硅工艺简易笔记

H:\精品资料\建筑精品网原稿ok（删除公文）\建筑精品网5未上传百度硅工艺简易笔记第二章氧化SiO2作用:a.杂质扩散掩蔽膜和离子注入屏蔽膜b.器件表面保护或钝化膜c.MOS电容的介质材料d.MOSFET的绝缘栅材料e.电路隔离介质或绝缘介质2.1SiO2的结构与性质Si-O4四面体中氧原子:桥键氧——为两个Si原子共用,是多数;非桥键氧——只与一个Si原子联结,是少数;无定形SiO2网络强度:与桥键氧数目成正比,与非桥键氧数目成反比。2.2.1杂质在SiO2中的存在形式1.网络形成者:即替位式杂质,取代Si,如B、P、Sb等。其特点是离子半径与Si接近。Ⅲ族杂质元素:价电子为3,只与3个O形成共价键,剩余1个O变成非桥键氧,导致网络强度降低。Ⅴ族杂质元素:价电子为5,与4个O形成共价键,多余1个价电子与附近的非桥键氧形成桥键氧,网络强度增加。2.网络改变者:即间隙式杂质,如Na、K、Pb、Ca、Ba、Al等。其特点是离子半径较大,多以氧化物形式掺入;结果使非桥键氧增加,网络强度减少。2.2.2杂质在SiO2中的扩散系数扩散系数:DSiO2=D0exp(-ΔE/kT)D0-表观扩散系数(ΔE/kT→0时的扩散系数)ΔE-杂质在SiO2中的扩散激活能B、P、As的DSiO2比DSi小,Ga、Al的DSiO2比DSi大得多,Na的DSiO2和DSi都大。2.3.1硅的热氧化定义:在高温下,硅片(膜)与氧气或水汽等氧化剂化学反应生成SiO2。1.干氧氧化:高温下,氧气与硅片反应生成SiO2特点－速度慢;氧化层致密,掩蔽能力强;均匀性和重复性好;表面与光刻胶的粘附性好,不易浮胶。2.水汽氧化:高温下,硅片与高纯水蒸汽反应生成SiO2特点:氧化速度快;氧化层疏松－质量差;表面是极性的硅烷醇--易吸水、易浮胶。3.湿氧氧化——氧气中携带一定量的水汽特点:氧化速率介于干氧与水汽之间;氧化层质量介于干氧与水汽之间;4.掺氯氧化——在干氧中掺少量的Cl2、HCl、C2HCl3(TCE)、C2H3Cl3(TCA)掺氯的作用:吸收、提取大多数有害的重金属杂质及Na+,减弱Na+正电荷效应。注意安全:TCE可致癌;TCA高温下可形成光气(COCl2),俗称芥子气,是高毒物质,而且TCA会对臭氧造成破坏。2.3.2热氧化生长动力学,时间常数,反映了初始氧化层对后继热氧化的影响(初始氧化层修正系数)。2.4.1决定氧化速率常数的因素1.氧化剂分压B∝pg,B/A∝pg;(线性关系)2.氧化温度与抛物型速率常数B的关系:∵B=2DOXC*/N1｛Dox=D0exp(-ΔE/kT)｝∴B与氧化温度是指数关系无论干氧、湿氧,氧化温度与B/A是指数关系2.4.2影响氧化速率的其它因素1.硅表面晶向∵DOX与Si片晶向无关,ks与Si表面的原子密度(键密度)成正比;∴抛物型速率常数B=2DOXC*/N1,与Si晶向无关;线性速率常数B/A≈ks·C*/N1,与Si晶向有关:因此(111)面的B/A比(100)面大。2.杂质①硼:在SiO2中是慢扩散,且分凝系数m<1;(m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度)氧化再分布后:大量硼从Si进入SiO2中,使非桥键氧增加,降低了SiO2的网络强度,导致氧化剂DOX增加,进而导致抛物型速率常数B明显增加,但B/A无明显变化。②P:分凝系数m>1氧化再分布后:少量的P分凝到SiO2中,使氧化剂在SiO2中的扩散能力增加不多,因而抛物型速率常数B变化不大;大部分P集中在Si表面,使线性速率常数B/A明显增大。③水汽干氧中,极少量的水汽就会影响氧化速率;水汽会增加陷阱密度。