微電子制造工藝IC工藝暫沒(méi)有三六章

1、第一章 綜述一、概論1、集成電路的分類：1）按功能：數(shù)字集成電路、模擬集成電路、數(shù)?；旌霞呻娐?、射頻/微波集成電路、功率集 成電路、SoC、其它；2） 按工藝（結(jié)構(gòu)與功能）：半導(dǎo)體集成電路（雙極型、MOS型、BiCMOS）、薄/厚膜集成電路、混合電路；3） 按有源器件：雙極型、MOS型、BiCMOS、光電集成電路、CCD集成電路、傳感器/換能器集成電路4） 按集成規(guī)模：小規(guī)模（SSI）、中規(guī)模（MSI）、大規(guī)模（LSI）、超大規(guī)模（VLSI）、甚大規(guī)模（ULSI）、巨大規(guī)模（GLSI）2、Si雙極npn晶體管芯片的工藝流程1、襯底制備， 2、外延生長(zhǎng)， 3、一次氧化， 4、一次光刻，5、基區(qū)

2、擴(kuò)散，6、二次氧化， 7、二次光刻， 8、發(fā)射區(qū)擴(kuò)散，9、三次氧化，10、三次光刻，11、金屬鍍膜，12、反刻金屬膜、13、背面鍍膜， 14、合金化3、IC的基本工藝環(huán)節(jié)：1、晶片加工2、外延生長(zhǎng)3、介質(zhì)膜生長(zhǎng)4、圖形加工5、局域摻雜6、金屬合金7、封裝、測(cè)試4、微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1）集成電路：超大（單元數(shù)、芯片面積）、超微（關(guān)鍵尺寸）、多功能、高性能（快速、低功耗、抗干擾）、低成本、高可靠性2）工藝技術(shù)：大直徑材料（8”、12”、15”、。）光刻極限 (0.350.13、90nm40nm、25nm?）新結(jié)構(gòu)器件（應(yīng)變硅、納電子技術(shù)、高k介質(zhì)。）超純環(huán)境和材料（半導(dǎo)體材料、介質(zhì)材料、試劑）、

3、新測(cè)試和封裝技術(shù)單項(xiàng)技術(shù)（壓印光刻技術(shù)等）3）新領(lǐng)域：MEMS：多樣化、小型化、與控制電路集成納電子：量子線/點(diǎn)微結(jié)構(gòu)、集成化、工作溫度新材料電子器件：有機(jī)分子電路、自旋器件光子晶體：短波長(zhǎng)、局域生長(zhǎng)、三維材料、 參數(shù)可控硅光子學(xué)：（硅光電集成系統(tǒng):電子功能模塊間的光互聯(lián)、電信號(hào)調(diào)制下的光信號(hào)變換和傳輸）特征尺寸減小、芯片和晶圓尺寸增大、缺陷密度減小、內(nèi)部連線水平提高、芯片成本降低2、 半導(dǎo)體材料的性質(zhì)1、 常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料Se， 最早期的半導(dǎo)體之一，硒整流器，硒光電池、光敏硒鼓; (已經(jīng)很少用）Ge, 早期的半導(dǎo)體，g射線探測(cè)器； （昂貴）Si, 最重要的半導(dǎo)體，除發(fā)光以外的所有半導(dǎo)體器件，

4、（IC，分離器件，敏感器件，MEMS）a-Si（amorphous），太陽(yáng)能電池，應(yīng)用薄膜還有很多常用半導(dǎo)體材料：多孔Si，發(fā)光； C（金剛石）, 潛在的高溫、高頻、高壓、大功率器件材料；C60；納米碳管；GaAs，高頻、微波器件、發(fā)光；InP, 高頻、微波器件、發(fā)光；GaP，發(fā)光；Ge1-xSix，高頻異質(zhì)結(jié)材料；SiC，高溫、高頻、高壓、大功率器件材料；GaN，ZnO, 藍(lán)光材料和深紫外探測(cè)；AlxGa1-xAs， 發(fā)光；HgCdTe、PbSnTe，長(zhǎng)波紅外探測(cè)；各種超晶格材料，（能帶工程）；磁性、超導(dǎo)、有機(jī)半導(dǎo)體和生物半導(dǎo)體；自旋半導(dǎo)體(MnxGa1-xAs)半導(dǎo)體工業(yè)常用的其它材料：結(jié)

5、構(gòu)材料：二氧化硅、多晶硅等參雜材料（施主/受主、復(fù)合中心）：磷、硼、砷、金等接觸與連線材料（肖特基接觸、歐姆接觸、復(fù)合接觸、連線）：鋁、金、鎳、銅、鈦、鎢及其氧化物等2、 半導(dǎo)體材料的主要物理參數(shù)1）固有物理參數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)（類型、晶格常數(shù)等）、能帶結(jié)構(gòu)（直接/間接、子能谷等）熔點(diǎn)、膨脹系數(shù)介電常數(shù)、臨界電場(chǎng)、飽和漂移速率等遷移率（晶格散射）2）可變物理參數(shù)：導(dǎo)電類型與電阻率、遷移率（電離散射）、少數(shù)載流子壽命如何選材？能帶結(jié)構(gòu)、材料可生長(zhǎng)性、缺陷（含界面）的可控性、可氧化性、可摻雜性。3、與器件工藝有關(guān)的化學(xué)特性Si:常溫下：1)一般不溶于各種酸2)Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3

