集成电路制造技术 （上篇共上中下3篇）

集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺哈尔滨工业大学/田丽绪论绪论JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU绪论1.1集成电路制造技术主要内容1.2IC制造技术的发展历程1.3IC制造技术特点1.4半导体单晶硅的特性目录CONTENTS一、集成电路制造技术就是介绍硅集成电路制造的工作、方法和技术。一、集成电路制造技术硅基集成电路芯片的生产过程一、集成电路制造技术n+npn+ebcnpn晶体管芯片的工艺流程由5个单项工艺：按照一定的顺序排列而成。一、集成电路制造技术必须有隔离工艺有金属布线互联系统工艺是在分立器件工艺基础上发展起来的同一单项工艺基本相同，但是要求会更高与分立器件工艺最大不同：此外，集成电路工艺更复杂。集成电路芯片工艺与分立器件工艺的异同二、集成电路制造技术的发展历程飞乐729老晶体管收音机晶体管计算机微电子产品的高速发展是以集成电路的进步为基础的二、集成电路制造技术的发展历程2.1晶体管的诞生1947年贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管二、集成电路制造技术的发展历程合金法制作pn结N-GeN-Ge加热后再降温InP-GeIn二、集成电路制造技术的发展历程2.2集成电路的诞生1958年德州仪器公司的J.kilby研制出第一个集成电路二、集成电路制造技术的发展历程2.2集成电路的诞生仙童半导体公司的R.Noyce提出：用蒸发淀积金属的代替焊接导线的方法，解决了集成电路元件相互连接的难题。1959年，德州仪器和仙童半导体公司分别申请了集成电路发明专利。基尔比被誉为“第一块集成电路的发明家”。诺依斯被誉为“提出了适合于工业生产的集成电路理论”的人。1969年法院确认集成电路是一项同时的发明。二、集成电路制造技术的发展历程硅平面工艺主要有氧化、光刻、扩散掺杂、蒸镀金属四个基本单项工艺。1960年代初，出现了硅外延工艺；1970年代，离子注入工艺成为超大规模集成电路标准掺杂工艺；1980年代，新工艺，新技术，不断出现，推动微电子业高速发展；1987年成立的台湾积体电路公司是全球第一个集成电路标准加工厂（Foundry）；1990年代之后IC制造高度专业化，形成设计、芯片制造、测试、封装4个相对独立行业；2000年铜多层互连工艺被普遍采用；二、集成电路制造技术的发展历程2.3集成电路制造技术的高速发展N+-SiN--Si二、集成电路制造技术的发展历程2.3集成电路制造技术的高速发展摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(GordonMoore)提出来的。其内容为:当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。这一定律揭示了信息技术进步的速度。第一代电子产品--真空电子管二、集成电路制造技术的发展历程2.4IC芯片制造技术的未来电子产品的发展趋势：更小、更快、更冷。微电子工艺已进入纳米尺度，将面临着重大转折。第二代微电子产品--集成电路第三代纳电子产品--单电子器件三、集成电路制造技术工艺基本要求3.1超净环境三、集成电路制造技术工艺基本要求3.1超净环境三、集成电路制造技术工艺基本要求3.1超净环境三、集成电路制造技术工艺基本要求3.2超纯材料SiGe三、集成电路制造技术工艺基本要求3.2超纯材料我国电子级水质技术分为五个等级：18MΩ.cm；15MΩ.cm；10MΩ.cm；2MΩ.cm；0.5MΩ.cm三、集成电路制造技术工艺基本要求3.3批量复制13001MOSIC三、集成电路制造技术工艺基本要求3.3批量复制一、

概述2.2离子注入相关理论基础1.核碰撞四级标题字体：正文中文：思源黑体CNMedium思源黑体CNNormal英文：TimesNewRomanCambriaMath基础字号：28

色调：一级标题二级标题三级标题请老师确认模板中使用的元素是否符合需求可用使用四级标题备注：封面为了效果更突出，用了思源宋体，如果不需要可以直接更换为思源黑体即可特殊字体双击安装安装后重启PPT请先安装字体集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺哈尔滨工业大学/田丽硅衬底制备JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU硅片制造第一章硅片制造JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU1.4硅晶体中的杂质1.5切制硅片目录CONTENTS1.1硅晶体的结构特点1.2单晶硅衬底制备1.3硅晶体缺陷1.1单晶硅特性电学性质（室温）SiGeGaAs禁带宽度（eV）1.120.671.43禁带类型间接间接直接晶格电子迁移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/V·s）4801900250本征载流子浓度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征电阻率（Ω·cm）2.3×10547108硅与锗、砷化镓电学性质比较硅作为最常用半导体材料的优势原料充分；表面易氧化；重量轻，密度2.33g/cm3；热学特性好，热膨胀系数小，热导率高；1.1单晶硅特性1.1.1硅单晶结构金刚石结构1.1单晶硅特性一个晶胞含多少个硅原子？8+4=8硅晶体的几个结构常数1.1.1硅单晶结构1.1单晶硅特性αrSiα=5.43Å