④钠钠以Na2O的形式进入SiO2中,使非桥键氧增加,氧化剂的扩散能力增加,但SiO2强度下降了。⑤氯氯的作用:固定重金属、Na+等杂质;增加Si中的少子寿命;减少SiO2中的缺陷;降低界面态和固定电荷密度;减少堆积层错。2.5热氧化的杂质再分布分凝系数m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度对同一杂质、同一温度条件,在平衡状态下,m是一个常数。由m可判断在界面处杂质分布的情况。四种分凝现象:根据m<1、m>1和快、慢扩散①m<1、SiO2中慢扩散:B②m<1、SiO2中快扩散:H2气氛中的B③m>1、SiO2中慢扩散:P④m>1、SiO2中快扩散:Ga影响Si表面杂质浓度的因素:①分凝系数m②DSiO2/DSi③氧化速率/杂质扩散速率1.P的再分布(m=10)CS/CB:水汽>干氧原因:氧化速率越快,加入分凝的杂质越多;CS/CB随温度升高而下降。2.B的再分布(m=0.3)CS/CB:水汽<干氧CS/CB随温度升高而升高。原因:扩散速度随温度升高而提高,加快了Si表面杂质损耗的补偿。2.6薄氧化层ULSI对薄氧化层的要求:①低缺陷密度;②好的抗杂质扩散的势垒特性;③低界面态密度和固定电荷;④热载流子和辐射稳定性;⑤低成本。解决方法:1.预氧化清洗2.改进氧化工艺:高温(>900℃)快速氧化3.化学改进氧化层工艺:引入Cl、F、N2、NH3、N2O4.CVD和叠层氧化硅第三章扩散掺杂:将所需的杂质,以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域内,并达到规定的数量和符合要求的分布。扩散:将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中,从而达到将杂质扩散到硅片内的目的。间隙式扩散--杂质在晶格间的间隙中运动(扩散)势垒—间隙位置的势能相对极小,相邻两间隙之间是势能极大位置,必须越过一个势垒Wi。替位式扩散定义——杂质原子从一个晶格点替位位置运动到另一个替位位置。势垒---与间隙式相反,势能极小在晶格位置,间隙处是势能极大位置,必须越过一个势垒WS。3.2扩散系数与扩散方程ν0–振动频率D0—表观扩散系数,即1/kT→0时的扩散系数ΔE—激活能;间隙扩散:ΔE=Wi,替位扩散:ΔE=Ws+Wv3.3.1恒定表面源扩散定义:在扩散过程中,Si片表面的杂质浓度始终不变(等于杂质在Si中的溶解度)。例如:预淀积工艺、箱法扩散工艺3.3.2有限表面源扩散3.3.3两步扩散工艺第一步:在较低温度(800－900℃)下,短时间得浅结恒定源扩散,即预淀积(预扩散);第二步:将预淀积的晶片在较高温度下(1000－1200℃)进行深结扩散,最终达到所要求的表面浓度及结深,即再分布(主扩散)。3.4影响杂质分布的其它因素3.4.2扩散系数与杂质浓度的关系3.4.3氧化增强扩散(OED)实验结果:P、B、As等在氧化气氛中的扩散增强。3.4.4发射区推进(陷落)效应实验现象:NPN管的工艺中,发射区下方的内基区B的扩散深度大于发射区(P扩散形成)外的基区扩散深度。3.4.5二维扩散(横向扩散)实际扩散:杂质在垂直Si表面扩散的同时,也进行平行Si表面的横向扩散。扩散层的方块电阻Rs(R□)第四章离子注入离子注入:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中的过程。特点:①注入温度低:对Si,室温;对GaAs,<400℃。(避免了高温扩散的热缺陷;光刻胶,铝等都可作为掩蔽膜。)②掺杂数目完全受控:同一平面内的杂质均匀性和重复性在±1％;能精确控制浓度分布及结深,特别适合制作高浓度浅结、突变型分布。