硅工艺简易笔记.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页硅工艺简易笔记第二章 氧化n SiO2作用：a.杂质扩散掩蔽膜和离子注入屏蔽膜b.器件表面保护或钝化膜c. MOS电容的介质材料d. MOSFET的绝缘栅材料e. 电路隔离介质或绝缘介质2.1 SiO2的结构与性质n Si-O4四面体中氧原子： 桥键氧——为两个Si原子共用，是多数； 非桥键氧——只与一个Si原子联结，是少数；n 无定形SiO2网络强度：与桥键氧数目成正比，与非桥键氧数目成反比2.2.1 杂质在SiO2中的存在形式1.网络形成者：即替位式杂质，取代Si，如B、P、Sb等其特 点是离子半径与Si接近n Ⅲ族杂质元素：价电子为3，只与3个O形成共价键，剩余1 个O 变成非桥键氧，导致网络强度降低 n Ⅴ族杂质元素：价电子为5，与4个O形成共价键，多余1个 价电子与附近的非桥键氧形成桥键氧，网络强度增加 2.网络改变者：即间隙式杂质，如Na、K、Pb、Ca、 Ba、Al等。

其特点是离子半径较大，多以氧化物形式掺入；结果使非桥键氧增加，网络强度减少2.2.2 杂质在SiO2中的扩散系数n 扩散系数:DSiO2=D0exp(-ΔE/kT) D0-表观扩散系数（ΔE/kT →0时的扩散系数） ΔE-杂质在SiO2中的扩散激活能n B、P、As的DSiO2比DSi小，Ga、Al的DSiO2比DSi大得多，Na的DSiO2 和DSi都大2.3.1 硅的热氧化n 定义：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽等氧化剂化学反应生成SiO21.干氧氧化：高温下，氧气与硅片反应生成SiO2n 特点－速度慢； 氧化层致密，掩蔽能力强； 均匀性和重复性好； 表面与光刻胶的粘附性好，不易浮胶2.水汽氧化：高温下，硅片与高纯水蒸汽反应生成SiO2n 特点：氧化速度快； 氧化层疏松－质量差； 表面是极性的硅烷醇--易吸水、易浮胶3.湿氧氧化——氧气中携带一定量的水汽n 特点：氧化速率介于干氧与水汽之间； 氧化层质量介于干氧与水汽之间；4.掺氯氧化——在干氧中掺少量的Cl2、HCl、C2HCl3 （TCE）、 C2H3Cl3 （TCA） 掺氯的作用：吸收、提取大多数有害的重金属杂质及 Na+，减弱Na+正电荷效应。

注意安全：TCE可致癌；TCA高温下可形成光气 （COCl2），俗称芥子气，是高毒物质， 而且TCA会对臭氧造成破坏2.3.2 热氧化生长动力学，时间常数，反映了初始氧化层对后继热氧化的影响（初始氧化层修正系数）2.4.1 决定氧化速率常数的因素1.氧化剂分压B∝pg ， B/A∝pg ； （线性关系） 2.氧化温度n 与抛物型速率常数B的关系： ∵ B=2DOX C*/N1 ｛Dox =D0 exp(-ΔE/kT) ｝ ∴ B与氧化温度是指数关系 无论干氧、湿氧，氧化 温度与B/A是指数关系2.4.2 影响氧化速率的其它因素1.硅表面晶向 ∵ DOX与Si片晶向无关，ks与Si表面的原子密度 (键密度）成正比； ∴ 抛物型速率常数B=2DOX C*/N1，与Si晶向无关； 线性速率常数B/A ≈ ks·C*/N1，与Si晶向有关： 因此（111）面的B/A比 （100）面大。

2.杂质①硼：在SiO2中是慢扩散，且分凝系数m<1；（m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度）氧化再分布后：大量硼从Si进入SiO2中，使非桥键氧增 加，降低了SiO2的网络强度，导致氧化剂DOX增加， 进而导致抛物型速率常数B明显增加，但B/A无明显 变化② P: 分凝系数 m>1 氧化再分布后：少量的P分凝到SiO2中，使氧化剂在SiO2中的扩散能力增加不多，因而抛物型速率常数B变化不大；大部分P集中在Si表面，使线性速率常数B/A明显增大③水汽n 干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；n 水汽会增加陷阱密度④钠n 钠以Na2O的形式进入SiO2中，使非桥键氧增加，氧化剂的扩散能力增加，但SiO2强度下降了⑤氯n 氯的作用：固定重金属、Na+等杂质；增加Si中的少子寿命；减少SiO2中的缺陷；降低界面态和固定电荷密度；减少堆积层错2.5 热氧化的杂质再分布n 分凝系数m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度对同一杂质、同一温度条件，在平衡状态下，m是一 个常数由m可判断在界面处杂质分布的情况。

