西工大微电子制造工艺总结

1、 第1章 单晶硅特点1. 硅材料的优点： 原料充分，占地壳25%，沙子是硅在自然界中存在的主要形式； 硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要； 密度只有2.33g/cm3，是锗/砷化镓的43.8%，用于航空、航天； 热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/ ，热导率高，1.50W/cm·，芯片散热； 单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好，目前16英寸； 机械性能良好，MEMS。2. 硅中的点缺陷、线缺陷：（1）点缺陷 本征缺陷（晶体中原子由于热运动） 空位 A：晶格硅原子位置上出现空缺；自填隙原子B ：硅原子不在晶格位置上，而处在晶格位置之

2、间。 杂质（非本征缺陷：硅以外的其它原子进入硅晶体） 替位杂质C填隙杂质D 肖特基缺陷：空位缺陷； 弗伦克尔（Frenkel）缺陷：原子热运动脱离晶格位置进入晶格之间，形成的空穴和自填隙的组合； 填隙杂质：在微电子工艺中是应尽量避免的，这些杂质破坏了晶格的完整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电学性质影响不大； 替位杂质：通常是在微电子工艺中有意掺入的杂质。例如，硅晶体中掺入、族替位杂质，目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流子寿命。（2）线缺陷 线缺陷最常见的就是位错。位错附近，原子排列偏离了严格的周期性，相对位置发生了错乱。123BA 位

3、错可看成由滑移形成，滑移后两部分晶体重新吻合。在交界处形成位错。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。 缺陷附近共价键被压缩 1、拉长2、悬挂3，存在应力 位错主要有刃位错和螺位错 刃（形）位错：晶体中插入了一列原子或一个原子面，位错线AB与滑移矢量垂直； 螺（旋）位错：一族平行晶面变成单个晶面所组成的螺旋阶梯，位错线AD与滑移矢量平行。 刃形位错的两种运动方式：滑移和攀移。 硅晶体的双层密排面间原子价键密度最小，结合最弱，滑移常沿111面发生，位错线也就常在111晶面之间。该面称为滑移面。3. 硅中杂质的类型 半导体材料多以掺杂混合物状态出现，杂质分为有意掺入的和无意掺入的。 有意掺入Si中的杂质

4、有、VA族硼、磷、砷、锑。故意杂质一般能替代硅原子，占据晶格位置，在适当的温度下电离生成自由电子或空穴，能改变硅晶体的电学特性，具有电活性。 无意掺入Si中的杂质有氧，碳等。 间隙式杂质：主要是和族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。 替位式杂质：主要是和族元素，具有电活性，在硅中有较高的固溶度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。 间隙替位式杂质：大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于

5、替位的杂质具有电活性。 共价键内的电子称为束缚电子。 挣脱原子核束缚的电子称为自由电子。 T=0K 且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体。 T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子。 掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高。 掺入三价元素，如B，形成P型半导体，也称空穴型半导体。 因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。空穴是多子（杂质、热激发），自由电子是少子（热激发)。 掺入五价元素，如P，形成N型半导体，也称电子型半导体。 由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由

6、电子而带正电荷成为正离子。自由电子是多子（杂质、热激发），空穴是少子 （热激发）。 、V族电活性杂质主要有：硼、磷、砷，锑等浅能级杂质 金等杂质在室温时难以电离，多数无电活性，是复合中心，具有降低硅中载流子寿命的作用，是深能级杂质 不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象叫杂质补偿。4.杂质的固溶度的概念 一种元素B(溶质)引入到另一种元素A(溶剂)晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有新相产生，仍保持原A晶体结构，这样的晶体称为固溶体。 一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓度，这一平衡浓度就称为该杂质B在晶体A中的固溶度。 第2章 硅片的制备1. 多晶硅的制备过程（石英沙>冶金级硅） 制备多

7、晶硅，石英砂（硅石）通过冶炼得到冶金级硅（MGS），再经过一系列的提纯工艺得到电子级硅（EGS），然后由电子级多晶硅熔体拉制出单晶硅锭，再切片加工出硅片。 多晶硅的制备冶炼 *冶炼是采用木炭或其它含碳物质如煤、焦油等来还原石英砂，得到硅。硅的含量在98-99之间，称为冶金级硅（MGS），也称为粗硅或硅铁。 主要杂质：Fe、Al、C、B、P、Cu 要进一步提纯。 多晶硅的制备提纯 *酸洗：硅不溶于酸，粗硅初步提纯是用盐酸、王水、氢氟酸等混合强酸浸泡，去除粗硅中的铁、铝等主要杂质，清洗至硅纯度99.7%以上。（化学提纯） *蒸馏提纯（distillation） ：利用物质的沸点不同，而在精馏塔中通