6、+H2，Si+4HNO3 +6HF = H2SiF6+ 4NO2 + 4H2O3） 與Cu+2, Cr+2等金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)（用于拋光工藝）高溫下：1） Si+2Cl2=SiCl4 Si+HCl4 SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+SiH42) Si+O2=SiO23) Si+H2O=SiO2+H2GaAs:1）GaAs = Ga+As2) 在室溫下一般不與HCl、H2SO4、 HF3）與熱HCl、H2SO4反應(yīng) 與濃HNO3反應(yīng) H2SO4+H2O2是常用的GaAs腐蝕液4) 與鹵素Cl2、Br2或I2（在甲醇等有機(jī)溶劑中）反應(yīng)通常關(guān)心的化學(xué)性質(zhì):1）熱穩(wěn)定性（thermal s

7、tability)（物理過(guò)程）2) 腐蝕液? （無(wú)機(jī)、有機(jī)）For cleaning and etching!（腐蝕和抗腐蝕工藝中濃度和緩沖劑的重要性）（腐蝕過(guò)程中對(duì)晶向和缺陷的選擇性）需要所有要用的材料的化學(xué)性質(zhì)（腐蝕、抗腐蝕）和熱穩(wěn)定性（組分穩(wěn)定、擴(kuò)散、熱膨脹）！4、半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)2.2.1.Si, GaAs, SiC 的晶體結(jié)構(gòu)Si ：金剛石結(jié)構(gòu)GaAs ： 閃鋅礦zinc-blende，立方硫化鋅SiC ： 200余種同質(zhì)多構(gòu)體SiC、3C- SiC、纖鋅礦（六角硫化鋅）晶面、晶向及測(cè)定方法：x-ray 衍射；激光定向一些物理、化學(xué)性質(zhì)的各向異性：解理、腐蝕、氧化、生長(zhǎng)、擴(kuò)散、表

8、面態(tài)、遷移率（應(yīng)用到解理、劃片中：最佳解理面111最佳劃片方向110）5、半導(dǎo)體中的缺陷和雜質(zhì)1）施、受主雜質(zhì)Si：O、C雜質(zhì)GaAs：施主S 、Te等（As-site） 受主Zn等（Ga-site）Si As-site和Ga-siteSiC： 施主N（C-site）、P （Si-site） 受主B、Al等（Si-site）2）雜質(zhì)濃度和電阻率測(cè)量方法：Hall-effect、四探針?lè)ā翁结槪〝U(kuò)展電阻）法3）雜質(zhì)：O（10171018cm-3）總量控制增加機(jī)械強(qiáng)度、雜質(zhì)吸除效應(yīng)、氧施主 page2426C （10161017cm-3）減小機(jī)械強(qiáng)度Fe （1011cm-3）少子壽命、吸附 體缺

9、陷Au、Pt （10151016cm-3）控制少子壽命4）固溶度（P.12）1、替位式固溶體2、間隙式固溶體3、常用測(cè)量方法：Photo Spectrum半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收機(jī)理？1、原子吸收2、晶格吸收3、能帶吸收第一章小結(jié)：常見(jiàn)半導(dǎo)體材料及參數(shù)與器件的關(guān)系常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)，晶向與器件的關(guān)系施、受主，缺陷，雜質(zhì)及測(cè)量熟悉名詞和物理機(jī)制第二章 半導(dǎo)體襯底本章集中于討論 相圖，高純多晶硅的制備，單晶硅、砷化鎵的生長(zhǎng)，晶片的加工，晶片的雜質(zhì)吸出工藝等問(wèn)題。1相圖相變、固溶度與分凝2.1.1相圖基本性質(zhì) （中文書(shū)9頁(yè)）1）杠桿法則其中WS WL固態(tài)中某合金成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)CS CL CM 固、液、混

10、合態(tài)中某合金成分的濃度這個(gè)式子與力學(xué)中的杠桿定律相似, 因而也稱杠桿定律。由杠桿定律不難算出合金中液相和固相在合金中所占的相對(duì)質(zhì)量（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。2）相律 P+F=C+2其中P:系統(tǒng)中的相數(shù) F:自由度 C:組元數(shù)例2.1計(jì)算各50%原子百分?jǐn)?shù)的Ge-Si材料在1150C熔化掉的Si占多大比例（中文書(shū)10頁(yè)）解：合金總Si含量為0.5，在1150C液相中Si含量x，則固相中Si含量1-x。查圖2.1得 1150C時(shí)，純液態(tài)百分比0.22、純固態(tài)百分比0.58、混合態(tài)0.2 則合金中含Si的總量 = 純液態(tài)百分比*液相Si + 純固態(tài)百分比*固相Si含量0.5=0.22*x+0.58*(1-x)

