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XX科技大学信息科学与***

硅集成电路制造中光刻和磁控溅射工艺虚拟仿真实验——实验报告



实验目的：



信息技术是国民经济的核心技术，它服务于国民经济各个领域，其中微电子技术是信息技术的关键。在微电子集成电路产业中，双极型晶体管电路是应用最广泛也是最重要的半导体集成电路之一，其发明者William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain因此被授予了1956年的诺贝尔物理学奖。半导体集成电路的快速发展推动着科技的不断发展与进步，而集成电路制造工艺则是推动其快速发展的根基。

当前，我国大陆集成电路制造产业正处于高速发展期，在销售规模、技术升级、产能扩展和规划新生产线建设方面都取得显著进展。但是，当前我国大陆集成电路制造业规模占全球不到 10%，制造技术水平与国际先进工艺技术还有近两代差距，这与我国作为集成电路消费大国的地位严重不匹配。对此，进一步加速我国集成电路产业发展，提升我国集成电路制造技术水平仍然十分紧迫。在集成电路工艺中，光刻和磁控溅射作为重要的工艺步骤，在集成电路的制备中发挥着巨大的作用。因此，本项目以双极型集成电路制备工艺为寄出去，选择制备流程中的金属接触和互连工艺步骤介绍光刻和磁控溅射的原理及应用，第一步是采用光刻和湿法腐蚀获得金属互连线的氧化层掩模图形，第二步利用射频磁控溅射沉积铝薄膜得到金属互连线膜层。

由于光刻和磁控溅射设备造价昂贵，而且实验中涉及的试剂和操作存在一定的危险性，不利于大面积开展实验教学。因此，以我校“集成电路工艺实验室”的真实实验环境和设备为参考，实验项目虚实结合，使学生通过本项目达到以下教学目的和掌握相关技能：

（1）使学生了解标准埋层双极集成电路的工艺流程；

（2）使学生了解集成电路制造过程中净化实验环境；

（3）使学生掌握光刻工艺原理及工艺流程参数设计；

（4）使学生掌握磁控溅射工艺原理及工艺流程参数设计。

本项目面向以 “电子科学与技术”专业为代表的学生，通过项目实施，使学生在强化《半导体物理》、《半导体器件》、《集成电路原理》等相关课程知识的同时，为后续《模拟集成电路》、《VLSI设计》等课程的学习奠定坚实基础。

项目实施过程中，通过对集成电路制备中的关键工艺——光刻、湿法腐蚀和磁控溅射的模拟操作，培养学生对集成电路制备的兴趣，增进对集成电路工艺原理、流程的了解、认识，进一步增强学生的虚拟仿真实践动手能力，同时为学生将来就职集成电路产业领域打下坚实的基础。



实验原理：



双极型集成电路是指以通常的NPN或PNP型双极型晶体管为基础的单片集成电路,是世界上最早制成的集成电路。双极型集成电路主要以硅材料为衬底，以双极型晶体管为基础元件,在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离技术。与MOS器件相比，双极型集成电路具有电路速度快、集成度高的特点，且双极型集成电路发展较早，工艺成熟。标准埋层双极晶体管的结构为

/ /

标准埋层双极集成电路工艺流程

①衬底准备

通常采用晶面轻掺杂的P型硅，掺杂浓度一般在1015cm-3的量级。

②埋层的制备

首先在衬底上生长二氧化硅，并进行第一次光刻，露出埋层区域，然后注入n型杂质。双极晶体管的收集区的外延层和衬底之间的n+埋层可以减少双极晶体管收集区的串联电阻和寄生PNP管的影响