8、过精馏（物理提纯）来对其进行提纯。 先将酸洗过的硅氧化为SiHCl3或 SiCl4，常温下SiHCl3 (沸点31.5)，与SiCl4( 沸点57.6)都是液态，蒸馏获得高纯的SiHCl3或SiCl4。 Si+3HClSiHCl3+H2 Si+2Cl2SiCl4 *分解：氢气易于净化，且在硅中溶解度极低，因此，多用H2来还原SiHCl3和SiCl4，还原得到的硅就是半导体纯度的多晶硅。 SiCl4+2H2Si+4HCl SiHCl3+H2Si+3HCl *电子级硅EGS杂质：碳-ppm（百万分之几）；,族-ppb(十亿分之几)2.单晶硅的制备方法（3种） 按制备时有无使用坩埚又分为两类: 有坩

9、埚的：直拉法、磁控直拉法； 无坩埚的：悬浮区熔法 。 三种方法比较： 直拉法工艺成熟，可拉出大直径硅锭，是目前采用最多的单晶硅锭生产方法，但有氧。 磁控直拉法能生长无氧、均匀好的大直径单晶硅锭。设备较直拉法设备复杂得多，造价也高得多，强磁场的存在使得生产成本也大幅提高。 悬浮区熔法与直拉法相比，去掉了坩埚，能拉制出高纯度、无氧高阻单晶，当前FZ硅的电阻率可达5000·cm以上。3. 直拉法(CZ法)制备单晶硅的设备、原理 设备：四部分组成： 炉体部分： 坩埚、水冷装置和拉杆等机械传动部分； 加热控温系统 ：光学高温计、加热器、隔热装置等； 真空部分： 机械泵、扩散泵、真空计、进气阀等

10、； 控制部分： 显示器和控制面板等 ； 原理： 在坩埚中放入电子级的多晶硅，加热使之熔融，用一个卡具夹住一块适当晶向的籽晶，悬浮在坩埚上。拉单晶时，将籽晶一端插入熔体直到熔化，然后再缓慢向上提拉，这时在液-固界面经过逐渐冷凝就形成了单晶。硅锭被拉出时，边旋转边提拉，而坩埚向相反方向旋转。 CZ法主要工艺流程： 准备：腐蚀清洗多晶硅籽晶准备装炉 开炉：抽真空通气升温水冷； 生长：引晶缩颈放肩等径生长收尾 ； 停炉:降温停气停止抽真空开炉； *籽晶的作用： 籽晶是作为复制样本，使拉制出的硅锭和籽晶有相同的晶向； 籽晶是作为晶核，有较大晶核的存在可以减小熔体向晶体转化时必须克服的能垒（即界面势垒）。

11、 *缩颈： 缩颈能终止拉单晶初期籽晶中的位错、表面划痕等缺陷，以及籽晶与熔体连接处的缺陷向晶锭内延伸。籽晶缺陷延伸到只有2-3mm的颈部表面时就终止了。 为保证拉制的硅锭晶格完整，可以进行多次缩颈。4. 分凝现象、分凝系数 对于固相液相的界面，由于杂质在不同相中的溶解度不一样，所以杂质在界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就是所谓杂质的分凝现象。 杂质分凝作用的大小描述分凝系数k，定义为杂质在固相中的溶解度与杂质在液相中的溶解度之比：k=Cs/Cl 。5. 硅锭的掺杂方法（3种），以及液相掺杂的计算（1）掺杂方式（3种）： 液相掺杂 直接掺元素：单质，重掺杂； 母合金掺杂：硅合金，轻掺杂和中等

12、掺杂； 气相掺杂 中子辐照（NTD）掺杂中子嬗变掺杂技术 注：分凝系数很小的杂质不能用液相掺杂方法 蒸发常数太大的杂质不能用液相掺杂方法（2） 液相掺杂的相关计算：分凝对杂质分布均匀性影响：在CZ法长晶中，若液体凝固速度极为缓慢，杂质在熔融液中始终均匀分布，且杂质在固态晶体内扩散现象不明显，则晶锭内轴向杂质分布浓度： 式中：为硅熔体初始浓度；X为已拉制出的晶体占硅总量的比例。例题1：从含有0.01%磷或硼的熔料中拉制硅锭，计算：晶锭顶端磷或硼杂质的浓度？如果晶锭长1m，截面均匀，在何处两种杂质浓度分别是晶锭顶端处的2倍？ 解：硅原子密度为5x1022atoms/cm3，=0.35， =0.8

13、晶锭顶端磷的浓度为 晶锭顶端硼的浓度为 设在 处，磷、硼杂质分别为 晶锭顶端杂质浓度的2倍，即 例题2：采用Czochralski法生长的硅锭含有的硼原子浓度为1016 /cm3,那么比照硅锭中的浓度值其熔体中的硼浓度是多少？如果坩埚中硅的初始装量是80kg，那么应该加入多少克硼(原子量10g/mol)？(已知熔融硅的密度是2.5g/cm3,硼的分凝系数k0为0.8,一摩尔物质中所含原子数为6.02x1023 )。 第3章 外延1.外延的概念、分类（工艺、材料、温度、电阻率、结构） 概念：外延(epitaxy)是指在单晶衬底上，用物理的或化学的方法，按衬底晶向排列（生长）单晶膜的工艺过程。 分

