1、1,2,绪 论,半导体科学是最近几十年来迅猛发展起来的一门重要的新兴学科；是发展电子计算机、空间电子技术、雷达、通讯及工业自动化电子技术的基础。它的应用为农业、工业、国防和科学技术的现代化提供了极为有利的条件。半导体科学的发展与半导体器件制造技术的发展有着最紧密的联系。半导体器件制造技术主要由工艺设计、工艺制造、工艺分析和质量控制四部分组成。这些技术与电子计算机技术相结合，成为当今半导体工艺的一大特点。抓住以上四点，以硅外延平面工艺为主线，是学好本课程的关键。,计算器工业转眼之间从最简单的四则运算器发展成为非常复杂、可编程序的科研和商业用计算器。每一种新计算器的出现，都是集成电路技术向前发展一
2、步的结果。 （美）查尔斯杰莫,3,晶体管,集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,半导体器件的发展,构成现代微电子技术的基础,1947,1959,4,器件的发展取决于工艺的发展，半导体工艺最早主要通过拉晶法和合金法来制造晶体管。,1959年，采用硅平面工艺生产集成电路，促进了双极型集成电路的出现和发展，也是MOS场效应管和MOS场效应集成电路诞生的必要和重要条件。,5, 衬底制备, 薄膜制备, 图形加工, 掺杂技术,切、磨、抛等,外延、氧化、蒸发、淀积等,光刻、制版等,扩散、离子注入等,基本的平面工艺过程为：,6,硅外延平面晶体管管芯制造工艺流程剖面图,外 延 N+,N,一次氧化 N+,N
3、,基区光刻 N+,N,N,背面蒸金 N+,N,硼再分布 N+,N,N,N,引线孔光刻 N+,N,N,N,衬底制备N+,硼预扩散 N+,发射区光刻 N+,磷扩散 N+,蒸 铝 N+,反 刻 铝 N+,7,高温热氧化,高温热氧化,高温热氧化,高温热氧化,显影,显影,显影,显影,腐蚀,腐蚀,腐蚀,腐蚀,腐蚀,将上述过程用连续动态过程表现出来,8,双极型集成电路管芯制造工 艺流程剖面,进入版图,9,MOS晶体管和MOS集成电路管芯制造 工艺流程剖面图,10,硅栅MOS集成电路管芯制造 工艺流程剖面图,1.衬底制备,2.一次氧化,3.一次光刻,4.二次氧化和 多晶硅淀积,5.二次光刻,6.源漏扩散和 低
4、温淀积,7.三次光刻,8.蒸铝,9.反刻铝,11,N沟硅栅（L=23微米）E/DMOS工艺,(1) N沟晶体管复合版图,（2）原始衬底，P100550,50100.初氧化：9001050，80150nm。LPCVDSi3N4：80150nm。 光刻1：刻场区,(3) 等离子腐蚀Si3N4和场区注硼。E=100150Kev; D=6101261013cm-2,(4) 场氧化：水汽氧化：9001050 ，t=615h。d=11.7m。,12,腐蚀氧化层；等离子去除氮化硅；腐蚀氧化层；栅区氧化：HCl氧化9001000 ；d=4070nm;光刻耗尽区；耗尽区砷注入：E=150700Kev; D=51
5、01121012cm-2.,（6）去胶；光刻增强区；增强区注入：E=3050Kev; D=1101141011cm-2。,(7) 去胶；光刻硅和多晶硅接触孔；Qf调整 ：在干N2中9001000退火、t=30min,(8) 多晶硅生长：LPCVD法d=400600nm;光刻栅：等离子腐蚀多晶硅。,13,(9) 腐蚀源漏区的栅氧化层；磷预淀积；用10/1的HF溶液漂PSG；再扩散和氧化；测s及结深,(10) LPCVD法淀积PSG：d=400800nm、掺磷79%；回熔：9001000；光刻接触孔。,(11) 溅射铂，形成铂-硅，去除铂。溅射钛-钨，淀积铝，光刻5及腐蚀金属层,(12) 合金化，
6、中测，淀积氧化层，光刻6及腐蚀压焊点。硅片减薄，蒸金及金的合金化,14,氧化物硅栅CMOS工艺流程,15,16,17,18,19,20,跳,目 录,第一章,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,1-1 衬底材料,1.对衬底材料的要求,2.衬底单晶材料的制备,3.杂质缺陷对器件工艺质量的影响,4.多晶硅的结构性质,1-2 衬底制备,1.晶体定向,2.晶片加工,参观实验室,22,衬底制备,第 一 章,23,1、对衬底材料的要求：,a.导电类型 P或N,b.电阻率：0.001100000,c.寿命 一般要求几到几千微秒,d.晶格完整性,e.纯度高 一般常说的9个9,f.晶向 111及110等,g.
