固體物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告向洋辛

1、半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)期末報(bào)告系所：電子工程學(xué)系一、 緒論希望將來能夠從事積體電路製造和積體電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域方面的工作，有機(jī)會(huì)能學(xué)習(xí)積體電路的製成過程是件很棒很酷的事情。出於熱愛這個(gè)領(lǐng)域的動(dòng)機(jī)，基於將來立志從事該領(lǐng)域的工作的情況，我選修了該門課程。我希望通過該門課程的學(xué)習(xí)，可以瞭解積體電路製造的一些基本的知識(shí)，將課堂上所學(xué)習(xí)的半導(dǎo)體理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的器件上，學(xué)會(huì)使用實(shí)驗(yàn)室裡有關(guān)積體電路製造的儀器的使用方法。二、 實(shí)驗(yàn)步驟MOS CapacitorI. 製作流程與制程條件使用 p-type (100) Si wafer晶片電阻率：812 ohm-cm，晶片厚度：505545 um，晶片直徑：99.7100.3

2、mm。Wafer變化的流程圖如下第一步，RCA CleaningRCA清洗順序如下：SPM-DI water-DHF-DI water-SC1-DI water-SC2-DI water-DHF-DI water以上試劑的配方以及使用溫度，時(shí)間（也即是條件）和作用如下。SPM是由濃H2SO4和H2O2按4：1比例配製而成。其作用是利用SPM的強(qiáng)氧化性，清除wafer表面的重金屬離子以及分解和氧化有機(jī)污染物。DI water是自然界的水去掉了鈉、鈣、鐵、銅等元素的陽離子以及氯、溴等元素的陰離子後的水。除了H3O+和OH-外，DI water中不含有其他任何離子成分，但仍可能有一些有機(jī)物以非離子形

3、態(tài)存在於其中。其功用有許多，包括配製RCA清洗溶液，清洗wafer。使用DI water可以有效避免在wafer表面引入金屬離子與顆粒，從而避免了製成產(chǎn)品電性的改變以及電路上的缺陷。DHF是由DI water和HF按100：1比例配製而成。其作用是去除SiO2以及一些氧化物。SC1是NH4OH、H2O2和DI water按照1：4：20比例配製而成的。其作用是去除金屬離子和微粒。SC2是HCl、H2O2和DI water按照1：1：6比例配製而成的。其作用是去除金屬原子和離子。第二步，Spin Dryer把wafer放在Spin Dryer中，利用高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力來清除wafer表面上殘

4、留的DI water。第三步，Dry Oxidation用wafer boat將乾燥後的wafer放入furnace中。須將wafer移入furnace正中間，因?yàn)榇颂帨囟染鶆?，且最終升溫到氧化反發(fā)生的溫度。示意圖如下化學(xué)運(yùn)算式為Si(s)+O2(g)SiO2(s)示意圖如下操作流程以及每個(gè)步驟所需的溫度和時(shí)間如下下表所示注意通過上述過程的步驟，oxidation的厚度約為250A，本實(shí)驗(yàn)所長(zhǎng)的oxidation厚度約為100A，需在5，6和7步將45分鐘時(shí)間縮短至10分鐘左右。而使用HCl可以減低移動(dòng)離子污染。第四步，Al Deposition進(jìn)行Al Deposition的儀器如下圖所示用

5、真空膠帶將wafer固定在wafer夾盤上，手動(dòng)將wafer推進(jìn)外室，關(guān)閉外室的閥門，然後外室開始降壓，直到與內(nèi)室壓力相近，內(nèi)部閥門打開，wafer夾盤進(jìn)入內(nèi)室，內(nèi)部閥門關(guān)上。Al的濺鍍就在內(nèi)室中進(jìn)行。系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)如下1.ion gun timer (於外室進(jìn)行)先打掉表面的oxide，為pre-clean功能，進(jìn)行約200秒，同時(shí)加熱substrate(至30)。2.DC pre-sputter (於sputter 內(nèi)室進(jìn)行)清潔靶材Al，將不純的Al先打在另一板子上，結(jié)束此步驟後再移開該板。3.DC main sputter (於內(nèi)室進(jìn)行)為真正鍍膜的時(shí)間。該過程進(jìn)行2500秒。第五步，P