atoms/cm3空间利用率:硅原子密度为：硅晶体的几个结构常数1.1.1硅单晶结构1.1单晶硅特性（100）[100][010][001][100],[010],[001](100)，(010)，(001)<100>:{100}:集成电路常采用（100）晶面的硅片来制造硅器件与电路的常用晶向与晶面1.1.1硅单晶结构1.1单晶硅特性[111]（111）晶体管最常使用（111）晶面的硅片来制造硅器件与电路的常用晶向与晶面1.1.1硅单晶结构1.1单晶硅特性硅器件与电路的常用晶向与晶面[110]（110）（110）晶面也是集成电路和器件常采用的晶面1.1.1硅单晶结构1.1单晶硅特性常用晶向的原子分布[100]a[110][111][100][110][111]α1/a1.41/a1.15/a线密度1.1.1硅单晶结构1.1单晶硅特性常用晶面的原子分布α2/a2α2.83/a22.3/a2面密度（100）（110）（111）α1.1.1硅单晶结构1.1单晶硅特性双层密排面[111]（111）ABCA’B’C’双层密排面双层密排面双层密排面（111）面容易劈裂，称为晶体的解理面1.1.1硅单晶结构1.1单晶硅特性一、多晶硅制备石英砂冶炼SiO2+2C→Si（粗）+2CO↑粗硅主要含有：Fe、Al、C、B、P、Cu等杂质1.2.1多晶硅制备1.2.2单晶硅生长1.2单晶硅衬底的制备半导体纯度的多晶硅1.2.1多晶硅制备酸洗：化学提纯精馏：物理提纯Si+3HCl→SiHCl3+H2

还原：SiHCl3+H2→Si+3HCl1.2.2单晶硅的生长多晶硅→熔体硅→单晶硅直拉法（CZ法）磁控直拉法（MCZ法）有坩锅悬浮区熔法（FZ法）无坩锅TDR-A型单晶炉照片1.2.2.1直拉法1.2.2单晶硅的生长放肩Shoulder等径Body引晶Neck工艺流程：准备→开炉→生长→停炉生长：引晶→缩颈→放肩→等径生长→收尾控制生长速率、直径的主要因素：提拉器的升速与转速坩埚内熔体温度1.2.2.1直拉法1.2.2单晶硅的生长籽晶的作用：样本晶核缩颈的作用：终止籽晶中的位错、表面划痕向晶锭延伸避免籽晶与熔体结合处的缺陷向晶锭延伸1.2.2.1直拉法1.2.2单晶硅的生长1.2.2.1单晶生长机理1.结晶的热力学条件熔体→单晶体ΔG<0ΔG=Gs-GL

