曾聪杰集成电路工艺.docx

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曾聪杰集成电路工艺

集成电路工艺制造

模拟实验

姓名：

曾聪杰

学号：

111300203

年级：

2013

指导老师：

魏榕山

2016年5月1日

工艺模拟实验一氧化工艺模拟

一．实验原理

在本系统中预先采用SUPREM-III进行氧化工艺模拟，将晶向、氧化温度、氧化时间、氧化厚度等多组数据，一一对应地存储于Foxpro数据库表中，用ODBC技术实现Authorware和Foxpro数据库开放式连接。

实验中通过相关查询，在Authorware内部再利用插值方式，对操作者给出的晶向、氧化温度、氧化时间等进行简单计算后，给出模拟结果。

考虑到系统应用于教学而非工程计算，因此采用了数据库查询加差值数据拟合而非实时计算完成模拟，避免了长时间的工程计算。

二．实验目的

系统提供了实际氧化炉设备操作面板，在计算机上完成氧化工艺控制程序的编辑以及氧化炉的操作，并得到相应操作的模拟结果。

从而对氧化工艺操作过程有简单直观的了解。

三．实验内容

1．分别在干氧、湿氧两种条件下固定温度，三次改变时间和固定时间、三次改变温度各重复进行氧化工艺模拟，并记录12组原始数据：

条件和氧化层厚度，分析模拟实验结果。

湿氧条件下：

干氧条件下：

分析：

在同样的晶向下，上图显示了晶片在干氧、湿氧两种条件下改变温度和时间得到的不同氧化深度。

在湿氧条件下，保持氧化温度不变，改变氧化时间的长度，可以发现，晶片的氧化厚度随着时间的增加而增加。

在湿氧条件下，保持氧化时间不变，改变氧化温度的大小，发现，晶片的氧化厚度也随着温度的增加而增加。

在干氧条件下，保持氧化温度不变，改变氧化时间的长度，可以发现氧化厚度虽然也随着时间的变长而变厚，但变化程度不大，其相对于湿氧条件下，厚度的增加不明显。

在干氧条件下，保持氧化时间不变，改变氧化温度的大小，发现温度的变化使得氧化深度的大小变化很大。

因此，氧化深度的影响因素主要有温度，时间，和氧气的环境（即干湿氧）。

其中在相同条件，湿氧的环境下对氧化厚度的影响更大。

2、找3组课外作业的计算结果与模拟结果进行分析比较，解释出现偏差的各种原因。

硅片热氧化生长遵从如下公式：

t2ox＋Atox＝B（t + τ），其中tox为硅片经过t时间后SiO2的生长厚度（μm）；B为抛物线速率系数（μm2/h）；B/A为线性速率系数（μm/h）；τ为生成初始氧化层（同一工艺参数）所用的时间（h）。

假设：

950℃下水汽氧化相关工艺参数分别为：

A=0.50μm，B=0.20μm2/h；

1100℃下干氧氧化相关工艺参数分别为：

A=0.09μm，B=0.03μm2/h

（1）1h内干氧在1100℃生成的SiO2厚度（μm）：

∵t2ox + Atox＝B（t + τ），又∵初始氧化层厚度为0；

∴τ1＝（ t2ox + Atox ） / B = 0 h 

∵t2ox＋Atox＝B（t +τ1），又∵t1=1 h

∴ t2ox＋0.09tox＝0.03×（1 +0）；即tox＝0.1339 μm

（2）2 h内湿氧水汽氧化所生成的SiO2厚度（μm）

∵t2ox＋Atox＝B（t2+τ2），又∵t=1 h；

∴t2ox＋0.5tox＝0.2×（1 +0.25）；即 tox＝0.3659μm；

3、分析出现偏差的原因

生长的快慢将由氧化剂在SiO2种的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个因素所决定，因此出现偏差的原因有可能是未考虑氧化剂的扩散速度，或者还有其他因素未考虑。

4、分析氧化工艺中的工艺参数对氧化结果的影响

（1）、湿氧氧化速率比干氧氧化速率快得多。

虽然干氧方法的生长速度很慢，但生长的SiO2薄膜结构致密，干燥，均匀性和重复性好，且由于SiO2表面与光刻胶接触良好，光刻时不易浮胶。

而湿氧氧化速率虽然快，但在氧化后的Si片表面存在较多的位错和腐蚀坑，而且还存在着一层使O2表面与光刻胶接触差的硅烷醇（Si—OH），因此在生产实践中，普遍采用干氧→湿氧→干氧交替的氧化方式。

