超大規(guī)模集成電路技術基礎ppt課件

1、7.2.2 退火退火（1基本概念基本概念退火退火 將半導體材料置于高溫下一段時間，利用熱能，一方面可使材料將半導體材料置于高溫下一段時間，利用熱能，一方面可使材料內的原子進行晶格位置重排以降低材料中缺陷，另一方面激活注入粒內的原子進行晶格位置重排以降低材料中缺陷，另一方面激活注入粒子或載流子以恢復遷移率等材料的電學參數(shù)。子或載流子以恢復遷移率等材料的電學參數(shù)。退火技術退火技術 常規(guī)退火：將退火材料置于熱爐管內，通過長時間高溫退火來消除常規(guī)退火：將退火材料置于熱爐管內，通過長時間高溫退火來消除 材料損傷和激活電參數(shù)。材料損傷和激活電參數(shù)。 快速熱退火快速熱退火RTA）：使用各種能源并在極短時間內

2、可完成的退）：使用各種能源并在極短時間內可完成的退 火工藝。火工藝。黃君凱 教授黃君凱 教授圖圖7-9 硅襯底內硼離子注入退火分布硅襯底內硼離子注入退火分布圖圖7-10 硅襯底中離子注入的硅襯底中離子注入的Ts-S關系關系由于固相外延使大劑量由于固相外延使大劑量注入形成的非晶態(tài)表面注入形成的非晶態(tài)表面層在較低層在較低Ts即可全部再即可全部再結晶而激活結晶而激活（3快速熱退火及其裝置快速熱退火及其裝置黃君凱 教授圖圖7-11 常規(guī)與快速退火雜質分布比較常規(guī)與快速退火雜質分布比較圖圖7-12 RAT裝置裝置非相干寬帶光源：非相干寬帶光源：鎢絲燈和弧光燈鎢絲燈和弧光燈7.3 與離子注入有關的工藝與離

3、子注入有關的工藝7.3.1 多次注入和掩膜多次注入和掩膜（1多次注入多次注入 利用多次注入不同摻雜量和注入能量的組合，可獲得利用多次注入不同摻雜量和注入能量的組合，可獲得所需各種組合雜質分布方法。所需各種組合雜質分布方法。黃君凱 教授圖圖7-13 多次注入的疊加雜質分布多次注入的疊加雜質分布（2掩膜掩膜 掩膜層厚度掩膜層厚度d : 作為掩膜的硅化物，氮化物和光刻膠等材料層的厚度。作為掩膜的硅化物，氮化物和光刻膠等材料層的厚度。 穿透系數(shù)穿透系數(shù)T： 透過厚度透過厚度d 掩膜層的離子注入量掩膜層的離子注入量 和總注入量和總注入量S之比。之比。 ，（，（7-9）T 和和d 之間的關系之間的關系【注

4、】由于【注】由于 ，可得，可得 黃君凱 教授圖圖7-14 T 為為 （掩膜效率為（掩膜效率為99.99%）時）時d-E關系關系注入襯底硅注入襯底硅注入襯底砷化鎵注入襯底砷化鎵 ： ：-光刻膠：光刻膠：- 。- dSdSTS2SiO34Si N410exp ()22PddPPxRSSdx1()22PPdRTercf7.3.2 傾角離子注入：減弱注入離子有效能量傾角離子注入：減弱注入離子有效能量黃君凱 教授圖圖7-15 傾角離子注入：形成淺結分布傾角離子注入：形成淺結分布產生串聯(lián)電阻產生串聯(lián)電阻7.3.3 高能注入和大束流注入高能注入和大束流注入（1高能注入（高能注入（ ） 無需高溫下長時間擴散的

5、深層（無需高溫下長時間擴散的深層（ 級摻雜級摻雜 制備低阻埋層制備低阻埋層（2大束流注入（大束流注入（ ） 擴散技術中的預沉積擴散技術中的預沉積 MOS器件閾值電壓的精確調節(jié)器件閾值電壓的精確調節(jié)黃君凱 教授 圖圖7-16 閾值電壓調節(jié)閾值電壓調節(jié)1.5 5MeVMeVm10 20mAmA（3氧注入隔離氧注入隔離SIMOX與絕緣體硅與絕緣體硅SOI） （注入能量：（注入能量： ）黃君凱 教授圖圖7-17 SIMOX技術技術圖圖7-18 SOI 工藝工藝150 200keV 第第 8 章章 薄膜淀積薄膜淀積黃君凱 教授GaAsnSi234/SiOSi NnSi1xxAl GaAs8.1 外延生長

