第1章 集成電路工藝原理

1、2022-6-21集成電路工藝原理集成電路工藝原理復(fù)旦大學(xué)微電子研究院復(fù)旦大學(xué)微電子研究院2004.8於偉峰2第一章 工藝概述1.1 器件的發(fā)展與工藝的關(guān)系1.2 硅外延平面晶體管制造工藝1.3 硅集成電路制造工藝3第一章工藝概述第一章工藝概述 第一章 工藝概述1.1IC的發(fā)展與工藝技術(shù)的關(guān)系v IC的發(fā)明是1947年晶體管發(fā)明的邏輯性的必然，是固體電子學(xué)和數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的重要里程碑；v 1947年美國貝爾電話實驗室的J.Bardeen和W.Brattain兩位科學(xué)家發(fā)明了半導(dǎo)體鍺點接觸晶體管；W.Shockley成功地解釋了晶體管的工作原理；為此，三者共享了1956年的諾貝爾物理獎；4194

2、7.12,23聞世的第一個點接觸晶體管聞世的第一個點接觸晶體管51958年年9月月12日日,美國德克薩斯儀器美國德克薩斯儀器公司公司(TI)半導(dǎo)體實驗室半導(dǎo)體實驗室J.Kilby展示展示第一快集成電路第一快集成電路相移振蕩器電路相移振蕩器電路基片基片 鍺鍺 元件數(shù)元件數(shù) 十幾個十幾個空氣隔離空氣隔離, 臺面晶體管臺面晶體管,T、R、C 間由細(xì)導(dǎo)線焊接互連間由細(xì)導(dǎo)線焊接互連被命名為被命名為: 固態(tài)電路固態(tài)電路67v IC IC由這樣一個發(fā)明原形成長為今天現(xiàn)代經(jīng)濟的由這樣一個發(fā)明原形成長為今天現(xiàn)代經(jīng)濟的主要支柱產(chǎn)業(yè)主要支柱產(chǎn)業(yè), ,成為近半個世紀(jì)來發(fā)展最快、影響成為近半個世紀(jì)來發(fā)展最快、影響最深遠

3、的技術(shù)之一；最深遠的技術(shù)之一； v 40 40幾年來，幾年來，ICIC技術(shù)經(jīng)歷了持續(xù)、迅速和不斷創(chuàng)新技術(shù)經(jīng)歷了持續(xù)、迅速和不斷創(chuàng)新的獨特的發(fā)展道路；的獨特的發(fā)展道路；一一 1958 1967 1958 1967 ：ICIC發(fā)明和基本器件制造技術(shù)發(fā)明和基本器件制造技術(shù)形成的初創(chuàng)時期形成的初創(chuàng)時期 1958 19591958 1959，BellBell實驗室等發(fā)展了：實驗室等發(fā)展了： 1 1，硅氧化層的熱生長技術(shù)（，硅氧化層的熱生長技術(shù)（Atalla)Atalla) 2 2，pnpn結(jié)隔離技術(shù)結(jié)隔離技術(shù)(k.Levovec)(k.Levovec) 3 3，鋁薄膜蒸發(fā)技術(shù)，鋁薄膜蒸發(fā)技術(shù) 19591

4、959年，仙童公司（年，仙童公司（Fairchild Co.) Fairchild Co.) J.HoerniJ.Hoerni 發(fā)明了發(fā)明了制造晶體管的平面工藝制造晶體管的平面工藝8 同年，仙童公司的R.NoyceR.Noyce 提出了利用平面工藝的微芯片(Microchip)集成電路技術(shù)，從而，為集成電路大批量生產(chǎn)開辟了道路。為此,J.KilbyJ.Kilby 和 R.NoyceR.Noyce 被公認(rèn)為IC的共同發(fā)明人。91962年研制成功pmos(仙童)和nmos晶體管(RCA);1963年發(fā)明了cmos晶體管(仙童); 這一時期較成熟的產(chǎn)品還是雙極型IC，主流產(chǎn)品為中小規(guī)模IC； 代表性

5、企業(yè)：TI 和 Fairchild Co.10二 1968 1977：半導(dǎo)體器件制造技術(shù)走向成熟的大規(guī)模IC發(fā)展時期 氧化、擴散、外延、和光刻等IC基本工藝和材料制備技術(shù)不斷完善和改進；圍繞提高IC集成度、速度和其他性能，發(fā)展了三項新技術(shù)： 1，離子注入摻雜 2，多晶硅柵 3，硅局部氧化(LOCOS)適于微型化的自對準(zhǔn)MOS IC結(jié)構(gòu)和工藝開始得到應(yīng)用；MOS IC制造技術(shù)趨于成熟，PMOS、NMOS大規(guī)模IC相繼得到迅速發(fā)展；11 工藝技術(shù)進步導(dǎo)致產(chǎn)品更新?lián)Q代，成為今天支柱產(chǎn)品的半導(dǎo)體存儲器和微處理器芯片開始發(fā)展； 1969年研制成功雙極型存儲器后，相繼出現(xiàn)了適于高容量集成的動態(tài)隨機存儲器（

6、DRAM)； 1968年, R.Noyce R.Noyce 、 G.Moore G.Moore 和和 A.GroveA.Grove 脫離 Fairchild Co. 創(chuàng)立 Intel Co. 在這一時期初露鋒芒，并于1971年，研制成功微處理器； 在這時期，生產(chǎn)方式發(fā)生重大變化，由實驗室作坊式，逐漸轉(zhuǎn)變成高度集中的大生產(chǎn)；121314三三 1978 19871978 1987：大規(guī)模集成電路技術(shù)急劇發(fā)展：大規(guī)模集成電路技術(shù)急劇發(fā)展的時期的時期工藝、材料、設(shè)計和測試技術(shù)全面進步，促使工藝、材料、設(shè)計和測試技術(shù)全面進步，促使VLSIVLSI成為半導(dǎo)體器件的主導(dǎo)產(chǎn)品。適應(yīng)成為半導(dǎo)體器件的主導(dǎo)產(chǎn)品。適

7、應(yīng)VLSIVLSI要求：要求： 1 1，工藝：，工藝：（1 1）電子束制版電子束制版；（；（2 2）分步重復(fù)曝分步重復(fù)曝光光刻技術(shù)光光刻技術(shù)（Stepper) Stepper) 開始廣泛應(yīng)用開始廣泛應(yīng)用 精度顯精度顯著提高；（著提高；（3 3）磁控濺射磁控濺射代替蒸發(fā)代替蒸發(fā) 金屬膜淀積金屬膜淀積手段；（手段；（4 4）CVDCVD和和RIERIE不斷創(chuàng)新；不斷創(chuàng)新； 2 2，材料：由，材料：由7575發(fā)展到發(fā)展到100100、125125和和150mm150mm； 3 3，設(shè)計和測試：，設(shè)計和測試：CADCAD和和CATCAT技術(shù)得到普遍使用；技術(shù)得到普遍使用；15 DRAM DRAM等半導(dǎo)