7、要求一定的直径和均匀性，并给出主次定位面,一、衬底材料,24,2、衬底单晶材料的制备,悬浮区熔法生长过程示意图,单晶生长水平区熔法示意图,硅单晶直拉法生产过程示意图,25,二、衬底制备,硅衬底制备工艺流程,单晶锭滚磨整形,确 定 定 位 面,磨 定 位 面,晶 体 定 向,化 学 腐 蚀,切 片,磨 片,倒 角,清 洗 检 验,抛 光,减 薄,返回目录,26,目 录,第一章,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,2-1硅外延薄膜制备的原理,1.外延生长动力学原理,2.外延掺杂及其杂质再分布,3.自掺杂效应,2-2二氧化硅薄膜,1.结构与性质,2.热生长氧化膜的制备,3.实现掩蔽扩散的条件,参
8、观实验室,2-3热分解淀积氧化膜法,1.烷氧基硅烷热分解淀积法,2.硅烷热氧化淀积法,3.淀积法形成二氧化硅膜的特点,27,薄 膜 制 备,制备薄膜所需要的原子或分子是由含其组元的化合物通过氧化、还原或热分解等化学反应而得到。,它不经过中间化学反应，以源直接转移到衬底上形成薄膜。,在半导体器件中广泛使用着各种薄膜，制备薄膜的方法有：,直接生长法：,间接生长法：,第二章,28,一、硅外延薄膜制备的原理,外延：,一定条件下，在一片表面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。,同质外延：,异质外延：,外延层在结构、性质
9、上与衬底材料不同。,生长的外延层与衬底材料相同。,29,1、外延生长动力学原理,外延时，通入含有一定硅源的 氢气流，并流经被高频感应加热的 硅片表面，当条件适当时便会在其 上外延成膜.,30,硅外延反应器,31,SiCl4（气）+2H2（气）=Si（固）+4HCl（气）,H2还原SiCl4法的化学反应式为：,滞流层（附面层）：,接近基座表面的一薄层流体的速度有较大变化，滞慢于其外面的自由流体，把这个区域叫做滞流层。,32,混合气体流经基座时的情况,（a）滞流层 （b）微流体元及速度分布,附面层,33,滞留层里气体流速分布可表示为：,U=U0 Y 0Y （2-4）,流体流动时，在单位面积上产生的
10、内应力,与速度在垂直方向上的变化率成正比，即,（2-5）,称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为,34,（2-6）,式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元内动量的变化。由于流体的流动是连续的，从ABC面流进来的流体必然全部要从CD面流出。作为近似，动量的变化可以看作是流体由BC面流入的结果。而单位时间内从BC面流入的流体带入的动量为,质量速度,（2-7）,该动量全部用在克服内摩擦
11、力上，故有,将式（2-6）和（2-7）带入上式，得到,等式两边积分，并取,35,（2-8）,这就是滞流层厚度的近似表达式，由此可求出平均滞流层厚为,（2-9）,式中,称为平板雷诺数，是一个无量纲数，用它可以判断流体的运动状态,仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚度可以表示为N,设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为,假定在质量附面层里反应剂浓度也呈线性分布即,（2-10）,36,根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂粒子流密度为,（2-11）,式中,为反应剂在氢气中的扩散系数，结合（2-10）式，得,（2-12）,式中,称为气相质量转移系数，它具有速度的量
12、纲,另一方面，在生长层界面上进行化学反应所消耗的粒子流密度为,（2-13）,是表面化学反应速率常数。在稳定状态下，,（2-14）,根据,可分别得到在气体生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速率为：,37,由于气体的浓度常用摩尔分数表示，所以上式改为,（2-15）,（2-16）,（2-17）,为混合气体中每立方厘米的分子总数；,为反应剂的摩尔分数,因为,是混合气体总压强,在开管外延中，,在数值上也等于以大气压为单位的反应剂分压强,38,表面反应控制：,生长速率讨论,39,质量转移控制：,40,影响外延生长速率的因素：,生长速率和反应剂浓度的关系,成正比,41,生长速率与外延温度的关系：,较高温度下