11、 得x=0.22無(wú)限互溶、多相共存（F 2.1、F2.3）2.1.2最大固溶度：固溶體中雜質(zhì)的最大含量，也就是雜質(zhì)在其中的極限溶解度。當(dāng)混合高于最大固溶度時(shí)，雜質(zhì)將移動(dòng)出晶格并形成淀積。淬火：如果冷卻的足夠迅速，那么淀積是無(wú)法形成的。于是可以使比最大固溶度更高的雜質(zhì)被凍結(jié)在硅晶格之中。稱此過(guò)程為淬火。2.1.3分凝系數(shù)（中文書(shū)23頁(yè)）(Cs、Cl是固液分界面兩側(cè)的雜質(zhì)濃度)2.高純多晶硅的制備簡(jiǎn)單流程地殼中元素Si總質(zhì)量?jī)H次于O，其化合物是石英砂（SiO2），與焦碳混合，在電爐中還原（16001800C）可以獲得9599%的工業(yè)粗硅（冶金級(jí)硅）。MGS（冶金硅）SiO2+2C=Si+2CO1、

12、硅粉的酸洗HCl、王水、（HF+H2SO4）、蒸餾水2、中間化合物的精餾提純與高純多晶硅的還原1）常用的兩種方法（1）三氯氫硅法（SiHCl3）：Si+3HClSiHCl3+H2 氫還原SiHCl3+H211001200CSi+3SiCl4+2H2（通過(guò)控制溫度、氣壓等，抑制SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl、SiH4 的產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)冷凝器、回流管、出料口。還原過(guò)程中的各種不完全反應(yīng)、尾氣化合物將影響純度。）（2）硅烷法（SiH4）合成法：SiCl4+4LiHSiH4+4LiCl硅化鎂分解法：2Mg+Si Mg2Si， Mg2Si+4NH4Cl液NH3SiH4+2MgCl+4NH3，硅烷熱

13、分解SiH4900CSi+2H22）優(yōu)點(diǎn)：三氯氫硅法較經(jīng)濟(jì)；效率高；（純度小數(shù)點(diǎn)后9個(gè)9）；硅烷法成本高，但純度較三氯氫硅法更高。3）缺點(diǎn)：都有基硼的殘留3單晶硅的生長(zhǎng)2.3.1直拉法單晶生長(zhǎng)（Cz-Si）1、原理：在適當(dāng)?shù)臏囟忍荻取鈮合?，熔融的硅在高度完美的籽晶（Seed）的旋轉(zhuǎn)牽引下可控地生長(zhǎng)。2、具體工藝：（19-25頁(yè)）1）工藝控制：（1）縮頸：使其零位錯(cuò)生長(zhǎng)（2）溫度場(chǎng)的分布：缺陷、雜質(zhì)、二次熱缺陷（3）旋轉(zhuǎn)速率：溫度場(chǎng)的均勻、雜質(zhì)均勻（4）提升速率：直徑、缺陷、應(yīng)力（5）彎月面的控制：生長(zhǎng)測(cè)控的特征面（6）氣場(chǎng)的控制：缺陷、雜質(zhì)2）雜質(zhì)分布的控制：高濃度雜質(zhì)摻入Si可以使電阻率r

14、=0.001100 Wcm分凝：摻雜時(shí)，固態(tài)與液態(tài)中容納的雜質(zhì)量不盡相同，即雜質(zhì)在固-液界面處有分凝現(xiàn)象。（中文書(shū)23頁(yè)）分凝系數(shù)： Cs、Cl ：固液分界面兩側(cè)的雜質(zhì)濃度固態(tài)中雜志濃度：Cs=kC0(x-1) k-1 x：熔料中純固態(tài)的比例，C0 熔料中雜質(zhì)的初始濃度3)O、C雜質(zhì)含量的控制（1）檢測(cè)：傅里葉變換紅外光譜 (FTIR)（2）改善：MCz （P2325）通常：O：1018 cm-3 C：100Wcm；p型（摻硼）材料均勻性較好；n型材料常以NTD方式獲得（可得10 Wcm）的材料）；用于大功率器件和探測(cè)器優(yōu)點(diǎn)：O、C含量低于1016cm-3；Fz的縱向均勻性比Cz好些；可以多次

15、區(qū)熔提純獲得探測(cè)器級(jí)單晶硅。缺點(diǎn)：難以制備大直徑單晶；摻雜濃度難以控制。4、摻雜均勻解決方案：NTD-Si（中子嬗變摻雜）：1）摻雜2）退火（以消除電激活、輻照損傷）4其它化合物半導(dǎo)體材料的晶體生長(zhǎng)2.4.1. 液封直拉法（LEC-GaAs）（中文書(shū)25頁(yè)）1、原因：高溫下Ga和As的蒸氣壓有很大的不同（Ga：0.001atm，As：10atm）晶體外保持10atm的As氣壓才能不使GaAs晶體中的As分離逸出。2、亨利定律：Pi=HNSi事實(shí)上，在500C熱處理時(shí)， GaAs晶體近表面mm級(jí)已經(jīng)有As嚴(yán)重逸出。 . Bridgman Growth （中文書(shū)27頁(yè)）1、優(yōu)點(diǎn)：裝置“簡(jiǎn)單”；容易

