半导体工艺原理复习总结.docx

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半导体工艺原理复习总结

1.根据扩散源的不同有三种扩散工艺：

固态源扩散，液态源扩散，气态源扩散。

2.固相扩散工艺

微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散，是固相扩散工艺。

固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的，这些跳跃在整个三维方向进行，主要有三种方式:

间隙式扩散

替位式扩散

间隙—替位式扩散

3.什么是离子注入

离化后的原子在强电场的加速作用下，注射进入靶材料的表层，以改变这种材料表层的物理或化学性质.

注入离子在靶内受到的碰撞是随机的，所以杂质分布也是按几率分布的。

离子进入非晶层（穿入距离）的分布接近高斯分布.

4.离子注入的沟道效应

沟道效应

当离子沿晶轴方向注入时，大部分离子将沿沟道运动，几乎不会受到原子核的散射，方向基本不变，可以走得很远。

5.减少沟道效应的措施

（1）对大的离子，沿沟道轴向（110）偏离7－10o

（2）用Si，Ge，F，Ar等离子注入使表面预非晶化，形成非晶层.

（3）增加注入剂量（晶格损失增加，非晶层形成，沟道离子减少）.

（4）表面用SiO2层掩膜.

6.损伤退火的目的（修复晶格，激活杂质）

A.去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复其原有完美晶体结构

B.让杂质进入电活性（electricallyactive）位置－替位位置。

C.恢复电子和空穴迁移率

7.退火方法

a.高温退火

b.快速退火：

激光、高强度光照、电子束退火、其他辐射.

8.注入方法

a直接注入

离子在光刻窗口直接注入Si衬底。

射程大、杂质重时采用。

b间接注入；

通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。

间接注入沾污少，可以获得精确的表面浓度。

c多次注入

通过多次注入使杂质纵向分布精确可控，与高斯分布接近；也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中，使杂质分布为设计形状。

9.降低系统自掺杂方法

a.降低系统自掺杂的有效方法是对石墨基座进行HCl高温处理，处理的温度应该高于外延生长温度。

b.所谓高温处理就是用HCl在高温下把基座上淀积的硅腐蚀掉，在腐蚀后立即在基座上包一层本征硅用来封闭基座。

10.光刻

定义:

光刻是图形复印与腐蚀作用相结合，在晶片表面薄膜上制备图形的精密表面工艺技术。

目的:

在介质薄膜（二氧化硅、氮化硅、多晶硅等）、金属薄膜或金属合金薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。

目标:

（1）尽可能接近特征图形尺寸。

（2）在晶圆表面正确定位图形，包括套刻准确。

11、光刻胶

正胶：

胶的曝光区在显影中除去。

正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的。

使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形，故称之为正胶。

负胶：

胶的曝光区在显影中保留，用的较多。

具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂（丙酮、丁酮、环己酮）是可溶的，而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的。

使用这种光刻胶时，能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形，故称之为负胶。

正胶负胶

①不易氧化易氧化而使光刻胶膜变薄

②成本高成本低

③图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象易吸收显影液而溶涨

④分辨率更高

⑤去胶较容易

⑥抗蚀性强于正胶

13、光刻基本步骤

•涂胶

•对准和曝光

•显影

光刻步骤细分有：

1、清洗硅片WaferClean。

2、预烘和底胶涂覆Pre-bakeandPrimerVapor

3、光刻胶涂覆PhotoresistCoating

4、前烘SoftBake

5、对准Alignment

6、曝光Exposure

7、后烘PostExposureBake

8、显影Development

9、坚膜HardBake

10、图形检测PatternInspection

化学气相淀积CVD模型

化学气相淀积（ChemicalVaporDeposition,CVD）是通过气态物质的化学反应在衬底上淀积薄膜的工艺方法。

淀积的薄膜是非晶或多晶态，衬底不要求是单晶，只要是具有一定平整度，能经受淀积温度即可

1.1CVD过程

（1）反应剂被携带气体引入反应器后，在衬底表面附近形成“滞留层”，然后，在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面