13、，速率与温度的关系不明显。,较低温度下，速率随绝对温度的增加呈指数急增。,42,生长速率与气体流量的关系：,流量较小时，生长速率与流量的平方根成正比,43,与硅片位置等的关系：,生长速率和x的平方根成反比，解决办法：基座有一个小角度。,44,2、外延掺杂及其杂质再分布,（1）掺杂原理:,外延层中的杂质原子是在外延生长 时加入到晶格点阵中去的。因而掺杂的动 力学原理和外延生长相似。最终的杂质浓 度将涉及反应剂和掺杂剂两者的化学动力 学性质以及温度，气流等多种因素。,45,（2）外延过程中的杂质再分布,衬底杂质的再分布,杂质的再分布,46,掺入杂质的再分布,总的杂质再分布,47,各种典型外延结构的
14、杂质再分布,48,正面蒸发，蒸发速率由（2-33）（2-34）及,给出。,背面蒸发，逸出速率由（2-33）（2-34）及,给出。,上述两项在预烘焙期间更为严重。,进行气相腐蚀时，也会使积蓄在附面层里的杂质大大增加。,上述各项逸出的杂质进入气相，将起到掺杂剂的作用，重新进入外延层。,加热基座、外延系统和输入气体中沾污的杂质也会进入外延层中。,可见，存在着杂质的非人为地掺入，一方面是由衬底杂质的固态扩散引起的，另一方面便是由上述各种原因引起的气相自掺杂，以上统称为自掺杂。,自掺杂效应,49,气相自掺杂 在具有埋层结构的衬底上进行外延生长，不仅在埋层的正上方，而且在埋层之外的衬底上方也存在着自掺杂效
15、应。我们把后者叫做横向自掺杂，是由气相自掺杂引起的。这种自掺杂对于元件密度高的双极型大规模集成电路的薄外延层生长，其危害更大。在大规模集成电路中我们可以把一个埋层看成一个点。稳态时流体中的杂质扩散方程为：,（2-48）,为逸出杂质的扩散系数,如果不考虑气体流动的影响，对于点质量源，空间中的浓度分布应是具有球对称的形式，设为 现在由于气体的流动，浓度,分布必是偏离球对称分布，用函数 来修正这种偏离。从而,（2-49）,将表达式（2-49）代入（2-48）有,如设 ，上式变为：,（2-50）,50,球坐标系下的拉普拉斯方程为：,并考虑到 只是 的函数，（2-50）式进一步简化为：,（2-51），解
16、此一元二阶常系数微分方程,并将其解代入式（2-49）中，得：,（2-52）,由边界条件定出待定系数，并将系数代回（2-52）得：,（2-53）,由亨利定律可以得出,（2-54）,51,横向自掺杂峰的分析,上图是归一化横向自掺杂峰的分布曲线。由图可见1.从埋层源逸出的杂质不仅能顺着气流向下输运，而且由于扩散作用还可以逆流而上，引起自掺杂；2.离埋层越远，浓度越低，前方后方自掺杂前后是不对称的，下游比上游严重 。3.横向自掺杂左右是对称的。埋层群：在一定的埋层数目下，埋层之间的间距越小，彼此的影响就越大。气相自掺杂就越严重。当埋层的数目高达500以上，不管埋层间距远近，硅片各处的横向自掺杂趋于均匀
17、，与横向 距离无关。,52,二、,1、二氧化硅膜的结构和性质,（1）结构特点：“长无序，短有序”，即从较大范围看，原子排列是混乱的、无规则的，结构疏松而不均匀；从小范围看，是由硅氧四面体组成的三维网络。,二氧化硅薄膜,53,（2）二氧化硅的性质：,二氧化硅属于酸性氧化物，是硅的最 稳定化合物，有极高的化学稳定性，不溶 于水，能耐多种强酸、强碱的侵蚀；但极 易与氢氟酸作用；在一定的温度下，也有 可能被铝、氢气等还原。,54,2、热生长氧化膜的制备,（1）热生长氧化法的氧化机理,热生长氧化法是让硅片在高温下，与 氧化剂发生反应而生长出一层二氧化硅膜 的方法。,根据氧化气氛分为：,干氧氧化,湿氧氧化
18、,水汽氧化,55,干氧氧化法：,在高温下当氧气与硅片接触时，氧 分子与其表面的硅原子反应生成 起 始层，由于起始层阻碍了氧分子与硅表 面直接接触，其后的继续氧化是氧扩散 穿过已生成的 向里运动，到达界面进行反应。,实践表明：干氧氧化速率慢，氧化层结构致密，不易产生浮胶现象。,56,实践表明：干氧氧化速率慢， 氧化层结构致密；表面是非极性 的硅氧烷结构，所以与光刻胶 黏附良好，不易产生浮胶现象。,硅氧烷结构,57,水汽氧化法：,在高温下水汽与硅片表面的硅原子 作用，生成二氧化硅起始层，其后的继 续氧化一种认为：是水分子扩散通过已 生成的氧化层；另一种认为：是水分子 先与表面的二氧化硅反应生成硅烷
