半导体工艺原理复习资料

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、移动电话等。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：HNO3+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F=—DddxNF为掺入量D为扩散率N每单位体积中掺入浓度扩散方式：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PPOCl3，PCl3，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。.结深：xRjs浓度：][),(21)(20DtxerfcNtxN（余误差）费克第一定律：xtxNDtxJ),(),(（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）：22),(),(xtxNDttxN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sN始终保持不变。余误差：][),(21)(20DtxerfcNtxNDt特征扩散长度2.结深：21221122)]2[ln(2tDtDtDxBsjNN=tDA223.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℃）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。(Ⅳ）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。（Ⅵ）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：GaInAuSn1.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：效率低离子注入步骤：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）注入离子浓度：]2)(exp[2),(22RRRpppxQtxNRp离子注入范围，umRp为分散度或离散度Q离子束的剂量（原子数/2cm）分布函数：])2(2)(exp[)2()2(),(22212210DtxDttxNRRRQppp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。DsiDsio2，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）－－针孔、裂缝、杂质。b.最大击穿电场（本征）－－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+)长时间氧化：X=)(tBX为硅基上氧化层的厚度A和B为常数τ可通过下式求得：NNKddDDy100202)2(D：硅的氧化系数,Ks：表面反应率常数,N0：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：baTAB')log(对于抛物线斜率常数：baTB')ln((T′=1000/T)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、添加剂正胶：曝光部分溶解负胶的粘附性和抗蚀性好，但分辨率低涂胶工艺：目的：在硅片上沉积一层均匀的光刻胶薄膜方式：滴胶、匀胶（500~700rpm）、旋转（3000~5000）要求：厚度1.0um，均匀性3%以内对准曝光：接触式，接近式，投影式目的：达到图形精确转移软烘目的：去除光刻胶中的溶剂，改善胶的粘附性，优化胶的光吸收特性和显影能力，缓解涂胶时产生的应力，防止曝光时挥发污染设备。软烘不当的后果温度过高时间过长：光刻胶光敏感度降低；相反刻胶显影选择比下降曝光后烘培目的：促进关键化学反应，去除溶剂增强粘附性，防止产生驻波效应，方法：热板，温度高于软烘显影目的：溶解硅片上曝光区域的胶膜，形成精密的光刻胶图形。方法：正胶显影液：2.38%的四甲基氢氧化铵（TMAH）特点：碱性、水性显影液、轻度腐蚀硅显影后用去离子水洗，N2吹干坚膜烘培目的：使存留在光刻胶中的溶剂彻底挥发，提高光刻胶的粘附性和抗蚀性。稳固光刻胶，对下一步的刻蚀或离子注入过程非常重要。方法：热板，温度高于前两次烘焙显影检查常见问题：底部切入、底部站脚、顶部变圆、T型顶、侧墙角、倒胶数值孔径：透镜焦长透镜半径*sinnnmAN分辨率：mnkRsin*是光刻中的一个重要性能指标k工艺因子光源波长NA曝光系统的数值孔径提高分辨率的方法：减小工艺因子k（等离子体）；增大介质折射率：浸入式曝光；增大θm：增大透镜半径、减小焦距焦深：22NA第五章真空真空的分类：人为真空，自然真空真空区域的划分：粗真空：1×105～1×102Pa低真空：1×102～1×10－1Pa。高真空：1×10－1～1×10－6Pa超高真空：1×10－6Pa。真空泵的分类：哪些工艺或器件需要真空：薄膜建设、电镜真空系统：真空泵、真空室、控制系统、真空计参数：极限真空、抽气速率真空的测量：第六章刻蚀刻蚀：通过物理和/或化学方法将下层材料中没有被上层掩蔽膜材料掩蔽的部分去掉，从而在下层材料上获得与掩蔽膜图形完全对应的图形。腐蚀因子：腐蚀深度与横向腐蚀量之比分类：干法等离子体腐蚀和湿法腐蚀；各向同性刻蚀与各向异性刻蚀各向同性刻蚀：薄膜在各个方向上都受到同样的刻蚀各向异性刻蚀：薄膜在各个方向上所受刻蚀不等刻蚀工艺的品质因数：刻蚀速率、选择比、钻刻各向异性度：A=0,各向同性刻蚀；A=1,理想的各向异性刻蚀；1A0，实际的各向异性刻蚀湿法刻蚀干法刻蚀定义利用溶液与预刻蚀材料之间的化学反应来去除未被掩蔽膜材料掩蔽的部分而达到刻蚀目的。利用刻蚀气体辉光放电形成的等离子体进行刻蚀优点设备简单，成本底，产量高，并且具有很好的刻蚀选择比，重复性好。各向异性好，选择比高，可控性、灵活性、重复性好，细线条操作安全，易实现自动化，无化学废液，处理过程未引入污染，洁净度高。缺点各相同性的，钻蚀严重，对图形的控制性较差，安全性、洁净性差。成本高，设备复杂。湿法刻蚀三个步骤：1）反应物扩散到被刻蚀的材料表面；2）反应物与被刻蚀薄膜反应；3）反应后的产物从刻蚀表面扩散到溶液中，并随溶液被排出影响干法刻蚀的因素：1.刻蚀气体的种类、流量及其配比2.射频功率3.温度4.负载效应刻