半导体工艺原理复习资料.docx

第一章晶体生长技术（直拉法（CZ）、区熔法（FZ））半导体：常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，如二极管、计算机、移动等 导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料N型半导体（电子型半导体），自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体硅晶体中掺入 五价元素（如磷），自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电自由电子主要由 杂质原子提供，空穴由热激发形成掺入的杂质越多，多子的浓度就越高，导电性能就越强P型半导体（空穴型半导体）即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体硅晶体中掺入 三价元素（如硼）空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电空穴主要由杂质原子 提供，自由电子由热激发形成掺入的杂质越多，多子的浓度就越高，导电性能就越强 区熔法（FZ）特点：硅片含氧量低、纯度高、成本高、主要用于高功率IC难生长大直径 硅晶棒低阻值硅晶棒、掺杂均匀度较差CZ法：成本低、可做大尺寸晶锭、材料可重复使用CZ工艺工程：籽晶熔接，引晶和缩颈，放肩，收尾影响因素：拉伸速率、旋转速率硅片制备步骤：机械加工，化学处理，表面抛光，质量测量制备流程：整形处理，去掉两端，径向研磨 硅片制作流程：磨片和倒角（防止产生缺陷），刻蚀（去除沾污和损伤层）腐蚀液：HN03+HF+醋酸，抛 光（去除表面缺陷），清洗（去除残留沾污）晶体缺陷：点缺陷（空位缺陷；间隙原子缺陷；Frenkel缺陷）；位错；层错。

杂质的作用：调节硅原子的能级，由于晶体结构的原因，固体中的全部原子的各能级形成了 能带，硅通常可以分为三个能带，导带，禁带，价带如果所有的自由电子都在价带上就是 绝缘体；如果所有的自由电子都在导带上就是导体半导体的自由电子平时在价带上，但 受到一些激发的时候，如热、光照、电激发等，部分自由电子可以跑到导带上去，显示出导 电的性质，所以称为半导体施主能级杂质能级要么距离导带很近（如磷），是提供电子的；受主能级要么距离价带很近（如硼），是接受电子的第二章N 型硅： 掺入 V 族元素--磷 P 、砷 As 、锑 SbP 型硅： 掺入 III 族元素—镓 Ga 、硼 B掺杂：改变材料电学性质、制作PN结、集成电路的电阻器、互联线的目的 掺杂的主要形式：注入和扩散 退火：（热处理）集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程目的： 1.激活杂质 2.消除损伤 3.结构释放后消除残余应力退火方式： 1.炉退火 2.快速退火 缺点：清除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温度高、时间长，导致杂质再分布 快速退火优点：先熔化、再结晶、时间快，杂质束不及扩散 扩散：在一定温度下杂质原子具有一定能量，能够克服阻力进入半导体并在其中做缓慢的迁 移运动。

形式：替代式扩散和间隙式扩散 恒定表面浓度扩散和再分布扩散 dF=—D~dN F为掺入量 D 为扩散率 N每单位体积中掺入浓度x.结深：s扩散方式：气态源扩散、液态源扩散、固态源扩散扩散源扩散系统扩散工艺影响因素硼B硼酸三甲酯， 硼酸三丙酯N2气源、纯化、扩散源、扩散 炉预沉积，去BSG,再分布气体流量、杂质 源、温度磷PP0C13, PC13,PBr3O2和N2气源、纯化、扩散源、 源冷却系统、扩散炉预沉积，去PSG，再分布扩散工艺主要参数： 1.结深：结距扩散表面的距离叫结深 2.薄层电阻 3.表面浓度：扩散层 表面的杂质浓度浓度：N（x,t）二N0朋[X；Dt» （余误差） 费克第一定律：J（x, t）二-DdN（兀 % （扩散粒子流密度，D粒子的扩散系数） 杂质扩散方程（费克第二定律）：学卫-D °2:（X，t）Ct dx 2费克定律的分析解：1.恒定表面浓度扩散，在整个过程中杂质不断进入硅中，而表面杂质浓 / 度Ns始终保持不变余误差: N（X，t）二 N0erf?[/ 2（Dt） 12] 特征扩散长度2. 结深：x = 2 -D t [ln（^N^ Diti）]12 = a\D tj 2 2 兀 N \l D t Y 2 2B ' 2 23. 简单理论的修正：二维扩散（横向扩散）实际扩散区域大于由掩膜版决定的尺寸 此效应将直接影响到VLSI的集成度 表面浓度的大小一般由扩散形式、扩散杂质源、扩散温度和时间所决定。