14、类： 按材料划分：同质外延和异质外延； 按工艺方法划分：气相外延（VPE)，液相外延(LPE)，固相外延 (SPE)，分子束外延（MBE)； 按温度划分：高温外延(1000 以上)；低温外延(1000 以下)；变温外延先低温下成核，再高温下生长外延层； 按电阻率高低划分：正外延低阻衬底上外延高阻层；反外延高阻衬底上外延低阻层； 按外延层结构分类: 普通外延，选择外延，多层外延； 其它划分方法：按外延层导电类型、外延层厚度、外延工艺反应器形状等进行划分。2. 硅气相外延的两个过程以及基本原理 气相外延(VPE ：Vapor Phase Epitaxy )，指含外延层材料的物质以气相形式输运至衬底

15、，在高温下分解或发生化学反应，生长出和衬底晶向相同的外延层的外延工艺。 *气相外延：包含外延气相质量传递和表面外延两个过程。基座表面边界层示意图 外延气相质量传递 硅烷气相输运到达衬底表面； 基座表面SiH4分解消耗，表面浓度最低；沿着气流方向浓度降低； 基座表面温度最高；沿着直气流方向温度升高； 垂直于气流方向速度减小；沿着气流方向速度增大； 边界层指基座表面垂直于气流方向上，气流速度、反应剂浓度、温度受到扰动的薄气体层。边界层厚度与主气流速度v成反比。 外延层的气相质量传递以扩散方式进行， SiH4从主气流区扩散穿越边界层到达硅衬底表面。单位时间内到达衬底单位面积的SiH4从分子数目为：

16、cg，c0分别为主气流区和衬底表面浓度；Dg为扩散系数。 沿气流方向Cg下降，Jg减小，外延层厚度不均匀。 基座表面做成斜坡状，和气流方向呈一定角度，角一般厚度在310°，气 流速度增大，边界厚度变薄，解决外延层生长的不均匀性。表面外延 本质上是化学分解和规则排列两个过程。 SiH4表面外延过程实质上包含了衬底吸附（1）、分解（2）、迁移（3）、解吸（6）这几个环节。 表面外延过程表明外延生长是横向进行，在衬底台阶的结点位置发生。 硅锭切成硅片时，硅片表面偏离主晶面一定角度。3. 外延掺杂的两种效应：自掺杂、互扩散 自掺杂效应（Autodoping）：是指高温外延时，高掺杂衬底的杂质

17、反扩散进入气相边界层，又从边界层扩散掺入外延层的现象 。 影响：改变外延层和衬底杂质浓度及分布，对p/n或n/p硅外延，改变pn结位置。 自掺杂效应是气相外延的本征效应，不可能完全避免。 生长指（常）数: a.(cm-1)由实验确定。 b.与掺杂剂、化学反应、反应系统，及生长过程等因素有关； c.As比B和P更易蒸发; d.SiCl4反应过程中的要比SiH4的小; e.边界层越厚，就越大。互扩散效应(Outdiffusion):指在衬底中的杂质与外延层中的杂质在外延生长时互相扩散向浓度低的一方扩散的现象。 不是本征效应，是杂质的固相扩散带来。 若杂质扩散速率远小于外延生长速率，衬底中的杂质向外

18、延层中扩散，或外延层中杂质向衬底中的扩散，都如同在半无限大的固体中的扩散。 当衬底和外延层都掺杂时，外延层中最终杂质分布。 实际中两种杂质再分布现象时同时存在的，实际杂质分布是两种杂质再分布效应的综合效果。 实际的杂质分布与理想情况差距较大，难以获得界面杂质浓度陡变的外延层。 杂质再分布综合效果示意图 减小杂质再分布效应措施： 降低外延温度，p-Si采用SiH2Cl2, SiHCl3；或SiH4，但这对As的自掺杂是无效。 重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面和侧面，减少杂质外逸。 低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显著，对硼的作用不明显。 对于n型衬底，如果需要进行埋层掺杂，采用蒸汽压

19、低且扩散速率低的杂质作为埋层杂质。 第4章 热氧化1. 二氧化硅的用途 SiO2对于杂质的掩蔽作用 由于杂质在SiO2及Si中的扩散速率不同，SiO2膜可以作为扩散的掩蔽层。如硼、磷、砷、碲等杂质在 SiO2中的扩散速度比在Si中慢。但铝、镓、铟在 SiO2中的扩散速度比在Si中快，不能选用SiO2作为掩膜层。 SiO2用作MOSFET的栅氧化电介质 SiO2膜的厚度和质量直接决定着MOSFET的多个电学参数。 SiO2用于器件的电绝缘与隔离 SiO2具有很高的电阻率，是良好的绝缘体，所以：硅器件中作金属引线与薄膜下面元件之间的电绝缘层；大规模集成电路中多层布线间的绝缘层；集成电路中各元件之间

