半导体物理与器件-PPT课件-教学-作者-裴素华-第5章-半导体器件.ppt

第五章第五章 半导体器件制备技术半导体器件制备技术5.1 晶体生长和外延5.1.1 晶体基本生长技术 Si的制备过程一般为:nSiC（固体）+ SiO2（固体）Si（固体）+SiO（气体）+CO（气体） n Si（固体）+3HCl（气体）SiHCl3（气体）+H2（气体）nSiHCl3（气体）+H2（气体）Si（固体）+3HCl（气体） 柴可拉斯基式拉晶仪的简示图5.1.2 晶体外延生长技术外延是一种采取化学反应法进行晶体生长的另一种技术。在一定条件下，以衬底晶片作为晶体籽晶，让原子（如硅原子）有规则地排列在单晶衬底上，形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度及完整晶格结构的单晶层，由于这个新的单晶层是在原来衬底晶面向外延伸的结果，所以称其为外延生长，这个新生长的单晶层叫外延层。最常见的外延生长技术为化学气相淀积（CVD）和分子束外延生长（MBE）。 n外延生长的基本原理 氢还原四氯化硅外延生长原理示意图n硅的CVD外延化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。 APCVD反应器的结构示意图LPCVD反应器的结构示意图平板型PECVD反应器的结构示意图n分子束外延分子束外延（MBE）是在超高真空条件下一个或多个热原子或热分子束蒸发到衬底表面上形成外延层的方法 。砷化镓相关的-族化合物的MBE系统示意图5.2 硅的热氧化5.2.1 SiO2的结构、性质与作用nSiO2的结构和物理性质二氧化硅从结构上可分为结晶型和非结晶型二氧化硅两种 SiO2网络结构示意图（a）SiO2的基本结构单元 （b）结晶型SiO2 （c）无定型SiO2 nSiO2的化学性质室温下二氧化硅只与氢氟酸反应SiO2+6HFH2（SiF6）+2H2O nSiO2的作用 5.2.2硅热氧化形成SiO2的机理 n对硅半导体器件而言，大部分的SiO2层都是用热氧化方法生长的，常用的热氧化方法有三种：干氧、湿氧和水汽氧化。Si在氧气或水汽的环境下，进行热氧化的化学反应式为：nSi（固体）+O2（气体）SiO2（固体）nSi（固体）+2H2O（气体）SiO2（固体）+2H2（气体） SiO2生长过程示意图 5.2.3 SiO2的制备方法n干氧氧化干氧氧化是指在1000以上的高温下，直接通入氧气进行氧化的方法。 n水汽氧化水汽氧化指的是在高温下，硅片与高温水蒸气发生反应生成SiO2的方法。n湿氧氧化湿氧氧化一般是指氧化携带95左右的水气与硅片一起发生反应生成SiO2的方法。n冷水自然滴法氧化与上述常规湿氧氧化的唯一不同的地方是，是氧气携带着室温下的冷水一起进入石英管道。 n氢氧合成氧化 该方法是指在常压下，将高纯氢气和氧气通入氧化炉内，使之在一定温度下燃烧生成水，水在高温下汽化，然后水汽与硅反应生成SiO2。 干湿干方法氧化炉装置示意图 冷水自然滴法氧化装置示意图 5.2.4 SiO2质量的宏观检验 为了确认SiO2的质量，可采用宏观方法进行检验。其一，检查SiO2层的表面状态，其二是用比色法判定其厚度。 SiO2层的宏观缺陷是指眼睛可以直接看得到的缺陷：如氧化层厚度是否均匀、表面有无斑点、氧化层是否存有针孔等 5.3 光刻与刻蚀技术 5.3.1 光刻过程简介光刻所需要的三要素为：光刻胶、掩膜版和光刻机。常规的光刻过程主要包括：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、腐蚀和去胶。首先将光刻胶利用高速旋转的方法涂敷在硅片上，然后前烘使其牢固地附着在硅片上成为一层固态薄膜。利用光刻机曝光之后，再采用特定的溶剂进行显影，使其部分区域的光刻胶被溶解掉，这样便将掩膜版上的图形转移到光刻胶上，然后再经过后烘以及刻蚀、离子注入等工序，将光刻胶的图形转移到硅片上，最后再去胶就完成了整个光刻过程。 