16、控制；缺陷密度較?。?、缺點(diǎn)：形成“D”型晶體，使用率低；不易得到高阻材料；與石英舟的接觸面大；3、改進(jìn)：垂直Bridgman法、縱向梯度冷凝法。5晶片的加工2.5.1. 器件對(duì)材料的要求(中文書(shū)30頁(yè))2.5.2. 圓片制備1、去頭、去尾、測(cè)試和分段：保證外觀、縱向均勻性2、滾磨：得到圓形片3、定向、磨參考面：確定好晶向4、切片5、倒角：防止邊緣破裂、熱應(yīng)力缺陷、保證邊緣平坦度6、腐蝕與拋光：化學(xué)機(jī)械拋光、雙面拋光7、IdentificationMarking，Cleaning，Gettering，and Shiping6晶片的雜質(zhì)吸出工藝（1819頁(yè)）1、雜質(zhì)吸除 Gettering (

17、晶體工程） 2、外吸出 （背吸除） 3、背面淀積多晶硅薄膜（12mm ），并在700C 退火 4、內(nèi)吸出5、三段式氧吸除：1100C 氧外擴(kuò)散10h；750C 氧成核4h多次；1000C 氧吸除4h次 6、氫、氦微孔結(jié)構(gòu)的吸雜作用：H 、He 注入 退火成核 吸雜 小結(jié)：本章需要重點(diǎn)掌握的關(guān)鍵點(diǎn)：1、什么是CZ-Si、FZ-Si、MCZ-Si、NTD-Si？基本工藝原理、材料特點(diǎn)和用途？2、GaAs等化合物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的工藝特點(diǎn)？3、什么是分凝效應(yīng)？對(duì)材料工藝有什么影響？4、NTD-Si的制備中，高純Si在反應(yīng)堆中經(jīng)熱中子輻照后，為什么還要進(jìn)行退火處理？5、晶片的加工的主要工藝流程是什么？6

18、、什么是雜質(zhì)吸出工藝？什么是氧內(nèi)吸出工藝？期工藝原理和工藝過(guò)程是什么？7、材料參數(shù)測(cè)量？8、硅片加工工藝原理和工藝過(guò)程是什么？第四章：熱氧化技術(shù)（pages 6697） 基本內(nèi)容 1) 氧化膜的用途。 2）SiO2的物理化學(xué)性質(zhì)。3）熱氧化SiO2膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)要點(diǎn)。4）幾種重要的氧化工藝的特點(diǎn)。5) 典型工藝流程圖和設(shè)備系統(tǒng)圖6）基本的質(zhì)量檢測(cè)和工藝分析氧化厚度的計(jì)算：tox2+Atox=B(t+)(P68)例：計(jì)算在120分鐘內(nèi)，920水汽氧化過(guò)程中生長(zhǎng)的二氧化硅層的厚度，假定硅片在初始狀態(tài)時(shí)已有100的氧化層。按表4.1（P71）在920下，A=0.50um，B=0.203um2/h。將

19、這些值代入中= （0.1*0.1+0.5*0.1）/0.203=0.295h；用式tox2+Atox=B(t+)得 QUOTE =0.48um這種情況下Atox，因此不能用線性平方根近似。3.1. 二氧化硅及其在器件中的應(yīng)用3.1. 1. SiO2 的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)（P7783）熔融石英，非長(zhǎng)程有序，在小范圍內(nèi)表現(xiàn)出有序結(jié)構(gòu)。 1）結(jié)構(gòu): 結(jié)晶形二氧化硅（石英晶體）（2 . 65g/cm3）無(wú)定形（非晶）二氧化硅（石英玻璃）（ 2 . 20g/cm3） 硅有四個(gè)共價(jià)鍵，氧有兩個(gè)；氧易運(yùn)動(dòng)； 氧橋位（P74） 非橋聯(lián)的原子將由其懸掛鍵引入電荷態(tài)； 單價(jià)的氫原子與非橋聯(lián)的氧形成羥基而減少懸掛鍵的數(shù)

20、目，引入氫鈍化的概念；但羥基的鍵能較低容易斷裂； 橋聯(lián)氧的數(shù)目與非橋聯(lián)氧的數(shù)目之比直接影響SiO2的疏松程度，進(jìn)而影響許多物理性質(zhì)； 雜質(zhì)在SiO2中可以是網(wǎng)絡(luò)的形成劑（Net-work Former）如：B、P、Al等；也可以是網(wǎng)絡(luò)的改變劑（Net-work Modifer）如：Na、K、Ca、Al等；2） 化學(xué)性質(zhì)：SiO2+4HFSiF4+2H2O + SiF4+2HF H2(SiF6) 即： SiO2+6HFH2(SiF6)+2H2O 六氟硅酸溶于水 腐蝕速度與SiO2膜的質(zhì)量有關(guān) 物理性質(zhì)； 密度：密度與氧化方式有關(guān) 折射率：與密度有關(guān)（page 78，Table4.2）， 1.46