20、的电隔离。 SiO2对器件表面的保护和钝化作用SiO2层将硅片表面以及硅内器件与外界气氛隔离开来，提高了器件的稳定性和可靠性，并可保护硅片免受制作工艺中可能发生的划伤和损害。2. 二氧化硅掩蔽的条件 掩膜所需SiO2的厚度，与和结深等因素有关。 理论上，只要氧化层厚度满足上式要求，就可以起到掩膜的作用，实际上，只有DSiO2<DSi的杂质才有实用价值。否则，所需SiO2膜太厚，既难以制备又不利于光刻。 大部分的杂质（除Au外）随着温度T升高而增加； SiO2能够掩蔽B、P的扩散，但不能掩蔽Ga的扩散； 虽然Au在SiO2中扩散系数小，但Au可沿着硅表面Si/SiO2界面扩散到硅中去，Si

21、O2不能掩蔽Au的扩散。SiO2掩蔽层厚度的确定: 掩蔽条件: DSi>>DSiO2； SiO2表面浓度Cs与Si/SiO2界面杂质浓度CI之比达到一定数值； SiO2膜的最小厚度： 3. 热氧化的分类（干氧、湿氧）及其特点: 热氧化制备SiO2工艺就是在高温和氧化物质（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。 按所用氧化气氛分为三种： 干氧氧化：干燥纯净的氧气。氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干燥，适合光刻，但是生长速率最慢； 水汽氧化：高纯水蒸气或氢气与氧气。氧化速度快；但氧化质量较差，结构疏松，薄膜致密性最差，针孔密度最大；表面是硅烷醇，易

22、吸附水，表面潮湿，光刻难，易浮胶。 湿氧氧化：氧气携带水蒸气。湿氧氧化兼有干氧氧化和水汽氧化两种氧化作用，氧化速率和氧化层质量介于两者之间。 实际热氧化工艺多采用干、湿氧化交替的方法进行。 目的：为了获得表面致密、针孔密度小、表面干燥、适合光刻的氧化膜，同时提高了氧化速率，缩短了氧化时间。 4. 硅的热氧化模型以及氧化层生长的两个阶段、计算氧化层厚度: *DealGrove模型（迪尔格罗夫模型）（线性抛物线模型，linear-parabolic model)可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。 适用范围： 氧化温度7001300 oC； 局部压强0.125个大气压； 氧化层厚度为20

23、2000nm的水汽和干法氧化； 流量（扩散流密度）：单位时间内流过单位面积的杂质原子数量。（1）氧化剂输运：固相硅表面存在一个气相附面层，气相氧化剂在固相硅片衬底与主气流区之间存在一个浓度差异。氧化剂从气体内部以扩散的形式穿过附面层运动到气体/SiO2界面，气体输运流密度用F1表示F1=hg(Cg-Cs) ，hg气相质量输运系数。（2）固相扩散：氧化剂以扩散的形式穿过SiO2界面层，到达Si/SiO2界面。（3）化学反应：氧化剂通过Si/SiO2界面处与Si反应，生成新的SiO2，反应速率取决于化学反应动力学，氧化剂的扩散流密度F3为 （ks为氧化剂与Si反应的化学反应常数）。（4）反应副产物

24、离开界面：发生化学反应的副产物（H2等）扩散出氧化层，并向主气流区转移。热氧化是在氧化剂气氛下进行，在准平衡态稳定生长条件下，氧化剂流密度不变： F1=F2=F3*氧化层生长厚度的计算： *氧化层的生长包括两个阶段： 硅与氧直接反应的化学反应过程： 氧化时间较短，SiO2层厚度较薄时，氧化剂在SiO2 中的扩散系数足够大，此时氧化速率由氧化剂在中的氧分子浓度及氧化反应常数ks主导，SiO2层厚度随时间线性增加，即反应控制情况。 氧通过氧化层到达硅-二氧化硅界面的扩散过程： 氧化时间较长，SiO2层厚度较厚时，氧化剂在SiO2内的扩散常数相对变低，Si-SiO2界面氧分子浓度将减小，此时的氧化速

25、率将由氧化剂在SiO2中的扩散速率主导，SiO2层厚度随时间呈抛物线式增加，即扩散控制情况。 5. 热氧化中杂质的分凝效应 热氧化过程中杂质的再分布由四方面因素决定： 杂质的分凝现象； 杂质在SiO2表面逸出； 杂质在SiO2、Si中的扩散系数； 界面移动（氧化速率）； （1）分凝效应 分凝现象指杂质在SiO2和Si中平衡浓度不同的现象。 分凝系数是衡量分凝效应强弱的参数： k<1，杂质在靠近Si/SiO2界面处的SiO2中的浓度高于靠近界面处Si中的浓度。在界面处杂质由衬底Si向SiO2层内扩散，造成Si侧界面处杂质浓度C低于衬底硅浓度CB。界面处Si侧杂质的耗竭。B（kB= 0.3）