光刻工艺流程示意图 5.3.2 新一代图形曝光技术n甚远紫外线曝光 甚远紫外线曝光系统装置简图 nX射线曝光（XRL） X射线曝光原理简图 n电子束曝光电子束曝光是利用聚焦后的电子束在感光膜上准确地扫描出图案的方法。 n离子束曝光 5.3.3 刻蚀技术n湿法化学腐蚀湿法腐蚀是指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。 n干法刻蚀干法刻蚀是指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基（处于激发态的分子、原子及各种原子基团等）与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。 5.4 半导体中的杂质掺杂n杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内，以达到改变半导体电学特性，形成PN结、电阻、欧姆接触等各种结构之目的。扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。 扩散与离子注入方法掺杂示意图（a）扩散 （b）离子注入5.4.1 杂质扩散机理与方法 n1扩散机理n2两种表面源的扩散分布n（1） 恒定表面源扩散 n（2） 限定源扩散 n3恒定表面源扩散方法n（1） 固态源扩散 n（2） 液态源扩散 n4扩散结果的测量n（1） 薄层电阻的测量 n（2） 结深的估算和测量 n（3） 扩散分布测量 5.4.2 离子注入原理与系统n离子注入机系统离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底的过程，该过程是靠离子注入机来完成，离子注入机主要包括离子源、磁分析器、加速管、聚焦、扫描器和靶室等。 离子注入机基本结构及工作原理示意图 n2离子注入原理离子注入到无定型靶中的高斯分布 n退火由于离子注入所造成的损伤区及畸变团，使迁移率和寿命等参数受到严重影响，而且大部分注入的离子并不是以替位的形式位于晶格上，为了激活注入到衬底中的杂质离子，使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置，以便具有电活性，产生自由载流子起到杂质的作用，并消除半导体衬底中的损伤，必须要在适当的温度与时间下，对离子注入的硅片进行退火。5.5 介质薄膜化学气相淀积技术5.5.1 二氧化硅的化学气相淀积根据反应温度的不同，分别有几种不同的CVD方法制备氧化层。1低温CVD氧化层2中等温度CVD氧化层3高温CVD氧化层5.5.2 氮化硅的化学气相淀积 n氮化硅的性质与作用Si3N4的结构可以分成无定型和结晶型两种Si3N4在器件中的作用：其一用于器件的钝化其二在大规模集成电路中经常采用多层布线技术，而Si3N4能在多层布线中起到很好的介质隔离作用。其三由于Si3N4的氧化速率很慢，可以作为局域氧化的掩蔽阻挡层 n氮化硅的化学气相淀积方法Si3N4薄膜可以利用中等温度的LPCVD或低温PECVD方法淀积。 5.5.3 多晶硅的化学气相淀积一般利用低压反应炉（LPCVD）在600650范围内分解硅烷淀积多晶硅，其化学方程式为426002SiHCSiH5.6 金属薄膜的物理气相淀积技术5.6.1 金属膜的蒸发 蒸发所用的各种装置示意图（a）电阻加热器 （b）射频感应加热器 （c）电子束蒸发5.6.2 金属模的溅射各种溅射系统示意图（a）标准溅射 （b）长程溅射 （c）具有准直器的溅射5.7 制备半导体器件工艺流程5.7.1 硅平面晶体管工艺流程 硅外延平面晶体管的基本工艺流程图 硅外延平面晶体管工艺流程剖面图 5.7.2 MOS晶体管与MOS集成电路工艺流程MOS晶体管与MOS集成电路工艺流程 5.7.3 P阱硅栅CMOS工艺和元件的形成过程P阱硅栅CMOS反相器工艺流程及芯片剖面示意图