③无污染:注入离子纯度高,能量单一。④横向扩散小:有利于器件特征尺寸的缩小。⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。⑥注入深度随离子能量的增加而增加。缺点:①损伤(缺陷)较多:必须退火。②设备昂贵,成本高。基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质离子,并使其在电场中加速,获得一定能量后,直接轰击到半导体基片内,使之在体内形成一定的杂质分布,起到掺杂作用。离子注入三大基本要素:——离子的产生——离子的加速——离子的控制离子注入设备1.离子源2.磁分析器(质量分析器)3.加速器4.偏束板:使中性原子束因直线前进不能达到靶室。5.扫描器:使离子在整个靶片上均匀注入。6.靶室(工作室)4.1核碰撞和电子碰撞①核碰撞(阻止)②电子碰撞(阻止)4.2注入离子分布平均投影射程RP、标准偏差(投影偏差)△RPM1—注入离子质量,M2—靶原子质量—峰值浓度(在RP处)NS—注入剂量(经过靶表面单位面积注入的离子数)(注意)4.2.2横向效应①横向效应与注入能量成正比;②是结深的30％-50％;③窗口边缘的离子浓度是中心处的50％;4.2.3沟道效应(ionchanneling)单晶靶:对注入离子的阻挡是各向异性;沟道:在单晶靶的主晶轴方向呈现一系列平行的通道,称为沟道。沟道效应:离子沿沟道前进,核阻挡作用小,因而射程比非晶靶远的多。好处:结较深;晶格损伤小。不利:难于获得可重复的浓度分布,使用价值小。减小沟道效应的途径①注入方向偏离晶体的主轴方向,典型值--70;②淀积非晶表面层(SiO2);③在表面制造损伤层;④提高靶温;⑤增大剂量。4.3注入损伤4.3.3非晶层的形成随注入剂量的增加,原先相互隔离的损伤区发生重叠,最终形成长程无序的非晶层。靶温－靶温越高,损伤越轻。第五章物理气相淀积5.1真空蒸发的基本原理真空蒸发:利用蒸发材料熔化时产生的饱和蒸气压进行薄膜淀积;优点:工艺及设备简单,薄膜纯度高、淀积速率快;缺点:薄膜与衬底附着力小,台阶覆盖差。过程:①加热蒸发过程:加热蒸发源(固态),产生蒸气;②气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程:气化的原子、分子扩散到基片表面;③被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程:气化的原子、分子在表面凝聚、成核、成长、成膜;5.4溅射原理:气体辉光放电产生等离子体→具有能量的离子轰击靶材→靶材原子获得能量从靶表面逸出(被溅射出)→溅射原子淀积在表面。特点:被溅射出的原子动能很大,10-50eV(蒸发:0.1-0.2eV);故,还可实现离子注入。优点:台阶覆盖好(迁移能力强)。第六章化学气相淀积定义:一种或数种物质的气体,以某种方式激活后,在衬底发生化学反应,并淀积出所需固体薄膜的生长技术。CVD工艺的特点1、CVD工艺的温度低,可减轻硅片的热形变,抑制缺陷的生成,减轻杂质的再分布,适于制造浅结器件及VLSI;2、薄膜的成分精确可控、配比范围大,重复性好;3、淀积速率一般高于物理淀积,厚度范围大;4、膜的结构完整致密,与衬底粘附好,台阶覆盖性好。6.1.1CVD的基本过程①传输:反应剂从气相(平流主气流区)经附面层(边界层)扩散到(Si)表面;②吸附:反应剂吸附在表面;③化学反应:在表面进行化学反应,生成薄膜分子及副产物;④淀积:薄膜分子在表面淀积成薄膜;⑤脱吸:副产物脱离吸附;⑥逸出:脱吸的副产物和未反应的反应剂从表面扩散到气相(主气流区),逸出反应室。