工藝整理課件

材料性質碳化硅（SiC）

在用新型半導體材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅(SiC)功率器件。它的性能指標比砷化鎵器件還要高一個數量級，碳化硅與其他半導體材料相比，具有下列優(yōu)異的物理特點:高的禁帶寬度，高的飽和電子漂移速度，高的擊穿強度，低的介電常數和高的熱導率。導體：價帶與導帶交疊，電子從價帶移動到導帶只需很小的能量。絕緣體：有很大的禁帶寬度分隔開價帶和導帶，電子從價帶移動到導帶很困難，有很低的電導率和很高的電阻率。半導體：具有較小的禁帶寬度，介于絕緣體和導體之間。這個禁帶寬度允許電子在獲得能量時從價帶躍遷到導帶。這種行為發(fā)生在半導體被加熱時，因而其導電性隨溫度的增加而提高。本征半導體：不含任何雜質和缺陷的純凈半導體，其純度在99.999999%（8~10個9）。摻雜半導體：把特定的元素引入到本征半導體中，可提高本征半導體的導電性。兩種特性：1.通過摻雜精確控制電阻率2.電子和空穴導電砷化鎵1、載流子的遷移率比硅高，寄生電容和信號損耗小，這種特性使得在通信系統(tǒng)中比Si器件更快的響應高頻微波并有效地把它們轉變?yōu)殡娏鳌?/p>

2、抗輻射能力強。

3、半絕緣特性使得臨近器件的歐姆最小化。

4、制造成本較Si大，而且沒有天然的氧化物，脆性，有劇毒晶圓制備制造SGS過程：用碳加熱硅石來制備冶金級硅

2.通過化學反應將冶金級硅提純以生成三氯硅烷3利用西門子方法，通過三氯硅烷和氫氣反應來生產SGS特點直拉法的目的是實現均勻摻雜濃度的同時精確地復制籽晶結構，得到合適的硅錠直徑并且限制雜質引入到硅中。優(yōu)點：工藝成熟，便于控制晶體外形和電學參數，能成功地拉制低位錯、大直徑的硅單晶，尤其制備10-4Ω?cm特殊低阻單晶。

缺點：難以避免來自石英坩堝和加熱裝置的雜質污染，因而只能生產低阻單晶。另外，由于存在雜質分凝效應和蒸發(fā)效應，以及攪拌不均勻所形成的界面雜質積累層等，還會使拉制的硅單晶沿軸向的電阻率不一致，雜質缺陷較多。

硅中含氧的優(yōu)缺點：1，作為吸附原子束縛在硅制造過程中的金屬玷污2.提高了硅的抗屈程度缺點引起材料電阻率變化影響少數載流子的壽命硅中缺陷的主要形式：1點缺陷（空位間隙原子和弗倫克爾缺陷）2位錯（原生和誘生位錯）3層錯3.5.6影響晶體生長速率的參數1、溫度和拉晶速率，先進單晶爐使用計算機控制。用負反饋系統(tǒng)來監(jiān)視溫度，單晶硅直徑，控制拉晶速率和加熱功率。2、系統(tǒng)的氣體流量和單晶及坩堝的轉數，普遍使用紅外線溫度傳感器。在熔料與單晶硅界面處聚焦測溫，并用激光監(jiān)視單晶硅的直徑和熔料液面。產生缺陷影響因素

1.生長速率（晶體以多快的速度拉制）2.晶體熔體界面間的溫度梯度（熔體和固

體晶體之間的溫度差）3.半導體制造中的熱處理也會導致點缺陷

的產生如果晶體冷卻速率得到控制，就會減少缺陷的產生1、高溫工藝過程引入的位錯：

2、摻雜過程中引入的位錯：3、薄膜制備過程中引入的位錯：位錯的作用吸收雜質外延4.2外延生長動力學原理

外延時，通入含有一定硅源的氫氣流，并流經被高頻感應加熱的硅片表面，當條件適當時便會在其上外延成膜.低壓外延的優(yōu)點：由于溫度降低雜質的氣相質量轉移系數增大。削弱了雜質的固態(tài)外擴散作用，有效克服了自摻雜。

