第一章硅晶体结构

Si集成电路工艺基础南开大学信息技术科学学院何炜瑜本课程主要讲述硅集成电路制造的各单项工艺，介绍各项工艺的物理基础和基本原理，主要内容包括硅的晶体结构、氧化、扩散、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积、外延、光刻与刻蚀、金属化与多层互连，最后简要介绍集成电路的工艺集成。本课程也是从事微电子相关领域（如太阳电池、半导体器件、激光器、LED和TFT等）的研究和工作的基础课程。课程的主要内容本课程学习的目的通过学习本课程，可以：了解并掌握常用的半导体工艺技术；能够简要叙述集成电路每一个工艺过程；了解基本的集成电路制备过程；能够从事半导体工艺相关的工作。教材与参考书教材：关旭东，硅集成电路工艺基础，北京大学出版社，2003年10月。参考书：•MichaelQuirk,JulianSerda著，韩郑生等译，半导体制造技术(SemiconductorManufacturingTechnology)，电子工业出版社，2004年1月(中英文版)•StephenA.Campbell著，周润德译，微电子制造科学原理与工程技术（TheScienceandEngineeringofMicroelectronicFabrication），电子工业出版社，2004年1月（中/英文版均有）•张兴/黄如/刘晓彦，微电子学概论，北京大学出版社，2000年1月教学方式：课堂讲授为主，每周2学时。成绩评定：期末考试：80%，考勤+作业：20%。教学方式与成绩评定集成电路发展的简要历史集成电路产业的发展趋势集成电路的基本工艺流程前言1947年12月16日贝尔实验室的WillianShockley、JohnBardeen、WalterBrattain，以Ge为半导体材料，发明了用于替代真空管的固态晶体管，成功使用一个电接触型的“可变电阻”----即今天被称为三极管“Transistor”的器件得到放大倍数为100的放大电路。第一个晶体管，美国Bell实验室，1947年。集成电路(IC)发展的简要历史第一个晶体管的发明者：WillianShockley、JohnBardeen、WalterBrattain1950年代——晶体管技术不断发展1952年，第一个单晶Ge晶体管。1954年，第一个单晶硅晶体管，德州仪器公司，GordonTeal。1957年，加利福尼亚州的仙童半导体公司（FairChildSemiconductor）制造出第一个商用平面晶体管。——平面技术。1958年，德州仪器(TI)公司，制造出第一个集成电路(IC)器件，半导体产业向前迈进了重要的一步。第一个集成电路(IC)器件。1958年7月24日，德州仪器（TexasInstruments）的雇员JackKilby，在笔记本中写道：如果电路元件，比如电阻，电容可以使用同种材料制造，则有可能将整个电路加工在单个片子上“singlechip”。当时的真空条件很差的情况下，Kilby于当年的9月12日制造了具有5个集成元件的简单振荡电路，1959年Kilby提交了专利申请US3,138,743：Miniaturizedelectroniccircuits并获得授权。2000年Kilby和其他两位物理学家一起分享了诺贝尔物理奖。1961年，第一个Si集成电路(IC)产品，由德州仪器(TexasInstrument)的JackKilby制备完成。1960年代——集成电路产业快速发展1、在技术上，新材料和工艺技术不断出现，集成电路工艺快速进步。1963年，CMOS晶体管发明，San和Wanlass。1966年，多晶硅栅技术出现。1968年，离子注入技术被应用于半导体器件制造中。2、半导体制造商激增。1961年，Signetics公司。1968年，RobertNoyce、GordonMoor、AndrewGrove成立了Intel公司。1969年，JerrySanders和其他FairChildSemiconductor科学家成立了AMD（AdvancedMicrDevices）公司。3、半导体产业出现分工。出现了专门从事供应的行业，这些行业提供半导体产业必需的化学材料和设备。1970年代——行业竞争加剧随着集成电路的发展，电路的集成度逐渐提高。1、工艺技术发展1971年，Intel采用nMOS技术制成了世界上第一个微处理器Intel4004。在20世纪的整个70年代和80年代初，nMOS技术成为集成电路的主流技术。1979年，在多晶硅栅技术的基础上，开发出了硅化物栅技术，降低了栅极电阻。2、70年代生产设备实现了半自动操作3、出现了标准化组织1970年，SEMI(SemiconductorEquipmentandMeterialsInternational)国际半导体设备及材料协会成立。1977年，SIA(SemiconductorIndustryAssociation)半导体协会成立。4、建厂费用激增1980年代——自动化1、工艺技术进步，低功耗的CMOS技术成为主流。1980年，出现了带侧墙的漏端轻掺杂结构（LDD）。1983年，出现了氮化SiO2栅介质材料，改善器件的可靠性。1985年，出现了双掺杂多晶硅栅的CMOS结构。80年代后期，IBM发展了CMP（化学机械抛光）工艺。1987年，IBM研制成功0.1μmMOSFET,标志着当代超深亚微米MOS技术基本成熟。同年，Intel在386CPU中引入1.2μmCMOS技术——至此CMOS技术占据了集成电路中的统治地位。2、生产设备自动化包括全部的重要硅片加工步骤，大幅度减少工艺中的操作者，这使得硅片制造厂的启动成本快速增加，到80年代后期，上涨到接近10亿美元。1990年代——1、芯片的最小特征尺寸(CriticalDesign,CD)进一步缩小到1μm以下，进入ULSI时代。2、金属化与多层互连技术的发展，使得芯片的集成度、速度进一步提高，同时降低了功耗，减少工艺步骤。