固态源扩散：1.箱法B扩散（B2O3或BN源，石英密封箱）2•片状BN扩散（氧气活化， 氮气保护，石英管和石英舟，预沉积和再分布）3.片状P扩散（扩散源为偏磷酸铝和焦磷酸 硅）4.固-固扩散（乳胶源扩散）测结深：滚槽法、磨角法、断面SEM法 测薄层电阻：四探针法、范德堡法 杂质浓度分布的测量：电容法、扩展电阻法、剥层法、扫描电容显微法娃片扩散工艺质量检测情况检测顶目检测设备检测内容频廃测试公差表面衆光灯表面缺陷、玷污全检RsAPPP 四探针测试仪各決扩散启试片励Re-CVD 先行试验试片的Re1汰炉+ M内磨糟机、 测试显徽镜『垠层、隔离再扩散「浓硼、 基区再扩散结探1次汕批±0.2um舌穿电压團示仪埋层、隔离再扩散后，岛与 岛之间的击穿电压1片鋪J批晶体管 特性国示仪发射区再扩散和含翔检测： npn、pnp晶体管的hFE、 BVcbOs BVebo. BVceOs 含全肓测穂压二极管的¥e1片3点；批±10%以内电阻含金后测电阻值1片3点:'批+ 10W 内污染控制：颗粒、有机物、薄膜、金属离子 污染来源：操作者,清洗过程,高温处理,工具参量控制：温度，时间，气体流量 离子注入：将掺杂剂通过离子注入机的离化、加速和质量分析，成为一束由所需杂质离子组 成的高能离子流而投射入晶片（俗称靶）内部，并通过逐点扫描完成整块晶片的注入。

掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定 掺杂浓度由注入杂质离子的数目（剂量）决定与热扩散工艺相比有如下优点：（I） 可在较低的温度（低于750°C ）下，将各种杂质掺入到不同半导体中，避免了由于高 温处理而产生的不利影响II） 可精确控制能量和剂量，从而精确控制掺入基片内杂质的浓度、分布和注入深度对 浅结器件的研制更为有利III） 所掺杂质是通过质量分析器单一地分选出来后注入到半导体基片中去的，可避免混入 其他杂质W）掺杂均匀性好，电阻率均匀性可达1%V）纯度高，不受所用化学品纯度影响有可能发展成为无掩模掺杂技术 特点：横向效应小，但结深浅；杂质量可控；晶格缺陷多 离子束用途：掺杂，曝光，刻蚀，镀膜，退火，净化，打孔，切割，改性 离子源分类：等离子体型（有掩膜）；液态金属（高亮度，小束斑） 等离子体：电导率很高的流体 电离方式：热，光，电场加速 基本原理：杂质原子经高能粒子轰击离子化后经电场加速轰击硅片表面，形成注入层 对液态金属要求： Ga In Au Sn1•不与容器钨针反应2. 均匀，充分，浸润3•低熔点，低气压扩散、注入对比扩散注入工艺温度：高温常温浓度和分布控制:较精确精确横向扩散：大小晶格损伤：小大工艺自由度：低高工艺成本：低高钨针的作用：形成电压离子束加工方式：1.掩膜（投影）2.聚焦方式（扫描、聚焦离子束） 聚焦方式的优点：不用掩膜、图形灵活缺点：效率低高能射束 一肘朿控制器控制器离子注入步骤:禹子朿高能离子朿如耐撐杂物避免沟道效应的措施：提高样品温度注入损伤：与注入离子的剂量，能量，质量，靶材料等有关。