这种干、湿氧的交替氧化方式解决了生长速率和质量之间的矛盾，使生长的iO2薄膜更好地满足实际生产的要求。

（2）温度的影响：

在一定条件下，温度越高，氧化厚度越大。

（3）时间的影响：

在一定条件下，随着时间的增长，氧化厚度越大。

实验二：

扩散工艺模拟实验

一．实验原理

在本系统中预先采用SUPREM-III进行扩散工艺模拟，将晶向、扩散温度、扩散时间、扩散结深、方块电阻多组数据，一一对应地存储于Foxpro数据库表中，用ODBC技术实现Authorware和Foxpro数据库开放式连接。

实验中通过相关查询，在Authorware内部再利用插值方式，对操作者给出的晶向、扩散温度、扩散结深、方块电阻等进行简单计算后，给出模拟结果。

考虑到系统应用于教学而非工程计算，因此采用了数据库查询加差值数据拟合而非实时计算完成模拟，避免了长时间的工程计算。

二．实验目的

系统提供了实际扩散炉设备操作面板，在计算机上完成扩散工艺控制程序的编辑以及扩散炉的操作，并得到相应操作的模拟结果。

从而对扩散工艺操作过程有简单直观的了解。

三．实验内容

1．分别以硼、磷为扩散源，进行固定温度，三次改变时间和固定时间、三次改变温度各重复进行扩散工艺模拟实验，记录原始数据：

条件及结深、方块电阻等。

2．结论：

总结分析扩散工艺中的工艺参数对扩散结果的影响。

（1）杂质类型对扩散结果的影响：

从图中可以看到，在相同温度和扩散时间下，p类型杂质的结深要比B大。

这是由于P源扩散反应与B源扩散反应的产生的SiO2量不同，而扩散源在SiO2中的扩散非常慢，SiO2起到一种屏蔽作用。

扩硼的杂质源均是先分解或化合产生B2O3，再与表面硅反应产生单质B并向硅内扩散。

2B2O3+3Si=4B+3SiO2

磷扩散源很多，其共性在于先生成P2O5，再与硅反应生成单质磷向硅内扩散。

2P2O5+5Si=4P+5SiO2

如上可知生成同样的SiO2，所需的硼源越多，这就相当于杂质浓度降低了

（2）扩散时间对扩散结果的影响：

由结深

可得，扩散时间越长，结深越大，模拟结果得到相似的结果。

（3）温度对扩散结果的影响：

如图可知，温度越大，结深越大，即扩散深度越深。

由于温度越高，原子被激发的概率越高，替位式扩散越容易。

（4）方块电阻：

扩散层薄层电阻是反映扩散层质量符合设计要求与否的重要工艺指标之一。

对应于一对确定数值的结深和薄层电阻，扩散层的杂质分布是确定的。

也就是说，把薄层电阻的测量同结深的测量结合起来，我们就能够了解到扩散入硅片内部杂质的具体分布。

深入了解薄层电阻的定义和测试方法，对我们控制扩散条件和提高产品质量具有十分现实的意义。

实验三：

离子注入工艺模拟

A.离子注入工艺原理

一．实验原理

利用Authorware、3DSmax、Photoshop等工具制作图形、动画及声音解说，展示离子注入原理课件。

二．实验目的

掌握离子注入原理，了解离子注入设备和工艺过程，理解离子注入损伤的形成，并对离子注入在IC中的应用有清晰的认识。

三．实验内容

1．简要说明离子注入的原理与设备组成

（1）离子注入原理:

离子是原子或分子经过离子化后形成的，即等离子体，它带有一定量的电荷。

可通过电场对离子进行加速，利用磁场使其运动方向改变，这样就可以控制离子以一定的能量进入wafer内部达到掺杂的目的。

离子注入到wafer中后，会与硅原子碰撞而损失能量，能量耗尽离子就会停在wafer中某位置。

离子通过与硅原子的碰撞将能量传递给硅原子，使得硅原子成为新的入射粒子，新入射离子又会与其它硅原子碰撞，形成连锁反应。

杂质在wafer中移动会产生一条晶格受损路径，损伤情况取决于杂质离子的轻重，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。