6、hoto Lithography本次實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的是正光阻和亮光罩。光阻被照射的地方會(huì)被洗掉，在wafer上留下一個(gè)一個(gè)大小不一的圓形和矩形。在第五步裡需要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟去水烘烤-塗光阻-軟烤-曝光（45秒，此步驟不需要考慮對(duì)準(zhǔn)）-顯影（1分鐘，洗去被曝光的正光阻，留下pattern）-觀察pattern是否合格-如不合格，用丙酮洗去光阻，重新從塗光阻步驟開始；如合格，硬烘烤。第六步，Al Etching蝕刻Al的溶液由H3PO4，HNO3，CH3COOH和H20按比例50:2:10:9 配置而成。將蝕刻液加熱至60，再將顯完影的wafer放在該溶液裡，觀察若Al被蝕刻完畢就將其取出，需把握好

7、蝕刻的時(shí)間。蝕刻完後用丙酮溶解光阻，並用DI water沖洗5分鐘，用氮?dú)獯祹?。第七步，Backside Clean and Backside Al DepositionWafer背面的oxide需要除去，以便鍍上Al電極，在wafer 的正面塗上PR保護(hù)pattern，再將wafer 泡入BOE 中，就可去除背面oxide。 Backside Al Deposition 的程式和正面相同。II. 製作過程中，觀察到的可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的事項(xiàng)在第一步中，清洗的品質(zhì)很大程度上影響了制程的產(chǎn)率。在本實(shí)驗(yàn)中也就會(huì)影響到MOS Capacitor的性質(zhì)。比如清洗時(shí)，是否有將重金屬離子，原始表面的薄氧化

8、層以及有機(jī)物等去除乾淨(jìng)，這些不乾淨(jìng)會(huì)導(dǎo)致低Breakdown Field，Junction的漏電流，Vt電壓的偏移，高的Contact Resistance，較低品質(zhì)的Silicide Formation的問題。在第二步中，高速旋轉(zhuǎn)後，很有可能在wafer上留下水漬。在第三步中，有許多影響oxidation厚度的因素，包括反應(yīng)溫度，環(huán)境的壓力，wafer的晶向。反應(yīng)溫度越高，oxidation成長(zhǎng)的越快；在表面進(jìn)行氧化更快，因?yàn)楸砻婢哂懈嗟腟i原子。P-N JunctionI. 製作流程與制程條件使用 p-type (100) Si wafer晶片電阻率：812 ohm-cm，晶片厚度：50

9、5545 um，晶片直徑：99.7100.3mmWafer變化的流程圖如下 第一步，RCA Cleaning如MOS Capacitor中的過程所述。第二步，Spin Dryer如MOS Capacitor中的過程所述。第三步，Wet Oxidation用wafer boat將乾燥後的wafer放入furnace中。須將wafer移入furnace正中間，因?yàn)榇颂帨囟染鶆?，且最終升溫到氧化反發(fā)生的溫度。示意圖如下Furnace溫度設(shè)定為三階段，400到800再到1000。再設(shè)定管內(nèi)要流入的氣體及其流量，控制H2和O2的比例為1.8：1到1.9：1。設(shè)置H2為3600sccm，O2為2400sc

10、cm。在反應(yīng)發(fā)生前5 分，先鐘通入O2，稀釋furnace內(nèi)原有的N2，並使furnace內(nèi)的O2達(dá)到要求流量。反應(yīng)開始後，通入H2；濕式氧化反應(yīng)較快，幾分鐘反應(yīng)即可完成，達(dá)到厚度要求。反應(yīng)完成後，先關(guān)閉H2，經(jīng)過五分鐘後，最後把O2 關(guān)掉。等待降溫，然後取出wafer。第四步，Al Deposition如MOS Capacitor中的過程所述。第五步，Photo Lithography如MOS Capacitor中的過程所述。第六步，Wet Etching用BOE，浸泡上述步驟的wafer，將需要蝕刻掉的oxide蝕刻掉。注意掌控時(shí)間，以免蝕刻過頭，或者沒有蝕刻完全。第七步，POCl3 Do

11、ping and Drive In在該步驟中，要在mask留下的圖案上置入P離子。使用爐管進(jìn)行操作，因?yàn)镻OCl3 為有毒氣體，因此在爐管口石英蓋上的小管會(huì)用另外的管子聯(lián)通左側(cè)氣體接收口，防止有毒氣體外泄。本實(shí)驗(yàn)使用樓constant surface concentration 的方法，在Si 表面持續(xù)提供大量P，使表面P 濃度為定值。將POCl3 加熱至26 成氣體，且爐管加熱至900 (爐管內(nèi)原先就設(shè)定N2 2000 sccm 流量)。準(zhǔn)備就緒後通入氧氣5 min。(約320ccm)。N2 為載氣(150 sccm)將POCl3 氣體送入爐管，並通過N2 流量控制POCl3 通入之流量。反