8、體存儲器的集成度和生產(chǎn)規(guī)模越來等半導(dǎo)體存儲器的集成度和生產(chǎn)規(guī)模越來越大，成為當(dāng)時市場、技術(shù)競爭的標(biāo)志；越大，成為當(dāng)時市場、技術(shù)競爭的標(biāo)志； 日本日本NECNEC迅速崛起，占有存儲器大部分市場令人迅速崛起，占有存儲器大部分市場令人震驚；震驚； PCPC機出現(xiàn)，使微處理器芯片設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)得到機出現(xiàn)，使微處理器芯片設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)得到迅速發(fā)展，迅速發(fā)展，Intel Intel 退出存儲器競爭，專攻微處理器；退出存儲器競爭，專攻微處理器； 70年代末，80年代初作為主流的NMOS VLSI技術(shù)逐步讓位于功耗顯著減小的CMOS技術(shù) 這時期技術(shù)發(fā)展的特點之一16四四 1988198820072007，IC

9、IC技術(shù)和應(yīng)用都突飛猛進的輝煌發(fā)技術(shù)和應(yīng)用都突飛猛進的輝煌發(fā)展時期展時期微細(xì)加工技術(shù)不斷突破，進入亞微米、深亞微米領(lǐng)微細(xì)加工技術(shù)不斷突破，進入亞微米、深亞微米領(lǐng)域；整個系統(tǒng)集成在芯片（域；整個系統(tǒng)集成在芯片（SOCSOC）上的超大規(guī)模集成）上的超大規(guī)模集成電路（電路（SLSISLSI）技術(shù)得到迅速發(fā)展；）技術(shù)得到迅速發(fā)展； 1 1，光刻技術(shù)的突破，應(yīng)用深紫外激光光源系統(tǒng)，光刻技術(shù)的突破，應(yīng)用深紫外激光光源系統(tǒng)已能制造已能制造0.250.25、0.150.15甚至甚至0.09m0.09m的深亞微米的深亞微米ICIC； 2 2，多層布線等一系列亞微米、深亞微米器件配，多層布線等一系列亞微米、深亞微

10、米器件配套的技術(shù)、設(shè)備、材料得到應(yīng)用。例如，套的技術(shù)、設(shè)備、材料得到應(yīng)用。例如，銅布線和Low-K互連技術(shù)、High-K柵介質(zhì)、SOI薄膜CMOS以及異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)類型的Si-CMOS技術(shù)等；CMOSCMOS成為占壓倒優(yōu)勢的成為占壓倒優(yōu)勢的ICIC器件，占有率達器件，占有率達75%75%以上以上; ;17 以微處理器、存儲器和專用以微處理器、存儲器和專用IC (ASIC) IC (ASIC) 為主要為主要產(chǎn)品的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迅速增大產(chǎn)品的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迅速增大; ; 微處理器芯片技術(shù)的先鋒微處理器芯片技術(shù)的先鋒 Intel Co.Intel Co.躍為世躍為世界第一大半導(dǎo)體公司界第一大半導(dǎo)體公司; ; 年

11、銷售額已超年銷售額已超15001500億億USDUSD，對世界經(jīng)濟發(fā)展具有，對世界經(jīng)濟發(fā)展具有舉足輕重的影響舉足輕重的影響; ;1819201.21.2硅外延平面晶體管制造工藝硅外延平面晶體管制造工藝硅外延平面晶體管硅外延平面晶體管管芯結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu)硅外延平面開關(guān)管工藝流程圖硅外延平面開關(guān)管工藝流程圖211.3 1.3 硅集成電路制造工藝硅集成電路制造工藝 集成電路工藝與硅外延平面晶體管工藝的不同點集成電路工藝與硅外延平面晶體管工藝的不同點 1 1，同一芯片上各元件之間必須相互隔離（電絕緣），同一芯片上各元件之間必須相互隔離（電絕緣） 2 2，必須解決晶體管集電極從表面引出，必須解決晶體管集電極

12、從表面引出 （1 1）隔離：）隔離：pnpn結(jié)隔離和介質(zhì)隔離結(jié)隔離和介質(zhì)隔離22（2 2）隱埋層）隱埋層23 雙極型集成電路的制造步驟雙極型集成電路的制造步驟24 雙極型集成電路的制造步驟雙極型集成電路的制造步驟25MOSMOS晶體管制造步驟晶體管制造步驟26NMOSNMOS硅柵硅柵ICIC制造工藝制造工藝27CMOS電路的各種阱工藝28BiCMOS結(jié)構(gòu) 電路的不同部分可選電路的不同部分可選CMOSCMOS或雙極，以得最佳設(shè)計或雙極，以得最佳設(shè)計29第二章 半導(dǎo)體硅襯底 2.1 相平衡和相圖 2.2 半導(dǎo)體硅材料的基本特征 2.3 硅晶體中的缺陷 2.4 半導(dǎo)體硅材料的制備30v 半導(dǎo)體材料可

13、分為兩類： 一類是鍺、硅為代表的元素半導(dǎo)體；另一類是各種化合物半導(dǎo)體，其中包括金屬氧化物、硫化物、鹵化物，砷化鎵、銻化銦等金屬間化合物以及有機半導(dǎo)體等。第二章 半導(dǎo)體硅襯底31v 半導(dǎo)體硅材料的優(yōu)點： 禁帶寬度為1.12ev，硅器件工作溫度可達200； 硅表面容易形成結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定的SiO2鈍化層，使得能夠在復(fù)雜圖形中的指定區(qū)域進行摻雜，從而在硅片上制造出各種結(jié)構(gòu)； 硅材料臨界切應(yīng)力臨界切應(yīng)力較大，一旦達到無位錯狀態(tài)后，在生長過程中不容易出現(xiàn)位錯，因此是少數(shù)能得到無位錯單晶的材料之一； 在自然界中蘊藏最豐富的元素之一，約占地殼重量的25； 無毒；32v Si性能欠缺的地方 電子遷移率不如GaAs

14、高，在減少寄生效應(yīng)和改善頻率響應(yīng)方面不如GaAs； 非直接帶隙能帶結(jié)構(gòu)，不能直接用于制造光電器件；332.1 相平衡和相圖v 在半導(dǎo)體材料和器件制備的工藝過程中，經(jīng)常會遇到物質(zhì)在不同相之間的平衡和相互轉(zhuǎn)變的問題： 例如：從熔體中生長晶體，涉及物質(zhì)由液態(tài)變成固態(tài)的相變； 擴散、摻雜,雜質(zhì)在固溶體中的溶解行為； 合金化時，合金的熔化或凝固等； v 因此，在設(shè)計工藝參數(shù)時，研究材料的組成、物相平衡隨外界條件變化的規(guī)律等，對確定半導(dǎo)體材料制備和加工的最佳工藝條件、控制材料的性質(zhì)具有重要的意義。341 相：在由幾種元素(稱為組元)組成的材料體系中，具有相同物理性質(zhì)和化學(xué)組成的那些部分統(tǒng)稱為一個“相相”，