退火技术：消除注入损伤、实现电激活，分为热退火和快速退火热退火（300-1200）Q -（x - R ）2注入离子浓度：N（x,t）二 厉△ r exp^- ] R 离子注入范围，umQ离子束的剂量（原子数/cm 2）A R为分散度或离散度Pp p-(X - R )2 exp[Q分布函数：N（x, t） = 0 exp[ p ]（2兀）^2（A R2 + 2Dt）-r2 2（A r 2 + 2Dt）p p离子注入优点：1.可控性好；2•可以获得任意的掺杂浓度分布；3•注入温度低表面薄膜技术方式：氧化、淀积、外延、电镀氧化：硅与氧化剂反应生成二氧化硅干氧：二氧化硅膜干燥致密，掩蔽能力强，与光刻胶粘附性好，但氧化速度慢常用） 湿氧：速度快，但二氧化硅疏松，与光刻胶粘附性不好，易脱落二氧化硅膜的五种用途:a杂质扩散掩蔽膜b器件表面保护或钝化膜c电路隔离介质或 绝缘介质d电容介质材料e MOS管的绝缘栅材料二氧化硅膜的性质：1•二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，除氢氟酸外，和别的酸不 起作用利用这一性质可作为优质的掩蔽膜2.二氧化硅膜的掩蔽性质B、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的扩散系数。

Dsi > >Dsio2, SiO2膜要有足够的厚度一定的杂质扩散时间、扩散温度下，有一最小厚度3. 二氧化硅膜的绝缘性质，热击穿、电击穿、混合击穿：a.最小击穿电场(非本征)一一针 孔、裂缝、杂质b.最大击穿电场(本征)一一厚度、导热、界面态电荷等；氧化层越薄、 击穿电场越低4. 介电常数3〜〜4 (3.9)硅基底上氧化层的生成量：短时间氧化：X=B/A(t+e )长时间氧化：X=\：'B(t +t ) X为硅基上氧化层的厚度 A和B为常数d 2+2 Dd(0 k 0)t可通过下式求得：e = 2d N N D：硅的氧化系数,Ks：表面反应率常数,N0：0载体气体中氧分子的浓度,N1：氧化中氧化物的数目对于线性斜率常数：log(-A) = aT'+b对于抛物线斜率常数：ln(B)二aT+b (T =1000/T)ab条件方程＜8.12)-10. 1257民 9357干氧方程(8.12)-9. 92667. 9486湿蒸汽方程＜8.13)-14 40276. 7436干氧方程(8. 13)-L0. 61507. 1040湿蒸汽解;试分别怙计在9刊摄氏度时，卡憔栢潮济策 车罄 和 件下纯淨的灯硅晶体上经过-个半小时糸珈利匕 的氟就所生成的二氧化硅的厚度.温度泸=1000/ (950-273) =0. 8177已知；卄始釣束条件为零.即丁-0 当短时间时： £ ='干氧化盪氧化B/A＞ pim/h0. 045320. 0786B, pin/h0. 0065160, 2068求出在干燥和*那湿时氧化层的厚度为「氧化厚度"pm溟氧化厚度4方程仙.对短时间0. 0681.018方程①)，对桧时同0. 09890. 5572对于长时间时：X "曲常数B/A和A如2第四章光刻光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机重要性：是唯一不可缺少的工艺步骤，是一个复杂的工艺流程工艺过程：气相成底膜、旋转涂胶、软烘、对准和曝光、曝光后烘轴、显影②、坚膜烘焙、 显影检查(正胶：先②后①；负胶：先①后②)目的:在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形从而实现选择性扩散 和金属薄膜布线的目的。

光刻胶要求：分辨高、对比度好、敏感度好、粘滞性好、粘附性好、抗蚀性好、颗粒小光刻胶成分：树脂、感光剂、溶剂、。