21、 (5500) 電阻率：與密度及含雜量有關(guān)，1016Wcm 介電常數(shù)：與密度有關(guān), 3.9 介電強(qiáng)度：與密度、含雜量及缺陷有關(guān), 106107V/cm (Fig. 4.9, P79) TDDB實(shí)驗(yàn)(P7980)*! 雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù): (熱擴(kuò)散章節(jié)） 雜質(zhì)分凝系數(shù)：（ P23） 3.2. SiO2膜在器件中的基本作用 1) SiO2膜對(duì)雜質(zhì)的掩蔽作用 利用雜質(zhì)在SiO2膜中的擴(kuò)散系數(shù)較小，和SiO2膜的熱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)定域摻雜。 掩蔽過(guò)程中的分凝效應(yīng)(P84) 2）對(duì)器件的表面的保護(hù)和鈍化作用 利用SiO2膜的絕緣作用，將pn結(jié)與外界隔離，提高穩(wěn)定性和可靠性；利用對(duì)SiO2膜 中固定電荷的控制，改變

22、器件表面的電場(chǎng)分布。 3）對(duì)器件的電絕緣和隔離作用 利用SiO2膜的絕緣作用，實(shí)現(xiàn)引線與元器件間的絕緣，實(shí)現(xiàn)集成電路元器件間的隔離。 4）用作電容器的介質(zhì)材料 SiO2膜的介電常數(shù)在10kHz下工作時(shí)為34，損耗因數(shù)為10-110-3，擊穿電壓高，溫度系數(shù)小。 5）MOSFET的絕緣柵介質(zhì) 6）光電和發(fā)光器件的減反膜3.3. SiO2膜的熱氧化方法（干、濕、水汽、高壓、摻氯、低溫）（pages 6971） 室溫下形成25的天然氧化層 1）器件對(duì)氧化膜的基本要求 致密、雜質(zhì)缺陷少（體內(nèi)活動(dòng)和固定電荷少）、Si/SiO2界面態(tài)密度小。 2）干氧氧化 Si+O2SiO2 特點(diǎn)：致密、雜質(zhì)缺陷少、Si

23、/SiO2界面態(tài)密度小、疏水性好 3）水汽氧化 Si+2H2O SiO2+2H2 實(shí)際過(guò)程較復(fù)雜 水汽氧化的氧化速度快，較疏松，掩蔽能力差，疏水性差。 4）濕氧氧化(P.71) 干氧與濕氧混和 質(zhì)量介于前兩種之間 在作為掩膜和介質(zhì)隔離的氧化膜，常采用干（界面態(tài)低） 濕（生長(zhǎng)快） 干（與光刻膠的粘附性好）工藝 5）H2、O2合成氧化 特點(diǎn)：質(zhì)量接近干氧氧化，氧化速度接近水汽氧 化。 6）摻氯氧化(P.7173) reading 干氧氧化時(shí)，加入少許（1%）HCl、Cl2或TCE（三氯乙烯） 特點(diǎn)：能有效地鈍化氧化膜中的可動(dòng)正離子； 降低界面態(tài)濃度； 抑制氧化層錯(cuò)的生長(zhǎng)； 氧化速率增加； 可以利用

24、Cl清除雜質(zhì)；（P69） 7）高壓氧化(HIPOX) 25 atm、生長(zhǎng)速度快、可低溫生長(zhǎng)（600C）主要用于場(chǎng)氧化和隔離氧化 8) 低壓氧化有效地控制（降低）氧化速率（？） 9）等離子體氧化 溫度低（500C）、低壓氧化、不引入氧化層錯(cuò)（OISF）、氧化時(shí)無(wú)雜質(zhì)再分布 10）光等離子體氧化 加紫外光照，以提高氧化速度，降低溫度（100C）3.4. SiO2膜的熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)(P6870) 1）物理機(jī)理（Deal-Grove Model）SiO2中Si比O原子穩(wěn)定， SiO2網(wǎng)絡(luò)中氧的運(yùn)動(dòng)容易。因此，在熱氧化制備SiO2膜的過(guò)程中，是氧或水汽等氧化劑穿過(guò)SiO2膜層，到達(dá)Si/ SiO2界面

25、，與Si反應(yīng)生成SiO2；而不是硅向SiO2膜的外表面運(yùn)動(dòng)，與表面的氧化劑反應(yīng)生成SiO2膜。 2）熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 氧化的三個(gè)步驟： a）氣體從內(nèi)部輸運(yùn)到氣體-氧化物界面，b）擴(kuò)散穿透已生成的氧化層，c）在硅表面發(fā)生反應(yīng) 用粒子流密度J分別表示如下：(Fig. 4.1); hG氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)、 NG氣體中的氧化劑濃度、NGS氧化層表面的氧化劑濃度、D氧化劑在氧化層中的擴(kuò)散系數(shù)、kS表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)、NSSiO2/Si界面處的氧化劑濃度 若用NOS表示氧化層表面內(nèi)側(cè)的氧化劑濃度、表面外側(cè)的氧化劑的分壓為PGS，則根據(jù)亨利定律有：NOS=HPGS（H為亨利常數(shù)） 若用N*表示氧化層中的氧化

26、劑平衡濃度、氣體中的氧化劑的分壓為PG，則有：NOS=HPGS (Henrys Law) 由理想氣體方程：NG=PG/kT，NGS=PGS/kT J1=h（N*-NOG），其中h=hG/HkT， 在線形近似下： xox為氧化層厚度 動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下：J1=J2=J3 可得： 和 若： a） D kS 即為擴(kuò)散控制NS0，NOSN* b） kS D即為反應(yīng)控制NS=NOS=N*/（1+kS/h）設(shè)N1為形成單位體積氧化層物質(zhì)所需的氧化劑分子的個(gè)數(shù)。在氧化層中，每立方厘米有2.2x1022個(gè)二氧化硅分子。 因此，干氧氧化時(shí)， N1是2.2x1022 cm-3；水汽氧化時(shí)，N1是4.5x1022 cm