19、醇结 构，生成的硅烷醇再扩散穿过二氧化硅 层抵达 界面处，与硅反应。,58,实践表明：水汽氧化的速率快，但 氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化好， 特别是氧化层表面是硅烷醇，极易吸附 水，所以氧化层表面与光刻胶黏附性差。,硅烷醇结构,与水结合,59,湿氧氧化：,湿氧氧化是让氧气在通入反应室之 前，先通过加热的高纯去离子水，使氧 气中携带一定量的水汽（水汽的含量一 般由水浴温度和气流决定，饱和的情况 下只与水浴温度有关）。所以湿氧氧化 兼有干氧和水汽两种氧化作用，氧化速 率和质量介于两者之间。,60,（2）热氧化生长动力学,二氧化硅薄膜的增厚是通过如下几个步骤完成的：,氧化剂从气相内部输运到气体氧
20、 化 层界面；,扩散穿过已经生成的氧化层，抵达二氧化硅硅界面；,在界面处与硅发生氧化反应；,反应的副产物扩散出氧化层，并向主气流转移。,61,热生长氧化的一般表达式：,其中：,62,返回,习题课,63,氧化温度,影响氧化层厚度的因素,别碰我,返回习题课,64,氧化剂分压,65,氧化气氛,热氧化与水浴温度的关系,66,与衬底取向及其掺杂浓度的关系,67,加速自建场的影响,（a）加速作用,（b）时间常数与温度的关系,空间电荷区对氧化的影响,68,薄氧化层,随着大规模集成电路的发展，对薄和超薄氧化层的需求越来越突出。为了保证薄氧化膜生长的均匀性和重复性，氧化速率必须足够慢，解决的途径必是低温或低压(
21、在900-1000,0.25-2Pa条件下已经生长出314纳米的薄氧化层)。在1MPa的蒸气下，于750经30min生长的氧化层为30纳米。,69,3、实现掩蔽扩散的条件,（1）掩蔽扩散对扩散系数的要求,原则上只要氧化层厚度 满足不等式,但实际上，只有对扩散系数 的杂质，用 膜掩蔽才有实用 价值,70,杂质在二氧 化硅中的扩散 系数,回去,习题课,71,（2）杂质扩散掩蔽膜最小厚度的确定,气相,杂质通过 层的扩散,掩蔽膜最小厚度：,72,双极型器件要求，杂质扩穿 层进入Si中，Si表面的杂质浓度不得 超过本底掺杂浓度的一半即,取 即符合双极器件的要求,所以,73,MOS器件的要求比双极型的要
22、高只有 才行，所以最小 掩蔽膜的厚度应为,回去,习题课,74,2-3 热分解淀积氧化膜法 该方法是利用含硅的化合物，经过热分解反应，在基片表面淀积一层二氧化硅。这种方法的优点是：基片本身不参与形成氧化膜的反应，而仅仅作为淀积二氧化硅的衬底。所以基片可以是硅片，也可以是金属片或陶瓷片等。这是与热生长氧化法最根本的区别。由于这种方法对基片的温度要求不高，故也称为“低温淀积”。作为热分解淀积二氧化硅膜常用的硅化合物有烷氧基硅烷和硅烷二类，分别介绍如下：,1.烷氧基硅烷热分解淀积法 它是利用多数烷氧基硅烷加热到一定温度（600800度），即可分解出二氧化硅这一性质，在硅片表面淀积一层二氧化硅膜，方程式
23、如下：,从反应式看出，烷氧基硅烷加热后，分解出二氧化硅,75,但也随之生成了一些副产物。一般是些分子量大小不一的碳氢有机化合物，有的易于挥发，随抽气排除系统，有的就难以排除。特别当系统中有水汽或氧气漏进时，在分解温度下，容易与这些分解出的化合物起反应，其反应生成物随二氧化硅一起淀积在硅片上，使二氧化硅膜表面发乌，还会使光刻腐蚀出现反常现象等。反应物中的一氧化硅和碳的含量对氧化膜质量也有很大影响。如果采用含氧原子较多的（一般单个分子中含有三个或四个氧原子）烷氧基分子，如正硅酸乙酯（又叫四乙氧基硅烷， ）则生成的一氧化硅很少。而碳的产生与热分解温度有密切关系，如果温度不超过750度，生成的碳不会多
24、的。烷氧基硅烷热分解淀积二氧化硅膜又有两种方法，一种是惰性气体携带法，一种是真空淀积法。惰性气体携带法和真空淀积法的装置分别如下图所示：,76,两种方法相比，携带法淀积的二氧化硅膜均匀性较差，容易引入外来杂质。因此，目前多采用真空淀积法，淀积源选用正硅酸乙酯。它的热分解反应是,反应温度一般选在750度左右，淀积源温度控制在20度左右，真空度要求达到0.01托即可，淀积时间根据膜厚来定。,77,用淀积法生长的二氧化硅膜不如热生长法的质地致密，但在淀积后经过适当的增密处理，可使二氧化硅的质量有所改善。增密处理是在真空淀积之后，使硅片继续在反应炉内加热一段时间（30分钟左右）后，再用干燥的氮气、氩气