12、應(yīng)方程式為：4POCl3+3O2-2P2O5+6Cl22P2O5+5Si-4P+5SiO2此時(shí)在wafer表面形成一層磷玻璃，絕續(xù)維持內(nèi)部N2及900 的溫度，流入POCl3使P 能擴(kuò)散進(jìn)wafer，該過程持續(xù)30分鐘。此即形成n+。隨後降溫，降溫時(shí)，溫度不可變化太大。理論上降溫到200較安全，在實(shí)際操作中降至約400 ，然後將wafer從爐管內(nèi)拿出。第八步，Al Deposition如MOS Capacitor中的過程所述。第九步，Photo Lithography+對(duì)準(zhǔn)開始如MOS Capacitor中的過程所述。在曝光前需要通過顯微鏡來操作。把wafer放在載臺(tái)正中央，從鏡頭看去，可以看

13、見有兩層圖案，第一層較亮且清晰，是mask的圖案；第二層較暗且模糊，是wafer上的圖案。將鏡頭移動(dòng)至右上角，找到mark，若mark方向一致則可以繼續(xù)下面的步驟，若不一致，則取下mask，進(jìn)行調(diào)整。方向一致後，進(jìn)行contact，不斷調(diào)節(jié)高度軸，直到在鏡頭中看不見第二層的陰影。當(dāng)contact成功後，撥動(dòng)下對(duì)準(zhǔn)的桿，可以開始對(duì)準(zhǔn)步驟了。 講鏡頭移動(dòng)至右上角，找到mask和wafer上的mark，調(diào)整X、Y和 軸，使兩個(gè)mark重合。再垂直向下移動(dòng)鏡頭，尋找新的mark。新的mark找到後，一般是沒有重合的，先調(diào)整 軸，使兩層的mark相互平行，（經(jīng)過此步驟後，mask和wafer重合的誤差會(huì)

14、被進(jìn)一步減?。┰僬{(diào)整X和Y使mark重合。在右上角這條直線上有規(guī)律的重複這個(gè)步驟，直到這條線上的所有mark都已經(jīng)重合。此時(shí)，再想左移動(dòng)鏡頭，右順序的檢查其他地方的mark是否也已經(jīng)重合。最後只需再進(jìn)行下細(xì)微的調(diào)整。第十步，Al Etching如MOS Capacitor中的過程所述。第十一步，Backside Clean and Backside Al Deposition如MOS Capacitor中的過程所述。II. 製作過程中，觀察到的可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的事項(xiàng)與MOS Capacitor一樣，這些因素也同樣會(huì)在P-N Junction中產(chǎn)生影響。除此之外，第六步我wet etching

15、中，BOE時(shí)間的浸泡時(shí)間也一定要掌握好，浸泡時(shí)間太短則使PR沒有完全去除，影響離子擴(kuò)散，太長(zhǎng)則使光阻溶解，破壞了pattern。第十步中的對(duì)準(zhǔn)也會(huì)很大程度上影響電路的pattern。三、 結(jié)果與討論MOS Capacitor1. I-V特性由實(shí)驗(yàn)測(cè)量資料，繪製I-V特性曲線如下由上兩圖比較可知，正向與逆向的電性有較大的不同，逆向漏電流較小，而正向則在正向電壓為10V左右時(shí)開始有-10次方數(shù)量級(jí)的漏電流。這與正逆的barrier height不同有關(guān)。2.Breakdown Voltage和Breakdown Field由實(shí)驗(yàn)測(cè)量資料，繪製breakdown voltage特性曲線如下由上述曲線

16、所示，breakdown voltage大約為逆向偏壓15V，因?yàn)樵?15V時(shí)，電流有突然變大的趨勢(shì)，VBD約為15V。測(cè)量的氧化層厚度TOX=84A。在計(jì)算Breakdown Field時(shí)，要考慮原件內(nèi)部的電場(chǎng)影響，所以EBD=(VBD-VFB)/ TOX, 其中VFB在C-V特性曲線中可以求出，最後EBD=-10.46E+6 V/cm，理論比較接近。3.Electron Tunneling Barrier Height利用Fowler-Nordheim tunneling 的關(guān)係,並取對(duì)數(shù)後得,在該公式中，OX是electric field。這樣lnJFNOX2就和B成為線性關(guān)係，可以通過