27、-3。可以算出氧化速率為：設(shè)：當(dāng) t = 0時(shí)，xox=xi， 則有，式中 t*定義為時(shí)間常數(shù)，意為：考慮到表面 t*是考慮初始的氧化層（如，天然氧化膜）后，對(duì)氧化時(shí)間作的修正。 進(jìn)一步修正（4.3) 閱讀 !p.75 (掌握要點(diǎn):薄氧化層的重要性；模型與工藝的關(guān)系）有解為： 當(dāng)：時(shí)有： 為線性關(guān)系，B/A定義為氧化的線性速率常數(shù)。 當(dāng) 時(shí)，有 為拋物線關(guān)系，B定義為氧化的拋物線速率常數(shù)。(Figs. 4.2,4.5) 各種條件下 D、kS和h均與晶向、反應(yīng)劑和溫度有關(guān)；P84：圖4.20中為什么圖中結(jié)果與晶向的關(guān)系不大？例1，在某熱氧化工藝中，采用了兩次干氧氧化，第一次是1100C干氧氧化2

28、0分鐘，第二次是1000C干氧氧化30分鐘。問(wèn)：總氧化層厚度為多少？例2：在一NPN晶體管的基區(qū)B擴(kuò)散的掩蔽氧化膜的生長(zhǎng)工藝中，采用了“干濕干”工藝，其步驟如下：1）1100C干氧氧化10分鐘，2） 1000C的95C濕氧氧化20分鐘，3） 1100C干氧氧化10分鐘。問(wèn)：總氧化層厚度為多少？3.6. SiO2膜的質(zhì)量檢測(cè)1）氧化層厚度測(cè)量 a）比色法：不同厚度的二氧化硅膜可表現(xiàn)出不同的顏色。(p.78, table4.2)b）干涉法 xox為二氧化硅膜厚，N為干涉條紋數(shù)，l為單色入射光波長(zhǎng)，n為二氧化硅膜折射率 c）橢圓偏振法：是目前精度最高（1），且為非破壞性的薄膜分析方法。詳細(xì)內(nèi)容可參見(jiàn)

29、“半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)，孫恒慧 等編，高教版”。目前先進(jìn)的儀器為：橢圓光譜儀，可對(duì)分子、DNA等進(jìn)行分析，也可以分析晶格損傷。其基本原理是：經(jīng)薄膜的折射、反射和吸收后，入射橢圓偏振光的p波和s波的振幅及相位均發(fā)生變化。2） 擊穿特性：P79-TDDB 3） 磷、硼雜質(zhì)的影響：4.6, 分凝和流動(dòng)4) 缺陷的產(chǎn)生與檢測(cè)a）界面態(tài)的檢測(cè)與控制 檢測(cè)的主要方法是C-V法(P8083) P81 工藝控制：清潔、干氧、摻氯、溫度控制和RTP b）氧化層中的固定和可動(dòng)電荷，產(chǎn)生的原因是雜質(zhì)污染（環(huán)境和襯底材料）和空位性缺陷。檢測(cè)的主要方法是C-V法、SIMS、PL及（PAS）等。 c）氧化層錯(cuò)（OISF） (P

30、8687)產(chǎn)生的原因是表面不完美，檢測(cè)？消除？ d）斑點(diǎn)、霧、均勻性等。系統(tǒng)的清潔；氣流和溫度的均勻性。缺陷的產(chǎn)生與檢測(cè) a）界面態(tài)的檢測(cè)與控制C-V法(P8083) 3.7. SiO2膜生長(zhǎng)的其它方法 1）快速熱氧化（RTO）（光增強(qiáng)） 2）CVD法 非硅表面的氧化膜 3）陽(yáng)極氧化 摻氮氧化 (P8889)目的：形成高介電常數(shù)的介質(zhì)膜工藝要求：不增加界面態(tài)密度You must understand！1）氧化膜的基本物理性質(zhì)及其在器件中的應(yīng)用及原理。2）幾種主要氧化方式的特點(diǎn)3）氧化膜生長(zhǎng)的物理特點(diǎn)4）減小界面態(tài)的幾種主要方法5）氧化膜膜厚的估算及測(cè)量第五章：離子注入技術(shù)一： 問(wèn)題的提出：*

31、短溝道的形成？* GaAs等化合物半導(dǎo)體？（低溫?fù)诫s）* 低表面濃度？* 淺結(jié)？* 縱向均勻分布或可控分布？* 大面積均勻摻雜？* 高純或多離子摻雜？二：要求掌握：* 基本工藝流程（原理和工藝控制參數(shù)）* 選擇性摻雜的掩蔽膜（Mask）* 質(zhì)量控制和檢測(cè)* 后退火工藝的目的與方法* 溝道效應(yīng)* 在器件工藝中的各種主要應(yīng)用* 離子注入技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)* 劑量和射程在注入工藝中的重要性* 離子注入系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)5.1. 離子注入原理一、 物理原理(P.101-110)通過(guò)改變高能離子的能量，控制注入離子在靶材料中的位置。1) 重離子在材料中與靶原子的碰撞是“彈性”庫(kù)侖散射2) 級(jí)聯(lián)散射二、能量損失（

