Ag

Y 方式

YA 方式

MC 方式

新四层工艺 (1.1-1.4)μm

LT 方式

Au

Au Au

金砷工艺

以上工艺的真空度要求小于 4×10-4Pa, Ni、 V、 AuGe 、 SnCu、 AuGeSb 的纯度为 99.99%, Au、Ag 的纯度为 99.999%。 采用多层金属工艺主要是为了节约成本, 其他金属相对金来说价格便宜, 但是有些金属 不能和硅共熔, 所以要淀积中间金属进行过渡。 进行单层金工艺和金砷工艺的背金硅片需要 进行金扩散。 金砷工艺是在背面蒸发的金中含有微量的砷。

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三、金扩散

为了使金层与硅片结合更牢固, 在背面蒸金后还需要在扩散炉进行金扩散, 金扩散比较 重要的控制参数有:温度(一般为 1000℃左右) 、时间、气流速度等,金扩散后需要在王水 中浸泡进行后处理; 而金砷工艺背蒸后需要进行合金化, 金砷合金是在氮气和氢气气氛下进 行,工艺温度在 425℃左右,合金后在 HF 溶液中进行后处理。背面蒸金后都是扩散炉中进 行。 为了防止重金属(金等)污染,金扩散工艺专业在一个独立的车间内进行,并且片架、 转移盒都不能用在其他产品上。 1、金扩散及其后处理: 、金扩散及其后处理: 将背面已蒸金的圆片进行金扩散以及扩散后背面金属的去除,具体步骤如下: (1) 前处理:将圆片放入清洗槽中冲水后甩干。 (2) 将待扩散的圆片背向进气口方向按一定间距摆放在石英舟中,将石英舟推至炉管恒 温区;按工艺条件进行金扩散。 (3) 工艺设定时间达到后出炉。 (4) 后处理:将腐蚀柜中槽中的王水(浓盐酸:浓硝酸=3:1)加热至沸腾,将金扩散 后的圆片在王水中浸泡后放入冲水槽中冲水,甩干后放入专用片架内。 2、金砷工艺合金 工艺合金 、金砷工艺 金砷工艺中圆片背面合金作业步骤: (1) 前处理:用 5%的 HF 溶液浸泡十几秒后冲水,甩干。 (2) 操作步骤和金扩散步骤相同,按照工艺条件进行。 (3) 后处理:用 5%的 HF 溶液浸泡后冲水,甩干。

四、背蒸后 QC 检验 背蒸后要进行 QC 检验,主要有: 1)蒸金属厚度:通常用 Alpha-step IQ 台阶测试仪测试陪片的金属厚度,从而得到圆片 背蒸金属的厚度; 2)粘附性测试:通常利用蘸锡来测试背面金属的润湿性,如果润湿性太差会影响装片 的牢度; 通过贴蓝膜热处理之后揭膜来测试背面金属的粘附性, 以防止在划片贴膜时由于膜 的粘性将背部金属揭去(蘸锡实验已经取消,现改做揭膜试验) 。 3)表面检验:主要是背面金属层是否划伤、沾污、白雾、突起、银层表面发黄等,以 免影响装片质量。

五、背蒸返工处理

背面蒸发片检查不合格以及由于其他原因造成没有完成蒸发全过程的返工处理。步骤 为: 1、将圆片正面贴上蓝膜或者 UV 膜(大功率管是涂上光刻胶) ,以防止酸腐蚀硅片 正面铝层。
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2、将带膜硅片放入王水中腐蚀,以去除背面蒸发层直至干净为止。 3、取出硅片放入冲水槽中,将上面的酸冲去。 4、去除膜或者胶,装入专用清洗片架内,继续冲水。 5、放入烘箱内烘干。

出厂检验

所有芯片工序结束后,进行出厂检验,检验的项目有: 1、圆片的正反面。 2、抽测每批芯片的参数: 二极管:正向电流,反向漏电流,击穿电压 三极管:电流特性,击穿特性,饱和特性,HFE,ts 等 检查完毕后进入中转库后出厂。

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专业术语
CVD:Chemical Vapour Deposition,化学气相淀积 APCVD:常压 CVD LPCVD:低压 CVD PECVD:等离子增强 CVD PVD:physical Vapour Deposition,物理气相淀积 PSG:磷硅玻璃 BSG:硼硅玻璃 LTO:低温二氧化硅 UDO:不掺杂二氧化硅 SIPOS:半绝缘掺氧多晶硅 NTD:N 型单晶硅片 CSD:乳胶源涂覆

一些测试仪器 一些测试仪器
4822 晶体管特性图示仪 576 晶体管特性图示仪 QT2 晶体管特性图示仪 VP-10 四探针测试仪 RS55 四探针测试仪 千分表(测厚度) MDC C-V 测试仪(可以测试可动电荷) 1061 型 LCZ 测试仪 SURFCOM 1400B 粗糙度测试仪 Alpha-step IQ 台阶测试仪 AF180 型膜厚仪

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