15、其數(shù)目用符號表示。v 在相與相之間有明顯的界面，在界面上，它們的宏觀性質(zhì)發(fā)生突變；則， 由于任何氣體氣體都能混合均勻，故體系內(nèi)不論有多少種氣體均為一相； 均勻的液體液體也是一相，但若兩種液體只能有限溶解，則可能形成兩相或多相； 對于固體固體，一般是一種固體就是一相；但對組成相同而晶體結(jié)構(gòu)不同的同素異形體，因不同構(gòu)型間性質(zhì)差異較大，故一種構(gòu)型就是一相（如Cu-Zn合金）；但當(dāng)幾種固體相互完全溶解形成固溶體時，則是一相（如摻硼的單晶等）；一一 相、組元、自由度的概念相、組元、自由度的概念ZnZn原子的百分比低于原子的百分比低于38%38%時是具有面時是具有面心立方結(jié)構(gòu)的固相心立方結(jié)構(gòu)的固相(相相)

16、;);當(dāng)所含當(dāng)所含ZnZn原子的百分比在原子的百分比在50%50%左右時左右時, ,則是具則是具有體心立方結(jié)構(gòu)的固相有體心立方結(jié)構(gòu)的固相(相相););而當(dāng)而當(dāng)ZnZn原子百分比在以上兩者之間時原子百分比在以上兩者之間時, , 相和相和相共存相共存; ;這表明材料的組成這表明材料的組成可以決定材料系統(tǒng)的相結(jié)構(gòu)；可以決定材料系統(tǒng)的相結(jié)構(gòu)；35v 相變和相平衡相變和相平衡：在一個熱力學(xué)體系內(nèi)，當(dāng)不同相之間的物質(zhì)相互接觸時，若發(fā)生物質(zhì)從一相遷至另一相的過程，稱為相變；當(dāng)宏觀上物質(zhì)的遷移停止時，稱為相平衡。v 除了組成以外,溫度也是決定相結(jié)構(gòu)和相變的一個重要因素，例如，Ge-Siv 把在相平衡條件下系統(tǒng)

17、的狀態(tài)與組成、溫度、壓力之間的關(guān)系繪成狀態(tài)圖，這種圖即稱為相圖相圖。 從相圖上可以更直觀地了解在某一溫度、壓力條件下,系統(tǒng)處于相平衡時可能存在的相、各相的組成、各相量間的關(guān)系以及條件發(fā)生變化時相變的方向和限度等等； 原子比為原子比為5050的半導(dǎo)體合金，的半導(dǎo)體合金，在在11151115以下時為固相，在以下時為固相，在12701270以上時為液相，兩者之以上時為液相，兩者之間時則為固相、液相共存；間時則為固相、液相共存；362 組元：v 任何一個體系，總會包括一些不同的元素或化合物(組元)，這些元素或化合物的數(shù)目稱作原始物質(zhì)數(shù)原始物質(zhì)數(shù)；v 組元數(shù)組元數(shù)是能將體系中所有各相組成都表示出來所需要

18、的最少原始物質(zhì)數(shù)最少原始物質(zhì)數(shù)。組元數(shù)亦稱組分?jǐn)?shù)。常用符號“K”K”表示；v 組元數(shù)與原始物質(zhì)數(shù)是不同的；組元數(shù)與原始物質(zhì)數(shù)是不同的；體系中有幾種物質(zhì)，原始物質(zhì)數(shù)就是幾，而組元數(shù)卻不一定；37 若各物質(zhì)間無任何化學(xué)反應(yīng)，則組元數(shù)等于原始物則組元數(shù)等于原始物質(zhì)數(shù)為質(zhì)數(shù)為3 3；14GaAsGaAs 但Ga和As可發(fā)生反應(yīng) 則知其中兩種物質(zhì)含量，第三種可根據(jù)平衡常數(shù)求得，則組元數(shù)為則組元數(shù)為2 2； 若體系中某一相原始物質(zhì)組成(濃度)間還存在一定的限制條件時，如 Ga ：As = 1 ：1/4，則只需知其中一種的量，就可確定另外兩種的量，故該體系中的組元數(shù)為組元數(shù)為1 1；例如，由Ga、As和Ga

19、As組成的體系，其原始物質(zhì)數(shù)為3,38 組元數(shù)組元數(shù) = = 原始物質(zhì)數(shù)原始物質(zhì)數(shù) - - 獨立的化學(xué)反應(yīng)數(shù)獨立的化學(xué)反應(yīng)數(shù) - - 濃度限制條件濃度限制條件 對獨立的化學(xué)反應(yīng)的解釋：對獨立的化學(xué)反應(yīng)的解釋： 例 CO + H2O = CO2+H2 CO + (1/2)O2 = CO2 H2 + (1/2)O2 = H2O此三個反應(yīng)式中3式=2式-1式只有兩個是獨立的； 濃度限制條件：濃度限制條件： 只在同一相中方能應(yīng)用只在同一相中方能應(yīng)用，如 CaCO3 = CaO+CO2 其中CaO是固相， CO2是氣相，由于沒有公式將它們聯(lián)系起來，故沒有濃度限制條件。393 3 自由度自由度(F)(F)

20、：又稱獨立變量，：又稱獨立變量，可以獨立改變但仍能可以獨立改變但仍能維持系統(tǒng)原有相數(shù)（不是相的含量）的變量維持系統(tǒng)原有相數(shù)（不是相的含量）的變量。這些。這些變量通常取溫度、壓力、組元濃度等。變量通常取溫度、壓力、組元濃度等。例如：例如： 單組元液態(tài)水體系，自由度為單組元液態(tài)水體系，自由度為2 2（壓力和溫度）（壓力和溫度） 雙變體系雙變體系； 水和水蒸氣平衡體系，壓力和溫度間存在克拉珀龍關(guān)系式，水和水蒸氣平衡體系，壓力和溫度間存在克拉珀龍關(guān)系式，自由度為自由度為1 1（壓力確定了，溫度也確定）（壓力確定了，溫度也確定） 單變體系單變體系； 冰、水、氣三相共存只在確定條件下（冰、水、氣三相共存只

21、在確定條件下（273.16K, 610.62Pa)273.16K, 610.62Pa)存在，存在，P P、T T稍一變，一相就消失，自由度為稍一變，一相就消失，自由度為0 0 零變體系零變體系；v 對于任意組成的二元體系，要確定其狀態(tài)，除溫度和壓力外，對于任意組成的二元體系，要確定其狀態(tài)，除溫度和壓力外，還要知道兩個組元的相對含量還要知道兩個組元的相對含量( (即濃度多少即濃度多少) )，所以，所以，二元系比二元系比單元系多一個變數(shù)，即多一個自由度；單元系多一個變數(shù)，即多一個自由度；40v 對于多種物質(zhì)、多相系統(tǒng)來說，憑經(jīng)驗確對于多種物質(zhì)、多相系統(tǒng)來說，憑經(jīng)驗確定自由度數(shù)較困難，需要公式的指引