6.1.3Grove模型hg-气相质量转移系数ks-表面化学反应速率Cs=Cg/(1+ks/hg)两种极限:a.hg>>ks时,Cs→Cg,反应控制;b.hg<<ks时,Cs→0,扩散控制;Grove模型一般表示式:G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y,(Cg=YCT)两个结论:a.G与Cg(无稀释气体)或Y(有稀释气体)成正比;b.当Cg或Y为常数时,G由ks、hg中较小者决定:hg>>ks,G=(CTksY)/N1,反应控制;hg<<ks,G=(CThgY)/N1,扩散控制;影响淀积速率的因素①主气体流速Um结论:扩散控制的G与Um1/2成正比②淀积速率与温度的关系低温下,hg>>ks,反应控制过程,故G与T呈指数关系;高温下,hg<<ks,质量输运控制过程,hg对T不敏感,故G趋于平稳。6.2.4CVD技术1.APCVD(常压CVD)定义:气相淀积在1个大气压下进行;淀积机理:气相质量输运控制过程。优点:淀积速率高(100nm/min);操作简便;缺点:均匀性差;台阶覆盖差;易发生气相反应,产生微粒污染。可淀积的薄膜:Si外延薄膜;SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。2.LPCVD(低压CVD)定义:在27－270Pa压力下进行化学气相淀积。淀积机理:表面反应控制过程。优点:均匀性好(±3－5％,APCVD:±10％);台阶覆盖好;效率高、成本低。缺点:淀积速率低;温度高。可淀积的薄膜:poly-Si、Si3N4、SiO2、PSG、BPSG、W等。3.PECVD(等离子体增强CVD)定义:RF激活气体分子(等离子体),使其在低温(室温)下发生化学反应,淀积成膜。淀积机理:表面反应控制过程。优点:温度低(200－350℃);更高的淀积速率;附着性好;台阶覆盖好;电学特性好;缺点:产量低;淀积薄膜:金属化后的钝化膜(Si3N4);多层布线的介质膜(Si3N4、SiO2)。6.3.2CVD多晶硅工艺:LPCVD热分解(一般主要采用);气体源:气态SiH4;总反应式:SiH4(吸附)=Si(固体)+2H2(g)特点:①与Si及SiO2的接触性能更好;②台阶覆盖性好。缺点:SiH4易气相分解。用途:欧姆接触、栅极、互连线等材料。6.4.1CVDSiO2的方法1.低温CVD①气态硅烷源硅烷和氧气:APCVD、LPCVD、PECVD硅烷和N2O(NO):PECVD优点:温度低;反应机理简单。缺点:台阶覆盖差。②液态TEOS源:PECVD淀积机理:Si(OC2H5)4+O2250-425℃SiO2+H2O+CXHY优点:安全、方便;厚度均匀;台阶覆盖好。缺点:SiO2膜质量较热生长法差;SiO2膜含C、有机原子团。2.中温LPCVDSiO2温度:680-730℃化学反应:Si(OC2H5)4→SiO2+2H2O+4C2H4优点:较好的保形覆盖;缺点:只能在Al层淀积之前进行。6.5CVDSi3N4Si3N4薄膜的用途:①最终钝化膜和机械保护层;②掩蔽膜:用于选择性氧化;③DRAM电容的绝缘材料;④MOSFETs中的侧墙;⑤浅沟隔离的CMP停止层。第七章外延定义:在单晶衬底上,按衬底晶向生长一层新的单晶薄膜的工艺技术。应用①双极器件与电路:轻掺杂的外延层——较高的击穿电压;重掺杂的衬底降低集电区的串联电阻。 ②CMOS电路:避免了闩锁效应:降低漏电流。