半導(dǎo)體工藝原理--復(fù)習(xí)總結(jié)(貴州大學(xué))

1、1.根據(jù)擴(kuò)散源的不同有三種擴(kuò)散工藝：固態(tài)源擴(kuò)散，液態(tài)源擴(kuò)散，氣態(tài)源擴(kuò)散。2.固相擴(kuò)散工藝微電子工藝中的擴(kuò)散，是雜質(zhì)在晶體內(nèi)的擴(kuò)散，是固相擴(kuò)散工藝。固相擴(kuò)散是通過(guò)微觀粒子一系列隨機(jī)跳躍來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些跳躍在整個(gè)三維方向進(jìn)行，主要有三種方式: 間隙式擴(kuò)散 替位式擴(kuò)散 間隙替位式擴(kuò)散3.什么是離子注入 離化后的原子在強(qiáng)電場(chǎng)的加速作用下，注射進(jìn)入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學(xué)性質(zhì). 注入離子在靶內(nèi)受到的碰撞是隨機(jī)的，所以雜質(zhì)分布也是按幾率分布的。離子進(jìn)入非晶層（穿入距離）的分布接近高斯分布.4.離子注入的溝道效應(yīng)溝道效應(yīng) 當(dāng)離子沿晶軸方向注入時(shí)，大部分離子將沿溝道運(yùn)動(dòng)，幾乎不會(huì)受到原子核的

2、散射，方向基本不變，可以走得很遠(yuǎn)。5.減少溝道效應(yīng)的措施(1)對(duì)大的離子，沿溝道軸向(110)偏離710o(2)用Si，Ge，F(xiàn)，Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化，形成非晶層.(3)增加注入劑量（晶格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少）.(4)表面用SiO2層掩膜.6.損傷退火的目的(修復(fù)晶格，激活雜質(zhì))A.去除由注入造成的損傷，讓硅晶格恢復(fù)其原有完美晶體結(jié)構(gòu)B.讓雜質(zhì)進(jìn)入電活性（electrically active） 位置替位位置。C.恢復(fù)電子和空穴遷移率7.退火方法a.高溫退火b.快速退火：激光、高強(qiáng)度光照、電子束退火、其他輻射.8.注入方法a直接注入離子在光刻窗口直接注入Si襯底。射程大、

3、雜質(zhì)重時(shí)采用。 b間接注入； 通過(guò)介質(zhì)薄膜或光刻膠注入襯底晶體。間接注入沾污少，可以獲得精確的表面濃度。c多次注入通過(guò)多次注入使雜質(zhì)縱向分布精確可控，與高斯分布接近；也可以將不同能量、劑量的雜質(zhì)多次注入到襯底硅中，使雜質(zhì)分布為設(shè)計(jì)形狀。 9.降低系統(tǒng)自摻雜方法a.降低系統(tǒng)自摻雜的有效方法是對(duì)石墨基座進(jìn)行HCl 高溫處理，處理的溫度應(yīng)該高于外延生長(zhǎng)溫度。b.所謂高溫處理就是用HCl 在高溫下把基座上淀積的硅腐蝕掉，在腐蝕后立即在基座上包一層本征硅用來(lái)封閉基座。10.光刻 定義:光刻是圖形復(fù)印與腐蝕作用相結(jié)合，在晶片表面薄膜上制備圖形的精密表面工藝技術(shù)。 目的:在介質(zhì)薄膜（二氧化硅、氮化硅、多晶硅

4、等）、金屬薄膜或金屬合金薄膜上面刻蝕出與掩膜版完全對(duì)應(yīng)的幾何圖形，從而實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬薄膜布線的目的。 目標(biāo): (1）盡可能接近特征圖形尺寸。 （2）在晶圓表面正確定位圖形，包括套刻準(zhǔn)確。11、光刻膠 正膠：膠的曝光區(qū)在顯影中除去。正膠曝光時(shí)發(fā)生光分解反應(yīng)變成可溶的。使用這種光刻膠時(shí)，能夠得到與掩膜版遮光圖案相同的圖形，故稱之為正膠。 負(fù)膠：膠的曝光區(qū)在顯影中保留，用的較多。具體說(shuō)來(lái)負(fù)膠在曝光前對(duì)某些有機(jī)溶劑（丙酮、丁酮、環(huán)己酮）是可溶的，而曝光后發(fā)生光聚合反應(yīng)變成不可溶的。使用這種光刻膠時(shí)，能夠得到與掩膜版遮光圖案相反的圖形，故稱之為負(fù)膠。 正膠 負(fù)膠 不易氧化 易氧化而使光刻膠膜變薄