25、或在氧的气氛中继续加热处理一段时间，温度控制在800度左右。,2.硅烷热氧化淀积法 硅烷热氧化淀积法是将硅烷在氧气中加热，反应生成二氧化硅，淀积在硅片或其它基片上：,这种反应不生成气态的有机原子团等副产物，反应温度也低得多。衬底加热至300度左右，即可生成质量较高且均匀性好的氧化膜。,78,硅烷的沸点是-111.8度，室温下以气态存在，遇空气会自燃，生成一种胶质状的二氧化硅粉末的淀积物。为了使反应易于控制和保证安全，可在反应前先用高纯氮气将硅烷稀释到与氮气的体积比在3%以下，并贮藏在钢瓶中。,3.淀积法形成二氧化硅膜的特点 热分解或热氧化淀积二氧化硅膜与热生长二氧化硅膜相比较有以下特点：,（1
26、）.可以在金属、陶瓷及其它半导体材料（如锗、砷化镓等）基片上淀积二氧化硅膜。这是热生长无法做到的。（2）淀积法所需温度较低，对于一些不宜作高温处理而又需要在表面形成二氧化硅膜的样品，用此法较为适宜。（3）可以淀积较厚的二氧化硅膜。,79,二氧化硅膜厚度的检测,一、比色法 直接观察硅片表面的氧化膜的颜色，可以比较方便的估计出氧化膜的厚度。由于光的干涉作用，不同厚度的氧化膜可以表现出不同的颜色，其对应关系如下图：,不过，使用时要注意他们的关系是周期性的。,80,二、干涉法：这是最常用的方法，优点：设备简单，测量方便，也比较准确；缺点：是破坏性测试，超薄氧化层无法测量。 将已氧化的硅片用蜡或真空脂保
27、护一部分，然后放入氢氟酸中，未被保护区域的二氧化硅将被腐蚀掉，最后用有机溶剂将蜡或真空脂去掉，这时就出现了,干涉条纹,二氧化硅的斜坡。当已知波长的单色光束垂直照射在斜坡上时，就会出现干涉条纹利用下列公式能够计算出二氧化硅的厚度。,81,三、椭圆偏振法： 此法是由激光器发出一定波长的激光束,经起偏器变为线偏振光，并确定其偏振方向，再经1/4波长片，由于双折射现象，使其成为相位相差/2的两部分光，它们的偏振方向互相垂直，所以变为椭圆偏振光。椭圆的形状由起偏器方位角确定。椭圆偏振光以一定角度入射到样品上，反射后偏振状态发生改变，一般仍为椭圆偏振光，但椭圆的方位和形状改变了。用 ， 描述反射时偏振光状
28、态的变化。定义如下：,式中， 的意义是相对振幅衰减 是相位,移动之差， 为P波分量与S波分量的总反射系数。光路图如下：,82,在波长、入射角、衬底等参数一定时， 和 是膜厚 和膜折射率n的函数，对于一定厚度的某种膜，转动起偏器，总可以找到某一方位角，使反射光变为线偏振光，这时再转动检偏器，当检偏器的方位角与反射线偏振光偏振方向垂直时，光束不能通过，出现消光现象。消光时 ， 和 分别由起偏器方位角p和检偏器方位角A决定：,(P在0度到135度之间）,（P大于135度）,这时d 和n 也是P和A的函数，可由计算机计算得到（P，A）- （d，n）关系表绘制出关系图，根据已知的P、A求出d和n。例如
29、在确定n的条件下根据关系表绘出的（P、A）-d关系图如下图所示 可求得膜厚d。 用椭圆偏振法测量膜厚不用损坏样品，精度高，测量范围0.001-1微米,83,84,金 属 化,集成电路中器件的互连是通过金属化来实现的，通常用铝来作为互连线，这里我们定性讨论常规铝互连工艺所遇到的一些问题，并介绍代替常规铝互连的方法。,常规铝互连工艺,铝互连是通过将硅片放在真空室中，用蒸发铝的方法来 实现的。然后利用光刻技术去除不需要的铝。在蒸铝时，用的是钨丝，由于钨丝因制作上的原因而含大量的钠，这对器件性能的影响是极坏的。所以在制造MOS器件时应该用电子束蒸发来淀积铝。,85,在除去不需要的金属以后，把硅片放进烧
30、结炉中烧结几分钟，以便改善铝和硅之间的欧姆接触和增强铝膜的强度。烧结温度控制在450度左右，温度过高，时间过长，铝将渗入硅中，从而使器件被破坏。,86,人们在广泛使用铝膜作为集成电路互连条的实践中，发现了金属薄膜的大电流密度效应。这种称为电迁移的现象，是铝互连条在使用时发生累进失效的原因。人们认为，热激发的铝离子在与导电电子碰撞时获得能量，并通过迁移离开接触区。当这些铝离子离开接触区后，便在接触区留下空位；由于没有别的铝离子可以填充这些空位，所以这些空位逐渐扩大，最后发展到切断铝互连条，从而引起失效。如果在铝膜上淀积一层厚度为几千埃的玻璃层，便可降低铝膜的失效率。,业已证明，采用铝作接触和互连