26、，Al（kAl=0.1）。 k>1，杂质在靠近Si/SiO2界面处的Si中的浓度高于靠近界面处SiO2中的浓度。在界面处杂质源于衬底Si向SiO2内层扩散，但Si侧杂质浓度高于SiO2，杂质倾向于在Si中扩散，造成Si/SiO2界面处Si内侧的堆积。P（kp= 10），As（kAs=10），Ga（kGa=20）。 6.氧化层厚度的测量方法 比色法：可根据氧化层表面颜色和表中所列颜色进行比较，来确定氧化层的厚度。（光的干涉） 干涉法条纹法： 原理：利用测定氧化层台阶上的干涉条纹数目求氧化层厚度。 设备：一台单色光源（一般采用纳光灯）和一台普通的干涉显微镜。 测量方法：把SiO2层通过48%

27、的氢氟酸腐蚀（将不需要腐蚀的SiO2用真空封蜡保护起来）而制作出一个斜面。然后把单色光（波长）垂直投射到斜面区域，对于透明膜，在斜面各处所对应的厚度不同，入射光从表面与从衬底反射出来的光束之间的光程差不同。产生相长和相消干涉，在显微镜下可观察到明暗相间的条纹，等厚干涉条纹。 一般从一个最亮到相邻的一个最亮条（或最暗条到相邻的另一个最暗条）就算一个干涉条纹。而从最暗到相邻最亮条则为半个干涉条纹。 第5章 扩散1. 扩散机理：三种扩散机构 替位式扩散(Substitutional)： 高温下晶格原子获得能量脱离格点成为间隙原子，产生空位； 杂质进入晶体后占据原子空位； 在浓度梯度作用下，杂质向临近

28、原子逐次跳跃前进；每前进一步，必须克服一定的势垒能量； 杂质原子由一个格点跳到相邻另一个格点； 产生替代式扩散必须存在空位； 替位扩散杂质：主要是III和V族元素，具有电活性，在硅中固溶度较高。扩散速度慢，称为慢扩散杂质，如：Al，B，Ga，In，P，Sb，As。 填隙式扩散(Interstitial)： 杂质进入晶体存在于硅的间隙，主要是半径小的杂质原子； 在浓度作用下，杂质原子由一个间隙位置跳到相邻另一个间隙位置，从而在晶格中运动； 填隙式扩散是杂质原子挤开交错的压缩区从一个空隙跳到另一个空隙； 填隙扩散杂质：主要是I和VIII族元素，如Na，K，Li，H，Ar等，通常无电活性，在硅中以填

29、隙式方式扩散，扩散速度快。 填隙替位式扩散： 大多数过渡元素，如Au，Fe，Cu，Pt，Ni，Ag等，都以填隙替位式方式扩散，最终位于间隙和替位两种位置上。位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。2. 菲克第一、第二定律，扩散系数 Fick第一扩散定律： 在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上的扩散物质流量为扩散通量（Diffusion flux），用J表示。 扩散通量其与该截面处的浓度梯度成正比。 比例系数D定义为扩散系数(m2/s)；C为扩散物质的体积浓度（atoms/m3或kg/m3）表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即由高浓度向低浓度扩散。 菲克第二定律： 当扩散处于非稳态

30、，即各点的浓度随时间而改变时，利用第一定律不容易求出。 通常的扩散过程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。 讨论晶体中杂质浓度与扩散时间的关系，又称Fick第二定律。 扩散系数(Diffusion coefficient)D：是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为1时的扩散通量 。 3. 两种扩散方式以及杂质的分布函数，会计算结深 两种方式：恒定表面源扩散和限定表面源扩散 恒定表面源扩散：指在扩散过程中，硅片表面的杂质浓度Cs始终是保持不变的，将硅片处在恒定浓度的杂质氛围中。 （1）扩散硅片内的杂质总量Q(t) （2）杂质的浓度梯度 （3）结深

31、 （4） 恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，延长扩散时间： 表面杂质浓度不变； 结深增加； 扩入杂质总量增加； 杂质浓度梯度减小。 有限表面源扩散：指杂质源在扩散前积累于硅片表面薄层内， Q为单位面积杂质总量，扩散过程中Q为常量，依靠这些有限的杂质向硅片内进行的扩散。 有限源扩散杂质浓度是一种高斯函数分布。 延长扩散时间(提高扩散温度T )： 杂质表面浓度迅速减小；杂质总量不变； 结深增加； 杂质浓度梯度减小。 （1）杂质表面浓度 （2）杂质总量Q保持不变。 （3）杂质浓度梯度随扩散深度的增加而减小 （4）结深 Cs随时间变化，所以A也随时间变化。 4. 两步扩散工艺原理 恒定表面源扩散虽然可

32、以控制杂质的总量和扩散深度，但不能控制表面浓度，难以制作出低表面浓度的深结； 限定表面源虽可控制表面浓度和扩散深度，但不能任意控制杂质总量，因而难以制作出高表面浓度的浅结。 为了得到任意的表面浓度、杂质数量和结深以及满足浓度梯度的要求，就应当既能控制扩散杂质总量，又能控制表面浓度，需将两种扩散结合起来。 两步工艺 ：分为预淀积（预扩散）、再分布（主扩散） 预淀积是惰性气氛下的恒定表面源扩散，目的是在扩散窗口硅表层扩入总量Q一定的杂质。 再分布是氧气氛或惰性气氛下的限定表面源扩散，将窗口杂质再进一步向片内扩散，目的是使杂质在硅中具有一定的表面浓度Cs、分布C(x)、且达到一定的结深xj。 两步扩