5、成本高 成本低 圖形邊緣整齊、陡直，無(wú)溶脹現(xiàn)象 易吸收顯影液而溶漲 分辨率更高 去膠較容易 抗蝕性強(qiáng)于正膠13、光刻基本步驟 涂膠 對(duì)準(zhǔn)和曝光 顯影 光刻步驟細(xì)分有：1、清洗硅片 Wafer Clean。2、預(yù)烘和底膠涂覆 Pre-bake and Primer Vapor3、光刻膠涂覆 Photoresist Coating4、前烘 Soft Bake5、對(duì)準(zhǔn) Alignment6、曝光 Exposure7、后烘 Post Exposure Bake8、顯影 Development9、堅(jiān)膜 Hard Bake10、圖形檢測(cè) Pattern Inspection化學(xué)氣相淀積CVD模型 化學(xué)氣相

6、淀積(Chemical Vapor Deposition, CVD)是通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積薄膜的工藝方法。淀積的薄膜是非晶或多晶態(tài)，襯底不要求是單晶，只要是具有一定平整度，能經(jīng)受淀積溫度即可1.1 CVD過(guò)程(1)反應(yīng)劑被攜帶氣體引入反應(yīng)器后，在襯底表面附近形成“滯留層”，然后，在主氣流中的反應(yīng)劑越過(guò)邊界層擴(kuò)散到硅片表面(2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)（3)化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)，即所需要的淀積物，在硅片表面成核、生長(zhǎng)成薄膜(4)反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物，離開(kāi)襯底表面，擴(kuò)散回邊界層，并隨輸運(yùn)氣體排出反應(yīng)室CVD的化學(xué)反應(yīng)條件、（1）在淀積溫度下，反應(yīng)劑需有足夠高的蒸氣壓；（

7、2）除淀積物外，反應(yīng)的其它物質(zhì)必須是揮發(fā)性；（3）淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓（4）薄膜淀積所用的時(shí)間必須足夠短-高效率，低成本（5）淀積溫度必須足夠低-避免對(duì)先前工藝影響（6）CVD不允許化學(xué)反應(yīng)的氣態(tài)副產(chǎn)物進(jìn)入薄膜（7）化學(xué)反應(yīng)必須在被加熱的襯底表面2 CVD淀積系統(tǒng)按氣壓分類常壓化學(xué)氣相淀積（APCVD,）低壓化學(xué)氣相淀積（LPCVD,）按反應(yīng)激活能分類等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積（PECVD,）金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（MOCVD,）激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相淀積（LCVD,）微波等離子體化學(xué)氣相淀積（MWCVD,） 2.3 APCVD操作簡(jiǎn)單，淀積速率較高，適于介質(zhì)薄膜的淀積。缺點(diǎn)：易于發(fā)生氣相反

8、應(yīng)、產(chǎn)生微粒污染，臺(tái)階覆蓋性和均勻性比較差。APCVD的主要問(wèn)題：低產(chǎn)率（throughput）高溫淀積：硅片需水平放置低溫淀積：反應(yīng)速率低氣缺現(xiàn)象解決方法 A、在水平方向上逐漸提高溫度來(lái)加快反應(yīng)速度，從而提高淀積速率，補(bǔ)償氣缺效應(yīng)的影響，減小各處淀積厚度差別。 B、采用分布式的氣體入口，就是反應(yīng)劑氣體通過(guò)一系列氣體口注入列反應(yīng)室中。需要特殊設(shè)計(jì)的淀積室來(lái)限制注入氣體所產(chǎn)生的氣流交叉效應(yīng)。C、增加反應(yīng)室中的氣流速度。LPCVD法的主要特點(diǎn)Batch processing：同時(shí)100-200片薄膜厚度均勻性好可以精確控制薄膜的成份和結(jié)構(gòu)臺(tái)階覆蓋性較好低溫淀積過(guò)程淀積速率快生產(chǎn)效率高生產(chǎn)成本低影響