过冷是结晶的必要条件+γA<01.2.2单晶硅的生长1.2.2单晶硅的生长1.2.2.1单晶生长机理2.结晶动力学忽略对流和辐射在界面处单位体积内的热流平衡方程为：T≈0直拉法有最大提拉速率L=340cal/g10℃/cmρ=2.33g/cm3ks=1.5W/cm·℃炉丝最大拉升速率并不等于计算值拉升速率对晶体质量的影响：速率过快：缺陷增多，甚至结晶不是单晶速率过慢：界面附近晶体缺陷会结团实际拉升速率必须考虑质量和效率两方面因素1.2.2单晶硅的生长1.2.2.1单晶生长机理MCZ-3000型单晶炉1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）MCZ法工艺与CZ法的基本相同1.2.2单晶硅的生长洛仑兹力:f=qν×HOOOO附面层1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）1.2.2单晶硅的生长HMCZ2）横向磁场3）尖角形磁场VMCZ1）纵向磁场vv1.2.2.2磁控直拉法（MCZ）1.2.2单晶硅的生长JN-FZ-3A型高真空悬浮区熔单晶炉二、单晶硅的生长1.2.2.3悬浮区熔法（FZ）1.2.2单晶硅的生长硅熔区的表面张力与重力保持平衡籽晶与多晶硅的熔接是区熔法拉单晶的关键掺杂，采取在多晶锭中预埋含杂质元素的硅合金芯体没有坩埚的污染，能生长无氧、高纯度的单晶硅锭难以拉制大直径的硅锭。1.2.2.3悬浮区熔法（FZ）1.2.2单晶硅的生长三种方法比较及发展趋势CZ法工艺成熟，晶锭直径大，但有氧。MCZ法相对于CZ法，无氧、质量好，但设备复杂，生产成本大幅提高。FZ法相对于CZ，无氧、纯度更高、单晶质量好。但能拉制的晶锭直径小。上述三种方法都朝着增大直径，提高质量，降低生产成本方向发展。1.2.2单晶硅的生长1.3.1硅晶体中的缺陷与杂质实际硅晶体中的缺陷与杂质零维点缺陷一维线缺陷二维面缺陷和三维-体缺陷杂质本质上也是晶体中的缺陷1.3硅晶体缺陷1.点缺陷硅晶体点缺陷有三种：自填（间）隙原子杂质:空位替位杂质填（间）隙杂质1.3硅晶体缺陷1.点缺陷空位和自填隙原子对称为弗伦克尔（Frenkel）缺陷空位称为肖特基（schottky）缺陷空位的平衡浓度比自填隙平衡浓度高得多1.3硅晶体缺陷1.点缺陷空位有：A，A-、A2-…A4-，A+…A4+带电子或失电子空位的平衡浓度也可以计算得出：1.3硅晶体缺陷1.点缺陷替位杂质主要是Ⅲ、Ⅴ族原子：硼、磷、砷，锑等。有电活性。掺磷掺硼空穴自由电子1.3硅晶体缺陷1.点缺陷填隙杂质如C、Na、H、K、Li等。无电活性。填隙—替位杂质如O、Au、Fe、Cu等位于间隙位置的无电活性，位于替位位置的具有电活性。1.3硅晶体缺陷混合位错螺位错刃位错螺位错2.线缺陷位错刃位错：位错线与滑移矢量垂直螺位错：位错线与滑移矢量平行bEFbbEF┴1.3硅晶体缺陷2.线缺陷⊥⊥∥∥⊥⊥刃位错的滑移螺位错的滑移刃位错的攀移滑移消失1.3硅晶体缺陷2.线缺陷滑移面硅晶体的（111）面是滑移面滑移面滑移面滑移面1.3硅晶体缺陷3.面缺陷和体缺陷AAAAAAABBBCCC层错面ACBACBA[111]堆垛层错(stackingfault)，简称层错。1.3硅晶体缺陷3.面缺陷和体缺陷结团现象：指晶体中的低维缺陷浓度高时将倾向于集聚，形成更高维缺陷，从而释放能量的现象。体缺陷：杂质结团，空隙1.3硅晶体缺陷1.4.1晶体掺杂掺杂浓度分类轻掺杂，可记为n--Si、p--Si中等掺杂，可记为n-Si、硅锭掺杂方法液相掺杂气相掺杂掺杂，可记为n+-Sip+-Si中子辐照掺杂，又称中子嬗变掺杂(NeutronTransmutationDoping,NTD)1.4硅晶体中的杂质1.4.2.1液相掺杂将杂质放入坩锅的多晶中，由熔体掺入硅锭：直接掺杂母合金掺杂例题，生长电阻率为1Ω·cm的n-Si，多晶硅重量为50kg，杂质为磷，需掺多少磷？若先制备1:10的磷硅合金？需掺多少合金？若称量误差为±1mg？分别计算误差百分比？磷的原子量是30.97；原子量单位为1.661×10-21mg：Wp=1.661×10-21×30.97×1.287×1020≈6.62mgWSiP=6.62×10≈66.2mg误差：1/WP=±15%误差：1/WSiP=±1.5%CP=6×1015atoms/cm31.4硅晶体中的杂质分凝现象杂质在不同相中的溶解度不同的现象分凝系数k：k=Cg/Cl蒸发现象熔体中的杂质从表面进入到气相中的现象蒸发常数E：N=EACl硅中常见杂质的分凝系数和蒸发常数参数BPAsSb分凝系数0.800.350.270.02蒸发常数5×10-610-45×10-37×10-21.4.2.1液相掺杂1.4硅晶体中的杂质影响硅锭掺杂浓度的主要因素坩锅污染：SiO2→Si+O2杂质分凝：晶锭杂质浓度轴向呈由低到高分布其它因素：杂质的蒸发、真空度、工艺卫生等nOρ1.4.2.1液相掺杂1.4硅晶体中的杂质悬浮区熔法1.4.2.2.气相掺杂PH3PH3PH3PPP在单晶炉内通入的惰性气体中加入一定量的含掺杂元素的气体，如，PH3、B2H6，在杂质气氛下，P、B等溶入熔体，然后掺入单晶体内。杂质的蒸发常数应小难以制备轻掺杂硅锭。1.4硅晶体中的杂质1.4.2.3中子辐照掺杂硅有三种同位素：28Si：92.28%,29Si：4.67%,30Si：3.05%.硅锭放在核反应堆中进行中子辐照30Si有中子嬗变现象：

30Si→31Si+γ

31Si→31P+e中子Nmax=5×1022×3.05%=1.53*1021atoms/cm3中子辐照会产生缺陷需要高温热处理去除。1.4硅晶体中的杂质硅晶体中各种杂质的固溶度曲线1.4.3固溶度与相图固溶体：在一种晶体内掺入杂质，达到一定浓度之前，这种晶体仍保持原结构，杂质不会结团或沉积，这样的晶体称为固溶体。固溶度：一定温度，杂质B在晶体A中具有的最大平衡浓度。1.4硅晶体中的杂质1.4.3固溶度与相图相图：用来讨论混合物体系性质的一种图示方法铝-硅体系相图共晶点577℃共晶点时铝中硅原子的原子浓度为1.59%1.4硅晶体中的杂质锗硅相图1.4硅晶体中的杂质1.4.3固溶度与相图1.5硅片的加工1.工艺流程腐蚀液：HF:HNO3=3:11.5硅片的加工硅片主要晶向、晶型的定位平边主平边次平边1.5硅片的加工2.硅片规格及用途按直径划分：主要规格3~18英寸（75~450mm），IC集成度越高使用的硅片尺寸就越大按抛光面划分：单抛多用于IC、双抛用于两面都有器件的芯片按单晶生长方法划分：CZ硅（片），二极管、外延衬底、太阳能电池、IC；MCZ硅（片），用途和CZ硅相似，性能好于CZ硅；FZ硅（片），高压大功率器件，可控整流器件。1.5硅片的加工2.硅片规格及用途按掺杂等情况划分：如电阻率或杂质浓度、晶向、杂质类型等高阻硅（片）：多用于大功率整流器件中阻硅（片）：主要用于晶体管等分立器件低阻硅（片）：主要是作为外延衬底按按用途划分：有二极管级硅片，集成电路级硅片，太阳电池级硅片等一、