外延的分类①按工艺分类:气相外延(VPE):硅的主要外延工艺;液相外延(LPE):Ⅲ-Ⅴ化合物的外延;固相外延(SPE):离子注入退火过程;分子束外延(MBE,MolecularBeamEpitaxy)7.1.2外延生长模型生长步骤①传输:反应物从气相经边界层转移到Si表面;②吸附:反应物吸附在Si表面;③化学反应:在Si表面进行化学反应,得到Si及副产物;④脱吸:副产物脱离吸附;⑤逸出:脱吸的副产物从表面转移到气相,逸出反应室;⑥加接:生成的Si原子加接到晶格点阵上,延续衬底晶向;生长特征:横向二维的层层生长。(注意与CVD区分)7.1.3化学反应—H2还原SiCl4体系生长总反应:SiCl4+2H2Si(s)+4HCl(g)7.1.4生长速率与温度的关系B区为高温区,外延生长为质量运输(扩散控制),外延一般选用此区,优点:1.对于温度的控制精度要求不是太高2.高温区外延时,硅原子具有很强的迁移能力,易生成单晶A区为低温区,外延生长为反应控制7.1.5生长速率与反应剂浓度的关系BABA注意:氯硅烷氢还原法外延层生长速度主要受两个因素控制,一是释放硅原子速度,二是释放的硅原子在衬底生成单晶外延层的速度。A点之前,释放速度<生长速度;A、B点之间,释放速度>生长速度,B点以后多的氯硅烷开始产生腐蚀效应。7.1.6生长速率v与气体流速U的关系SiCl4外延温度:1200℃,输运控制;故,v随U的增大而增加。7.2外延层的杂质分布7.2.2扩散效应扩散效应:衬底杂质与外延层杂质相互扩散,导致界面处杂质再分布;7.2.3自掺杂效应(非故意掺杂)定义:衬底杂质及其它来源杂质非人为地掺入外延层。7.3低压外延(5-20kPa)低压作用:减小自掺杂效应;优点:①杂质分布陡峭;②厚度及电阻率的均匀性改进;③外延温度随压力的降低而下降;④减少了埋层图形的畸变和漂移;7.4选择性外延SEG:在特定区域有选择地生长外延层;原理:Si在SiO2或Si3N4上很难核化成膜;选择性:①特定区域;②硅源。硅源的选择性顺序:SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4;7.6SOS及SOI技术SOI技术的特点与优势1．速度高:在相同的特征尺寸下,工作速度可提高30-40％;2．功耗低:在相同的工作速度下,功耗可降低50％-60％;3．特别适合于小尺寸器件;4．特别适合于低压、低功耗电路;5．集成密度高:封装密度提高约40％;6．低成本:最少少用三块掩模版,减少13%-20%(30％)的工序;7．耐高温环境:工作温度300℃-500℃;8．抗辐照特性好:是体硅器件的50-100倍。7.7分子束外延(MBE)原理:在超高真空下,利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束,直接射到衬底表面,形成外延层。应用:元素半导体—Si、Ge化合物半导体-GaAs、GaN、SiGeMBE的特点:①温度低;②生长速度低;③化学组成及掺杂浓度精确可控;④厚度可精确控制到原子级;第八章光刻与刻蚀工艺光刻:经过光化学反应,将光刻版(mask)上的图形转移到光刻胶上。刻蚀:经过腐蚀,将光刻胶上图形完整地转移到Si片上光刻三要素:①光刻机②光刻版(掩膜版)③光刻胶8.1光刻工艺流程主要步骤:涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶。两种基本工艺类型:负性光刻和正性光刻。8.1.1涂胶1.涂胶前的Si片处理(以在SiO2表面光刻为例)SiO2:亲水性;光刻胶:疏水性;①脱水烘焙:去除水分②HMDS:增强附着力2.涂胶①对涂胶的要求:粘附良好,均匀,薄厚适当胶膜太薄－针孔多,抗蚀性差;胶膜太厚－分辨率低(分辨率是膜厚的5－8倍)8.1.2前烘①作用:促进胶膜内溶剂充分挥发,使胶膜干燥;增加胶膜与SiO2(Al膜等)的粘附性及耐磨性。②影响因素:温度,时间。