9、PECVD薄膜淀積速率因素反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)；射頻功率的強(qiáng)度和頻率；反應(yīng)劑與稀釋劑氣體量；抽氣速率；襯底溫度物理氣相淀積（Physical vapor deposition，PVD）是利用某種物理過(guò)程，如用真空蒸發(fā)和濺射方法實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，即原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底(硅)表面淀積成薄膜。真空蒸發(fā)法優(yōu)點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作容易所制備的薄膜純度較高，厚度控制較精確，成膜速率快生長(zhǎng)機(jī)理簡(jiǎn)單真空蒸發(fā)法主要缺點(diǎn)所形成的薄膜與襯底附著力較小工藝重復(fù)性不夠理想臺(tái)階覆蓋能力差蒸鍍?yōu)槭裁匆蟾哒婵斩龋?、蒸發(fā)的原子（或分子）的輸運(yùn)應(yīng)為直線，真空度過(guò)低，輸運(yùn)過(guò)程被氣體分子多次碰撞散射，方向改變，動(dòng)量降低，難以淀積到襯底上。2、

10、真空度過(guò)低，氣體中的氧和水汽，使金屬原子或分子在輸運(yùn)過(guò)程中氧化，同時(shí)也使加熱襯底表面發(fā)生氧化。3、系統(tǒng)中氣體的雜質(zhì)原子或分子也會(huì)淀積在襯底上，影響淀積薄膜質(zhì)量?？偨Y(jié)：SiO2的基本性質(zhì)1、良好的電絕緣介質(zhì)2、高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)3、穩(wěn)定的可重復(fù)的Si/SiO2界面特性4、對(duì)大多數(shù)雜質(zhì)來(lái)說(shuō)，SiO2是非常好的擴(kuò)散掩膜5、Si和SiO2之間有非常好的選擇腐蝕比率二氧化硅膜的用途（1） 表面鈍化A 、保護(hù)器件的表面及內(nèi)部B 、禁錮污染物（2） 摻雜阻擋層（作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽膜）A 、雜質(zhì)在二氧化硅中的運(yùn)行速度低于在硅中的運(yùn)行速度B 、二氧化硅的熱膨脹系數(shù)與硅接近（3） 絕緣介質(zhì)SiO2介電性質(zhì)良好：介電強(qiáng)度

11、為106-107V/cm干氧氧化(摻氯氧化)；濕氧氧化；水汽氧化(氫氧合成氧化)；氧化方法分類按氧化氣氛的不同來(lái)分：干氧氧化：通入純凈的干燥的氧氣進(jìn)行氧化。摻氯氧化: 氧化時(shí)加入少量氯氣(Cl2)、氯化氫(HCl) 、三氯乙烯(C2HCl3或TCE)或三氯乙烷(TCA)等含氯的氣態(tài)物。濕氧氧化：氧氣在通入反應(yīng)室之前，先通過(guò)加熱高純?nèi)ルx子水，使氧氣中攜帶一定量的水汽；水汽氧化：通入水汽進(jìn)行氧化。（水汽來(lái)源于高純?nèi)ルx子水氣化或H、O直接燃燒化合而成。）干氧氧化特點(diǎn)：氧化層結(jié)構(gòu)致密，氧化速度慢；均勻、重復(fù)性好；SiO2 層表面的硅氧烷與光刻膠粘附性良好，不易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象。水汽氧化特點(diǎn)：氧化層結(jié)構(gòu)疏松