（2）反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应

（3）化学反应生成的固态物质，即所需要的淀积物，在硅片表面成核、生长成薄膜

（4）反应后的气相副产物，离开衬底表面，扩散回边界层，并随输运气体排出反应室

CVD的化学反应条件、

（1）在淀积温度下，反应剂需有足够高的蒸气压；

（2）除淀积物外，反应的其它物质必须是挥发性；

（3）淀积物本身必须具有足够低的蒸气压

（4）薄膜淀积所用的时间必须足够短----高效率，低成本

（5）淀积温度必须足够低----避免对先前工艺影响

（6）CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜

（7）化学反应必须在被加热的衬底表面

2CVD淀积系统

按气压分类

常压化学气相淀积（APCVD,）

低压化学气相淀积（LPCVD,）

按反应激活能分类

等离子增强化学气相淀积（PECVD,）

金属有机物化学气相淀积（MOCVD,）

激光诱导化学气相淀积（LCVD,）

微波等离子体化学气相淀积（MWCVD,）

2.3APCVD

操作简单，淀积速率较高，适于介质薄膜的淀积。

缺点：

易于发生气相反应、产生微粒污染，台阶覆盖性和均匀性比较差。

APCVD的主要问题：

低产率（throughput）

高温淀积：

硅片需水平放置

低温淀积：

反应速率低

气缺现象解决方法

A、在水平方向上逐渐提高温度来加快反应速度，从而提高淀积速率，补偿气缺效应的影响，减小各处淀积厚度差别。

B、采用分布式的气体入口，就是反应剂气体通过一系列气体口注入列反应室中。

需要特殊设计的淀积室来限制注入气体所产生的气流交叉效应。

C、增加反应室中的气流速度。

LPCVD法的主要特点

Batchprocessing：

同时100-200片

薄膜厚度均匀性好

可以精确控制薄膜的成份和结构

台阶覆盖性较好

低温淀积过程

淀积速率快

生产效率高

生产成本低

影响PECVD薄膜淀积速率因素

反应器的结构；

射频功率的强度和频率；

反应剂与稀释剂气体量；

抽气速率；

衬底温度

物理气相淀积（Physicalvapordeposition，PVD）

是利用某种物理过程，如用真空蒸发和溅射方法实现物质转移，即原子或分子由源转移到衬底（硅）表面淀积成薄膜。

真空蒸发法优点

设备简单，操作容易

所制备的薄膜纯度较高，厚度控制较精确，成膜速率快

生长机理简单

真空蒸发法主要缺点

所形成的薄膜与衬底附着力较小

工艺重复性不够理想

台阶覆盖能力差

蒸镀为什么要求高真空度？

1、蒸发的原子（或分子）的输运应为直线，真空度过低，输运过程被气体分子多次碰撞散射，方向改变，动量降低，难以淀积到衬底上。

2、真空度过低，气体中的氧和水汽，使金属原子或分子在输运过程中氧化，同时也使加热衬底表面发生氧化。

3、系统中气体的杂质原子或分子也会淀积在衬底上，影响淀积薄膜质量。

总结：

SiO2的基本性质

1、良好的电绝缘介质

2、高的击穿场强

3、稳定的可重复的Si/SiO2界面特性

4、对大多数杂质来说，SiO2是非常好的扩散掩膜

5、Si和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率

二氧化硅膜的用途

（1）表面钝化

A、保护器件的表面及内部

B、禁锢污染物

（2）掺杂阻挡层（作为杂质扩散的掩蔽膜）

A、杂质在二氧化硅中的运行速度低于在硅中的运行速度

B、二氧化硅的热膨胀系数与硅接近

（3）绝缘介质

SiO2介电性质良好：

介电强度为106-107V/cm

氧化方法分类

按氧化气氛的不同来分：

干氧氧化：

通入纯净的干燥的氧气进行氧化。

掺氯氧化:

