《加工工艺》PPT课件.ppt

微纳制造技术 秦明东南大学MEMS教育部重点实验室Tel 025 83792632ext 8809Email mqin 教材与参考书 教材微电子制造科学原理与工程技术 第二版 StephenA Campbell 电子工业出版社参考书微加工导论SamiFranssila 电子工业出版社硅微机械加工技术黄庆安 科学出版社 半导体加工 概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀 化学气相淀积物理淀积外延工艺集成CMOS双极工艺BiCMOSMEMS加工 半导体加工概述 上世纪40年代发明的晶体管及随后发明的集成电路 完全改变了人类生活 微电子的发展 半导体加工概述 Moore定律 Componentcountsperunitareadoubleseverytwoyears Featuresizereductionenablestheincreaseofcomplexity 半导体加工概述 半导体加工概述 半导体加工概述 半导体加工概述 半导体加工工艺原理 概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀 化学气相淀积物理淀积外延工艺集成CMOS双极工艺BiCMOSMEMS加工 半导体衬底 硅是目前半导体中用的最多的一种衬底材料每年生产约1 5亿片 总面积约3 4km2硅的性能屈服强度7x109N m2弹性模量1 9x1011N m2密度2 3g cm3热导率1 57Wcm 1 C 1热膨胀系数2 33x10 6 C 1 电阻率 P n 型1 50 cm电阻率 Sb n 型0 005 10 cm电阻率 B p Si0 005 50 cm少子寿命30 300 s氧5 25ppm碳1 5ppm缺陷 500cm 2直径Upto200mm重金属杂质 1ppb 硅的晶体生长 硅的纯化SiO2 2C Si 冶金级 2COSi 3HCl SiHCl3 H22SiHCl3 蒸馏后的 2H2 2Si 电子级 6HCl 直拉法单晶生长 多晶硅放在坩埚中 加热到1420oC将硅熔化 将已知晶向的籽晶插入熔化硅中然后拔出 硅锭旋转速度20r min坩埚旋转速度10r min提升速度 1 4mm min 100mm 掺杂P B Sb As 300mm硅片和Pizza比较芯片加工厂一角芯片直径增大 均匀性问题越来越突出 区熔法晶体生长 主要用于制备高纯度硅或无氧硅生长方法多晶硅锭放置在一个单晶籽晶上 多晶硅锭由一个外部的射频线圈加热 使得硅锭局部熔化 随着线圈和熔融区的上移 单晶籽晶上就会往上生长单晶 电阻率高无杂质沾污机械强度小 尺寸小 大直径硅片的优点 晶体结构 基本术语 晶面 硅切片工艺 单晶生长 芯片制造的生产环境 每一个硅片表面有许多个微芯片 每一个芯片又由数以百万计的器件和互连线组成随着芯片的特征尺寸缩小 对沾污变得越来越敏感 对沾污的控制越来越重要具估计80 芯片的电学失效是由沾污带来的缺陷引起的 电学失效引起成品率下降 导致芯片成本增加 为控制芯片制造过程中不受沾污 芯片制造都是在净化间中完成 净化间本质上是一个净化过的空间 它以超净的空气把芯片制造与外界沾污环境隔离开来 包括化学品 人员和常规工作环境 芯片制造的生产环境1 净化间沾污类型颗粒金属杂质有机物沾污自然氧化层静电释放 ESD 芯片制造的生产环境2 净化间剪影 半导体加工工艺原理 概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀 化学气相淀积物理淀积外延工艺集成CMOS双极工艺BiCMOS 热氧化 SiO2的基本特性热SiO2是无定形的密度 2 2gm cm3分子密度 2 3E22molecules cm3晶体SiO2 Quartz 2 65gm cm3良好的电绝缘材料Resistivity 1E20ohm cm带隙EnergyGap 9eV高击穿电场 10MV cm 热氧化 SiO2的基本特性稳定和可重复的Si SiO2界面硅表面的生长基本是保形的 热氧化 SiO2的基本特性杂质阻挡特性好硅和SiO2的腐蚀选择特性好 热氧化原理 反应方程 Si 固体 O2 气体 SiO2 Deal Grove模型 Deal Grove模型 tsl Boundarylayerthicknessk BoltzmannconstantPg PartialpressureofO2 hg masstransfercaefficient tox oxidethickness 留在大气层中的气流 第二个流量 第三个流量 J3 ksCi J1 J2 J3 Deal Grove模型 利用Henry定律Co H Ps H kT Cs Henry常数 Deal Grove模型 界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数 得到生长速率 初始氧化层厚度为t0 LinearandParabolicRateCoefficients B A linearratecoeff B parabolicratecoeff 氧化层足够薄时 氧化层足够厚时 热氧化 热氧化 含Cl氧化 氧化过程中加入少量的HCl或TCE 三氯乙烯 减少金属沾污改进Si SiO2界面性能 Cl对氧化速率的影响 初始阶段的氧化 Deal Grove模型严重低估了薄氧化层厚度多种模型解释薄氧化特性表面电场薄氧层微孔应力氧在氧化层中的溶解度增加 氧化中消耗硅的厚度 硅表面形貌对Xi的影响 热氧化的影响因素 温度气氛 干氧 水汽 HCl 压力晶向掺杂 高压氧化 对给定的氧化速率 压力增加 温度可降低温度不变的情况下 氧化时间可缩短 高掺杂效应 900oC下干氧速率是掺杂浓度的函数 晶向的影响 氧化界面的TEM图 SiO2结构 SiO2特性 厚度测量形成台阶光学比色椭圆偏振光干涉法击穿场强 12MV cm 二氧化硅颜色厚度对照表 SiO2特性 CV测试氧化层电荷 氧化层电荷测量