概述2.2离子注入相关理论基础1.核碰撞四级标题字体：正文中文：思源黑体CNMedium思源黑体CNNormal英文：TimesNewRomanCambriaMath基础字号：28

色调：一级标题二级标题三级标题请老师确认模板中使用的元素是否符合需求可用使用四级标题备注：封面为了效果更突出，用了思源宋体，如果不需要可以直接更换为思源黑体即可特殊字体双击安装安装后重启PPT请先安装字体集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺哈尔滨工业大学/田丽外延第二章外延JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU2.1概述目录CONTENTS2.2气相外延2.3分子束外延2.4其它外延2.5外延层缺陷及检测一、概述1.1什么是外延“外延”一词来自于希腊文Epitaxy，是指“在……上排列”外延工艺，指在晶体上用化学或物理方法规则地再排列所需晶体材料。外延层与衬底晶向相同，但掺杂类型、电阻率、材料可以不同。衬底外延层GaAs/Si如n-/n+-Si，n/p-Si，1.2外延工艺种类按工艺方法划分：气相外延（VPE)液相外延(LPE)固相外延(SPE)分子束外延（MBE)按材料划分：同质外延，又称为均匀外延异质外延，又称为非均匀外延异质外延外延层与衬底的相容性：两者在外延温度不发生化学反应、不互溶；两者热力学匹配；12两者晶格匹配。3失配率：一、概述按温度划分：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划分:普通外延，选择外延，多层外延其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等N-SiSiO2P-Si一、概述1.3外延的用途外延双极型晶体管高的集电结击穿电压低的集电极串联电阻双极型电路的pn结隔离利用外延技术的pn结隔离是早期双极型集成电路常采用的电隔离方法。P-Si衬底n+埋层n-Si外延层p+隔离墙SiO2隔离岛一、概述1.4外延工艺用途P阱n阱CMOS电路避免了闩锁效应；避免了硅层中SiOx的沉积；硅表面更光滑，损伤最小。微波器件SOS／CMOS电路一、概述二、气相外延气相外延(vaporphaseepitaxy，VPE)，指含外延层材料的物质，以气相形式输运至衬底，在高温下分解或发生化学反应，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶外延层。气相外延示意图二、气相外延2.1硅的气相外延工艺SiCl4(记为sil.tet)SiHCl3(记为TCS)SiH2Cl2(记为DCS)SiH4Si2H6JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU+H2→Si+HCl→Si+H2常用硅源反应器二、气相外延硅气相外延工艺流程以SiCl4外延制备n-/n+-Si为例：基座去硅工艺流程：准备硅片基座去硅外延生长N2预冲洗H2预冲洗升温至850℃升温至1170℃HCl排空HCl腐蚀H2冲洗降温N2冲洗二、气相外延外延生长工艺流程N2预冲洗H2预冲洗升温至850℃升温至1170℃HCl排空HCl抛光H2冲洗降温N2冲洗H2冲洗附面层外延生长（通入反应剂及掺杂剂）二、气相外延外延气体SiCl4：熔点，-70℃、沸点，57.6℃，

常温下是液态反应器内主要化学反应为：SiCl4+H2↔SiHCl3+HClSiCl4+H2↔SiCl2+2HClSiHCl3+H2↔SiH2Cl2+HClSiHCl3↔SiCl2+HClSiH2Cl2↔SiCl2+H2