6、工藝外延生長工藝黃君凱 教授圖圖8-1 三種三種VPE裝置裝置1. 硅硅CVD（1反應原理反應物：反應原理反應物： , , , ） 可逆反應：可逆反應： 競爭反應：競爭反應：黃君凱 教授圖圖8-2 濃度對外延影響濃度對外延影響多晶多晶單晶單晶4SiCl22SiH Cl3SiHCl4SiH042120024CSiClHSiHCl 422SiClSiSiCl4SiCl 分子數(shù)摩爾分數(shù)氣體總分子數(shù)（2摻雜外延：雜質在硅表面吸附、分解并運動到生長邊緣而摻入生摻雜外延：雜質在硅表面吸附、分解并運動到生長邊緣而摻入生 長層。長層。 P型摻雜劑型摻雜劑 ；N型摻雜劑型摻雜劑 和和 稀釋劑稀釋劑 （與摻雜劑混

7、合以控制混合氣體流量）（與摻雜劑混合以控制混合氣體流量）黃君凱 教授圖圖8-3 硅外延生長過程硅外延生長過程 圖圖8-4 摻雜外延生長過程摻雜外延生長過程3PH26B H2H3AsH2. 砷化鎵砷化鎵CVD攜帶氣體攜帶氣體 ）砷組元：砷組元：鎵組元：鎵組元：CVD反應：反應：3. 金屬有機化合物金屬有機化合物 CVDMOCVD）（1反應原理反應原理P 型摻雜劑型摻雜劑 ： ；N 型摻雜劑型摻雜劑 攜帶氣體攜帶氣體 （ M原子易在原子易在 中析出并向薄膜生長表面輸送）中析出并向薄膜生長表面輸送）黃君凱 教授34246AsHAsH 2H326223HClGaGaClH oo650432850464

8、12CCAsGaClHGaAsHCloo6003 334800()3CCGa CHAsHGaAsCH 3 3()Zn CHTMGaDEZn二乙基鋅2H SeAs過壓：防止過壓：防止GaAs熱分解熱分解2H2H三甲基鎵：三甲基鎵：（2MOCVD裝置裝置黃君凱 教授圖圖8-5 MOCVD反應器反應器1xxAl GaAs25 3()Al C H三甲基鋁三甲基鋁 ：構成構成 外延層外延層 8.1.2 分子束外延分子束外延MBE）（1MBE工藝工藝 在在 T超高真空條件下，由一種或幾種加熱原子或分子束，超高真空條件下，由一種或幾種加熱原子或分子束，在襯底表面溫度在襯底表面溫度 ）進行反應生長外延層生長速

9、率）進行反應生長外延層生長速率 ）工藝。）工藝。（2MBE裝置裝置黃君凱 教授圖圖8-6 MBE系統(tǒng)系統(tǒng)離子濺射離子濺射氮化硼氮化硼擋板擋板可旋轉襯底支架可旋轉襯底支架o400 900 C8100.001 0.3/minm（3晶面清潔晶面清潔 高溫烘培：分解氧化層并使其他吸附物蒸發(fā)高溫烘培：分解氧化層并使其他吸附物蒸發(fā) 離子濺射：低能惰性氣體離子束表面測射處理及退火離子濺射：低能惰性氣體離子束表面測射處理及退火（4分子碰撞率分子碰撞率 與平均自由程與平均自由程 單位時間，單位面積上碰撞的分子數(shù)稱為分子碰撞率。即：單位時間，單位面積上碰撞的分子數(shù)稱為分子碰撞率。即：式中式中P和和T分別是真空壓強

10、和溫度，分別是真空壓強和溫度，m為分子質量。而平均自由程為：為分子質量。而平均自由程為：這里這里d為分子直徑。為分子直徑。黃君凱 教授*1/2(2)SNPmkTt22kTPd8.2 外延層結構和缺陷外延層結構和缺陷 8.2.1 晶格匹配和應變層外延晶格匹配和應變層外延（1外延層結構外延層結構 同質外延：晶格匹配外延（同質外延：晶格匹配外延（ ，減小襯底，減小襯底串聯(lián)電阻）串聯(lián)電阻） 異質外延：晶格匹配外延（異質外延：晶格匹配外延（ ，差異小，差異小于于0.13%） 應變層外延（應變層外延（ ，彈性晶格，彈性晶格） 無應變外延剛性晶格無應變外延剛性晶格 失配造成刃型位失配造成刃型位錯）錯）黃君凱 教授nSinSiGaAs1xxAl GaAsGaAs1 xxGaIn As黃君凱 教授圖圖8-7 異質外延層結構異質外延層結構失配層：刃型位錯失配層：刃型位錯（2應變層外延應變層外延 臨界層厚度臨界層