③外延层的生长

用湿法腐蚀去掉全部二氧化硅层后，外延生长一层轻掺杂的硅。外延层将作为双极晶体管的收集区，整个双极晶体管便是制作在外延层上。

④隔离区的形成

生长一层二氧化硅，进行第二次光刻，得到隔离区，并去掉隔离区的氧化层。随后掺杂硼，形成P型隔离区。

⑤深集电极接触的制备

进行第三次光刻，刻出集电极，注入磷制备重掺杂的n型接触，降低集电极串联电阻。

⑥基区的形成

第四次光刻，刻出基区，注入硼，形成某某。

⑦发射区的形成

在基区生长一层二氧化硅，进行第五次光刻，刻出发射区，进行磷扩散和砷注入，形成发射区。

⑧金属接触和互连

淀积二氧化硅后，进行第六次光刻，刻出接触孔。溅射金属形成欧姆接触和互连引线。随后进行第七次光刻，形成金属互连。

从标准埋层双极集成电路工艺制备流程中可以看出，一个完整的电路制备需要进行多次的掺杂、形成图形和形成薄膜的基本操作。而形成图形和形成薄膜通常采用光刻和磁控溅射的方法实现，因此本项目以双极晶体管集成电路制备中的金属接触和互连工艺步骤为例、介绍光刻和磁控溅射在集成电路制备中的应用。

光刻

光刻是集成电路制造中的关键性工艺，其构想源自于印刷技术中的照相制版技术。近年来，光刻技术的不断更新发展，推动了大规模集成电路的高速发展。光刻工艺是利用光刻胶在受到光辐照（曝光）之后发生光化学反应，其内部分子结构发生变化，这样受到光辐照的光刻胶（感光部分）与未受到光辐照的光刻胶（未感光部分），在显影液中的溶解速度相差非常大，利用光刻胶的这种特性，可以在光刻胶上形成与掩模版相对应的图形。

光刻胶分为正性光刻胶和负性光刻胶。正性光刻胶受到光辐照（曝光）之后，在显影液中的溶解速度很大，***基本不溶解，保持不变。负性光刻胶正好相反，在显影液中未曝光的区域将溶解，而曝光区域将保留。光刻室采用黄某某为安全光，曝光是利用高精度对准光刻机进行，一般采用接触式曝光，曝光时间根据产品和光刻胶来确定，一般在20S，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和厚度来确定，粘度越大，曝光时间越长。厚度越厚，时间越长，但不是线性的。吸收不强烈的胶，可以近似认为是线性的。曝光时间过长，光刻胶轮廓变差，无法显影；曝光时间过短，无法曝透光刻胶，显影效果变差。

湿法腐蚀

显影后形成的微图形，只给出了电路的形貌，并不是真正的器件结构。把经过曝光,显影后的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。这一工序的完成需要用到刻蚀操作，刻蚀可以分为湿法腐蚀和干法刻蚀。本实验中，针对氧化层的刻蚀常用湿法腐蚀。

湿法腐蚀——利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法，方向性差，选择性好。湿法腐蚀产生的反应物必须是气体或能溶于腐蚀剂的物质，否则会造成反应物沉淀，从而影响刻蚀正常进行。一般湿法腐蚀是各向同性的，刻蚀中腐蚀液不但侵入到纵向方向，在侧向也会产生侵蚀。湿法腐蚀过程伴有放热和放气过程。放热造成腐蚀局部温度升高，引起化学反应速度加快，反过来，又会加剧反应放热，使腐蚀反应处于不受控制的恶性循环中，使质量极差。在加工时采用搅拌或超声波等方法来消除局部温度升高。放气会造成局部气泡凝聚，使速率变慢或停止，造成缺陷，也可以通过搅拌来赶走气泡。

SiO2的腐蚀：

在塑料烧杯中进行，为了获得稳定的腐蚀速率，二氧化硅的腐蚀液一般用HF、NH4F、与H2O按一定比例配成的缓冲溶液。二氧化硅腐蚀机理为：

SiO2+6HF= H2SiF6+2H2O

NH4F NH3+HF

H2SiF6（六氟硅酸）是可溶于水的络合物，NH3气态被排出。利用这个性质可以很容易实现选择性腐蚀二氧化硅。在上述反应过程中HF不断被消耗，反应速度随时间的增加而降低。因此，通常在腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂。通过分解产生HF，达到为此HF的恒定浓度。决定腐蚀速度的 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 操作



3

3



19

开机准备和装入样品

磁控溅射模块

4

4



20

溅射室抽真空和通入气体操作



3

3



21

溅射室抽真空和通入气体数据



0

3



22

射频溅射操作



4

4



23

射频溅射数据



1

1



24

停止溅射镀膜操作



2

2



25

取出样品和关机操作



4

4



26

电子显微镜观察结果前操作



4

4



27

电子显微镜观察结果分析



5

5



28

实验报告

实验报告

5

5



总得分：96 分（满分100分）









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