SiCl2+H2↔Si+2HCl2SiCl2↔Si+SiCl4H2源瓶H2(SiCl4)二、气相外延掺杂气体掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、B2H6、AsH3等掺杂剂需要用氢稀释十~五十倍，以减小掺杂气体的流量误差本例掺杂剂为PH3，用H2稀释反应式为：2PH3（H2）→2P+5H2↑二、气相外延2.2外延原理以硅烷为源进行外延SiH4气体被通入反应器,气相输运到达硅衬底，射频加热器直接给基座加热，基座上的衬底温度高，硅烷就在衬底表面分解出硅，硅原子规则排列为外延层将外延过程分解为气相质量传递和表面外延两个过程来具体分析。二、气相外延1.气相质量传递过程依据流体动力学原理分析反应器内气流特点：分子自由程：<<D反应器内是粘滞性气体控制气流为层流：<临界值气流为泊松流，流速是抛物线型，基座表面流速为零二、气相外延1.气相质量传递过程边界层指基座表面垂直于气流方向上，外延剂浓度、气流速度、温度受到扰动的薄气体层反应剂SiH4扩散穿越边界层扩散流密度为：α=3~10°δ稳定二、气相外延2.表面外延过程表面外延过程实质上包含了四个步骤：外延剂被衬底吸附，在衬底反应、分解出Si：SiH4→Si+H2硅在衬底表面迁移，气相生成物解吸离开结点位置二、气相外延2.表面外延过程外延生长是横向进行的，在衬底台阶的结点位置发生。外延用硅，在由晶锭切制硅片时，为了得到更多结点位置，应偏离准确晶面一个小角度，如（111）晶面约偏离3°衬底温度高，可以确保外延剂被吸附，化学反应在表面进行，而且即利于生成的硅迁移、排列，成为与衬底晶向一致的外延层，又利于气相生成物的解吸离开。二、气相外延2.3外延速率的影响因素外延温度硅源种类外延剂浓度其它因素二、气相外延1.温度对外延速率的影响气相质量传递过程由扩散决定：扩散是温度的缓变函数实际上气相扩散在较低温度就能实现。表面外延过程由吸附、反应、迁移、解吸构成，由化学反应决定：化学反应是一个激活过程，温度升高反应速率呈指数增快。二、气相外延1.温度对外延速率的影响表面外延控制区质量传递控制区温度对外延速率影响大：低温时，外延速率主要受表面外延过程控制；高温时，外延速率主要受质量传递过程控制。外延工艺将温度控制在高温区，目的是降低温度波动对生长速率的影响。二、气相外延2.硅源对外延速率的影响含氯体系Si2H6无氯体系TVVSiCl4≈0.17μm/minVSiH4≈0.5μm/min二、气相外延3.外延剂浓度对外延速率的影响SiCl4+H2↔Si+HCl0.28外延剂浓度对外延速率影响也很大：在外延气体中硅源浓度应在某一范围之内变化，硅源浓度超出临界范围，可能生成多晶硅，甚至出现硅衬底被腐蚀现象。二、气相外延4.其它影响外延速率的因素[110][111]反应器形状、尺寸衬底晶向：V(110)>V(111)外延气体流速、流量二、气相外延2.4外延掺杂采用原位气相掺杂。常用掺杂剂：PH3、B2H6、AsH3等。杂质掺入外延层浓度依赖于：外延气流中掺杂剂分压，外延温度、速率，反应器几何形状，掺杂剂自身特性。外延工艺过程中有杂质再分布现象。掺杂剂分压为0.1Pa二、气相外延1.自掺杂效应自掺杂效应是气相外延过程中，掺杂衬底中的杂质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。自掺杂是气相外延的本征效应，不可能完全避免。二、气相外延1.自掺杂效应假设1：生长外延层时，外延气体中无杂质，杂质来源于自掺杂效应外延层杂质浓度为：假设2：衬底杂质没有逸出外延层杂质浓度为：自掺杂后，外延层杂质浓度为：二、气相外延2.互扩散效应衬底与外延层中的杂质，在外延过程中相互扩散，引起外延界面附近杂质浓度缓慢变化的现象。在高温外延时，会引起外延界面附近杂质浓度的再分布。二、气相外延2.互扩散效应外延速率远大于杂质扩散速率，衬底中的杂质向外延层扩散，或者外延层中杂质向衬底扩散，都如同杂质在半无限大固体中的扩散。依据扩散方程，互扩散后，杂质浓度分布为：二、气相外延3.杂质再分布及其降低措施nn+n-降低工艺温度，使用SiH4、SiH2Cl2，研究新型低温硅源N衬底外延前埋层掺杂，使用蒸汽压、扩散系数都低的杂质，如锑重掺杂衬底，先用轻掺杂硅薄层密封其底面和侧面，减少杂质外逸。低压外延，可以抑制自掺杂效应。二、气相外延2.5外延设备与技术东芝EGV-28/30GX卧式反应器基座控制系统控制系统二、气相外延1.低压外延指反应器内压力控制在1~20kPa的VPE可以减小自掺杂效应；缩小了过渡区可用于多层外延；外延温度的下限有所降低；对设备要求提高了，必须防止泄漏；工艺温度降低，生长的外延层晶格完好性受到一定影响。优缺点：二、气相外延2.选择外延(SEG)SiO2SiSiSiO2需要氧化物表面具有高清洁度，外延气体中应含有一定剂量的氯原子，氯能提高硅的活性，抑制硅在气相和氧化层表面的成核。调节外延气体中Si／Cl的原子比，可以从非选择外延向选择外延或者衬底腐蚀方向变化。二、气相外延3.SOI技术SOI(SilicononInsulator)是指在绝缘层上外延硅得到异质外延材料的技术。寄生电容小；速度快；抗幅射能力强；能抑制CMOS电路的闩锁效应。SOI应用在集成电路上的优势：二、气相外延3.SOI技术SOS是SOI材料中的一种，是在蓝宝石（或尖晶石）衬底上外延硅。fSi/α-Al2O3≈14%VPE的SOS材料是应力释放型硅在氧化层上异质外延的SOI材料SiSiSiO2Si三、分子束外延分子束外延（molecularbeamepitaxy,MBE）是一种物理汽相外延工艺在超高真空度下，热分子束由喷射炉喷出，射到洁净的单晶衬底表面，生长出外延层。用于外延层薄、杂质分布复杂的多层外延。三、分子束外延3.1工艺与原理硅MBE工艺流程：准备抽真空原位清洗外延生长停机准备：RCA清洗、腐蚀、装片原位清洗：惰性气体离子束轰击硅片表面，露出新鲜硅，升温至800~900℃退火数分钟，再降至650℃抽真空：外延室基压在约10-8Pa三、分子束外延3.1工艺与原理外延生长：开喷射炉，控制工作压力10-4Pa，到达衬底原子被物理吸附→迁移至结点→化学吸附→被覆盖，生长速率约0.1µm/min掺杂：选黏附系数大、停留时间长的杂质，如Sb、Ga、Al黏附系数：化学吸附原子数与入射原子数的比值停机三、分子束外延3.2外延设备生长室喷射炉监控系统衬底装填系统外延设备组成：真空系统控制系统三、分子束外延3.3MBE特点超高真空度外延过程污染少，外延层洁净；温度低无杂质的再分布现象；外延过程可控性强能生长极薄外延层，厚度可薄至Å量级；多个喷射炉可以同时或顺序工作适合生长多层、杂质分布复杂的外延层；全程监控外延层质量高，适合用于新材料外延机理研究。设备复杂、生产费用高，是单片工艺生产效率低。四、其它外延方法4.1液相外延(LPE)LPE是利用溶液的饱和溶解度随温度而变化，降温使溶液过饱和，溶质结晶析出在衬底上的外延方法。硅的LPE：将硅溶入锡中，在949℃时溶液饱和，降温度0-30℃时，溶液过饱和，硅析出在衬底硅上生长出外延层。硅外延常用低熔点金属作为溶剂，如锡、铋、铅及其合金等。四、其它外延方法4.1液相外延水平滑动法和垂直浸入法方法：与VPE和MBE比较：外延速率快，工艺温度低，安全性高，12杂质再分布现象弱。外延表面形貌一般。34在制备厚的硅外延层时被采用应用：四、其它外延方法4.2固相外延（SPE）是将晶体衬底上的非晶或多晶薄膜（或者区域），在高温下退火，使其转化为单晶层的外延。离子注入掺杂工艺中，损伤造成的非晶区和非晶层，必须要经过退火晶化，其实就是固相外延。SPE工艺的关键是温度和保温时间。四、其它外延方法4.3先进外延技术及发展趋势在原有工艺基础上的改进、完善、提高：VPE工艺温度的不断降低；MBE原位监控装置的更加完备；SPE出现的快速退火工艺等。多种技术组合形成了先进的外延工艺：超高真空化学汽相淀积；金属有机化合物化学气相外延；化学束外延。四、其它外延方法1.超高真空化学汽相淀积（UHV/CVD）化学汽相淀积(chemicalvaporDeposition,CVD)是以气相方式输运含源物质，使其发生化学反应，固相生成物淀积在衬底上形成薄膜的工艺技术。超高真空CVD：生长室真空度约10-7Pa，以SiH4为源，在600~750℃之间，可以在硅单晶衬底上生长出硅单晶外延层。特点：工艺温度低，能生长杂质陡变分布的薄外延层；真空度高，减少了残余气体带来的污染；设备操作维护比较简单，易于实现批量生产。四、其它外延方法2.金属有机化合物化学气相外延金属有机化合物化学气相外延（Metalorganic