n 四种分凝现象：根据m<1、m>1和快、慢扩散 ① m<1、 SiO2中慢扩散：B ② m<1、 SiO2中快扩散：H2气氛中的B ③ m>1、 SiO2中慢扩散：P ④ m>1、 SiO2中快扩散：Gan 影响Si表面杂质浓度的因素： ①分凝系数m ②DSiO2/DSi ③氧化速率/杂质扩散速率1. P的再分布（m=10）n CS/CB：水汽>干氧 原因：氧化速率越快，加入 分凝的杂质越多；CS/CB随温度升高而下降2. B的再分布（m=0.3）n CS/CB：水汽<干氧n CS/CB随温度升高而升高原因：扩散速度随温度升高而提高，加快了Si表面杂质损耗的补偿2.6 薄氧化层n ULSI对薄氧化层的要求： ①低缺陷密度；②好的抗杂质扩散的势垒特性；③低界面态密度和固定电荷；④热载流子和辐射稳定性； ⑤低成本n 解决方法：1.预氧化清洗2.改进氧化工艺：高温（>900℃）快速氧化3.化学改善氧化层工艺：引入Cl、F、N2、NH3、N2O4. CVD和叠层氧化硅第三章 扩 散n 掺杂：将所需的杂质，以一定的方式掺入到半导体基 片规定的区域内，并达到规定的数量和符合要 求的分布。

n 扩散：将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中，从而达 到将杂质扩散到硅片内的目的间隙式扩散--杂质在晶格间的间隙中运动（扩散）势垒—间隙位置的势能相对极小，相邻两间隙之间 是势能极大位置，必须越过一个势垒Wi替位式扩散 定义——杂质原子从一个晶格点替位位置运动到另一个替位位置势垒---与间隙式相反，势能极小在晶格位置，间隙处 是势能极大位置，必须越过一个势垒WS3.2 扩散系数与扩散方程ν0 –振动频率n D0—表观扩散系数，即1/kT→ 0时的扩散系数n ΔE—激活能；间隙扩散： ΔE = Wi， 替位扩散： ΔE = Ws+ Wv3.3.1 恒定表面源扩散n 定义: 在扩散过程中，Si片表面的杂质浓度始终 不变（等于杂质在Si中的溶解度） 例如：预淀积工艺、箱法扩散工艺3.3.2 有限表面源扩散3.3.3 两步扩散工艺n 第一步：在较低温度（800－900℃）下，短时间得 浅结恒定源扩散，即预淀积（预扩散）； 第二步：将预淀积的晶片在较高温度下（1000－ 1200℃）进行深结扩散，最终达到所要求 的表面浓度及结深，即再分布（主扩散）。

3.4 影响杂质分布的其他因素3.4.2 扩散系数与杂质浓度的关系3.4.3 氧化增强扩散（OED）n 实验结果：P、B、As等在氧化气氛中的扩散增强3.4.4 发射区推进（陷落）效应n 实验现象：NPN 管的工艺中，发射区下方的内基区B的扩散深度大于发射区(P扩散形成)外的基区扩散深度3.4.5 二维扩散（横向扩散）n 实际扩散：杂质在垂直Si表面扩散的同时，也进行平行Si表面的横向扩散扩散层的方块电阻 Rs（R□）第四章 离子注入n 离子注入:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬 底中的过程特点：①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,<400℃ （避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜②掺杂数目完全受控:同一平面内的杂质均匀性和重复性在±1％；能精确控制浓度分布及结深，特别适合制作高浓度浅结、突变型分布③无污染:注入离子纯度高，能量单一④横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂⑥注入深度随离子能量的增加而增加n 缺点：①损伤(缺陷)较多:必须退火②设备昂贵，成本高Ø 基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质离 子，并使其在电场中加速，获得一定能 量后，直接轰击到半导体基片内，使之 在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂 作用。

Ø 离子注入三大基本要素： ——离子的产生 ——离子的加速 ——离子的控制离子注入设备1.离子源2.磁分析器（质量分析器）3.加速器4.偏束板：使中性原子束因直线前进不能达到靶室5.扫描器：使离子在整个靶片上均匀注入6.靶室（工作室）4.1 核碰撞和电子碰撞①核碰撞（阻止）②电子碰撞（阻止）4.2 注入离子分布平均投影射程RP、标准偏差（投影偏差）△RPM1—注入离子质量， M2—靶原子质量—峰值浓度（在RP处）NS—注入剂量（通过靶表面单位面积注入的离子数）（注意）4.2.2 横。