22、，這就定自由度數(shù)較困難，需要公式的指引，這就是相律；是相律；v 相律相律定義：一個多組元復(fù)相平衡體系中，獨定義：一個多組元復(fù)相平衡體系中，獨立組元數(shù)、相數(shù)與描述該體系的自由度數(shù)之間立組元數(shù)、相數(shù)與描述該體系的自由度數(shù)之間的關(guān)系；的關(guān)系； 自由度數(shù)：自由度數(shù)： F = F = K-+2K-+2式中，式中，K K為獨立組元數(shù)，為獨立組元數(shù)， 為相數(shù)；為相數(shù)；二二 相律相律41 相律只適用于相平衡系統(tǒng)。 f=K-+2中的2表示整體的溫度、壓力相同，對此條件不符的系統(tǒng)則需補充。 f=K-+2中的2只考慮了溫度、壓力對系統(tǒng)的影響，但當(dāng)需考慮其它因素的影響（如電場、磁場、重力場）時，還應(yīng)考慮造成這些影響的

23、其它外界因素的數(shù)目。 對沒有氣相存在的凝聚體系來說，壓力對相平衡的影響很小。故f=K-+1 相律可以告知相平衡系統(tǒng)中有幾個獨立變量，其它變量是它們的函數(shù)，但不能告知函數(shù)的具體形式。v 有關(guān)相律的幾點說明42三 單元系相圖v 單元系：只有一個獨立組元的體系；因為體系的K1，故相律的表現(xiàn)形式為： F = 3 相數(shù) 自由度F 1時 F=2 2時 F=1 3時 F=0 體系最多共存相數(shù)為3，最多自由度為2，用兩個獨立變數(shù)(如溫度和壓力)就可以完全決定體系的狀態(tài)；43v 純金屬的相圖 圖中BO為固態(tài)鋅與鋅蒸氣的平衡曲線 (升華曲線) ；OA 為液體鋅和鋅蒸氣的平衡曲線 (蒸發(fā)曲線)；OC 是固態(tài)鋅和液體

24、鋅的平衡曲線(熔化曲線)； 三條線交于O點，在該點鋅的氣液固三相共存，故O點稱為三相點；44 三條曲線將相圖劃分為固態(tài)鋅，液態(tài)鋅和氣態(tài)鋅三個區(qū)域。在各區(qū)域內(nèi)，體系是單相。 圖中虛線 0A是OA的延長線，代表過冷的液態(tài)鋅飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系；虛線 OB是OB的延長線，代表過熱的固態(tài)鋅飽和蒸氣壓與溫度的關(guān)系，它們都是介穩(wěn)的平衡線。v 即在一定的壓力和溫度下，任何物質(zhì)的兩相達到平衡時，若體系溫度(或壓力)改變dT(或dp),則相應(yīng)壓力(或溫度)改變?yōu)閐p(或dT)以后兩相又達到平衡；45四 幾種典型的二元二相系相圖 根據(jù)組元在液態(tài)和固態(tài)時相互溶解的情況，二組元固液凝聚體系的相圖分為：(1)低共熔混

25、合物 (2)完全互溶共熔體 (3)部分互溶共溶體 (4)生成化合物;1 低共熔混合物相圖 該類體系的特點是，兩個組元在液態(tài)時能以任何比例相互溶解形成均勻的一相，但在固態(tài)時卻完全不互溶，只能析出純組元晶體或兩者的機械混合物。46根據(jù)步冷曲線的轉(zhuǎn)折點繪制的根據(jù)步冷曲線的轉(zhuǎn)折點繪制的Au-SiAu-Si相圖相圖v Au-Si系統(tǒng)的相圖 曲線曲線a a是純金的步冷曲線，是純金的步冷曲線，aAaA 段相當(dāng)于金熔體的冷卻過程，到段相當(dāng)于金熔體的冷卻過程，到了了10631063，開始析出固體金，這，開始析出固體金，這時將有熔化潛熱放出，此熱量抵時將有熔化潛熱放出，此熱量抵消了體系熱的散失，因而在曲線消了體系

26、熱的散失，因而在曲線中出現(xiàn)了水平曲線段中出現(xiàn)了水平曲線段AA,AA,至金至金全部凝固后，溫度才繼續(xù)下降；全部凝固后，溫度才繼續(xù)下降； 純硅的步冷曲線純硅的步冷曲線e e與與純純金相似，只是在其熔點金相似，只是在其熔點14171417時出現(xiàn)水平段；時出現(xiàn)水平段； 對于組成為（對于組成為（8585原子原子AuAu）和（）和（1515原子原子SiSi）的合金樣品，熔融冷卻時先沿）的合金樣品，熔融冷卻時先沿bcbc線變化，線變化，當(dāng)冷卻到當(dāng)冷卻到c c點時，組元金達到飽和，從熔體點時，組元金達到飽和，從熔體中析出純金晶體并放出凝固熱，這使體系的中析出純金晶體并放出凝固熱，這使體系的冷卻速度變慢，步冷曲

27、線的坡度變緩，出現(xiàn)冷卻速度變慢，步冷曲線的坡度變緩，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點了轉(zhuǎn)折點c c；但；但AuAu的析出會使熔體中的析出會使熔體中SiSi的濃的濃度增大，導(dǎo)致體系的凝固點繼續(xù)降低，直到度增大，導(dǎo)致體系的凝固點繼續(xù)降低，直到溫度降到溫度降到370370時，熔體對時，熔體對SiSi也達到了飽和，也達到了飽和，此時由熔體中同時析出此時由熔體中同時析出AuAu和和SiSi，二者同時放，二者同時放出凝固熱，使步冷曲線出現(xiàn)了水平線段出凝固熱，使步冷曲線出現(xiàn)了水平線段DDDD，在在370370以下體系完全凝固；以下體系完全凝固；47v 由由Au-SiAu-Si體系的步冷曲線圖可見：體系的步冷曲線圖可見： 曲線a

28、是純金的步冷曲線，aA 段相當(dāng)于金熔體的冷卻過程，到了1063，開始析出固體金，這時將有熔化潛熱放出，此熱量抵消了體系熱的散失，因而在曲線中出現(xiàn)了水平曲線段AA,至金全部凝固后，溫度才繼續(xù)下降； 純硅的步冷曲線e與純金相似，只是在其熔點1417時出現(xiàn)水平段； 對于組成為（85原子Au）和（15原子Si）的合金樣品，熔融冷卻時先沿bc線變化，當(dāng)冷卻到c點時，組元金達到飽和，從熔體中析出純金晶體并放出凝固熱，這使體系的冷卻速度變慢，步冷曲線的坡度變緩，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點c；但Au的析出會使熔體中Si的濃度增大，導(dǎo)致體系的凝固點繼續(xù)降低，直到溫度降到370時，熔體對Si也達到了飽和，此時由熔體中同時析出A