chemical

vapor

deposition，MOCVD）是在VPE基础上发展起来的；以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体外延层。四、其它外延方法2.金属有机化合物化学气相外延例：GaAs/Si的MOCVD两歩工艺

Ga(CH3)3+AsH3→GaAs+3CH4↑As气氛中，约900℃预处理一步生长：410-450℃是生长厚约250Å的非晶GaAs过渡层T/℃t/min一步二步预处理GaAs/Si外延工艺二步生长：700℃在此期间一步生长的非晶过渡层也转化为单晶四、其它外延方法3.化学束外延化学束外延（CBE），是综合MBE的超高真空下束流外延可以原位监测，以及MOCVD气态源的优点发展起来的先进外延技术。与CBE相关的还有气态源分子束外延(GSMBE)和金属有机化合物分子束外延(MOMBE)。雾圈白雾角锥体划痕残迹五、外延层缺陷及检测5.1外延缺陷类型及分析表面缺陷：云雾状表面角锥体表面突起划痕星状体麻坑等(111)Si的三种典型层错星形线（滑移线）五、外延层缺陷及检测5.1外延缺陷类型及分析体内缺陷：位错层错（堆积层错）外延层衬底线位错层错外延层晶格完整性用缺陷密度来衡量五、外延层缺陷及检测5.2图形漂移和畸变现象硅晶体衬底的各向异性是出现漂移和畸变的主要原因。外延温度升高，漂移、畸变现象减弱；外延生长速率增加，漂移、畸变现象加强；外延气压下降，漂移、畸变现象减弱；衬底晶向，(100)Si的漂移、畸变最小，(111)硅取2~5º偏差时，漂移、畸变的影响最小。五、外延层缺陷及检测5.3外延层参数测量红外反射法层错法磨角法外延层厚度及其均匀性测量四探针法扩展电阻法电容法电阻率及其分布测量五、外延层缺陷及检测层错法测外延层厚度（111）Si外延后，经过适当的化学腐蚀，层错在表面可以呈现正三角形。利用层错边长与外延层厚度的几何关系换算出外延层厚度注意事项：要选择大的，靠近外延层中间的图形。计算厚度时，应考虑腐蚀对厚度的影响。Tll衬底外延层[110]（111）硅层错形状一、

概述2.2离子注入相关理论基础1.核碰撞四级标题字体：正文中文：思源黑体CNMedium思源黑体CNNormal英文：TimesNewRomanCambriaMath基础字号：28

