半导体工艺原理复习解析.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）,亥！1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），是接受电子的第一童>1^ -F—N型硅：掺入V族元素--磷P、碑As、睇SbP型硅：掺入III族元素一钱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：L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F= — DdN F为掺入量 D为扩散率N每单位体积中掺入浓度dx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 酸二丙酯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PP0CI3, PCI3, PRr?02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）= Noefc[x2 （Dt）-]（余误差）费克第一定律：J （ x,t） r-DANXt）（扩散粒子流密度，d粒子的扩散系数）--X__2杂质扩散方程（费克第二定律） -N（ x/）二Dct ex费克定律的分析解：L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 （ xzt） - N^efc[x2（Dt）-] Dt特征扩散长度固态源扩散：L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、扫描电容显微法硅片扩散工艺质量检测情况险测]贞目检测设备检测内容 I表面聚光灯趟做瞰玷污全检RsATPP 四探针测试仪各次护散后试片的R篇CVD先 行试SS试片的Rs±5^内film测试显徽瞪F理层*隔蛊再扩散＞ 基便再扩教结牖IK/10K+ o,Zmi]击穿电压圄示仪噩隔离再扩散宕•岛与岛之间的 击穿电压1片3点^特性国不仪炭射忆再扩散和含全侬:npn、pup晶煌昔曲血、 BVCBO. bvebo. BVCEO.含金肓测ai压二概管的VB1片姑顼±1哪内电阻图示仪含金后测电阴值1片3点批±10 ^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n）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JII）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2 结深：X ^厩）〃:AvDt ：3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w）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 .不与容器铝针反应2,均匀，充分，浸润3 .低熔点，低气压扩散扩散、注入对比 注入丁芳、日声. w：日 咨市I • r^j/nn np /nn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 高铝针的作用：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：效率低离子注入步骤:射束控制器高能射束遮光层离子束离子源（■离于化的捋杂物眼子）控制赛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。

泪w拈东•消除注入埠伟 立铀由激法 分为执混w天漆诅w 执诅w r300-1200)注入离子浓度-（x-Rp）2]N（xzt） = exp[ 2 Rp离子注入范围，um7 Cc 2 RA Rp为分散度或离散度 Q离子束的剂量（原子数/cm?）分布函数：N （ x,t）二一八-Q2 ex% ; ] %（2兀）2qrp + 2Dt） 3,注入温度低离子注入优点：1.可控性好；2 ,可以获得任意的掺杂浓 度分布;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eMOS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)一针孔、裂缝、杂质b.最大击穿电场(本征)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3ss4( 3.9)硅基底上氧化层的生成量：短时间氧化：X=B/A (t+.)长时间氧化：X=・B ( t )X为硅基上氧化层的厚度 A和B为常数(do2Ddo)T可通过下式求得： Ky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(B) =a fb对于抛物线斜率常数:In ( B ) - aT' - b (T, =1000/T )试分别估计在陆摄氏度时,干燥相潮湿条奉数.和r件下/屯押的ci】i》硅晶体上经过一个半小时•吞金叉J饲ab条件方程(8.12)-10. 12576.9357干氧方程(8+12)-9.92667.9486湿蒸汽方程(8.13)-14.40276.7436干氧方程也13) -10. 6150_7.1040_湿蒸汽温度严=1000/ (950 + 273) -08177的氧化所生成的二氧化硅的序度"解；已知；开始约束条件为零，即片。

当短时间X = -fA方程(ah对短时间 方程⑹，对怅时佃0. 0989 0. 5572对于长时间时：'WB ■干氧化湿氧化B/A( pjn/h0.045320+ 6786EL 中 i(/h0,0065160.2068求出在干燥和丰斛显时氧化层甲厚度淘干氧化厚度，阿 渎氧化厚度J血0. 06B 1.018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、曝光后烘焙 、显影、坚膜烘焙、显影检查(正胶：先 后；负胶：先后)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。