31、条具有如下几个优点：,1.具有良好的导电性能；2.与硅有较高的低共熔点；3.与铝和二氧化硅有良好的粘附性；4.易于蒸发和腐蚀；5.与大多数封装材料不起化学反应。,87,金属化中遇到的问题,在金属化中存在着台阶覆盖问题、金属的合金组份问题、如何获得低接触电阻问题、金属层的刻蚀问题。,半导体工业中采用的真空淀积技术有四种：1.灯丝加热淀积；2.电子束蒸发；3.闪烁蒸发；4.溅射（分二极溅射和磁控溅射）。,淀积方法,88,氧化部分习题课,类型一、已知氧化条件，求氧化层厚度。 类型二、已知氧化条件和初始氧化层厚度，求硅表面的台阶高度。 类型三、已知扩散条件，求最小掩蔽层厚度。,典型习题一：在PMOS集
32、成电路工艺中，一次氧化的工艺条件是，氧化温度为1200摄氏度，时间是10+180+10（min），水温是95度，开管氧化，求氧化层厚度？,解：开管氧化即为常压氧化，可利用图2-34求得抛物线氧化速率常数然后代入氧化层厚度表达式，经计算得到结果。如果初始氧化层厚度为零，则 ，如果初始氧化层厚度不为零，则通过上式求出 ，然后再代入上式，经计算得到结果。,89,典型习题二、硅表面已经有2000埃厚度的氧化层，经过光刻后，再次氧化，其条件是氧化温度是1200度，时间是60min，水温是95度。求窗口区与非窗口区的氧化层厚度，并求出硅表面的台阶高度？,解：利用上题所说的方法，求出两个区域的氧化层厚度，然
33、后利用公式 计算，得到不同区域硅的新表面相对原始表面的距离，再求出台阶高度。,典型习题三、PMOS工艺中，源漏再扩散的条件是：扩散温度为1150度；时间是60min，求最小掩蔽层厚度？,解：根据题给条件，先通过图表查出杂质在二氧化硅中的扩散系数再利用公式计算，得到结果。,返回目录,90,目 录,第一章,第二章,第三章,第四章,第五章,第六章,参观实验室,3-1扩散,1.扩散原理,2.扩散层杂质原子的浓度分布,3.扩散方法,4.敏感度,5.扩散层质量分析与检验,6.扩散条件的选择,7.理论分布与实际分布的差异,3-2 离子注入掺杂,1.离子注入设备,2.离子注入的浓度分布,3.离子注入的掩蔽技术
34、,3-3 合金法,91,第 三 章,掺杂技术,92,1、杂质原子的微观扩散机构及其宏观描述,(1)间隙式扩散 杂质原子从一个原子间隙运动到相邻的另一个原子间隙，是通过晶体中原子间的间隙进行的，这种依靠间隙运动方式而逐步跳跃前进的扩散机构，称为间隙式扩散。,间隙原子势能,原子的间隙运动及其势能曲线,x,一、扩散,93,替位原子势能,原子的替位运动及其势能曲线,x,(2)替位式扩散与间隙式扩散不同，替位式杂质原子从一个替位位置运动到相邻另一个替位位置，只有当近邻格点处有一个空位,时，替位杂质原子才有可能进入邻近格点而填充这个空位。因此，替位原子的运动 必须以其近邻处有空位存在为前提.,94,两种扩
35、散的扩散系数可表示为:,慢扩散杂质在（111）硅中的扩散系数,快扩散杂质在（111）硅中的扩散系数,返回,95,菲克第二定律：,物理意义：存在浓度梯度的情况下，随着时间的推移，某点x处杂质原子浓度的增加（或减少）是扩散杂质粒子在该点积累（或流失）的结果。,菲克第一定律：,2、扩散层杂质原子的浓度分布,96,（1）恒定表面源扩散分布,是指在扩散过程中，硅片表面 的杂质浓度 始终是保持不变的。,它的初始条件和边界条件为：,初始条件：,边界条件：,可得菲克第二定律式解的表达式,N,Ns,N,x,97,(2)有限表面源扩散,是指在扩散过程中，杂质源限定于扩 散前淀积在硅片表面极薄层内的杂质总量Q， 没
36、有补充或减少，依靠这些有限的杂质向 硅片内进行的扩散。,设开始时Q是均匀分布在厚度为的薄层内，则 初始条件为：,边界条件为：,98,根据初始条件和边界条件得到菲克第二定律的解为：,Ns1,Ns2,Ns3,N,t1,t2,t3,xj1,xj2,xj3,x,N,0,Ns1,Ns2,Ns3,N,x,xj1,xj2,xj3,T1,T2,T3,t3,t2,t1,T3,T2,T1,(a)扩散温度相同，时间不同,（b）扩散时间相同，温度不同,有限源扩散的杂质浓度分布,99,固溶度：是指杂质在一定 温度下，能溶入固体硅中 的最大浓度。,在通常的扩散条件下， 表面杂质浓度可近似 取其扩散温度下的固 溶度。,80