33、散： 预淀积（预扩散）：低温，短时，恒定表面源扩散杂质扩散很浅，杂质数量可控 主扩散（再分布）：高温，长时，限定表面源扩散控制表面浓度和扩散深度。 两步扩散之后的杂质最终分布形式，为两个扩散过程结果的累加。如果用下标1表示预扩散的参数，2表示再分布的参数。 D1t1>>D2t2预扩散起决定作用，杂质按余误差函数形式分布。 D1t1<< D2t2主扩散起决定作用，杂质按高斯函数形式分布。5. 结深的测量方法 在半导体上磨槽，并在溶液中腐蚀、染色（例如在100ml的HF中加几滴硝酸溶液形成对硅的腐蚀液）使P型区比N型区颜色深，就能显示出结深的轮廓。 设R0为磨槽所用工具的半

34、径，则结深为： 当R0>>a,b时，有： 第6章 离子注入 1. 离子注入的基本原理、几个概念（射程、投影射程等） 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。 离子注入是离子被强电场加速后注入靶中，离子受粑原子阻止而停留其中，经退火后成为具有活性的杂质的一个非平衡的物理过程。 与注入离子分布相关的几个概念： 射程R（range）: 离子从进入靶起到停止点所通过路径的总距离R。 投影射程xp（projected range）：射程 R在入射方向上的投影。 射程横向分量xi：射程在垂直于入射方向的平面内的投影长度。 平均投影射

35、程Rp：所有入射离子投影射程的平均值。 标准偏差DRp ：投影射程离子浓度的统计波动。 横向标准变差DR：垂直于入射方向离子浓度的统计波动。2. 离子注入的两种能量损失机制（LSS理论） LSS理论：该理论认为，注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程：(1) 核碰撞（nuclear stopping）； (2) 电子碰撞 （electronic stopping）总能量损失为两者之和。 （1）核碰撞：能量为E的一个注入离子与靶原子核碰撞，离子能量转移到原子核上，结果将使离子改变运动方向，而靶原子核可能离开原位，成为间隙原子核，或只是能量增加。 （2）电子碰撞：指的是注入离子与靶内白由电

36、子以及束缚电子之间的碰撞。3. 核阻止和电子阻止与注入离子能量的关系 （1）核阻止本领：能量为E的注入离子在单位密度靶内运动单位长度时，损失给靶原子核的能量。离子在其运动路径x处的能量为E，核阻止本领Sn(E)定义为： （2）注入离子和靶原子周围电子云通过库仑作用，使离子和电子碰撞失去能量，而束缚电子被激发或电离，自由电子发生移动。瞬时地形成电子-空穴对。定义电子的阻止本领Se(E)为： 电子的阻止本领与入射离子的速度成正比，即：单位路程上注入离子由于核阻止Sn(E)和电子阻止Se(E) 所损失的能量，总能量损失为两者的和。 dE/dx：能量损失梯度； E：注入离子在其运动路程上任一点x处的能

37、量； Sn(E)：核阻止本领； Se(E)：电子阻止本领；4. 离子注入的纵向分布函数 离子注入的实际浓度分布用高斯函数表示： QT为注入剂量（单位面积注入的离子数） 高斯分布只在峰值附近与实际分布符合较好 QT为注入剂量： 5. 离子注入的沟道效应，减小沟道效应的方法 沟道（渗透）效应(Channeling effect )：衬底为单晶材料，当离子束准确的沿着晶格方向注入时，几乎不会受到原子核的碰撞，因此来自靶原子的阻止作用要小的多，注入深度大于在无定型靶中的深度，其纵向分布峰值与高斯分布不同。 减小离子沟道效应的方法： 非晶表面阻挡层：在表面生长一层纯二氧化硅薄膜，此膜层使得离子入射方向随

38、机化，造成离子以不同的角度进入晶片，以减小沟道效应。 晶片偏离晶向：把晶片表面偏离主平面5°到10°。大部分离子注入机使晶片倾斜7°，并使主平面扭曲22°来防止离子沟道效应。 在晶片表面设置破坏层：采用硅和锗的重离子注入给晶片表面造成预损区，在晶片表面形成一个结构随机化的膜层。6. 退火的概念、工艺、目的 退火（Anneal）：利用热能（Thermal Energy）将离子注入后的样品进行热处理，以消除辐射损伤，激活注入杂质，恢复晶体的电性能。 具体工艺：在某一高温下保持一段时间，使杂质通过扩散进入替位位置，成为电活性杂质；并使晶体损伤区域“外延生长”为