12、，質(zhì)量不如干氧好，水汽氧化速度快 ；均勻、重復(fù)性差。表面是極性的硅烷醇結(jié)構(gòu)，存在的羥基極易吸附水，極性的水不易與非極性光刻膠粘附，所以氧化層容易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象。濕氧氧化特點(diǎn)：兼有干氧和水汽兩種氧化的共同特點(diǎn)，氧化速度和質(zhì)量介于兩者之間。三種氧化的特點(diǎn)比較速度均勻重復(fù)性結(jié)構(gòu)掩蔽性水溫干氧慢好致密 好濕氧快較好中基本滿足95水汽最快差疏松較差102 實(shí)際中， MOS結(jié)構(gòu)柵氧化層制作采用：干氧氧化; IC中的場(chǎng)隔離氧化(即場(chǎng)氧)制作采用：濕氧或水汽氧化 掩蔽膜制作采用，干氧(摻氯) -濕氧-干氧交替氧化摻氯氧化的目的：減小SiO2中的Na+污染，改善SiO2層的質(zhì)量。摻氯氧化的特點(diǎn)：摻氯氧化可吸收、提

13、取氧化層下面硅中的雜質(zhì)，減少?gòu)?fù)合中心，使少子壽命增加。因?yàn)楦邷叵侣葰夂驮S多雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性的化合物而從反應(yīng)室逸出?？赦g化可動(dòng)離子，改善器件特性及可靠性。由于集中分布在SiO2-Si界面附近的氯Cl-可使移到此處的Na+被陷住不動(dòng)，從而使Na+喪失電活性和不穩(wěn)定性?？山档蚐iO2層中的固定電荷和界面態(tài)密度，減少二氧化硅中的缺陷。由于氯中和界面電荷，填補(bǔ)了氧空位?？商岣哐趸俣龋绕鸫呋瘎┑淖饔?。氧化過(guò)程：氧化劑(氧氣或水汽)從氣相內(nèi)部輸運(yùn)到氧化層表面。擴(kuò)散穿過(guò)已經(jīng)生成的氧化層，抵達(dá)SiO2-Si界面；在界面處與硅發(fā)生氧化反應(yīng)；反應(yīng)副產(chǎn)物(如H2)離開(kāi)擴(kuò)散層,并向主氣流轉(zhuǎn)移。影響熱氧化速度

14、的因素：1 氧化時(shí)間t；2 氧化溫度T；3 氧化劑的分壓強(qiáng)PGO (有低壓氧化、高壓水汽氧化技術(shù))4 氧化氣氛（即干氧氧化、濕氧氧化、水汽氧化，Dox）5 襯底表面勢(shì)效應(yīng)；6 時(shí)間常數(shù)t*薄氧化層xo*低溫或低壓氧化：為了保證超薄的氧化層的均勻性和重復(fù)性，要求氧化速率必須足夠慢，可采用低溫或低壓氧化，或兩者結(jié)合。高壓氧化也是MOS柵極氧化的優(yōu)選工藝之一，因?yàn)楦邏貉趸猩傻臇艠O氧化層比常壓下生成的絕緣性要強(qiáng)。高壓氧化工藝還可以解決在局部氧化(LOCOS)中產(chǎn)生的“鳥(niǎo)嘴”效應(yīng)問(wèn)題。鳥(niǎo)嘴效應(yīng)：在氧化時(shí)，當(dāng)O2擴(kuò)散穿越已生長(zhǎng)的氧化物時(shí)，在各個(gè)方向上擴(kuò)散，縱向擴(kuò)散的同時(shí)也橫向擴(kuò)散，這意味著在氮化物掩膜下有著輕微的側(cè)面氧化生長(zhǎng)。由于氧化層比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生長(zhǎng)將抬高氮化物的邊沿。我們稱之為“鳥(niǎo)嘴效應(yīng)”。外延層應(yīng)滿足的要求： (1)表面應(yīng)平整，光亮。(2)晶體完整性好，位錯(cuò)和層錯(cuò)密度低。(3)外延層的本底雜質(zhì)濃度要低，補(bǔ)償少。(4)對(duì)于異質(zhì)外延，外延層與襯底的組分間應(yīng)突變(要求組分緩變的例外)并盡量降低外延層和襯底間組分互擴(kuò)散。 (5)摻雜濃度控制嚴(yán)格，分布均勻，使得外延層有符合要求而均勻的電阻率。不僅要求一片外延片內(nèi)，而且要求同一爐內(nèi)，不同爐次生長(zhǎng)的外延片的電阻率的一致性好。 (6) 外延層的厚度應(yīng)符合要求，均