（2）设备组成：

离子注入机

离子注入机的主要部件有：

离子源、离子束吸取电极、质量分析器、加速器、聚焦器、扫描系统、终端系统以及工艺室等。

2．说明注入损伤的形成及解决办法

形成：

离子注入会对晶格造成损伤，这使硅原子离开格点位置，形成点缺陷，甚至导致衬底由晶体结构变为非晶体结构。

解决办法：

通过退火能修复晶格缺陷。

缺陷修复需要500℃的温度，杂质的激活需要950℃的高温，有高温炉退火和快速热退化两种方法。

高温炉退火是在800～1000℃的高温下加热30分钟，因会导致杂质再分布，不常采用；快速热退火采用快速升温并在1000℃的高温下保持很短的时间，可达到最佳效果。

3．总结离子注入的优缺点和应用

优点：

（1）注入的离子经过质量分析器的分析，纯度很高、能量单一。

而且注入环境清洁、干燥，大大降低了杂质污染。

（2）注入剂量可精确控制，杂质均匀度高达±1%；

（3）注入在中低温度下进行，二氧化硅、光刻胶、氮化硅等都可以作为注入时的掩蔽层。

衬底温度低，就避免了高温扩散所引起的热缺陷；

（4）离子注入是一个非平衡过程，不受杂质在衬底中的固溶度限制；

（5）工艺条件容易控制

缺点：

（1）离子注入的横向掺杂效应比扩散大大减少了；

（2）离子注入最大的缺点就是高能离子轰击wafer对晶格结构造成的损伤；

应用：

金属材料改性、延长模具的使用寿命、离子注入技术在半导体器件制造中的具体应用如⒈栅阀值调整（ThresholdAdjust）,Halo注入等;⒉源极,漏极的形成和多晶硅栅极的掺杂。

⒊N/P井的形成,倒掺杂井（retrogradewell）等

B.离子注入设备介绍和工艺模拟实验

一．实验原理

在本系统中预先采用SUPREM-III进行离子注入工艺模拟，将晶向、离子注入能量、离子注入剂量、离子注入杂质分布浓度等多组数据，一一对应地存储于Foxpro数据库表中，用ODBC技术实现Authorware和Foxpro数据库开放式连接。

实验中通过相关查询，在Authorware内部再利用插值方式，对操作者给出的晶向、离子注入剂量、离子注入杂质分布浓度等进行简单计算后，给出模拟结果。

考虑到系统应用于教学而非工程计算，因此采用了数据库查询加差值数据拟合而非实时计算完成模拟，避免了长时间的工程计算。

二.实验目的

系统提供学习了解实际离子注入设备各个部分的结构和功能，并在计算机上完成离子注入工艺初始条件的编辑以及离子注入工艺模拟，得到相应操作的模拟结果及杂质浓度分布曲线。

而且还能对不同初始条件下的模拟结果曲线进行比较。

从而使学生对离子注入原理及工艺操作过程有简单直观的了解。

并根据注入模拟的曲线粗略的计算出注入的结深,以及比较在不同初始条件下曲线的变化情况（如:

固定剂量,改变初始能量）下曲线的变化。

用户还可以完成诸如为了得到一定的注入深度,而调节各项参数的工作。

三．实验内容

1．原始数据记录：

A.离子注入机原理结构

B.实验模拟初始条件及结果（表）共六组数据：

固定能量改变注入剂量（大、中、小）三次和固定剂量改变注入能量三次。

（1）保持初始能量不变，改变注入剂量大小

（2）保持剂量不变，改变初始能量大小。

C.相应杂质浓度分布曲线，标明结深。

（1）保持初始能量不变，改变剂量大小

初始能量为150Kev

a、注入剂量为1e11（atom/cm2）结深为0.33micro

b、注入剂量为1e13（atom/cm2）结深为0.55micro

c、注入剂量为1e15（atom/cm2）结深为0.67micro

（2）保持初始剂量不变，改变初始能量的大小

初始注入剂量为1e13（atom/cm2）

a、初始能量为100Kev，结深为0.49micro

d、初始能量为130Kev,结深为0.52micro

e、初始能量为180Kev,结深为0.56micro

2．实验结果分析，说明离子注入工艺质量的主要因素。

1、初始注入剂量：

在初始能量一定的情况下，初始注入的剂量越大，杂质扩散得越深，即结深越大

2、初始能量：

在注入一定的杂、杂质浓度时，初始能量越高，杂质扩散得越快，结深越大。