半導(dǎo)體物理與器件_課件_教學(xué)_作者_裴素華_第5章_半導(dǎo)體器件

1、第五章第五章 半導(dǎo)體器件制備技術(shù)半導(dǎo)體器件制備技術(shù)5.1 晶體生長和外延5.1.1 晶體基本生長技術(shù) Si的制備過程一般為:nSiC（固體）+ SiO2（固體）Si（固體）+SiO（氣體）+CO（氣體） n Si（固體）+3HCl（氣體）SiHCl3（氣體）+H2（氣體）nSiHCl3（氣體）+H2（氣體）Si（固體）+3HCl（氣體） 柴可拉斯基式拉晶儀的簡示圖5.1.2 晶體外延生長技術(shù)外延是一種采取化學(xué)反應(yīng)法進行晶體生長的另一種技術(shù)。在一定條件下，以襯底晶片作為晶體籽晶，讓原子（如硅原子）有規(guī)則地排列在單晶襯底上，形成一層具有一定導(dǎo)電類型、電阻率、厚度及完整晶格結(jié)構(gòu)的單晶層，由于這個新的

2、單晶層是在原來襯底晶面向外延伸的結(jié)果，所以稱其為外延生長，這個新生長的單晶層叫外延層。最常見的外延生長技術(shù)為化學(xué)氣相淀積（CVD）和分子束外延生長（MBE）。 n外延生長的基本原理 氫還原四氯化硅外延生長原理示意圖n硅的CVD外延化學(xué)氣相淀積是指通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過程。 APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖平板型PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖n分子束外延分子束外延（MBE）是在超高真空條件下一個或多個熱原子或熱分子束蒸發(fā)到襯底表面上形成外延層的方法 。砷化鎵相關(guān)的-族化合物的MBE系統(tǒng)示意圖5.2 硅的熱氧化5.2.1 SiO2的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與作用

3、nSiO2的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)二氧化硅從結(jié)構(gòu)上可分為結(jié)晶型和非結(jié)晶型二氧化硅兩種 SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖（a）SiO2的基本結(jié)構(gòu)單元 （b）結(jié)晶型SiO2 （c）無定型SiO2 nSiO2的化學(xué)性質(zhì)室溫下二氧化硅只與氫氟酸反應(yīng)SiO2+6HFH2（SiF6）+2H2O nSiO2的作用 5.2.2硅熱氧化形成SiO2的機理 n對硅半導(dǎo)體器件而言，大部分的SiO2層都是用熱氧化方法生長的，常用的熱氧化方法有三種：干氧、濕氧和水汽氧化。Si在氧氣或水汽的環(huán)境下，進行熱氧化的化學(xué)反應(yīng)式為：nSi（固體）+O2（氣體）SiO2（固體）nSi（固體）+2H2O（氣體）SiO2（固體）+2H2（氣體） SiO

4、2生長過程示意圖 5.2.3 SiO2的制備方法n干氧氧化干氧氧化是指在1000以上的高溫下，直接通入氧氣進行氧化的方法。 n水汽氧化水汽氧化指的是在高溫下，硅片與高溫水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成SiO2的方法。n濕氧氧化濕氧氧化一般是指氧化攜帶95左右的水氣與硅片一起發(fā)生反應(yīng)生成SiO2的方法。n冷水自然滴法氧化與上述常規(guī)濕氧氧化的唯一不同的地方是，是氧氣攜帶著室溫下的冷水一起進入石英管道。 n氫氧合成氧化 該方法是指在常壓下，將高純氫氣和氧氣通入氧化爐內(nèi)，使之在一定溫度下燃燒生成水，水在高溫下汽化，然后水汽與硅反應(yīng)生成SiO2。 干濕干方法氧化爐裝置示意圖 冷水自然滴法氧化裝置示意圖 5.2.4 S

5、iO2質(zhì)量的宏觀檢驗 為了確認SiO2的質(zhì)量，可采用宏觀方法進行檢驗。其一，檢查SiO2層的表面狀態(tài)，其二是用比色法判定其厚度。 SiO2層的宏觀缺陷是指眼睛可以直接看得到的缺陷：如氧化層厚度是否均勻、表面有無斑點、氧化層是否存有針孔等 5.3 光刻與刻蝕技術(shù) 5.3.1 光刻過程簡介光刻所需要的三要素為：光刻膠、掩膜版和光刻機。常規(guī)的光刻過程主要包括：涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕和去膠。首先將光刻膠利用高速旋轉(zhuǎn)的方法涂敷在硅片上，然后前烘使其牢固地附著在硅片上成為一層固態(tài)薄膜。利用光刻機曝光之后，再采用特定的溶劑進行顯影，使其部分區(qū)域的光刻膠被溶解掉，這樣便將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠

6、上，然后再經(jīng)過后烘以及刻蝕、離子注入等工序，將光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，最后再去膠就完成了整個光刻過程。 光刻工藝流程示意圖 5.3.2 新一代圖形曝光技術(shù)n甚遠紫外線曝光 甚遠紫外線曝光系統(tǒng)裝置簡圖 nX射線曝光（XRL） X射線曝光原理簡圖 n電子束曝光電子束曝光是利用聚焦后的電子束在感光膜上準確地掃描出圖案的方法。 n離子束曝光 5.3.3 刻蝕技術(shù)n濕法化學(xué)腐蝕濕法腐蝕是指利用液態(tài)化學(xué)試劑或溶液通過化學(xué)反應(yīng)進行刻蝕的方法。 n干法刻蝕干法刻蝕是指利用低壓放電產(chǎn)生的等離子體中的離子或游離基（處于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團等）與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過轟擊等物理作用而達到刻蝕的目的。

7、5.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)摻雜n雜質(zhì)摻雜是將可控數(shù)量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體內(nèi)，以達到改變半導(dǎo)體電學(xué)特性，形成PN結(jié)、電阻、歐姆接觸等各種結(jié)構(gòu)之目的。擴散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。 擴散與離子注入方法摻雜示意圖（a）擴散 （b）離子注入5.4.1 雜質(zhì)擴散機理與方法 n1擴散機理n2兩種表面源的擴散分布n（1） 恒定表面源擴散 n（2） 限定源擴散 n3恒定表面源擴散方法n（1） 固態(tài)源擴散 n（2） 液態(tài)源擴散 n4擴散結(jié)果的測量n（1） 薄層電阻的測量 n（2） 結(jié)深的估算和測量 n（3） 擴散分布測量 5.4.2 離子注入原理與系統(tǒng)n離子注入機系統(tǒng)離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注

8、入襯底的過程，該過程是靠離子注入機來完成，離子注入機主要包括離子源、磁分析器、加速管、聚焦、掃描器和靶室等。 離子注入機基本結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖 n2離子注入原理離子注入到無定型靶中的高斯分布 n退火由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸變團，使遷移率和壽命等參數(shù)受到嚴重影響，而且大部分注入的離子并不是以替位的形式位于晶格上，為了激活注入到襯底中的雜質(zhì)離子，使不在晶格位置上的離子運動到晶格位置，以便具有電活性，產(chǎn)生自由載流子起到雜質(zhì)的作用，并消除半導(dǎo)體襯底中的損傷，必須要在適當?shù)臏囟扰c時間下，對離子注入的硅片進行退火。5.5 介質(zhì)薄膜化學(xué)氣相淀積技術(shù)5.5.1 二氧化硅的化學(xué)氣相淀積根據(jù)反應(yīng)溫度的不同

9、，分別有幾種不同的CVD方法制備氧化層。1低溫CVD氧化層2中等溫度CVD氧化層3高溫CVD氧化層5.5.2 氮化硅的化學(xué)氣相淀積 n氮化硅的性質(zhì)與作用Si3N4的結(jié)構(gòu)可以分成無定型和結(jié)晶型兩種Si3N4在器件中的作用：其一用于器件的鈍化其二在大規(guī)模集成電路中經(jīng)常采用多層布線技術(shù)，而Si3N4能在多層布線中起到很好的介質(zhì)隔離作用。其三由于Si3N4的氧化速率很慢，可以作為局域氧化的掩蔽阻擋層 n氮化硅的化學(xué)氣相淀積方法Si3N4薄膜可以利用中等溫度的LPCVD或低溫PECVD方法淀積。 5.5.3 多晶硅的化學(xué)氣相淀積一般利用低壓反應(yīng)爐（LPCVD）在600650范圍內(nèi)分解硅烷淀積多晶硅，其化學(xué)方程式為426002SiHCSiH5.6 金屬薄膜的物理氣相淀積技術(shù)5.6.1 金屬膜的蒸發(fā) 蒸發(fā)所用的各種裝置示意圖（a）電阻加熱器 （b）射頻感應(yīng)加熱器 （c）電子束蒸發(fā)5.6.2 金屬模的濺射各種濺射系統(tǒng)示意圖（a）標準濺射 （b）長程濺射 （c）具有準直器的濺射5.7 制備