氧化时加入少量氯气（Cl2）、氯化氢（HCl）、三氯乙烯（C2HCl3或TCE）或三氯乙烷（TCA）等含氯的气态物。

湿氧氧化：

氧气在通入反应室之前，先通过加热高纯去离子水，使氧气中携带一定量的水汽；

水汽氧化：

通入水汽进行氧化。

（水汽来源于高纯去离子水气化或H、O直接燃烧化合而成。

）

干氧氧化特点：

①氧化层结构致密，氧化速度慢；

②均匀、重复性好；

③SiO2层表面的硅氧烷与光刻胶粘附性良好，不易产生浮胶现象。

水汽氧化特点：

①氧化层结构疏松，质量不如干氧好，水汽氧化速度快；

②均匀、重复性差。

③表面是极性的硅烷醇结构，存在的羟基极易吸附水，极性的水不易与非极性光刻胶粘附，所以氧化层容易产生浮胶现象。

湿氧氧化特点：

兼有干氧和水汽两种氧化的共同特点，氧化速度和质量介于两者之间。

三种氧化的特点比较

速度

均匀重复性

结构

掩蔽性

水温

干氧

慢

好

致密

好

湿氧

快

较好

中

基本满足

95℃

水汽

最快

差

疏松

较差

102℃

实际中，MOS结构栅氧化层制作采用：

干氧氧化;IC中的场隔离氧化（即场氧）制作采用：

湿氧或水汽氧化掩蔽膜制作采用，干氧（掺氯）-湿氧-干氧交替氧化

掺氯氧化的目的：

减小SiO2中的Na+污染，改善SiO2层的质量。

掺氯氧化的特点：

①掺氯氧化可吸收、提取氧化层下面硅中的杂质，减少复合中心，使少子寿命增加。

因为高温下氯气和许多杂质发生反应，生成挥发性的化合物而从反应室逸出。

②可钝化可动离子，改善器件特性及可靠性。

由于集中分布在SiO2-Si界面附近的氯Cl-可使移到此处的Na+被陷住不动，从而使Na+丧失电活性和不稳定性。

③可降低SiO2层中的固定电荷和界面态密度，减少二氧化硅中的缺陷。

由于氯中和界面电荷，填补了氧空位。

④可提高氧化速度，氯起催化剂的作用。

氧化过程：

①氧化剂（氧气或水汽）从气相内部输运到氧化层表面。

②扩散穿过已经生成的氧化层，抵达SiO2-Si界面；

③在界面处与硅发生氧化反应；

④反应副产物（如H2）离开扩散层,并向主气流转移。

影响热氧化速度的因素：

1氧化时间t；

2氧化温度T；

3氧化剂的分压强PGO（有低压氧化、高压水汽氧化技术）

4氧化气氛（即干氧氧化、湿氧氧化、水汽氧化，Dox）

5衬底表面势效应；

6时间常数t*——薄氧化层xo*

低温或低压氧化：

为了保证超薄的氧化层的均匀性和重复性，要求氧化速率必须足够慢，可采用低温或低压氧化，或两者结合。

高压氧化也是MOS栅极氧化的优选工艺之一，因为高压氧化中生成的栅极氧化层比常压下生成的绝缘性要强。

高压氧化工艺还可以解决在局部氧化（LOCOS）中产生的“鸟嘴”效应问题。

鸟嘴效应：

在氧化时，当O2扩散穿越已生长的氧化物时，在各个方向上扩散，纵向扩散的同时也横向扩散，这意味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。

由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边沿。

我们称之为“鸟嘴效应”。

外延层应满足的要求：

（1）表面应平整，光亮。

（2）晶体完整性好，位错和层错密度低。

（3）外延层的本底杂质浓度要低，补偿少。

（4）对于异质外延，外延层与衬底的组分间应突变（要求组分缓变的例外）并尽量降低外延层和衬底间组分互扩散。

（5）掺杂浓度控制严格，分布均匀，使得外延层有符合要求而均匀的电阻率。

不仅要求一片外延片内，而且要求同一炉内，不同炉次生长的外延片的电阻率的一致性好。

（6）外延层的厚度应符合要求，均匀性和重复性好。

（7）有埋层的衬底上外延生长后，埋层图形畸变很小。

（8）外延片直径尽可能大，利于器件批量生产，降低成本。

（9）对于化合物半导体外延层和异质结外延热稳定性要好。

HCl在硅外延中的作用：

为了提高外延层的完整性，在外延生长前应在反应室中进行原位化学腐蚀抛光，以获得洁净的硅表面。

常用的化学腐蚀剂为干燥的HCl或HBr。

硅外延生长设备主要由四部分组成：

即氢气净化系统、气体输运及控制系统、加热设备和反应室。

硅外延生长的影响因素

:

浓度、温度、气流速度、衬底晶向。