29、u和Si，二者同時放出凝固熱，使步冷曲線出現(xiàn)了水平線段DD，在370以下體系完全凝固；48根據(jù)步冷曲線的轉(zhuǎn)折點繪制的根據(jù)步冷曲線的轉(zhuǎn)折點繪制的Au-SiAu-Si相圖相圖 圖中圖中AEAE為固態(tài)為固態(tài)AuAu與熔體平衡與熔體平衡時，熔體的組成與溫度關(guān)系曲時，熔體的組成與溫度關(guān)系曲線，線，稱為液相線稱為液相線。它反映。它反映AuAu在在SiSi中的溶解度情況；中的溶解度情況； 在在E E點點AuAu、SiSi同時由熔同時由熔體析出，熔體全轉(zhuǎn)變?yōu)轶w析出，熔體全轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，故將它固態(tài)，故將它稱為低共稱為低共晶點或低共熔點晶點或低共熔點 。AEHAEH線以上為線以上為液相區(qū)液相區(qū)；ABEABE為為Au

30、Au與熔體與熔體兩相共存兩相共存區(qū)區(qū)；HEMHEM為為SiSi與熔體與熔體兩相共兩相共存區(qū)存區(qū)。在在E E點的等溫線點的等溫線BEMBEM以下，以下，只存在只存在AuAu和和SiSi固體，所以固體，所以BEMBEM線叫固相線線叫固相線。AB,HMAB,HM也也分別是純金和純硅的分別是純金和純硅的固相固相線線。 EH EH是固態(tài)是固態(tài)SiSi與熔與熔體平衡的體平衡的液相線液相線。v根據(jù)上述實驗曲線，在以溫度濃度為坐標(biāo)軸的圖上根據(jù)上述實驗曲線，在以溫度濃度為坐標(biāo)軸的圖上把性質(zhì)相同的點用曲線連接起來，就得到把性質(zhì)相同的點用曲線連接起來，就得到Au-SiAu-Si相圖；相圖；49 圖中圖中AEAE為固

31、態(tài)為固態(tài)AuAu與熔體平衡時，熔體的組成與溫度關(guān)系曲線，與熔體平衡時，熔體的組成與溫度關(guān)系曲線，稱為液相線稱為液相線。它反映。它反映AuAu在在SiSi中的溶解度情況；中的溶解度情況； EHEH是固態(tài)是固態(tài)SiSi與熔體平衡的與熔體平衡的液相線液相線。 在在E E點點AuAu、SiSi同時由熔體析出，熔體全轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，故將它同時由熔體析出，熔體全轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，故將它稱為低共晶點或低共熔點稱為低共晶點或低共熔點 。 在在E E點的等溫線點的等溫線BEMBEM以下，只存在以下，只存在AuAu和和SiSi固體，所以固體，所以BEMBEM線叫線叫固相線固相線。AB,HMAB,HM也分別是純金和純硅的也分

32、別是純金和純硅的固相線固相線。 圖中圖中AEHAEH線以上為線以上為液相區(qū)液相區(qū)； 圖中圖中ABEABE為為AuAu與熔體與熔體兩相共存區(qū)兩相共存區(qū)；HEMHEM為為SiSi與熔體與熔體兩相共存區(qū)兩相共存區(qū)。v 根據(jù)上述實驗曲線，在以溫度濃度為坐標(biāo)軸的根據(jù)上述實驗曲線，在以溫度濃度為坐標(biāo)軸的圖上把性質(zhì)相同的點用曲線連接起來，就得到圖上把性質(zhì)相同的點用曲線連接起來，就得到Au-SiAu-Si相圖；相圖；50v 圖中為一具有低共熔類型的二組元相圖。 組成為1的合金，在高溫下位于液相區(qū)E處，此時為液相；將它冷卻，其狀態(tài)點將由E移向E。在E點以上，合金仍為液相，到E后開始析出A和B共晶體。直至液相全部

33、凝 固后，溫度才繼續(xù)沿ES下降，而合金仍保持共晶結(jié)構(gòu)不變； 組成為2的合金，當(dāng)它冷卻至Q點之前合金也是液相。冷卻至Q點后，開始由液相析出晶體B，此時為B與熔體二相共存；由于B的析出，使熔體中B含量減少，而A含量則相對增加。因此，當(dāng)溫度下降，B繼續(xù)析出時，液相中的組分將沿著液相線QE移動；51 如體系的總重量為W，P點B組分的重量分?jǐn)?shù)為X，在H點時，平衡的固液兩相分別為W1和W2，液相J中B的重量分?jǐn)?shù)為X1，固相K中B的重量分?jǐn)?shù)為1;則， W = W1 + W2 (1) XW = X1W2 + 1W1 (2)(1)式代入(2)式，整理后得 W W1 1 HK = WHK = W2 2 JHJH

34、(3) 若溫度再下降，B將繼續(xù)析出，熔體組成也由J逐步向E轉(zhuǎn)變，溫度達T時，如只有B與熔體E相平衡，則 ETTG固 相 量液 相 量杠桿定理杠桿定理v 當(dāng)溫度降至H時，熔體和固體的組分可由杠桿定理解得：522 形成連續(xù)固溶體的相圖v 當(dāng)兩種金屬晶體結(jié)構(gòu)相似，原子半徑相近時，它們形成的合金無論在液態(tài)或固態(tài)，組元之間都能以任何比例相互溶解，形成均勻的單相，這種體系叫形成連續(xù)固溶體體系； Ge-Si和Au-Ag之間屬于這類體系； 以后冷卻，溫度仍為T，但A、B將同時析出，并與熔體E共存，直至整個液相E完全凝固后，溫度才會繼續(xù)降低；53GeGeSiSi相圖相圖54 Ge-Si相圖中有兩條實線，上面一條

35、是液相線，它是組成不同的熔體開始析出晶體時的溫度連線；下面的一條是固相線，它是從組成不同的熔體中結(jié)晶終了時溫度的連線；兩條線在Ge和Si的熔點處相接；在液相線上方為液相區(qū)；固相線下方為固相區(qū)；固、液相線包圍的區(qū)域則是固液兩相平衡共存區(qū)； 從相圖中可以很容易地定出熔化物的組成； 例：設(shè)有一例：設(shè)有一GeGe和和SiSi原子濃度相等原子濃度相等的固態(tài)混合物，將它從室的固態(tài)混合物，將它從室溫開始加熱，該材料將在溫開始加熱，該材料將在11081108時熔化，假定加熱過程足夠時熔化，假定加熱過程足夠慢，過程中系統(tǒng)總處在熱力學(xué)平衡狀態(tài)。慢，過程中系統(tǒng)總處在熱力學(xué)平衡狀態(tài)。處在兩實線之間區(qū)處在兩實線之間區(qū)域