色调：一级标题二级标题三级标题请老师确认模板中使用的元素是否符合需求可用使用四级标题备注：封面为了效果更突出，用了思源宋体，如果不需要可以直接更换为思源黑体即可特殊字体双击安装安装后重启PPT请先安装字体集成电路制造技术集成电路制造技术JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU——原理与工艺哈尔滨工业大学/田丽氧化与掺杂JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU热氧化第三章热氧化JICHENGDIANLUZHIZAOJISHU3.1二氧化硅薄膜概述3.2硅的热氧化3.3初始氧化阶段及薄氧化层制备3.4热氧化过程中杂质再分布3.5氧化层的质量及检测3.6热氧化技术及其工艺展望目录CONTENTS一、二氧化硅薄膜概述1.1二氧化硅结构桥联氧非桥联氧非晶SiO2石英一、二氧化硅薄膜概述1.1二氧化硅结构SiSiO2硅表面热氧化层TEM照片一、二氧化硅薄膜概述1.2二氧化硅的性质及用途性质石英晶体非晶SiO2薄膜注密度(g/cm3)2.22~2.2致密程度的标志。密度大表示致密程度高熔点(℃)1732≈1500软化软化点与致密度、掺杂有关电阻率(Ω•cm)1016107~1015工艺温度越高电阻率越大介电常数3.9≈3.9介电强度(V/μm)1000100~1000与致密度折射率1.33~1.37腐蚀性与HF酸、强碱反应缓慢与致密度、掺杂有关1.二氧化硅主要性质一、二氧化硅薄膜概述1.2二氧化硅的性质及用途2.二氧化硅薄膜的用途SiO2掺杂掩蔽膜芯片的钝化与保护膜电隔离膜元器件的组成部分一、二氧化硅薄膜概述1.3二氧化硅薄膜中的杂质Na2O+≡Si-O-Si≡→2Na++≡Si-O-+O--Si≡H2O+≡Si-O-Si≡→≡Si-OH+HO-Si≡P2O5+≡Si-O-Si≡→≡P+-O-P+≡+2O--Si≡磷硅玻璃（PSG）一、二氧化硅薄膜概述1.4杂质在SiO2中的扩散指单位浓度的杂质，在单位时间内扩散通过单位面积的量。它的单位是m2/s。钠离子等碱金属离子，即使在很低温度下，也能迅速扩散到整个SiO2层中。一、二氧化硅薄膜概述1.5SiO2的掩蔽作用硅表面的氧化层作为掩膜时：掩蔽条件:DSi>>DSiO2氧化层的最小厚度：XjXSiO2CsCI二、硅的热氧化2.1热氧化工艺氧化示意图卧式氧化炉立式氧化炉二、硅的热氧化2.1热氧化工艺1.三种热氧化工艺方法干氧氧化：Si+O2→SiO2氧化层结构致密，掩蔽能力强，表面干燥是Si-O结构，适合光刻；但是，生长速率慢，不适合生长厚氧化层。湿氧氧化：Si+H2O(O2)→SiO2+H2O水汽氧化：Si+(H2+O2)→SiO2+H2氧化层结构致密，掩蔽能力强，表面干燥是Si-O结构，适合光刻；但是，生长速率慢，不适合生长厚氧化层。氧化层的生长速率和质量介于干氧和水汽两种方式之间。三种热氧化方法的比较二、硅的热氧化氧化方式氧化温度（℃）生长速率常数（

m2/min）生长0.5μmSiO2所需时间（min）SiO2的密度（g/mm）介电强度(106V/cm)注干氧10001.48×10-418002.27912006.2×10-43602.15湿氧100038.5×10-4632.21水浴温度95℃1200117.5×10-4222.12水汽100043.5×10-4582.086.8~9水汽发生器水温102℃1200133×10-4182.05二、硅的热氧化2.1热氧化工艺2.工艺的应用掩膜氧化（厚氧化层）干氧-湿氧-干氧薄层氧化（MOS栅氧化层）干氧掺氯氧化SiSiO2二、硅的热氧化3.工艺举例制备约0.6μm氧化层作为扩散掺杂掩膜工艺条件：3吋硅片，干氧10min-湿氧50min（水温98℃）-干氧15min，温度：1180℃，氧气流量：1L/min。工艺流程：洗片→升温→生长→取片洗片：湿法清洗干净、烘干备用。升温：设定氧化炉的工艺条件，硅片装炉，开机升温。生长：设定氧化炉自动进行干氧湿氧切换，完成氧化层生长。取片：将氧化好的硅片取出，停气、停炉。二、硅的热氧化2.2热氧化机理硅常温下暴露在空气中的表面：Si+O2→SiO2Si+H2O(O2)→SiO2+H2O表面的氧化膜逐渐增厚到40Å左右就停止了高温下，氧化膜继续增厚二、硅的热氧化2.2热氧化机理SiSiSiO2氧化dSidSiO2生长1μm厚二氧化硅约消耗0.44μm厚的硅Si桥联O非桥联O二、硅的热氧化2.3Deal－Grove热氧化模型SiSiO2附面层O2或H2O气流方向氧化剂输运固相扩散D-G模型将热氧化简化为：12化学反应3反应副产物离开界面4二、硅的热氧化一维D-G数学模型pgp0F1F2F3SiO2Si0xCgCsCoCi主流气体粘滞层O2(H2O)

x0氧化剂输运1固相扩散2化学反应3热氧化是在氧气氛下进行，氧气流密度不变，即准平衡态稳定生长：F1=F2=F3二、硅的热氧化求解:c0、cipgp0F1F2F3SiO2Si0xCoCi主流气体粘滞层O2(H2O)

x0借助亨利定律：由主气流区氧气分压Pg，同理可得氧化层中氧气的平衡浓度C*：--气相质量输运系数由F1=F2=F3可得：二、硅的热氧化2.4热氧化生长速率生长一个SiO2，需要一个O2水汽氧化：Si+2H2O→SiO2+2H2由：Si+O2→SiO2