不受質量轉移控制，分子自由程大，可以使用圓形反應器和立式裝片技術，改善外延厚度和電阻率均勻性。

貴的轉換效率高埋層圖形畸變小4.2.1一般過程H2還原SiCl4法的化學反應式為：

在生長表面得到游離態(tài)的Si原子，析出的Si原子在高溫下攜帶大量的熱能，便沿著表面滑動（擴散）到適當位置，按照一定的晶向加接到晶格點陣上，并釋放能量，固定成為晶格點陣的新成員。外延生長包括下列連續(xù)步驟：1.反應劑質量從氣相轉移到生長層表面2.反應劑分子被吸附在生長層表面3.在生長層表面進行化學反應，得到Si原子和其他副產物4.副產物分子脫離生長層表面的吸附5.解吸的副產物從生長表面轉移到氣相，隨主流氣體逸出反應室6.Si原子加接到晶格點陣上

4.2.3生長速率討論表面反應控制

當時，化學反應進行得慢，反應劑可以充分供給，因此在附面層中反應劑濃度幾乎是分布均勻的；外延生長速率主要取決于表面化學反應進行得快慢，所以質量轉移控制

當時，在外延層表面上的化學反應進行得相當快，凡是轉移到表面上的反應劑分子瞬間就可以變成硅，因此表面上的反應劑幾乎為零，外延生長速率主要取決于反應劑由氣相轉移到生長表面的快慢，所以4.3影響外延生長速率的因數反應劑濃度:為兼顧結晶的完美性和其他要求，反應劑濃度不宜太大。在較小的反應劑濃度范圍內，生長速率和反應劑濃度成正比，但由于反應生成氯化物如HCL的腐蝕作用逐漸顯著起來，使得生長速率并不能按比例增加，而是趨于飽和，然后下降，一旦濃度超過某一值，腐蝕占了主導地位，會出現與生長相反的過程，襯底表面被剝離。生長速率還與反應腔橫截面形狀和襯底取向有關。由下圖可知，圓形管沿基座橫向，外延層厚度是中間厚、兩邊薄；矩形腔的均勻性較圓形腔好。至于生長速率與襯底取向有關，是因為外延層是襯底表面沿其法線方向沿拓的結果。晶面間相互作用的共價鍵數目越多，生長速率越慢。

V(110)>V(100)>V(111)4.6.3減少自摻雜的方法1.為避免硼的自摻雜，外延淀積過程應在盡可能最低的淀積溫度下進行2.應使用有較低蒸氣壓和低擴散率的襯底和埋層摻雜劑。3.用輕摻雜的硅封住襯底和支架背面4.在降低壓強下操作外延系統(tǒng)以減少橫向自摻雜。只對磷和砷有用，對硼無效。5.使用離子注入的埋層以減小襯底表面濃度。6.在HCl刻蝕之后采用一個低溫吹氣的工藝，保證刻蝕時所涉及的摻雜劑被帶出系統(tǒng)。氧化

盡管硅是一種半導體，但SiO2是一種絕緣材料。是硅器件制造中得到廣泛應用的一種膜層，因為SiO2既可以用來處理硅表面，又可以作為摻雜的阻擋層、表面絕緣層及作為器件中的絕緣部分。7.1.1表面鈍化

熱生長SiO2的一個主要優(yōu)點是可以通過束縛硅的懸掛鍵，從而降低它的表面態(tài)密度，這種效果稱為表面鈍化,它能防止電性能退化并減少由潮濕、離子或其他外部沾污物引起的漏電流的通路。二氧化硅層作用