32、104-108）射程R：離子在半導(dǎo)體中行進(jìn)的距離散射路徑R，靶材料密度r，阻止本領(lǐng)S其中有兩部分損失（S ）：一部分由于核阻滯：另一部分是由于電子阻滯造成。1）：注入離子的分布N（x）（無(wú)電子散射）注入劑量F0（atom/cm-2），射程：Rp 標(biāo)準(zhǔn)偏差DRp 對(duì)于無(wú)定型材料， 有：為高斯分布 例子：多能量、多劑量注入5.2. 設(shè)備（page 97-100）注入離子設(shè)備分為三部分：離子源、加速管和終端臺(tái)。（離子機(jī)示意圖P98）5.3. 溝道效應(yīng)和盧瑟福背散射一、溝道效應(yīng)（pages 109-110）當(dāng)注入離子沿著基材的晶向注入時(shí)，則注入離子可能與晶格原子發(fā)生較少的碰撞而進(jìn)入離表面較深的位置，這

33、一現(xiàn)象稱為溝道效應(yīng)。二、溝道效應(yīng)的消除(臨界角）方法：1）降低離子注入方向與晶面排列的一致性：如 軸傾斜，平面偏轉(zhuǎn)； 2）注入之前破壞晶格結(jié)構(gòu). 溝道效應(yīng)圖示P109二.、盧瑟福背散射RBS-C作用：RBS利用打到圓片上的He離子的散射來(lái)確定圓片中存在的物質(zhì)，從陰影區(qū)的面積可以估算出填隙硅的濃度。5.4 注入離子的激活與輻照損傷的消除P.112116一、注入離子損傷成因：1）注入離子未處于替位位置，可能在替位、間隙位、缺陷，于是破壞晶體。 2）晶格原子被撞離格點(diǎn) Ea為原子的位移閾能a）原理：碰撞產(chǎn)生X射線時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向沖力，造成對(duì)Si的本征的損傷。b)分類：注入輕離子形成孤立的缺陷；注入重離子

34、形成擴(kuò)展缺陷。c)其中涉及的物理量：大劑量非晶化臨界劑量：超過(guò)此劑量則形成完全損傷，即注入之后不存在晶體的長(zhǎng)程有序，且襯 底表面呈現(xiàn)無(wú)定形狀態(tài)。 臨界劑量取決于注入能量、注入物質(zhì)、靶材料以及注入過(guò)程襯底的溫度。 激活能二、消除離子注入損傷方法：退火工藝1)分類：等時(shí)退火，等溫退火2）退火后的雜質(zhì)再分布（P。117）3）退火方式：“慢退火”，快速熱退火，分步退火4）退火完成的指標(biāo)：電阻率、遷移率、少子壽命5.5.離子注入工藝中的一些問(wèn)題1。離子源：汽化高壓電離 多價(jià)問(wèn)題 分子態(tài)原子態(tài)問(wèn)題 （產(chǎn)額問(wèn)題）2。選擇性摻雜的掩膜SiO2、Si3N4、光刻膠、各種金屬膜3。遮擋(注入陰影效應(yīng)Implant

35、 Shadowing)（P119） 4。硅片充電引起問(wèn)題：充入離子時(shí)會(huì)帶來(lái)電性偏離。 不能有高能電子，否則會(huì)產(chǎn)生X射線。離子注入工藝流程圖：離子注入設(shè)計(jì)掩蔽膜的形成離子注入退 火測(cè) 試Trim分布、掩蔽膜設(shè)計(jì)、離子源氧化膜、Si3N4膜、光刻和光刻膠襯底溫度、能量、注量溫度、時(shí)間（多步快速熱退火）激活率、殘留缺陷、注入層壽命、注入離子再分布（方塊電阻、結(jié)深）、I-V和C-V特性5.6.離子注入工藝的應(yīng)用1。摻雜（P。115）2。淺結(jié)形成（Shallow Junction Formation, p116)3。埋層介質(zhì)膜的形成(page 116)如：注氧隔離工藝（SIMOX）（Separation

36、 by Implanted Oxygen)4。吸雜工藝：等離子體注入（PIII）吸雜工藝Plasma Immersion Ion Implantation）5。Smart Cut for SOI6。聚焦離子束技術(shù)7。其它（如：離子束表面處理）5.7.離子注入工藝特點(diǎn)（與擴(kuò)散比較）總體優(yōu)于擴(kuò)散，在當(dāng)代IC制造中，已基本取代擴(kuò)散摻雜。1。雜質(zhì)總量可控2。大面積均勻3。深度及分布可控4。低溫工藝（一般673K）快速熱退火溫度要高些5。注入劑量范圍寬（10111017cm-3），劑量控制精度高（5mm接近式曝光：page 166其特征尺寸為其中k是取決于光刻膠的工藝常數(shù)，g是掩膜與圓片之間的小間隙 （