生长一个SiO2，需要二个H2O分子，N1=NSiO2=2.2×1022

分子/cm-3N1=2NSiO2二、硅的热氧化2.4热氧化生长速率氧化时间很短（t→0），--氧化速率方程--线性规律--为线性速率常数氧化时间很长（t→∞），--抛物线规律B--为抛物线速率常数ks→0SiO2SiC0CxD

→0Ci扩散控制化学反应控制12二、硅的热氧化实测值与模拟计算值的对比线性氧化速率：抛物线氧化速率：12氧化速率方程：在两种极限情况下：氧化时间很短长或时间很长时，实测值和计算值吻合。二、硅的热氧化2.5影响氧化速率的各种因素氧化剂种类、温度、氧化剂分压、衬底晶向与掺杂浓度等因素都对氧化速率有影响。1.氧化剂种类对氧化速率的影响氧化速率比较：O2<O2(H2O)<H2OO2、H2O在氧化层中的扩散和与硅的反应均较快，而且O2略快于H2O。溶解度相差很大：c*O2<<c*H2O二、硅的热氧化2.温度对氧化速率的影响ks、DSiO2、h等都与温度有关温度对氧化速率的影响很大二、硅的热氧化3.氧化剂分压对氧化速率的影响提高反应器内氧气或水汽的分压能提高线性氧化速率有高压氧化和低压氧化技术对线性氧化速率的影响更些大氧化剂分压Pg是通过C*对B产生影响：B∝P二、硅的热氧化4.硅片晶向对氧化速率的影响不同晶向的单晶硅由于表面原子密度不同，氧化速率也呈现各向异性。B/A依赖晶向，而B与晶向无关。（111）晶向速率最快，（100）晶向速率最慢。有空间位阻（StericHindrance）现象：指氧化剂分子近邻之间遮蔽作用和其它一些几何影响。二、硅的热氧化5.杂质对氧化速率的影响氧化速率对存在于掺杂剂中的钠、氯化物、水汽，以及在硅片中的Ⅲ、Ⅳ族杂质敏感。通常氧化剂中有微量的杂质存在就会明显地提高氧化速率。掺杂浓度越高氧化速率越快，这种现象称为增强氧化。氧化三、初始氧化阶段及薄氧化层制备D-G模型对30nm以下的薄层氧化规律描述不准。初始氧化阶段的氧化机制仍是研究热点。自然氧化物不是连续生长而是阶段的生长。轻掺杂0.8nm;重掺杂1.3nm。700℃干氧氧化三、初始氧化阶段及薄氧化层制备3.1MOS电路对栅氧化层的要求低缺陷密度好的抗杂质扩散的势垒持性低的界面态密度和固定电荷，高质量的SiO2/Si界面。在热载流子应力和辐射条件下的稳定性好。栅氧化层三、初始氧化阶段及薄氧化层制备3.2薄氧化层制备工艺方法：干氧氧化、或掺氯氧化；减压氧化；低温高压氧化等。工艺条件：生长速率必须足够慢；氧化前的清洗必须彻底；所用水、试剂、气体等必须为超高纯度材料。四、热氧化过程中杂质的再分布再分布情况由四方面因素决定：杂质的分凝现象；杂质从SiO2表面逸出；杂质在SiO2、Si中的扩散速率；杂质在SiO2/Si界面的移动速率。逸出分凝扩散界面移动四、热氧化过程中杂质的再分布4.1杂质的分凝效应分凝效应：指杂质在两个紧密接触的不同相中，由于溶解度不同，将在两相之间发生重新分配，直到两相界面两边的化学势相等为止的现象。分凝系数：是衡量分凝效应强弱的参数硅片热氧化时，某杂质的分凝系数为：分凝系数与温度有关分凝系数与与晶面取向有关四、热氧化过程中杂质的再分布杂质在SiO2/Si界面分布(a)图，杂质K＜l，在SiO2中是慢扩散杂质，如硼；(b)图，杂质K＜1，在SiO2中是快扩散杂质，如在氢气氛下的硼；(c)图，杂质K＞1，在SiO2中慢扩散的杂质，如磷；(d)图，杂质K＞l，在SiO2中是快扩散杂质，如镓；分凝扩散逸出分凝扩散逸出分凝扩散逸出分凝扩散逸出四、热氧化过程中杂质的再分布4.2再分布对硅表面杂质浓度的影响氧化速率与扩散速率之比是影响硅表面杂质浓度的主因，这一比值可通过改变热氧化工艺方法、条件而变化。四、热氧化过程中杂质的再分布4.3再分布对硅中杂质浓度分布的影响温度越高，硼杂质发生再分布进入硅内的距离越深。氧化后高斯分布杂质，最高浓度的位置已经不在硅的表面。五、氧化层的质量及检测氧化层厚度测量比色法、干涉条纹法；椭偏法、台阶仪。热氧化在硅表面生长氧化层的质量及性能指标应满足使用要求，需要在氧化后进行检测。成膜质量检测表面缺陷，结构缺陷，氧化层中的电荷，热应力。椭偏仪台阶仪五、氧化层的质量及检测5.1氧化层厚度测量1.比色法在可见光波段氧化层透明，而硅为灰色，硅片表面