8.1.3曝光:光学曝光、X射线曝光、电子束曝光①光学曝光－紫外,深紫外ⅰ)光源:高压汞灯:产生紫外(UV)光,光谱范围为350~450nm。准分子激光器:产生深紫外(DUV)光,光谱范围为180nm～330nm。ⅱ)曝光方式a.接触式:硅片与光刻版紧密接触。b.接近式:硅片与光刻版保持5-50μm间距。c.投影式②电子束曝光:λ＝几十~100Å;优点:分辨率高;不需光刻版(直写式);缺点:产量低;邻近效应——由于背散射使大面积的光刻胶层发生程度不同的曝光,导致大面积的图形模糊,造成曝光图形出现畸变。减小邻近效应的方法:减小入射电子束的能量,或采用低原子序数的衬底与光刻胶。③X射线曝光λ＝2~40Å,软X射线;X射线曝光的特点:分辨率高,产量大。缺点:存在图形的畸变(半影畸变δ和几何畸变∆)。8.1.4显影①作用:将未感光的负胶或感光的正胶溶解去除,显现出所需的图形。②显影液:专用③影响显影效果的主要因素:ⅰ)胶膜的厚度;ⅱ)前烘的温度与时间;ⅲ)曝光时间;ⅳ)显影液的浓度;ⅴ)显影液的温度;④显影时间适当t太短:可能留下光刻胶薄层→阻挡腐蚀SiO2(金属)→氧化层”小岛”。t太长:光刻胶软化、膨胀、钻溶、浮胶→图形边缘破坏。8.1.5坚膜①作用:使软化、膨胀的胶膜与硅片粘附更牢;增加胶膜的抗蚀能力。②方法ⅰ)恒温烘箱:180－200℃,30min;ⅱ)红外灯:照射10min,距离6cm。③温度与时间ⅰ)坚膜不足:腐蚀时易浮胶,易侧蚀;ⅱ)坚膜过度:胶膜热膨胀→翘曲、剥落→腐蚀时易浮胶或钻蚀。若T>300℃:光刻胶分解,失去抗蚀能力。8.1.6腐蚀(刻蚀)①对腐蚀液(气体)的要求:既能腐蚀掉裸露的SiO2(金属),又不损伤光刻胶。②腐蚀的方法ⅰ)湿法腐蚀:腐蚀剂是化学溶液。特点:各向同性腐蚀。ⅱ)干法腐蚀:腐蚀剂是活性气体,如等离子体。特点:分辨率高;各向异性强。8.1.7去胶①湿法去胶无机溶液去胶:H2SO4(负胶);有机溶液去胶:丙酮(正胶);②干法去胶:O2等离子体;8.2分辨率分辨率R——表征光刻精度光刻时所能得到的光刻图形的最小尺寸。影响R的主要因素:①曝光系统(光刻机):X射线(电子束)的R高于紫外光。②光刻胶:正胶的R高于负胶;③其它:掩模版、衬底、显影、工艺、操作者等。8.3光刻胶的基本属性8.3.1对比度γ表征曝光量与光刻胶留膜率的关系;以正胶为例临界曝光量D0:使胶膜开始溶解所需最小曝光量;阈值曝光量D100:使胶膜完全溶解所需最小曝光量;8.3.3光敏度S——完成所需图形的最小曝光量;8.3.4抗蚀能力表征光刻胶耐酸碱(或等离子体)腐蚀的程度。8.6紫外光曝光8.6.4接近式曝光硅片与光刻版保持5~50μm间距。优点:光刻版寿命长。缺点:光衍射效应严重--分辨率低(线宽>3μm)。8.6.5接触式曝光硅片与光刻版紧密接触。优点:光衍射效应小,分辨率高。缺点:对准困难,掩膜图形易损伤,成品率低。8.6.6投影式曝光利用光学系统,将光刻版的图形投影在硅片上。优点:光刻版不受损伤,对准精度高。缺点:光学系统复杂,对物镜成像要求高。用于3μm以下光刻。8.7掩模版(光刻版)的制造基版材料:玻璃、石英。要求:透光度高,热膨胀系数与掩膜材料匹配。掩膜材料:①金属版(Cr版):Cr2O3抗反射层/金属Cr/Cr2O3基层特点:针孔少,强度高,分辨率高。②乳胶版－卤化银乳胶特点:分辨率低(2-3μm),易划伤。8.7.4移相掩模(PSM)PSM:Phase-ShiftMask作用:消除干涉,提高分辨率;原理:利用移相产生干涉,抵消图形边缘的光衍射效应。8.10ULSI对图形转移的要求8.11湿法刻蚀特点:各相同性腐蚀。优点:工艺简单,腐蚀选择性好。缺点:钻蚀严重(各向异性差),难于获得精细图形。衬底膜胶(刻蚀3μ衬底膜胶刻蚀