半导体器件原理与工艺1.ppt

1、半导体器件原理与工艺,秦明 东南大学MEMS教育部重点实验室 Telext.8809 Email:,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) Stephen A. Campbell, 电子工业出版社 参考书 微加工导论 Sami Franssila,电子工业出版社 硅微机械加工技术 黄庆安, 科学出版社,半导体加工工艺,概述 半导体衬底 热氧化 扩散 离子注入 光刻 刻蚀,薄膜淀积：物理和化学 CMOS,半导体加工工艺概述,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 “Comp

2、onent counts per unit area doubles every two years”,Feature size reduction enables the increase of complexity.,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,薄膜淀积 CMOS,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34km2 硅的性能 屈服强度 7x109 N/m2 弹性模量 1.9x1011 N/m2 密度 2.3 g/cm3 热导率 1.57 W

3、cm-1C-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-Si 0.005 -50 .cm 少子寿命 30 -300 s 氧 5 -25 ppm 碳 1 - 5 ppm 缺陷 500 cm-2 直径 Up to 200 mm 重金属杂质 1 ppb,硅的晶体生长,硅的纯化 SiO2+2CSi(冶金级）+2CO Si+3HClSiHCl3+H2 2SiHCl3(蒸馏后的)+2H22Si(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

4、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,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,薄

5、膜淀积 CMOS,热氧化,SiO2的基本特性 热SiO2是无定形的 密度 = 2.2 gm/cm3 分子密度 = 2.3E22 molecules / cm3 晶体 SiO2Quartz = 2.65 gm/cm3 良好的电绝缘材料 Resistivity 1E20 ohm-cm 带隙 Energy Gap 9 eV 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,D

6、eal-Grove 模型,tsl :Boundary layer thickness k: Boltzmann constant Pg : Partial pressure of O2,hg: mass transfer caefficient,tox : oxide thickness,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,Line

7、ar and Parabolic Rate Coefficients,(B/A : linear rate coeff ),(B=parabolic rate coeff ),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,以掺入P5+为例：,P5+通常是以P2O5的形式进入SiO2网络，P将替代Si的位置，形成P-O四面体。,Si-O四面体,P2O5,2(PO2)+O=,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,局部氧化