保護器件免劃傷和隔離玷污

表面鈍化柵氧或儲存器單元的介質材料摻雜中的注入掩蔽金屬導電層間的介質層

7.2.3影響氧化速率的因素晶格方向

因為不同晶向其原子密度不同，所以在相同的溫度、氧化氣壓等條件下，原子密度大的晶面，氧化生長速率要大，而且在低溫時的線性階段更為明顯氧化溫度：溫度越高，氧化速率常數越大，生成的氧化層也就越厚。氧化速率常數與絕對溫度的倒數呈負指數關系。晶圓摻雜物的影響摻雜元素和濃度對氧化生長速率都有影響。另一對氧化生長速率有影響的是氧化完成后，硅中摻雜原子的分布。氧化劑分壓的影響典型習題二、硅表面已經有2000埃厚度的氧化層，經過光刻后，再次氧化，其條件是氧化溫度是1200度，時間是60min，水溫是95度。求窗口區(qū)與非窗口區(qū)的氧化層厚度，并求出硅表面的臺階高度？解：利用上題所說的方法，求出兩個區(qū)域的氧化層厚度，然后利用公式計算，得到不同區(qū)域硅的新表面相對原始表面的距離，再求出臺階高度。典型習題三、P—MOS工藝中，源漏再擴散的條件是：擴散溫度為1150度；時間是60min，求最小掩蔽層厚度？解：根據題給條件，先通過圖表查出雜質在二氧化硅中的擴散系數再利用公式計算，得到結果光刻負性光刻6.3光刻10步法1.表面準備清潔和干燥晶圓表面2.涂光刻膠在晶圓表面均勻涂抹一薄層光刻膠3.軟烘焙加熱，部分蒸發(fā)光刻膠4.對準和曝光掩膜版和圖形在確對準和光刻膠的曝光。5.顯影非聚合光刻膠的去除6.硬烘焙對溶劑的繼續(xù)蒸發(fā)7.顯影目檢檢查表面的對準情況和缺陷8.刻蝕將晶圓頂層透過光刻膠的開口去除9.光刻膠去除將晶圓上的光刻膠層去除10.最終目檢表面的檢查以發(fā)現刻蝕的

不規(guī)則和其他問題8.4光刻膠8.4.1光刻膠的組成四種基本的成分：聚合物、溶劑、感光劑和添加劑。兩種光刻膠的顯影屬性不同，負膠所用的顯影液非常容易得到，聚合和非聚合區(qū)域的可溶性有很大不同。圖形尺寸相對保持恒定。

正膠來說，聚合和非聚合區(qū)域的可溶性區(qū)別較小，顯影液需要仔細調制，并且在顯影過程中需要進行溫度的控制，加入溶解阻止系統(tǒng)，控制顯影過程中的圖形尺寸。光刻膠的去除，正膠比負膠容易，可以用受環(huán)境影響小的化學品去除。生產先進的工藝會選擇正膠，對于圖形尺寸大于2微米的工藝還在用負膠。焦深為焦點深度的簡稱，即在使用顯微鏡時，當焦點對準某一物體時，不僅位于該點平面上的各點都可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度內，也能看得清楚，這個清楚部分的厚度就是焦深。焦深大,可以看到被檢物體的全層，而焦深小，則只能看到被檢物體的一薄層。NA是鏡頭的孔徑數值摻雜影響工藝的因素一、特定雜質的擴散率。擴散率越高，雜質在晶圓中的穿越越快。擴散率隨溫度的上升而變大。二、雜質在晶圓中的最大固溶度。隨溫度的升高而升高。（2）方塊電阻

我們如道，對于一個均勻導體來說，

電阻R除了與電阻率成正比外，還正比于導體的長度L，反比于導體截面積S，即有

如果均勻導體的寬為d，厚為W，則S＝d*W，那么電阻R的表達式可改寫為

對于擴散層來說，在擴散方向上雜質分布是不均勻的，整個擴散層電阻率不可能用一個常數表示．如果假設擴散層內的平均電阻率為；(平均電導率為)，那么擴散層的電阻表達式R其中如果L=d，則R=R兩個重要的注入參數1.劑量（Q）

離子注入提供了一種非常精確的，向硅中摻入特定雜質原子劑量或數量的方法。退火是指在氮氣保護下，使硅片在一定溫度下保持一段時間，使微觀損傷區(qū)的晶體復原，一般把這種熱處理稱為退火。退火還有一個重要的作用，能使注入硅中的雜質離子進入替代硅原子的位置而成為電活性雜質離子，從而起受主或施主作用。退火在600℃~1000℃之間進行。(2)快速退火采用脈沖激光、脈沖電子束與離子束、掃描電子束、連續(xù)波激光、寬帶非相干光源（如鹵燈和高頻加熱）等退火，特點是瞬時內使晶片的某個區(qū)域加熱到極高的溫度，并在較短的時間（10-3~10-2S）內完成退火。退火產生的四個結果注入引起的損傷得到修復雜質原子與硅原子間的共價鍵被激活，使雜質原子成為晶格結構中的一部分高溫使得雜質向硅中擴散硅片表面生長了一層新的氧化層已知注入離子的能量和劑量，估算注入離子在靶中的濃度和結深問題：140keV的B+離子注入到直徑為150mm的硅靶中。