37、0 900 1000 1100 1200 1300 1400,温度（）,杂质在硅中的固溶度,固溶度（cm）,返回,100, 在较低温度下采用恒定表面源扩散的方式在 硅片表面淀积一定量Q的杂质原子。, 由于扩散温度低，扩散时间短，杂质原子在硅片表面的扩散深度极浅。, 杂质浓度遵循余误差函数分布，即, 杂质总量可表示为：,第一步：预淀积,返回,3、硅器件生产中的两步扩散工艺,101,第二步：再分布, 采用有限表面源扩散，把经预淀积的硅片放入另一扩散炉内加热，使杂质向硅片内部扩散，重新分布，达到所 要求的表面浓度和扩散深度。, 杂质浓度遵循高斯分布：,返回,102,（一）恒定表面浓度的扩散分布 在半
38、无界空间求解如下定解问题,这是一个具有第一类非齐次边界条件的定解问题,扩散方程的解,103,首先使边界条件齐次化 令：,于是有,显然，只要求出 ，原扩散方程的解可求,104,我们利用分离变量法对变换后的方程求解 设方程的特解为,将其代入方程并整理得等式,由于两边分别为互不相关的独立变量，因此使等式成立的唯一可能是两边同等于某一常数a，考虑到扩散过程的不可逆性，a应取负值（否则由于,有,随着 的增长 将无限制地快速增大因而,导致 无限制增大，这显然是不合理的）,105,若记 （ 可为任意正、负实数）则有：,由此得到两个常微分方程,它们的通解是,把解式代入齐次边界条件,可定出任意常数 ，因此满足齐
39、次边界条件的特解为：,前面已经指出， 可为 上的任意实数，对于不同的 值，有不同特解。线性方程的理论认为，全部特解的线性迭加就是偏微分方程的一般解,106,因此有：,该式是傅立叶积分，当这个一般解进一步满足初始条件时，就得到我们所需要的解，由初始条件,得到,这是奇函数的傅立叶逆变式，根据奇函数的傅立叶变换公式,可得,107,将上式中的积分变量 改写为 代回傅立叶积分式中得,利用积分公式,令,可以得到,108,在第一积分式中作变换 并交换第二积分式的上、下限，则有,到此，已解出了,于是原方程的解是,109,由于 ，上式可进一步表示为：,由上面分析可知，恒定表面浓度的扩散分布是一种余误差函数分布,
40、110,N,Ns,X,0,t1,t2,t3,t1t2t3,根据积分的概念，曲线下面的面积表示进入硅片单位面积的杂质总量，即有：,而余误差函数性质有,所以扩散入硅片单位表面积上的杂质总量为：,111,（二）限定源的扩散分布,理想限定源扩散的特点是：整个扩散过程的杂质源，限定于扩散前积累在硅片表面的无限薄层内的杂质总量 没有外来杂质补充，在硅片表面处 的杂质流密度 ，因此杂质总量 是一个常数。根据前面的分析，求解限定源扩散问题，即在半无界空间中求解下述定解问题。,112,可以看出这是一个第二类齐次边界条件，为求解我们设分离变量的形式解为：,代入方程并整理得,两边分别为关于 和 的函数，若使等式成立
41、则必为一个常数，设为 则有两个常微分方程,得：,将此两个方程的解代入齐次边界条件得 则满足边界条件的特解为,113,与恒定表面浓度扩散方程的特解不同，解式中出现 而不是 这是边界条件不同的结果。,将所有的特解迭加起来就是一般解,当它进一步满足初始条件时，就得到我们所需要的解，为此，我们先令上式中的 得到：,这是偶函数的傅立叶逆变式，根据偶函数的傅立叶变换式,114,可得,由初始条件可知：只有当 时 才不为零，故上式中的积分上限可改写为 又当 ，且 时 因此上式可进一步表示为：,将 代回一般解，就得到扩散方程的解,若把积分公式,代入上式就得到解的最后形式：,115,在扩散工艺中，常用的扩散方法很
42、多，主要的有以下几种；,一、液态源扩散,硼酸三甲酯 扩散,三氯氧磷 扩散,4.扩散方法,116,二、箱法扩散,主要是箱法锑扩散。用于双极型半导体集成电路的埋层扩散。杂质源选用固态粉末状三氧化二锑和二氧化硅的混合物。早期的粉末状氮化硼扩散也采用此法。,三、固态氮化硼扩散,117,固态氮化硼扩散是近年来发展迅速的一项新的扩散工艺，其优点是设备简单，操作方便，生产效率高，均匀性、重复性好等，已经取代了液态源硼扩散。固态氮化硼源有粉末状和片状氮化硼两种。其中片状源氮化硼扩散的设备如上图所示。,四、氧化物源扩散,在硅片表面淀积一层掺杂的氧化物（浓度可以人为地进行调节）做杂质源，通过加热处理，向硅片体内进