36、的熔化物成份濃度可由液相線與溫度線交點處的組分定出；域的熔化物成份濃度可由液相線與溫度線交點處的組分定出；固體成份濃度則可由圖中固相線與溫度線交點處的濃度讀出。固體成份濃度則可由圖中固相線與溫度線交點處的濃度讀出。液相線液相線液相區(qū)液相區(qū)固相線固相線固相區(qū)固相區(qū)固固- -液兩相平液兩相平衡區(qū)衡區(qū)55 如在1150時，熔化物的組成以原子百分比計，Si占22；固體的組成為Si占原子百分比58。 隨著溫度繼續(xù)升高時，熔化物的成份濃度逐漸回歸初始值（Ge、Si各占50），其完全熔化出現(xiàn)在1272左右。例：試計算上述混合物在1150時，熔化掉的材料占多大比例？設(shè)X是所求的熔化物所占的比例，則1X即固體所

37、占的比例； 0.5 = 0.22X + 0.58(1 X) 0.36X = 0.08 X = 0.22 則，原始材料的22已熔化掉，而78仍為固體 任一時刻固液混合物中熔化掉的比例可由上述數(shù)據(jù)推算：563 形成部分互溶固溶體相圖形成部分互溶固溶體相圖形成部分互溶固溶體相圖v 這種體系的特征是：兩組元在液相時可以無限溶解，但在固態(tài)時卻只能部分溶解；液相線液相線GEGE、HEHE固相線固相線GFEPHGFEPH溶解度曲線溶解度曲線57v 圖中A、B兩組元形成了和兩種固溶體，其中固溶體是A組元中溶有少量的B； 固溶體是B組元中溶有少量的A；v 設(shè)有一合金設(shè)有一合金A A1 1由由M M1 1點開始冷

38、卻，點開始冷卻，冷至冷至T T1 1(L(L1 1點）時點）時開始析出開始析出 固溶體，其固相組成為固溶體，其固相組成為S S1 1，熔體組成為，熔體組成為L L1 1；繼續(xù)冷卻，繼續(xù)冷卻， 固溶體將不斷析出，熔體組成沿固溶體將不斷析出，熔體組成沿L L1 1LL3 3變化，固相組成沿變化，固相組成沿S S1 1SS3 3變化；變化；當(dāng)溫度達到當(dāng)溫度達到T T3 3時，時，熔體消失并全部變成組成為熔體消失并全部變成組成為S S3 3的的 固溶體固溶體; ;繼續(xù)降溫繼續(xù)降溫至至T T4 4，此時此時 固溶體中固溶體中 固溶體達到飽和，將由固溶體達到飽和，將由 固固溶體中析出組成為溶體中析出組成為

39、g g的的 固溶體，固溶體，以后冷卻時以后冷卻時 和和 固固溶體的組成沿溶體的組成沿S S4 4C C和和gDgD線變化；線變化；58v 如合金的組成為如合金的組成為A A2 2，它由，它由M M2 2冷卻，冷卻，當(dāng)溫度達到當(dāng)溫度達到T T2 2時，時，開始析出開始析出 固溶體，其組成為固溶體，其組成為S S2 2，與，與L L2 2液相相平衡；液相相平衡；繼續(xù)冷卻時，繼續(xù)冷卻時，固溶體固溶體 不斷析出，其組成沿不斷析出，其組成沿S S2 2F F變化，變化，液相組成則沿液相組成則沿L L2 2E E變化；變化；到低共晶點到低共晶點E E時，時，同時析出同時析出 和和 低共晶混合物，其組成分別

40、為低共晶混合物，其組成分別為F F和和P P；繼續(xù)降溫時，繼續(xù)降溫時， 、 固溶體的組成沿固溶體的組成沿FCFC和和PDPD線變化；線變化；59Al-SiAl-Si相圖相圖 在在AlAl端和端和SiSi端都有一端都有一個小的固溶體區(qū)；個小的固溶體區(qū)； 在在SiSi原子原子11.311.3，AlAl原子原子88.788.7處有一低共處有一低共晶點，低共晶點溫度為晶點，低共晶點溫度為577577；v 工藝過程中，工藝過程中，AlAl的合金的合金化溫度必須低于化溫度必須低于577577，這，這時時Al-SiAl-Si之間仍為固相，但之間仍為固相，但在界面處它們之間會相互在界面處它們之間會相互擴散；擴

41、散；60v 由相圖左部放大區(qū)可以看出，大約在235以上Si就以一定比例溶于Al中，形成很薄的Al-Si合金(固相合金)；所以通常合金溫通常合金溫度選擇在度選擇在500500570570，恒，恒溫加熱溫加熱10101515分鐘分鐘即能使Al-Si間形成良好的歐姆接觸，而且Al膜表面形態(tài)較好，有利于后工序的熱壓或超聲鍵合引線；61v 合金法能獲得良好的歐姆接觸，也是制備PN結(jié)的基本工藝之一； 在N型Si上淀積一層Al膜，在真空下加熱，577時，則在Al-Si界面出現(xiàn)低共熔體，其組成為11.3%Si 原子和88.7%Al原子； 隨著時間增加，熔區(qū)逐漸增大，最后整個Al膜都變成Al-Si熔體； 溫度再

42、升高時，Si的溶解度沿相圖中的AD液相線變化，其溶解度還會進一步增大；如合金溫度為 700，則Si 的溶解要使熔體組成達到E點時才能停止；622.2 半導(dǎo)體硅材料的基本特征一 硅晶體結(jié)構(gòu)的特點v 硅晶體具有金剛石晶格的晶體結(jié)構(gòu)；它可以看成由兩個面心立方體格子沿對角線移位四分之一長度套合而成；硅的晶格常數(shù) a5.4305硅的晶體結(jié)構(gòu)硅的晶體結(jié)構(gòu)63v Si是族元素，每個原子最外層軌道有四個價電子，在形成晶體時，可以同四個近鄰原子共有電子對，形成四個共價鍵；四面體結(jié)構(gòu)示意圖四面體結(jié)構(gòu)示意圖64二 晶向與晶面v 任何一種晶體，其晶格中的原子總可以被看作處在一系列方向相同的平行直線上，這種直線系稱為晶

43、列；v晶向：表示一族晶列所指的方向； 立方晶系中的晶向立方晶系中的晶向 Si晶體內(nèi)部存在相當(dāng)大的空隙，空間利用率只有34；一些間隙雜質(zhì)能很容易地在晶體內(nèi)運動并存在于體內(nèi)；而且對替位雜質(zhì)的擴散運動也提供了足夠的條件； 鍵之間的夾角為 10928；34a 最小原子間距為 ；65v 晶格中的所有原子也可以看作是處于一系列彼此平行的平面系上，這種平面系稱為晶面；v 晶面上的原子排列情況常用相鄰的兩個平行晶面在矢量X，Y，Z上的截距來標(biāo)記；由晶面指數(shù)（或密勒指數(shù)）表示，記作（h1，h2，h3）；立方晶系的幾種主要晶面立方晶系的幾種主要晶面66硅晶體的各種不同晶面的特性表硅晶體的各種不同晶面的特性表67v