39、晶体，恢复或部分恢复硅的迁移率与少子寿命。 退火的目的： *去除由注入造成的损伤，让硅晶格恢复原有完美晶体结构。 *让间隙杂质进入电活性位置替位位置。 *恢复电子和空穴迁移率。 注意：退火过程中应避免大幅度的杂质再分布。7. 列举离子注入的几个应用 浅结的形成 目的：抑制MOS晶体管的穿通电流，减小器件的短沟效应因此要求减小CMOS源/漏结的结深。 形成浅结困难很多。 方法:（1）分子注入方法；（2）降低注入离子能量；（3）预非晶化 对阈值电压VT的控制 对MOS管来说，栅电极可控范围是它下面极薄的沟道区，注入杂质可看作全包含在耗尽层内。 离子注入降低MOS管阈值电压工艺简单易行，在栅氧化层膜

40、形成之后，通过薄的栅氧化层进入沟道区域低剂量注入，然后经过适当退火便能达到目的。 自对准金属栅结构 早期MOS工艺先形成源区和漏区，再制作栅。栅源、栅漏之间的交叠存在很大寄生电容，使高频特性变差。 与扩散法MOS工艺不同，离子注入自对准MOS是先制作栅极，并使之成为离子注入的掩膜，从而形成离子注入掺杂的漏、源区。栅与源、漏可以自动对准，并且交叠 电容大大减小，改善了高频特性。 离子注入在SOI结构中的应用 a.SIMOX注氧隔离技术 b.Smartcut智能剥离技术 第7章 化学气相淀积1. CVD的概念 化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition, CVD):是将构成薄

41、膜元素的气态反应剂或液态反应剂的蒸气以合理的流速通入反应室，通过化学反应在衬底上进行薄膜淀积的工艺方法。2. 多晶硅薄膜淀积的基本步骤以及两个过程 多晶硅薄膜淀积为例，反应剂为用氢气稀释的硅烷，反应为SiH4Si+2H2 （1）淀积过程分为5个基本步骤： 氢气和硅烷混合物进入反应室； 硅烷从主气流区以扩散方式穿过边界层到达衬底硅片表面； 硅烷以及在气态分解的含硅原子团吸附在硅片表面，成为吸附原子； 吸附的硅和含硅原子团发生表面化学反应，生成硅在衬底上聚集，连接成片、被后续硅原子覆盖成为淀积薄膜； 反应副产物氢气和未反应的反应剂从衬底表面解析，扩散穿过边界层进入主气流区，被排出系统。 （2）与外

42、延相似，由气相质量输运和表面化学反应两个过程完成。 气相质量输运过程主要是指步骤硅烷及硅原子团气体扩散穿越边界层达到衬底硅片表面，以及步骤衬底硅片表面分解反应生成的氢气扩散穿越边界层离开衬底表面。这两个步骤都是以扩散方式进行的。表面化学反应过程是指步骤和步骤。详情见书P150 CVD淀积使硅生长为多晶硅的原因： 衬底温度较外延低，硅原子在表面的迁移慢，未能全部迁移到结点位置上； 淀积速率过快，未等硅原子全部迁移到结点位置就被其它硅原子所覆盖，成为薄膜中的硅原子； 衬底表面可以不是单晶，如衬底硅片整个表面或部分表面已有氧化层；3. 温度对薄膜淀积速率的影响 温度较低时，淀积速率与温度是指数关系，

43、温度升高，淀积速率加快。因为温度较低时，ks<<hg，淀积速率受ks限制，而ks随着温度的升高而变大。随着温度升高，淀积速率对温度的敏感程度不断下降。当温度高过某个值之后，淀积速率就由表面反应控制转为气相质量输运控制，也就是表面反应所需的反应剂数量高于到达表面的反应剂数量，表面反应不再限制淀积速率，这时淀积速率由反应及通过边界层输运到表面的速率所决定，而ks值对温度不敏感。表面反应控制， ks << hg ，Gksexp(-EA/kT)质量传输控制， ks >> hg ，Ghg1/4.低压化学气相淀积的气缺现象以及解决方法 （1）气缺现象：气体从反应器的一端

44、进入另一端排除，沿气流方向反应剂不断消耗浓度降低，因此，衬底硅片上薄膜厚度也沿着气流方向变薄，这种现象称为气缺现象。 （2）气缺现象解决方法： 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。 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。 增加反应室中的气流速度，气体入口前所消耗的反应剂绝对量不变，但比例却降低了，使更多的反应剂气体能够输运到下游，在衬底上所淀积的薄膜厚度也就相对均匀了。5. CVD二氧化硅中磷的作用 在淀积SiO2时，掺入含磷的杂质如磷烷（PH3

45、）, 生成含有P2O5的SiO2称为磷硅玻璃（PSG）； 4PH3(g)+5O2(g) P2O5(s)+6H2(g) PSG的特点：应力小，阶梯覆盖较好；可吸收碱性离子；P2O5遇水汽会水解为磷酸，因此对水汽阻挡能力差；软化温度低于未掺杂CVD-SiO2； 衬底淀积PSG之后，通过软化温度的退火使PSG回流，使衬底表面趋于平坦； PSG浓度高时，有很强的吸潮性，磷控制在68wt%； CVD-PSG之后再高温退火回流，是超大规模集成电路工艺中一种重要的平坦化工艺技术；6.钨的主要用途，覆盖淀积钨的工艺流程 难溶金属钨（W）,钼（ Mo） 钽（Ta）, 钛（Ti）在IC中被用作互连系统，一般用CV

