半导体工艺原理复习总结贵州大学综述.docx
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半导体工艺原理复习总结贵州大学综述
1.根据扩散源的不同有三种扩散工艺:
固态源扩散,液态源扩散,气态源扩散。
2.固相扩散工艺
微电子工艺中的扩散,是杂质在晶体内的扩散,是固相扩散工艺。
固相扩散是通过微观粒子一系列随机跳跃来实现的,这些跳跃在整个三维方向进行,主要有三种方式:
间隙式扩散
替位式扩散
间隙—替位式扩散
3.什么是离子注入
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.
注入离子在靶内受到的碰撞是随机的,所以杂质分布也是按几率分布的。
离子进入非晶层(穿入距离)的分布接近高斯分布.
4.离子注入的沟道效应
沟道效应
当离子沿晶轴方向注入时,大部分离子将沿沟道运动,几乎不会受到原子核的散射,方向基本不变,可以走得很远。
5.减少沟道效应的措施
(1)对大的离子,沿沟道轴向(110)偏离7-10o
(2)用Si,Ge,F,Ar等离子注入使表面预非晶化,形成非晶层.
(3)增加注入剂量(晶格损失增加,非晶层形成,沟道离子减少).
(4)表面用SiO2层掩膜.
6.损伤退火的目的(修复晶格,激活杂质)
A.去除由注入造成的损伤,让硅晶格恢复其原有完美晶体结构
B.让杂质进入电活性(electricallyactive)位置-替位位置。
C.恢复电子和空穴迁移率
7.退火方法
a.高温退火
b.快速退火:
激光、高强度光照、电子束退火、其他辐射.
8.注入方法
a直接注入
离子在光刻窗口直接注入Si衬底。
射程大、杂质重时采用。
b间接注入;
通过介质薄膜或光刻胶注入衬底晶体。
间接注入沾污少,可以获得精确的表面浓度。
c多次注入
通过多次注入使杂质纵向分布精确可控,与高斯分布接近;也可以将不同能量、剂量的杂质多次注入到衬底硅中,使杂质分布为设计形状。
9.降低系统自掺杂方法
a.降低系统自掺杂的有效方法是对石墨基座进行HCl高温处理,处理的温度应该高于外延生长温度。
b.所谓高温处理就是用HCl在高温下把基座上淀积的硅腐蚀掉,在腐蚀后立即在基座上包一层本征硅用来封闭基座。
10.光刻
定义:
光刻是图形复印与腐蚀作用相结合,在晶片表面薄膜上制备图形的精密表面工艺技术。
目的:
在介质薄膜(二氧化硅、氮化硅、多晶硅等)、金属薄膜或金属合金薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形,从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。
目标:
(1)尽可能接近特征图形尺寸。
(2)在晶圆表面正确定位图形,包括套刻准确。
11、光刻胶
正胶:
胶的曝光区在显影中除去。
正胶曝光时发生光分解反应变成可溶的。
使用这种光刻胶时,能够得到与掩膜版遮光图案相同的图形,故称之为正胶。
负胶:
胶的曝光区在显影中保留,用的较多。
具体说来负胶在曝光前对某些有机溶剂(丙酮、丁酮、环己酮)是可溶的,而曝光后发生光聚合反应变成不可溶的。
使用这种光刻胶时,能够得到与掩膜版遮光图案相反的图形,故称之为负胶。
正胶负胶
①不易氧化易氧化而使光刻胶膜变薄
②成本高成本低
③图形边缘整齐、陡直,无溶胀现象易吸收显影液而溶涨
④分辨率更高
⑤去胶较容易
⑥抗蚀性强于正胶
13、光刻基本步骤
•涂胶
•对准和曝光
•显影
光刻步骤细分有:
1、清洗硅片WaferClean。
2、预烘和底胶涂覆Pre-bakeandPrimerVapor
3、光刻胶涂覆PhotoresistCoating
4、前烘SoftBake
5、对准Alignment
6、曝光Exposure
7、后烘PostExposureBake
8、显影Development
9、坚膜HardBake
10、图形检测PatternInspection
化学气相淀积CVD模型