43、行杂质扩散，这种方法称为氧化物源扩散。一般分为两步进行：第一步是在硅片表面淀积一层具有一定杂质含量的二氧化硅薄层，这将成为第二步扩散的杂质源。,118,五、二氧化硅乳胶源涂层扩散,二氧化硅乳胶源涂层扩散，是从氧化物源扩散演变发展起来的一种新的扩散工艺。（）由于与氧化物源扩散的机理相同，所以具有与氧化物源扩散的相同优点。（）由于仅需要高温扩散一次，所以与液态源的“两步扩散”相比，工艺简单。（）适用于在非硅衬底的器件表面进行各种杂质的扩散。（）由于在高温扩散时杂质很少逸出表面，所以在进行有毒杂质（如砷）的扩散时，更显其优越性。二氧化硅乳胶源的扩散工艺，分涂胶，预烘和扩散三个过程。二氧化硅乳胶是烷氧
44、基硅烷的水解聚合物，能溶于乙醇，乙酯及醋酸等有机溶剂，掺入硼、磷、砷等杂质，即成乳胶源。,119,敏感度,在多元函数中，每个自变量的变化对函数的影响是不一样的，我们可以用敏感度来描述这种影响。,定义式,称为 对 的敏感度,我们可以把扩散系数对温度的敏感度定义为：,由于,因此得到：,测量表明，在温度为1000度时对于硼来说，,把此值代入上式，得到,120,（1）结深 在硅片中掺入不同导电类型的杂质，两种杂质浓度相等的地方到硅片表面的距离叫结深，用 表示。,结深的表达式,恒定表面源扩散：,有限表面源扩散：,5.扩散层质量分析与检验,121,两种分布的结深表达式可以 统一为：,对余误差分布，,对高斯
45、分布，,返回,122,根据不同Ns和N值可以得到两种分布的A值与Ns/N关系曲线,Ns/N,A,返回,123,结深的测试,（1）磨角法：（a）样品制备，将硅片固定在特别的磨角器上，使硅片磨出一个具有一定角度（15度）的斜界面，如图可知：,P,n,磨角器,硅片,n-Si,P,（b）将硅片抛光后放入染色液内，用普通灯光照射（约30秒）在n区一侧染有铜，颜色略呈红色，与p区有显著色差。染色液配方为：,硫酸铜（CuSO45H2O）：氢氟酸（48%HF）=200克/升：10克/升,在硅片表面上加一块平板玻璃（与硅片表面要贴紧），其结深为：,为使用光源的波长，如用钠光源，则为5900埃,124,（2）阳极
46、氧化剥层法,上述方法测量误差较大（一般在10001500埃）为了更好的适应浅结的测试要求，因而出现了阳极氧化剥层法。,在室温下，用阳极氧化法，先在硅片表面生长一层一定厚度的二氧化硅膜，然后用氢氟酸将膜剥除，测定硅表面的薄层电阻值。测毕再依次连续氧化、剥除，测量n次，直到薄层电阻值突然变小为止。若每次氧化、剥除二氧化硅的膜厚为800埃，则总的剥除的二氧化硅层厚度为n800埃。由于生长的二氧化硅分子数与剥除的硅原子数相等，所以：,这就是结深，测量误差可小于300埃。电导液一般采用四氢糠醇和亚硝酸钠的混合液,125,（2）方块电阻, 方块电阻表达式：,其中, 若衬底中原有的杂质浓度很低，则近似表示为
47、：,在扩散薄层上取一任意边长的正方形，该正方形沿电流方向所呈现的电阻，叫方块电阻。,126,方块电阻的检测,利用右图所示电路，将电流表所示电流控制在3毫安以内，读出电位差计所示电压，利用下式计算：,式中常数C是由被测样品的长度L、宽度a、厚度d，以及探针间距S来确定。,常数C可由下表查出,127,128,假设：1.样品的表面尺寸同 探针间距相比为无限大。 2.探针很尖，可视为点电源。 3.探针间距相同。 4.扩散层很薄。,由于上述假设，探针尖与硅片接触处可看成是点电源，其电场分布可看成为柱状电,场，电力线如右图所示。设点电源处为坐标原点，在距原点为r处取一微体积元，其电流横截面面积为dS。,方块电阻计算公式的推导,129,距电流流入处为r的地方，电流密度应为,体积元在r方向上所呈现的电阻值为,而流经此体积元表面dA的电流为,在此体积元两端面间产生的电压降为,与电流流入处相距为r1和r2两点间的电压,与上同理，电流流出探针可视为一个负的点电流源，且在此处的电场空间中，与针尖相距为r3和r4的两点之间的电压为,