注入劑量Q=5×1014/cm2（襯底濃度2×1016/cm3）

1)試估算注入離子的投影射程，投影射程標準偏差、

峰值濃度、結深2)如注入時間為1分鐘，估算所需束流。【解】1)從查圖或查表得

Rp=4289?=0.43mm

Rp=855?=0.086mm

峰值濃度

Nmax=0.4Q/

Rp=0.4×5×1014/(0.086×10-4)=2.34×1019cm-3

襯底濃度NB＝2×1016cm-3

xj=0.734mm2)注入的總離子數

Q＝摻雜劑量×硅片面積

＝5×1014×[

(15/2)2]=8.8×1016離子數

I＝qQ/t

＝[(1.6×10－19C)(8.8×1016)]/60sec=0.23mA淀積淀積薄膜的主要方法有熱氧化（常壓熱氧化、低壓熱氧化、高壓熱氧化等）物理淀積（真空蒸發(fā)、濺射鍍膜、分子束外延等）化學汽相淀積（CVD）（常壓CVD、低壓CVD、等離子增強CVD、氣相外延等）本章主要介紹化學氣相淀積（CVD）在常壓和低壓技術中的實際運用。10.1.1成膜技術相關術語多層金屬化：用來連接硅片上高密度堆積器件的那些金屬層和絕緣介質層金屬層：鋁金屬化使用鋁合金作為互連線，工業(yè)界正在向銅金屬化過渡。每層金屬層被定義為Metal-1、Metal-2，以此類推。關鍵層：線條寬度被刻蝕為器件特征尺寸的金屬層。介質層：介于硅上有源器件和第一層金屬之間的電絕緣層稱為第一層層間介質（ILD-1），這一層也被稱為金屬前絕緣層（PMD）。典型的ILD-1是一層摻雜的SiO2。

層間介質（interlayerdielectric,ILD），應用于器件不同的金屬層之間。充當兩層導電金屬或者相鄰金屬線條之間的隔離膜。常采用介電常數為3.9到4.0的SiO2。10.2化學氣相淀積基礎化學氣相淀積（ChemicalVapoDeposition）是指利用熱能、輝光放電、等離子體或其它形式的能源，使氣態(tài)物質在固體的熱表面上發(fā)生化學反應并在該表面上淀積，形成穩(wěn)定的固態(tài)物質的工藝過程。CVD系統(tǒng)使用兩種能源供給源：熱輻射等離子體氣相外延（VPE）:用于淀積組合膜的特殊CVD系統(tǒng)分子束外延（MBE）：是一種蒸發(fā)工藝，一次工藝步驟，可以在晶圓表面形成多個層的能力，優(yōu)于CVD工藝10.4APCVD工藝化學反應在常壓下進行，APCVD常用于淀積二氧化硅，特別是摻雜的SiO2

，如磷硅玻璃（PSG）。APCVD特點：(1)、Si片水平放置，產量低，易被管壁掉渣污染；(2)、常用溫度700~900℃，沉淀速率由質量轉移和反應速度決定(3)、均勻性較差，易產生霧狀顆粒、粉末等。為提高均勻性，須提高稀釋氣體流量，同時降低淀積溫度。目前普遍采用LTCVD（常壓下低溫化學氣相淀積）SiO2

和摻雜SiO2

膜。分子自由程是一個分子在反應室內與另一種物質或分子，或晶圓支架碰撞前移動的平均距離。碰撞改變了粒子的運動方向，自由程越長，薄膜淀積的均勻性越高。影響薄膜淀積的均勻性和階梯覆蓋性的因素之一是反應室內分子的平均自由程。決定自由程大小的主要因素是系統(tǒng)內的壓力所以，