化学气相淀积(ChemicalVaporDeposition,CVD)是通过气态物质的化学反应在衬底上淀积薄膜的工艺方法。
淀积的薄膜是非晶或多晶态,衬底不要求是单晶,只要是具有一定平整度,能经受淀积温度即可
1.1CVD过程
(1)反应剂被携带气体引入反应器后,在衬底表面附近形成“滞留层”,然后,在主气流中的反应剂越过边界层扩散到硅片表面
(2)反应剂被吸附在硅片表面,并进行化学反应
(3)化学反应生成的固态物质,即所需要的淀积物,在硅片表面成核、生长成薄膜
(4)反应后的气相副产物,离开衬底表面,扩散回边界层,并随输运气体排出反应室
CVD的化学反应条件、
(1)在淀积温度下,反应剂需有足够高的蒸气压;
(2)除淀积物外,反应的其它物质必须是挥发性;
(3)淀积物本身必须具有足够低的蒸气压
(4)薄膜淀积所用的时间必须足够短----高效率,低成本
(5)淀积温度必须足够低----避免对先前工艺影响
(6)CVD不允许化学反应的气态副产物进入薄膜
(7)化学反应必须在被加热的衬底表面
2CVD淀积系统
按气压分类
常压化学气相淀积(APCVD,)
低压化学气相淀积(LPCVD,)
按反应激活能分类
等离子增强化学气相淀积(PECVD,)
金属有机物化学气相淀积(MOCVD,)
激光诱导化学气相淀积(LCVD,)
微波等离子体化学气相淀积(MWCVD,)
2.3APCVD
操作简单,淀积速率较高,适于介质薄膜的淀积。
缺点:
易于发生气相反应、产生微粒污染,台阶覆盖性和均匀性比较差。
APCVD的主要问题:
低产率(throughput)
高温淀积:
硅片需水平放置
低温淀积:
反应速率低
气缺现象解决方法
A、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。
B、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。
C、增加反应室中的气流速度。
LPCVD法的主要特点
Batchprocessing:
同时100-200片
薄膜厚度均匀性好
可以精确控制薄膜的成份和结构
台阶覆盖性较好
低温淀积过程
淀积速率快
生产效率高
生产成本低
影响PECVD薄膜淀积速率因素
反应器的结构;
射频功率的强度和频率;
反应剂与稀释剂气体量;
抽气速率;
衬底温度
物理气相淀积(Physicalvapordeposition,PVD)
是利用某种物理过程,如用真空蒸发和溅射方法实现物质转移,即原子或分子由源转移到衬底(硅)表面淀积成薄膜。
真空蒸发法优点
设备简单,操作容易
所制备的薄膜纯度较高,厚度控制较精确,成膜速率快
生长机理简单
真空蒸发法主要缺点
所形成的薄膜与衬底附着力较小
工艺重复性不够理想
台阶覆盖能力差
蒸镀为什么要求高真空度?
1、蒸发的原子(或分子)的输运应为直线,真空度过低,输运过程被气体分子多次碰撞散射,方向改变,动量降低,难以淀积到衬底上。
2、真空度过低,气体中的氧和水汽,使金属原子或分子在输运过程中氧化,同时也使加热衬底表面发生氧化。
3、系统中气体的杂质原子或分子也会淀积在衬底上,影响淀积薄膜质量。
总结:
SiO2的基本性质
1、良好的电绝缘介质
2、高的击穿场强
3、稳定的可重复的Si/SiO2界面特性
4、对大多数杂质来说,SiO2是非常好的扩散掩膜
5、Si和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率
二氧化硅膜的用途
(1)表面钝化
A、保护器件的表面及内部
B、禁锢污染物
(2)掺杂阻挡层(作为杂质扩散的掩蔽膜)
A、杂质在二氧化硅中的运行速度低于在硅中的运行速度
B、二氧化硅的热膨胀系数与硅接近
(3)绝缘介质
SiO2介电性质良好:
介电强度为106-107V/cm
氧化方法分类
按氧化气氛的不同来分:
干氧氧化:
通入纯净的干燥的氧气进行氧化。
掺氯氧化:
氧化时加入少量氯气(Cl2)、氯化氢(HCl)、三氯乙烯(C2HCl3或TCE)或三氯乙烷(TCA)等含氯的气态物。
湿氧氧化:
氧气在通入反应室之前,先通过加热高纯去离子水,使氧气中携带一定量的水汽;