37、光源為紫外光、軟x射線）投影式曝光： 系統(tǒng)數(shù)值孔徑NA=nsin()典型值為1，分辨率，聚焦深度投影光科技、分步重復(fù)光刻機(jī)（Stepper） pages 167-172 （光源為紫外光、平行電子束）直寫(xiě)式曝光：（電子束）2）光源光源的選擇：高壓弧光燈，光源光學(xué)系統(tǒng)的四個(gè)目標(biāo)：收集盡可能多的光輻照、整個(gè)曝光場(chǎng)輻照強(qiáng)度均勻（1蜂窩狀透鏡2成束光纖同時(shí)收集和積分作用）、使輻照準(zhǔn)直和成形達(dá)到所需程度、光源必須選擇曝光波長(zhǎng)（用一組濾波器完成）。分辨率、量子效應(yīng)、衍涉、散射和漫反射（與界面和光刻膠有關(guān)） 紫外光(g-line 436nm, I-line 365nm)、遠(yuǎn)紫外光 (DUV)（ 193nm,

38、157nm， P 160162） 軟x射線（420）、電子束（Ch9） 焦距深度： DOF （p 167169，例7。1）3）掩膜版掩模板：是制作在不同類型的石英玻璃上，在玻璃的一面形成不圖形的不透光層，多數(shù)不透光層為鉻層。其性能包括：曝光波長(zhǎng)下的搞透光性、小的膨脹系數(shù)、平坦的精細(xì)拋光面。主要分為鉻版、氧化版光刻版設(shè)計(jì)中的光學(xué)校正：（Pages 172-175）掩模板上缺陷的檢測(cè)最簡(jiǎn)單技術(shù)是光學(xué)檢查，其缺陷包括針孔、缺口、遺漏圖形、橋連、顆粒等。自動(dòng)掩膜檢驗(yàn)系統(tǒng)；芯片對(duì)芯片比較技術(shù)，同時(shí)為掩膜蒙上薄膜掩膜分辨率改善方法：光學(xué)鄰近校正（OPC）、相移版以二倍柵周期覆蓋材料，使來(lái)之相鄰圖形的衍射分

39、布尾部會(huì)產(chǎn)生相消干涉（PSM）4）表面、界面反射，駐波5）灰度掩膜 （微光學(xué)器件）6）多光束無(wú)掩膜全息干涉光刻曝光工藝條件：時(shí)間，（實(shí)際的應(yīng)用中可以適當(dāng)采用欠、過(guò)度曝光在光刻機(jī)（含光源）確定后，可以選擇不同型號(hào)光刻膠二級(jí)曝光效應(yīng)8.7, reading7）平行電子束8）電子束掃描（Ch9）8.1.4后烘和顯影（P 191-193）后烘：某些光刻膠需要后烘，如：目前0.25以下線寬采用的CA DUV（化學(xué)放大深紫外8.8reading，248nm、193nm）。顯影：溫度、時(shí)間；顯影液當(dāng)量濃度8.1.5 堅(jiān)膜通常在熱板上進(jìn)行高溫（接近溶劑沸點(diǎn)）處理，最大限度實(shí)現(xiàn)光刻膠增密和硬化、提高黏附性和抗蝕

40、能力。溫度與時(shí)間：通常由光刻膠生產(chǎn)商設(shè)定，在根據(jù)產(chǎn)品對(duì)粘附性和尺寸控制需求對(duì)工藝進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于某些光刻膠，可以進(jìn)行“深紫外線堅(jiān)膜”。使表面形成“硬殼”，以能在等離子刻蝕和離子注入工藝的高溫（200C）中不會(huì)流動(dòng)。8.1.6 腐蝕*8.1.7 去膠：溶劑去膠、氧化去膠、等離子去膠8.2光刻工藝中的質(zhì)量問(wèn)題應(yīng)在每一道工序后都要進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和分析 圖形畸變：小尺寸光學(xué)效應(yīng)、曝光時(shí)間、顯影時(shí)間 浮膠：粘附、前烘時(shí)間、曝光時(shí)間、 顯影時(shí)間 毛刺和鉆蝕：清潔、顯影時(shí)間 針孔：膜厚不足、曝光不足、清潔、掩膜版 小島：曝光、清潔、濕法顯影、掩膜版8.3下一代光刻技術(shù)(Ch9)1)極紫外光刻技術(shù)，希望13nm波長(zhǎng)，30nm的特征尺寸2）角度限制投影電子束光刻技術(shù)（SCALPEL）3）離子束投影光刻技術(shù)（IPL）4）X射線光刻技術(shù)難點(diǎn)：無(wú)法聚焦，因而不能應(yīng)用4倍掩膜版技術(shù)有優(yōu)勢(shì)。第九部分、晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)（書(shū)第14章）為什么需要外延？ 1）雙極分離器件（如：大功率器件的串聯(lián)電阻問(wèn)題） 2）雙極IC（隔離與埋層問(wèn)題） 3）化合物半導(dǎo)體器件及超晶格的異質(zhì)結(jié)問(wèn)題 4）MOS集成電路一 外延層的生長(zhǎng)1. 生長(zhǎng)的一