46、D方法淀积。 （1）W的主要用途： 作填充上下两层金属之间点连接通孔的填充插塞。 作局部互联材料W的电导率低，只用作短程互连线 W的优势： 体电阻率较小7-12µ·cm； 较高的热稳定性（熔点3410 ）； 较低的应力； 良好的抗电迁移能力和抗腐蚀性； 冷壁式LPCVD工艺制备硅的两种方法：选择淀积、覆盖淀积 （2）覆盖淀积钨的工艺流程： 如果衬底上没有二氧化硅或氮化硅这类钨原子难以成核的部分，可直接用WF6 /H2反应在整个陈地上淀积覆盖式钨膜。 通常硅衬底已经进行了多个工艺，部分表面已经氧化，这时覆盖淀积更加复杂：去氧化层；淀积附着层溅射或CVD-TiN膜；覆盖式CVD

47、-W淀积；W膜的回刻；附着层的刻蚀 电迁移现象：金属离子的定向迁移在局部区域由于质量堆积而出现小丘或晶须，后由质量亏损出现空洞，从而造成互联性能退化或失效。7. 列举多晶硅、TiN的主要用途（1）金属化合物的用途： 在多晶硅/难熔金属硅化物(polycide)多层栅结构中应用的金属硅化物，如WSix、TaSi和MoSi2等； 在金属多层互连系统中的附着层和（或）扩散阻挡层的氮化物，如TiN等。 （2）TiN的用途： 多层互联系统中可以作为扩散阻挡层或附着层； 铝互连系统中，TiN是扩散阻挡层，防止硅/铝间的扩散； 铜多层互联系统中，TiN是附着层，又是阻挡层； 铜与硅及二氧化硅附着性不好，Ti

48、N起黏结作用，且TiN可以阻硅/铜间的扩散。 第8章 物理气相淀积1. PVD的概念 物理气相淀积（Physical vapor deposition，PVD）:是利用某种物理过程实现物质转移，将原子或分子由（靶）源气相转移到衬底表面形成薄膜的过程。2. 真空蒸镀概念、基本过程 常用的两种PVD方法：蒸镀和溅射。 (1)真空蒸镀：在高真空环境加热原材料使之气化，源气相转移到衬底，在衬底表面凝结形成薄膜的工艺方法。 按加热方法：电阻蒸镀、电子束蒸镀、激光蒸镀；按对衬底材料是否加热：冷蒸、热蒸； (2)三个基本过程：蒸发过程气相输运过程成膜过程 蒸发过程：蒸发源原子从液体或固体表面溢出成为蒸汽原子

49、的过程； 气相输运过程：源蒸汽从源到衬底表面之间的质量输运过程。 分子平均自由程：粒子两次碰撞之间飞行的平均距离。 其中，d为原子的半径；真空室的真空度越高，蒸汽原子的平均自由程就越大。假设源到衬底表面的距离为L，为避免从源到衬底表面蒸汽原子因碰撞被散射或能量降低，分子的平均自由程应大于L。 蒸镀时必须保持室内真空度足够高，使从源溢出的原子以直线形式到达衬底表面。蒸发速率与蒸发源材料、蒸发温度、蒸发源与衬底的几何空间位置、表面的清洁程度、加热方式等因素有关。 成膜过程：到达衬底的蒸发原子在衬底表面先成核再成膜的过程。 成核：蒸发原子到达衬底表面的附着原子由于扩散运动，在表面移动，如果碰上其它原

50、子便凝结成团，当原子团达到临界大小时就趋于稳定。成核最容易发生在表面应力高的结点位置。 成膜：随着蒸汽原子的进一步淀积，岛状成核原子团不断扩大，直至延展至连续薄膜。真空蒸镀所淀积的薄膜一般是多晶态或无定型薄膜。3.蒸汽压、平衡蒸汽压、蒸发温度的概念 蒸汽压：指在液态（固态）物质表面存在该物质的蒸汽，平衡时这些蒸汽对液（固）表面产生的压强就是该液（固）体的蒸汽压。 平衡（饱和）蒸汽压：一定的温度下，与同种物质的液态(或固态)处于平衡状态的蒸汽所产生的压强叫饱和蒸汽压。饱和蒸汽压随着温度升高而迅速增大。 蒸发温度：在平衡蒸汽压为1.333Pa时所对应的物质温度。4. 溅射的概念、基本过程（1）溅射：是指利用气体反常辉光放电时气体等离子化产生的离子对阴极靶轰击，使阴极物质飞溅出来淀积到基片上形成薄膜的一种PVD工艺。（2）将溅射分解为四个过程： 等离子体产生过程； 离子轰击靶过程； 靶原子气相输运过程； 淀积成膜过程； 等离子体的产生过程：指一定真空度的气体中通过淀积加载电场，气体被击穿形成等离子体，出现辉光放电现象。 离子轰击靶过程：是指等离子体中的