44、 硅(100)、(110)、(111)面各自特性主要不同點面間距大的晶族容易劈裂開，(111)面有最大的面間距，所以(111)面是解離面；由于(111)面雙層密排，面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，所以腐蝕后容易暴露在表面上；(111)晶面的位錯腐蝕坑呈正三角形(正四面體形)；熱生長SiO2時Si的氧化速率按(111)(110)(100)的順序遞減；Si與其他金屬共熔時，沿(111)面熔解最慢，所以用合金法制作PN結(jié)時，(111)晶面較易控制得到平整的結(jié)面；68(5)由于(111)雙層密排面之間距離最大，結(jié)合較弱，則晶格缺陷容易在這里形成和擴展；(6)雜質(zhì)和外來原子在Si晶體中的擴散速率、

45、電子的表面遷移率也都與晶面有關(guān)；(7)在熱氧化形成Si-SiO2系統(tǒng)的界面上，不同晶面的界面態(tài)密度不同，一般(111)(110)(100);692.3 硅晶體中的缺陷v 硅晶體中主要有以下幾種缺陷：(1)點缺陷，(2)線缺陷，(3)面缺陷和(4)體缺陷等四種一 點缺陷 點缺陷主要包括間隙原子，空位，肖特基缺陷，弗蘭克爾缺陷以及外來原子等幾種；1 間隙原子：存在于晶格間隙中的Si原子；2 空位：當(dāng)晶格上的Si原子進入間隙形成間隙原子的同時，在它們原來晶格的位置上就無原子占據(jù)，形成空位；如果一個正常晶格位置上的原子跑到表面，在體內(nèi)產(chǎn)生一個晶格空位，這種缺陷稱為肖特基缺陷；如果一個晶格原子進入間隙并

46、產(chǎn)生一個空位，間隙原子和空位是同時產(chǎn)生的這種缺陷稱為弗蘭克爾缺陷；70簡單晶格中點缺陷的位置和類型簡單晶格中點缺陷的位置和類型7172點缺陷遷移過程示意圖點缺陷遷移過程示意圖間隙間隙間隙間隙遷移機構(gòu)遷移機構(gòu)間隙格點間隙間隙格點間隙遷移遷移空位格空位格點交換遷點交換遷移移間隙原子空間隙原子空位復(fù)合機構(gòu)位復(fù)合機構(gòu)73空位密度與溫度的關(guān)系：/vEKTvvnN e式中Nv為單位體積內(nèi)的格點數(shù)目，Ev為形成一個空位所需要的激活能； 晶體中的空位起受主作用；3 外來原子：在晶體生長、加工和器件制造過程中，不可避免要沾污一些雜質(zhì)，一般稱為外來原子；這些雜質(zhì)可以占據(jù)正常格點，也可存在于間隙之中，它的存在破壞了

47、晶格的完整性，引起點陣的畸變；74F 線缺陷bv 滑移量的大小和方向可用滑移矢量 來描述；v 當(dāng)位錯線與滑移矢量垂直時，這樣的位錯稱為刃刃位錯位錯；如果位錯線與滑移矢量平行，這樣的位錯稱為螺位錯螺位錯；v 晶體中線缺陷最常見的是位錯，位錯的存在將會產(chǎn)生應(yīng)力，使其附近的原子排列偏離了嚴(yán)格的周期性，相對位置發(fā)生錯亂；位錯一般可分為刃位錯和刃位錯和螺位錯。螺位錯。v 晶體中的位錯可以設(shè)想是由晶體中的晶面滑移所形成的，滑移以后兩部分晶體重新吻合?；频木嬷?，在滑移部分和未滑移部分的交界處形成位錯；751 1 刃位錯如同把半個額外晶面擠到規(guī)則晶體中的晶面之間，圖中的ABCD表示擠入的半個晶面，畸變區(qū)集

48、中在位錯線AD周圍； 沿位錯線多擠入的一行原子，各具有一個未成鍵的電子懸掛鍵；刃刃 位位 錯錯76位錯線在應(yīng)力作用下可以在滑移面上沿滑移方向運動；刃位錯的滑移和滑移面痕跡刃位錯的滑移和滑移面痕跡刃位錯的攀移運動刃位錯的攀移運動 位錯攀移運動位錯攀移運動:晶體中晶體中的空位或間隙原子依靠的空位或間隙原子依靠熱運動可移到位錯處熱運動可移到位錯處,使使額外半平面邊界的原子額外半平面邊界的原子增加或減少增加或減少,引起半平面引起半平面擴展或收縮擴展或收縮;772 螺位錯的特點是位錯線和滑移方向平行；螺螺 位錯位錯 螺位錯的產(chǎn)生：設(shè)想把螺位錯的產(chǎn)生：設(shè)想把晶體沿晶體沿ABCDABCD面切開，并使面切開，

49、并使兩邊的晶體前后相對滑移兩邊的晶體前后相對滑移一個原子間距，然后粘合一個原子間距，然后粘合起來。這樣在起來。這樣在ADAD線附近的線附近的局部區(qū)域內(nèi)的原子排列位局部區(qū)域內(nèi)的原子排列位置就會發(fā)生錯亂，形成所置就會發(fā)生錯亂，形成所謂的螺位錯缺陷；謂的螺位錯缺陷；78三 面缺陷 密堆積的晶體結(jié)構(gòu)中，由于堆積次序發(fā)生錯亂形成堆垛層錯，簡稱層錯； 層錯是一種區(qū)域性的缺陷，只是在兩部分交界面處的原子排列才發(fā)生錯亂，所以是一種面缺陷；四 體缺陷 體缺陷是指在三維空間原子排列不規(guī)則晶體中的沉積物；79v 硅片制備的基本工藝步序 晶體生長晶體生長整形整形定向、切片定向、切片磨片、倒角磨片、倒角腐蝕腐蝕拋光拋光

50、清洗清洗檢驗檢驗包裝、儲存包裝、儲存2.4 半導(dǎo)體硅材料的制備80一 硅單晶的拉制過程 v引晶引晶縮頸縮頸放肩放肩等徑生長等徑生長收尾收尾81Step 3: Making the IngotA pure silicon seed crystal is now placed into the molten sand bath. This crystal will be pulled out slowly as it is rotated. The result is a pure silicon tube that is called an ingot821 引晶和縮頸： “引晶”又稱“下種”；