水汽氧化:
通入水汽进行氧化。
(水汽来源于高纯去离子水气化或H、O直接燃烧化合而成。
)
干氧氧化特点:
①氧化层结构致密,氧化速度慢;
②均匀、重复性好;
③SiO2层表面的硅氧烷与光刻胶粘附性良好,不易产生浮胶现象。
水汽氧化特点:
①氧化层结构疏松,质量不如干氧好,水汽氧化速度快;
②均匀、重复性差。
③表面是极性的硅烷醇结构,存在的羟基极易吸附水,极性的水不易与非极性光刻胶粘附,所以氧化层容易产生浮胶现象。
湿氧氧化特点:
兼有干氧和水汽两种氧化的共同特点,氧化速度和质量介于两者之间。
三种氧化的特点比较
速度
均匀重复性
结构
掩蔽性
水温
干氧
慢
好
致密
好
湿氧
快
较好
中
基本满足
95℃
水汽
最快
差
疏松
较差
102℃
实际中,MOS结构栅氧化层制作采用:
干氧氧化;IC中的场隔离氧化(即场氧)制作采用:
湿氧或水汽氧化掩蔽膜制作采用,干氧(掺氯)-湿氧-干氧交替氧化
掺氯氧化的目的:
减小SiO2中的Na+污染,改善SiO2层的质量。
掺氯氧化的特点:
①掺氯氧化可吸收、提取氧化层下面硅中的杂质,减少复合中心,使少子寿命增加。
因为高温下氯气和许多杂质发生反应,生成挥发性的化合物而从反应室逸出。
②可钝化可动离子,改善器件特性及可靠性。
由于集中分布在SiO2-Si界面附近的氯Cl-可使移到此处的Na+被陷住不动,从而使Na+丧失电活性和不稳定性。
③可降低SiO2层中的固定电荷和界面态密度,减少二氧化硅中的缺陷。
由于氯中和界面电荷,填补了氧空位。
④可提高氧化速度,氯起催化剂的作用。
氧化过程:
①氧化剂(氧气或水汽)从气相内部输运到氧化层表面。
②扩散穿过已经生成的氧化层,抵达SiO2-Si界面;
③在界面处与硅发生氧化反应;
④反应副产物(如H2)离开扩散层,并向主气流转移。
影响热氧化速度的因素:
1氧化时间t;
2氧化温度T;
3氧化剂的分压强PGO(有低压氧化、高压水汽氧化技术)
4氧化气氛(即干氧氧化、湿氧氧化、水汽氧化,Dox)
5衬底表面势效应;
6时间常数t*——薄氧化层xo*
低温或低压氧化:
为了保证超薄的氧化层的均匀性和重复性,要求氧化速率必须足够慢,可采用低温或低压氧化,或两者结合。
高压氧化也是MOS栅极氧化的优选工艺之一,因为高压氧化中生成的栅极氧化层比常压下生成的绝缘性要强。
高压氧化工艺还可以解决在局部氧化(LOCOS)中产生的“鸟嘴”效应问题。
鸟嘴效应:
在氧化时,当O2扩散穿越已生长的氧化物时,在各个方向上扩散,纵向扩散的同时也横向扩散,这意味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。
由于氧化层比消耗的硅更厚,所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边沿。
我们称之为“鸟嘴效应”。
外延层应满足的要求:
(1)表面应平整,光亮。
(2)晶体完整性好,位错和层错密度低。
(3)外延层的本底杂质浓度要低,补偿少。
(4)对于异质外延,外延层与衬底的组分间应突变(要求组分缓变的例外)并尽量降低外延层和衬底间组分互扩散。
(5)掺杂浓度控制严格,分布均匀,使得外延层有符合要求而均匀的电阻率。
不仅要求一片外延片内,而且要求同一炉内,不同炉次生长的外延片的电阻率的一致性好。
(6)外延层的厚度应符合要求,均匀性和重复性好。
(7)有埋层的衬底上外延生长后,埋层图形畸变很小。
(8)外延片直径尽可能大,利于器件批量生产,降低成本。
(9)对于化合物半导体外延层和异质结外延热稳定性要好。
HCl在硅外延中的作用:
为了提高外延层的完整性,在外延生长前应在反应室中进行原位化学腐蚀抛光,以获得洁净的硅表面。
常用的化学腐蚀剂为干燥的HCl或HBr。
硅外延生长设备主要由四部分组成:
即氢气净化系统、气体输运及控制系统、加热设备和反应室。
硅外延生长的影响因素
:
浓度、温度、气流速度、衬底晶向。
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