第5章 半導(dǎo)體器件器件制備技術(shù)-1

1、1信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 姜梅姜梅5.1 晶體生長(zhǎng)和外延5.1.1 晶體基本生長(zhǎng)技術(shù) Si的制備過(guò)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(jiǎn)示圖5.1.2 晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)外延是一種采取化學(xué)反應(yīng)法進(jìn)行晶體生長(zhǎng)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(lèi)型、電阻率、厚度及完整晶格結(jié)構(gòu)的單晶層，由于這個(gè)新的單晶層是在原來(lái)

2、襯底晶面向外延伸的結(jié)果，所以稱(chēng)其為外延生長(zhǎng)外延生長(zhǎng)，這個(gè)新生長(zhǎng)的單晶層叫外延層外延層。最常見(jiàn)的外延生長(zhǎng)技術(shù)為化學(xué)氣相淀積（CVD）和分子束外延生長(zhǎng)（MBE）。 n外延生長(zhǎng)的基本原理 氫還原四氯化硅外延生長(zhǎng)原理示意圖n硅的CVD外延化學(xué)氣相淀積是指通過(guò)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(guò)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(gè)或多個(gè)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(wú)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(jī)理 n對(duì)硅半導(dǎo)體器件而言，大部分的對(duì)硅半導(dǎo)體器件而言，大部分的SiO2層都是用熱氧化層都是用熱氧化方法生長(zhǎng)的方法生長(zhǎng)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(jìn)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）+2H

4、2O（氣體）SiO2（固體）+2H2（氣體） SiO2生長(zhǎng)過(guò)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(jìn)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(jìn)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

5、置示意圖 冷水自然滴法氧化裝置示意圖 5.2.4 SiO2質(zhì)量的宏觀檢驗(yàn) 為了確認(rèn)SiO2的質(zhì)量，可采用宏觀方法進(jìn)行檢驗(yàn)。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(wú)斑點(diǎn)、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(guò)程簡(jiǎn)介光刻所需要的三要素為：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)光刻所需要的三要素為：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)。常規(guī)的光刻過(guò)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(jī)曝光

6、之后，再采用特定的溶劑進(jìn)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)移到光刻膠上，然后再經(jīng)過(guò)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(gè)光刻過(guò)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(yuǎn)紫外線曝光 甚遠(yuǎn)紫外線曝光系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)圖 nX射線曝光（XRL） X射線曝光原理簡(jiǎn)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(zhǔn)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(guò)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)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

7、于激發(fā)態(tài)的分子、原子及各種原子基團(tuán)等）與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或通過(guò)轟擊等物理作用而達(dá)到刻蝕的目的。 5.4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)摻雜n雜質(zhì)摻雜是將可控?cái)?shù)量的雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體內(nèi)，以達(dá)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(kuò)散和離子注入是半導(dǎo)體摻雜的兩種主要方式。 擴(kuò)散與離子注入方法摻雜示意圖（a）擴(kuò)散 （b）離子注入5.4.1 雜質(zhì)擴(kuò)散機(jī)理與方法 n1擴(kuò)散機(jī)理n2兩種表面源的擴(kuò)散分布n（1） 恒定表面源擴(kuò)散 n（2） 限定源擴(kuò)散 n3恒定表面源擴(kuò)散方法n（1） 固態(tài)源擴(kuò)散 n（2） 液態(tài)源擴(kuò)散 n4擴(kuò)散結(jié)果的測(cè)量n（1） 薄層電阻的測(cè)量 n（2） 結(jié)深的估算和測(cè)量 n（3） 擴(kuò)散

8、分布測(cè)量 5.4.2 離子注入原理與系統(tǒng)n離子注入機(jī)系統(tǒng)離子注入是一種將帶電的且具有能量的粒子注入襯底的過(guò)程，該過(guò)程是靠離子注入機(jī)來(lái)完成，離子注入機(jī)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(jī)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(wú)定型靶中的高斯分布 n退火退火由于離子注入所造成的損傷區(qū)及畸變團(tuán)，使遷移率和壽命等參數(shù)受到嚴(yán)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(yùn)動(dòng)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(dāng)?shù)臏囟扰c時(shí)間下，對(duì)離子注入

9、的硅片進(jìn)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，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(wú)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