51、 “縮頸”又稱“收頸”排除接觸不良引起的多晶和 消除籽晶內(nèi)原有位錯的延伸；2 放肩：縮頸后，讓晶體逐漸長大到所需要的直徑為止，這一過程稱為“放肩”；3 等徑生長：收肩后保持晶體直徑不變，等徑生長的晶體就是生產(chǎn)上的成品；4 收尾：隨著晶體的生長，坩堝中的熔硅將不斷減少，熔硅中雜質(zhì)含量相對提高，為了保證晶體縱向電阻率的均勻性，一般采取稍升溫，降拉速，使晶體直徑逐漸變小，此過程即稱收尾；83F 圓片的制備和規(guī)格1 整形加工 整形包括單晶錠磨圓、磨基準(zhǔn)面等工序 磨基準(zhǔn)面：沿晶錠整個長度上磨出平邊，以指示晶向和摻雜類型；其中長平邊還可用于光刻自動機械定位的參考面；短平邊主要用作識別Si片晶向和導(dǎo)電類型；

52、Flat grindDiameter grindPreparing crystal ingot for grinding 磨圓：對晶錠進行機械修整至合適直徑；84 磨平邊后，晶錠浸入化學(xué)腐蝕液中以去除機械研磨造成的損傷；Different flats for orientationEach of the wafers is given either a notch or a flat edge This will be used in orienting the wafer into the exact position for later procedures.85半導(dǎo)體圓片的標(biāo)準(zhǔn)定位平邊半

53、導(dǎo)體圓片的標(biāo)準(zhǔn)定位平邊862 切片：將經(jīng)過整形處理的具有規(guī)范直徑和參考面的圓柱形晶體，切割成一定厚度的Si圓片； 該工序決定或基本決定了Si片的四個重要參數(shù)，即晶向、厚度、平行度和翹曲度；Step 4: Preparing the WafersThe ingot is ground into the correct diameter for the wafers. Then it is sliced into very thin wafers. This is usually done with a diamond saw.873 倒角：用具有特定形狀的砂輪磨去Si片邊緣鋒利的棱角、崩邊和裂紋

54、等；884 磨片：去除表面的切刀刀痕；使表面加工損傷均勻一致，以使得在以后的化學(xué)腐蝕過程中表面腐蝕速度均勻一致；調(diào)節(jié)Si片厚度，使片與片之間厚度差縮??；使同一片Si片上各處厚度均勻；提高表面平整度和平行度；Wafer Lapping Machine895 硅片腐蝕：完全去除表面在機械加工過程中產(chǎn)生的加工損傷層；3906 拋光：獲得潔凈、無加工損傷、平整（鏡面光滑）的硅片表面；Wafer polishingNext, the wafers are polished in a series of combination chemical and mechanical polish processe

55、s called CMPThe wafers are held in a hard ceramic chuck using either wax bond or vacuum and buffed with a slurry of silica powder, RO/DI waterand sodium hydroxide91Wafer Polishing927 清洗、包裝和存儲；Wafer CleaningMost wafer manufacturers use a 3-step process which starts with an SC1 solution (ammonia, hydr

56、ogen peroxide and RO/DI water) to remove organic impurities and particles from the wafer surface.Next, natural oxides and metal impurities are removed with hydrofluoric acid.Finally, the SC2 solution, (hydrochloric acidand hydrogen peroxide), causes super clean new natural oxides to grow on the surf

57、ace.93Some wafers in storage trays9495第三章 熱氧化Thermal Oxidation3.1 引言3.2 SiO2的結(jié)構(gòu), 性質(zhì)及應(yīng)用3.3 SiO2在集成電路制造中的應(yīng)用3.4 SiO2的制備及原理3.5 熱氧化方法3.6 LSI及VLSI中的氧化技術(shù)3.7 Si/SiO2界面特性3.8 二氧化硅質(zhì)量測量方法963.1 3.1 引 言v 1957年發(fā)現(xiàn)B、P、As、S等元素在SiO2中的擴散速度遠低于在Si中的擴散速度；v 1960年前后SiO2膜被用作選擇擴散的掩蔽膜導(dǎo)致平面工藝誕生，從而半導(dǎo)體制造技術(shù)進入一個嶄新的階段；v SiO2膜制備方法很多，其

58、中以高溫?zé)嵫趸瘧?yīng)用最為廣泛。973.2 SiO2的結(jié)構(gòu), 性質(zhì)及應(yīng)用 一 SiO2的結(jié)構(gòu)1.按結(jié)構(gòu)特點分為 結(jié)晶型 (Crystallized):石英，水晶等;非晶型（無定型amorphous）;2.由SiO四面體組成Si-O 四面體( tetrahedron) 四面體中心是硅原子，四個頂角上是氧原子；98v 相鄰的四面體通過氧原子相互連接，不存在共同的邊和面；v 結(jié)晶型SiO2結(jié)構(gòu)中，SiO四面體周期有序地建立起三維網(wǎng)絡(luò)狀的整體結(jié)構(gòu)硅氧橋結(jié)構(gòu)硅氧橋結(jié)構(gòu),該氧原子稱為橋聯(lián)氧橋聯(lián)氧; v 無定形SiO2網(wǎng)絡(luò)的主要特點是結(jié)構(gòu)的無序性，使網(wǎng)絡(luò)中形成一些無規(guī)則的空洞；SiOSi99OSiO bond

59、本征無定形本征無定形SiOSiO2 2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖橋聯(lián)氧橋聯(lián)氧非橋聯(lián)氧非橋聯(lián)氧100網(wǎng)絡(luò)形成者網(wǎng)絡(luò)形成者B、P、Al等正離子，它們的離子半徑與Si原子的半徑相仿或更小，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中能替代Si原子的位置。3. SiO2網(wǎng)絡(luò)中的雜質(zhì) 有兩種類型： 網(wǎng)絡(luò)形成者(Net work formers) 網(wǎng)絡(luò)改變者(Net work modifers) 由于價數(shù)不同，替位后其配位數(shù)將發(fā)生變化：硼的硼的配位數(shù)由配位數(shù)由3 3變?yōu)樽優(yōu)? 4，使網(wǎng)絡(luò)中的非橋聯(lián)氧原子濃度減小，增強了膜的強度；磷的磷的配位數(shù)由配位數(shù)由5 5變?yōu)樽優(yōu)? 4，造成非橋聯(lián)氧原子濃度增大，網(wǎng)絡(luò)強度變??；101 網(wǎng)絡(luò)改變者網(wǎng)絡(luò)

60、改變者Na、K、Pb等正離子，由于具有較大的離子半徑，在網(wǎng)絡(luò)中不能替代Si原子的位置，只能以氧化物的形式占據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的間隙空洞，氧化物擴散入SiO2后，將被電離并把氧離子交給網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更多的非橋聯(lián)氧離子，導(dǎo)致非橋聯(lián)氧原子濃度的增大，形成更多的孔洞，使結(jié)構(gòu)強度減弱；SiOSiO2 2SiSi102熱氧化生長的SiO2是無定型的;熔點：不固定，軟化溫度為1500;熱膨脹系數(shù)?。?103/度；密度：2.02.3g/cm3；折射率: n = 1.431.47；電阻率: = 107108 cm(熱分解） 10151016 cm（熱氧化）;1.SiO2的物理性質(zhì)二. SiO2薄膜的性質(zhì)103介電強度可