3、集成电路设计全部采用计算机CAD。IC规模分类IC规模缩写芯片集成的器件数量SmallScaleIntegration（小规模）SSI2to50MediumScaleIntegration（中规模）MSI50to5,000LargeScaleIntegration（大规模）LSI5,000to100,000VeryLargeScaleIntegration（非常大规模）VLSI100,000to10,000,000UltraLargeScaleIntegration（超大规模）ULSI10,000,000to1,000,000,000SuperLargeScaleIntegration（甚大规模）SLSIOver1,000,000,0001、提高芯片性能1)缩小最小特征尺寸(CriticalDesign)。特征尺寸：芯片上的物理尺寸，如线宽、间距、接触孔等。2000年，SolidStateTechnology的技术总结与展望：19881992199519971999200120022005CD(m)1.00.50.350.250.180.150.130.10集成电路产业的发展趋势2)提高集成度到了1980年代，这一定律的速率放缓到18个月。摩尔定律：随着半导体工艺技术的发展，每过12个月集成电路的晶体管数量增加一倍，而价格保持不变。Intel的创建者之一GordenMoore于1964年发现这一定律。摩尔定律3)降低功耗半导体工业的发展路线图199519971999200120042007最小特征尺寸（μm）0.350.250.180.130.100.07动态随机存储器(DynamicRandomAccessMemory,简称DRAM芯片)每片芯片的字节数每字节的成本（毫分）64M0.017256M0.0071G0.0034G0.00116G0.000564G0.0002微处理器（Microprocessor）每cm2面积的晶体管数每个晶体管的成本（毫分）4M17M0.513M0.225M0.150M0.0590M0.02专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits，ASIC)每cm2面积的晶体管数每个晶体管的成本（毫分）2M0.34M0.17M0.0513M0.0325M0.0240M0.01硅片尺寸（mm）200200200-300300300300特征尺寸和硅片尺寸特征尺寸越来越小，硅片尺寸越来越大，因而集成电路的规模越来越大。集成电路几何学上的限制密集排列的每一个硅原子由原子核和外层电子构成，原子具有一定的尺寸，这决定了集成电路的特征尺寸不可能无限小下去。集成电路器件的限制•原子尺寸为：数Å；•需要一定数量的原子才能形成器件；•这使得集成电路的最小特征尺寸限制在约为100Å或0.01微米；•这一最小特征尺寸大约包含30个硅原子。目前已知的特征尺寸最小的晶体管，由日本NEC于1997年制备完成（14nm）2提高芯片的可靠性随着生产过程超净化的实现，对化学试剂纯度的可控制，以及各种检测和测试技术的提高，使芯片的可靠性越来越高。随着集成电路产业的发展，对超净环境的要求越来越高。3降低价格1946到1996年，半导体微芯片的价格下降了一亿倍。集成电路的基本工艺流程第一章硅的晶体结构1.1硅晶体结构的特点单晶结构---晶体由单一的晶格连续组成多晶结构---晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成非晶结构---固体原子无规则地堆积而成晶格：配置有原子、分子、离子或其集团的空间点阵，可以看成是由质点在三维空间按一定规则周期重复性排列所构成，这种周期性结构为晶格。晶胞：能够最大限度地反映晶体对称性质的最小单元。晶格常数：晶胞的边长300K时，a＝5.4305Å（Si），5.6463Å（Ge）1晶胞简立方晶格kaajaaiaa321体心立方晶格ijka1a2a3o)(2)(2)(2321kjiaakjiaakjiaa面心立方晶格a1a2a3)(2)(2)(2321jiaakiaakjaa金刚石、硅、锗的晶格为金刚石结构，属于面心立方。顶角上每个原子为8个晶胞共有，81/8＝1面心上共有6个原子，每个原子被2个晶胞共有，61/2＝3体对角线上的原子完全属于该晶胞所有，41+3+4＝8一个晶胞含有8个原子2硅晶体原子密度金刚石结构的立方晶胞两套面心立方格子组成的复式格子晶胞体积为：a3一个原子占据的空间为：a3/8原子密度——单位体积含有的原子个数为：8/a3＝51022/cm3——硅4.421022/cm3——锗3共价四面体硅为元素周期表中四族元素，每个原子有4个价电子，形成晶体时，可以形成4个共价键。一个原子在四面体的中心，另外4个同它共价的原子在4面体的顶角上，成为共价四面体。硅形成的共价四面体的键称为四面体键，键之间的夹角为109º28′。最小原子间距，即正四面体中心到顶角原子的距离，是体对角线长的1/4，为。4/3a4晶体内部的空隙空间利用率：原子体积晶胞中原子占据的体积空间利用率原子填充晶胞空间的百分比34r3348r3334r83a则空间利用率为：34％1.2晶向与晶面晶向：一族晶列所指的共同方向，称为晶向。晶面：晶格中同一平面上的格点构成一个晶面。100：110：111：1212aa1212141422.aaa1212115233.aaa线密度最大原子线密度{100}{110}{111}22112424284222.aaa原子面密度2211424aa2223.23423213613aaa21.3硅晶体中的缺陷点缺陷间隙杂质肖特基缺陷弗仑克尔缺陷线缺陷---位错位错与滑移矢量平行，为螺位错。位错与滑移矢量垂直，为刃位错。1.4硅中的杂质替位式杂质间隙式杂质对于Ⅲ、Ⅴ族杂质，只有当其成为替位式杂质时，才能起到施主或受主的作用。