17、作圖求斜率與截距來求出B和A。其中B為當(dāng)然，在作圖時(shí)要截取發(fā)生F-N tunneling的區(qū)段，此時(shí)電壓從2V到4V變化。上述關(guān)係曲線如下算得斜率是-1.39E+8。則B=1.39E+8，從而b=2.02eV。理論值為3.1eV，與理論比較接近，在合理範(fàn)圍內(nèi)。其次算得A=8.83E-19，已經(jīng)嚴(yán)重偏離了理論值，在接下來的計(jì)算中，需要用到參數(shù)A的地方，採用其他同學(xué)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。4.Current Density at 10MV/cm在離10MV/cm最近兩個(gè)的資料之間，利用線性內(nèi)插方式，求出電流密度為4.56E-8 A/cm2。5.C-V特性曲線該曲線符合高頻的MOS Capacitor的C-V趨

18、勢(shì)。從理論上來講，當(dāng)加上反向偏壓時(shí)，曲線應(yīng)該呈現(xiàn)出水準(zhǔn)狀態(tài)，而實(shí)際上隨著反向偏壓的增大有上揚(yáng)的趨勢(shì)。6.Electrical Thickness of SiO2由公式TOX=AOX /COX，帶入數(shù)據(jù)得TOX=1.49E-9 m=14.9 A，該計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果相差很大，隨著以上參數(shù)錯(cuò)誤的累計(jì)，才導(dǎo)致了現(xiàn)在的大誤差計(jì)算，但是計(jì)算結(jié)果和測(cè)量值仍在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上。7.Flat Band Voltage先求出CFB，則與之對(duì)應(yīng)的就是VFB。由公式， 有CDFB=1.45E-8 F/cm2。再將Cacc和CDFB帶入上式，可以得到CFB=2.69E-8。由內(nèi)插法，得VFB為-6V。計(jì)算出的VFB與理

19、論值有很大偏差，從計(jì)算上來分析是因?yàn)闇y(cè)量並計(jì)算出的摻雜濃度太低，從而導(dǎo)致VFB較大。8.Effective Oxide Charge Density由公式並查表得到Al在NSub=3.26E+13時(shí)的ms=-0.7V,且COX約為Cacc=9.42E-9 F/cm2，有Qtotal=4.99E-8。9.Substrate Doping Concentration先求得NSub，公式為做1/C2對(duì)VG的圖，如下截取VG從-2.0V到-0.8V的一段，重新畫圖，得到如下曲線曲線斜率為3.67E+17，帶入上述公式，得到NSub=3.26E+13。這個(gè)摻雜濃度比一般的P型半導(dǎo)體摻雜濃度（E+15）低

20、。10.Comments綜合上面的資料，這次製作的MOS Capacitor性能與理論較符合，成功的驗(yàn)證了理論，但仍與理論模型一定的差異。P-N Junction1.I-V curve正向偏壓的電性符合理論，大約在電壓為0.7V時(shí)，二極體打開，電流明顯增大。對(duì)於反向偏壓，注意其電流的尺度為E-9，比E-5遠(yuǎn)小，所以基本上處於關(guān)斷的狀態(tài)。從這兩點(diǎn)上來看，該二極體的性能還是比較符合理論模型的。2.Forward N Factor正偏時(shí)的電流公式為兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，化成線性關(guān)係為所以需要做出ln（I）和V的關(guān)係曲線圖，通過斜率就可以求出n的值。從理論上看，I-V關(guān)係可以分為四個(gè)區(qū)段，分別Generat

21、ion-recombination, Diffusion Current, High Level Injection和Series Resistance Effect,在本次實(shí)驗(yàn)中截取Diffusion Current部分的電流進(jìn)行n值的計(jì)算，所以根據(jù)理論值，選取電壓從0V到0.5V的區(qū)域做上述關(guān)係圖，所求曲線圖如下線性擬合算得的斜率為0.0589，從而factor n=2.078。n值應(yīng)該在1至2之間，基本符合理論計(jì)算，當(dāng)n=2.078說明電流中含有Generation-recombination Current。3.Reverse Breakdown Voltage根據(jù)資料作圖如下由上圖可以看出，並沒有出現(xiàn)breakdown voltage，無法從反向電壓特性曲線得出結(jié)論。4.Current Density at 5V Reverse Bias在反向5V偏壓時(shí)，電流為I=2.81E-9 A，面積