微纳电子材料与工艺2课件

微纳电子材料与工艺

（2）硅片粗选抽样观察绒面效果石英舟装载边缘刻蚀石墨舟转载PECVD镀减反膜硅薄膜工艺

化学气相沉积(CVD)根据气压等级分类

1Torr=133Pa常压化学气相沉积（APCVD,

760Torr）次大气压化学气相沉积（SACVD,10~760Torr）低压化学气相沉积（LPCVD,0.1~10Torr)超低压化学气相沉积（ULPCVD,<0.1Torr)CVDGrowthCVD外延生长的规律质量运输控制区生长速率与反应气体的质量输速率成正比；不受晶相影响。表面反应控制区生长速率与温度成指数关系，且和反应物浓度成正比；受表面影响。外延硅膜外延硅膜是指在衬底上长出单晶硅膜。主要应用在含高浓度掺杂的硅衬底上，如n+，长一层低浓度掺杂的硅层。常应用于CMOS和Bipolar器件中。非晶硅的优点1、非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75μm的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1μm厚）就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素。2、非晶硅的禁带宽度比单晶硅大，随制备条件的不同约在1.5-2.0eV的范围内变化，这样制成的非晶硅太阳能电池的开路电压高。3、制备非晶硅的工艺和设备简单，淀积温度低，时间短，适于大批生产。4、由于非晶硅没有晶体所要求的周期性原子排列，可以不考虑制备晶体所必须考虑的材料与衬底间的晶格失配问题。因而它几乎可以淀积在任何衬底上，包括廉价的玻璃衬底，并且易于实现大面积化。非晶态半导体 与晶体材料相比，非晶态半导体材料的原自在空间排列上失去了长程有序性。由于受到共价键的约束，在几个原子的微小范围内，可以看到与晶体类似的结构特征。长程无序，短程有序非晶态的结构用来描述非晶硅的结构模型很多，右图给出了其中的一种，即连续无规网络模型的示意图。可以看出，在任一原子周围，仍有四个原子与其键合，只是键角和键长发生了变化，因此在较大范围内，非晶硅就不存在原子的周期性。Anderson晶格势井的深度和分布区域不规则非晶硅的能带晶体非晶体非晶硅的迁移率边缘当电子态密度增加到一定数量的时候，局域态会质变成扩展态，电子便能自由的在非晶硅里迁移，电子迁移率陡增。1975年，Spear通过辉光放电技术分解硅烷，得到的非晶硅薄膜中含有一定量的氢，使得许多悬挂键被氢化，大大降低了材料的缺陷态密度，并且成功地实现了对非晶硅材料的p型和n型掺杂。反应腔内抽上真空，充入氢气或氩气稀释的硅烷气体，直流或高频电源用电容或电感耦合的方式加在反应腔内的电极上，腔内气体在电源作用下电离分解，形成辉光的等离子体。非晶硅薄膜就淀积在加热的衬底上，一般衬底温度在250-500度之间。若在反应气体中加入适当比例的PH3或B2H6气体，便可以得到n型或p型的掺杂非晶硅薄膜。相图非晶硅的能带非晶硅有带尾迁移率陡变的带边禁带宽度可调节非晶硅的光学特性非晶硅的吸光系数本征带尾次带吸光系数与光学带隙Tauc规律光学带隙与氢含量Si-H键能大于Si-Si非晶硅的电学特性本征非晶硅为弱n型电导率在10-12–10-13S掺杂效果没有晶体硅好，费米能级只能大约在导电价带的0.2eV处非晶硅的光电导

非晶硅的优点非晶硅的制备简单非晶硅的吸光系数大，用更少的材料本周课堂习题，一共两道(下周二交给助教）d.Threedifferentsiliconwaferswithdifferentlatticesurfaceexposedintheair,（100），（110），（111）,whichwaferdoyouthinkhasthehighestoxidationrate？

DiffusionCoefficient48FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2005)(a)Typicalcoolingcurves(b)ThephasediagrammarkingtheregionsofexistenceforthephasesSolidificationofanisomorphousalloysuchasCu-Ni.53Coolingofa80%Cu-20%Nialloyfromthemelttothesolidstate.Segregationinagrainduetorapidcooling(nonequilibriumcooling)56LeverRule杠杆定律WL=theweightfractionoftheliquidphase,WS=theweightfractionofthesolidphase,CS=compositionofthesolidphase,CL=compositionoftheliquidphase,CO=overallcomposition.

and金属薄膜工艺器件减小，是的大的高宽比（通孔：接触窗）在微电子工业中，金属薄膜主要用于：欧姆接触

(OhmicContact)肖特基接触(SchottkyBarrierContact)低阻栅电极(GateElectrode)器件间互连(Interconnect)金属接触Al-Si合金早期Al为集成电路主要导电材料。由于后段工艺温度常达到450℃，在此温度，Si在Al中的溶解度高达1%，迅速扩散导致Al-Si界面生成孔穴。Al-Si-Cu合金：在Al互连中，为了抑制Al的电迁移问题，通常加入1%的Cu原子，Cu分布在Al的晶界附近。解决Si在低温下从AL-SI合金中析出的问题—TiN阻挡层栅电极polysilicon

600µΩ•cmdoped适用微米级别多晶硅-金属硅化物(WSix)60-100µΩ•cm适用亚微米级别多晶硅-金属硅化物(TiSix)20µΩ•cmGeneralConductivity=conductivity

qi=chargecarriedbythechargecarrierspeciesi(forelectronsandholesqi=e)

ni=concentrationofthechargecarrier

i

=driftmobilityofthechargecarrierofspeciesiFromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2005)GrainboundariescausescatteringoftheelectronandthereforeaddtotheResistivitybytheMatthiessen’srule.(b)Foraverygrainysolid,theelectronisscatteredfromgrainboundarytograinboundaryandthemeanfreepathisapproximatelyequaltothemeangraindiameter.ConductioninthinfilmsmaybecontrolledbyscatteringfromthesurfacesFromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2005)Themeanfreepathoftheelectrondependsontheangleafterscattering.

FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2005)FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2005)FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2005)(a)Thermalvibrationsoftheatomsruptureabondandreleaseafreeelectronintothecrystal.Aholeisleftinthebrokenbondwhichhasaneffectivepositivecharge.(b)Anelectroninaneighboringbondcanjumpandrepairthisbondandtherebycreateaholeinitsoriginalsite;theholehasbeendisplaced.(c)Whenafieldisappliedbothholesandelectronscontributetoelectricalconduction.ConductivityofaSemiconductor=conductivity,e=electroniccharge,n=electronconcentration,e=electrondriftmobility,p=holeconcentration,h=holedriftmobility=ene

+ephve=driftvelocityoftheelectrons,e=driftmobilityoftheelectrons,e=electroniccharge,Fnet=netforceDriftVelocityandNetForceFromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2005)四探针测电阻率测量电导率测量迁移率-霍尔迁移率ThermionicEmission87FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,ThirdEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2005)Asinglelineinterconnectsurroundedbydielectricinsulation.Interconnectscrisscrosseachother.Therearethreelevelsofinterconnect:M–1,M,andM+1(c)AninterconnecthasverticalandhorizontalcapacitancesCvandCH.acb用低介电常数的材料，如高分子材料polymers(2-3)用Cu做互联材料L=10MM,T=1,P=1,Cuasinterconnect,fluorinatedSiO2asdielectricResultedRC=0.43ns习题Inah