半导体器件原理与工艺1.ppt
半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺秦明秦明东南大学东南大学MEMS教育部重点实验室教育部重点实验室Tel:025-83792632 ext.8809Email:半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺教材与参考书教材与参考书教材微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术(第二版第二版)Stephen A.Campbell,电子工业出版社参考书微加工导论微加工导论Sami Franssila,电子工业出版社硅微机械加工技术硅微机械加工技术黄庆安,科学出版社半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工工艺半导体加工工艺概述概述半导体衬底半导体衬底热氧化热氧化扩散扩散离子注入离子注入光刻光刻刻蚀刻蚀薄膜淀积：物理和化薄膜淀积：物理和化学学CMOS半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工工艺概述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。半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺微电子的发展半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工概述半导体加工概述Moore定律“Component counts per unit area doubles every two years”Feature size reduction enables the increase of complexity.半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工概述半导体加工概述半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工概述半导体加工概述半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工概述半导体加工概述半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工概述半导体加工概述半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体加工工艺原理半导体加工工艺原理概述概述半导体衬底半导体衬底热氧化热氧化扩散扩散离子注入离子注入光刻光刻刻蚀刻蚀薄膜淀积薄膜淀积CMOS半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺半导体半导体衬底衬底硅是目前半导体中用的最硅是目前半导体中用的最多的一种衬底材料多的一种衬底材料每年生产约每年生产约1.5亿片，总面亿片，总面积约积约34km2硅的性能硅的性能屈服强度屈服强度 7x109 N/m2弹性模量弹性模量 1.9x1011 N/m2密度密度 2.3 g/cm3热导率热导率 1.57 Wcm-1C-1热膨胀系数热膨胀系数 2.33x10-6 C-1电阻率电阻率(P)n-型型 1-50.cm电阻率电阻率(Sb)n-型型0.005-10.cm电阻率电阻率(B)p-Si 0.005-50.cm少子寿命少子寿命 30-300 s氧氧 5-25 ppm碳碳 1-5 ppm缺陷缺陷 500 cm-2直径直径 Up to 200 mm重金属杂质重金属杂质 1E20 ohm-cm带隙 Energy Gap 9 eV高击穿电场高击穿电场 10MV/cm半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺热氧化热氧化SiO2的基本特性的基本特性稳定和可重复的稳定和可重复的Si/SiO2界面界面硅表面的生长基本是保形的硅表面的生长基本是保形的半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺热氧化热氧化SiO2的基本特性的基本特性杂质阻挡特性好杂质阻挡特性好硅和硅和SiO2的腐蚀选择特性好的腐蚀选择特性好半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺热氧化原理热氧化原理反应方程：反应方程：Si(固体固体)+O2(气体气体)SiO2半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Deal-Grove 模型半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Deal-Grove 模型tsl:Boundary layer thicknessk:Boltzmann constantPg:Partial pressure of O2hg:mass transfer caefficienttox:oxide thickness留在大气层中的气流第二个流量:第三个流量:J J3 3=k ks sC Ci iJ J1 1=J=J2 2=J=J3 3半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Deal-Grove 模型利用Henry定律Co=H Ps =H (kT Cs)Henry常数半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Deal-Grove 模型界面流量除以单位体积界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数的氧分子数,得到生长速率得到生长速率:初始氧化层厚度为初始氧化层厚度为t0半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Linear 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薄时:氧化层足够厚时氧化层足够厚时:半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺热氧化半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺热氧化半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺含Cl氧化氧化过程中加入少量的氧化过程中加入少量的HCl 或或TCE(三氯乙烯三氯乙烯)减少金属沾污减少金属沾污改进改进Si/SiOSi/SiO2 2界面性能界面性能半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺Cl对氧化速率的影响对氧化速率的影响半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺初始阶段的氧化初始阶段的氧化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半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺氧化中消耗硅的厚度氧化中消耗硅的厚度半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺硅表面形貌对Xi的影响半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺热氧化的影响因素热氧化的影响因素温度温度气氛（干氧、水汽、气氛（干氧、水汽、HCl）压力压力晶向晶向掺杂掺杂半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺高压氧化对给定的氧化速率，压力增加，温度可降低对给定的氧化速率，压力增加，温度可降低温度不变的情况下，氧化时间可缩短温度不变的情况下，氧化时间可缩短半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺高掺杂效应900oC下干氧速率是掺杂浓度的函数半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺晶向的影响半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺氧化界面的TEM图 半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺SiO2结构半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺以掺入以掺入P5+为例：为例：P5+通常是以通常是以P2O5的形式进入的形式进入SiO2网络，网络，P将替代将替代Si的位置，形成的位置，形成P-O四面体。四面体。Si-O四面体四面体半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺P2O52(PO2)+O=半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺SiO2特性特性厚度测量厚度测量形成台阶形成台阶光学比色光学比色椭圆偏振光椭圆偏振光干涉法干涉法击穿场强12MV/cm半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺颜色氧化层厚度（10-8cm)第一周期第二周期第三周期第四周期灰色100黄褐色300蓝色800紫色1000275046506500深蓝色1500300049006800绿色1850330052007200黄色2100370056007500橙色225040006000红色250043006500二氧化硅颜色厚度对照表二氧化硅颜色厚度对照表半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺SiO2特性CV测试氧化层电荷半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺氧化层电荷测量半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺局部氧化局部氧化半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺隐埋氧化层隐埋氧化层半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺掺杂影响掺杂影响半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺掺杂影响掺杂影响四种可能四种可能半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺掺杂影响掺杂影响半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺掺杂影响掺杂影响半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺掺杂影响掺杂影响半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺多晶硅的氧化半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺未掺杂多晶硅的氧化未掺杂多晶硅的氧化半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺氧化层的缺陷氧化层的缺陷表面缺陷：表面缺陷：斑点、白雾、发花、裂纹斑点、白雾、发花、裂纹体内缺陷：体内缺陷：针孔、氧化层错针孔、氧化层错半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺氧化诱生堆垛层错氧化过程氧化过程产生自填隙硅原子产生自填隙硅原子集中并延伸集中并延伸OSF半导体器件原理与工艺半导体器件原理与工艺
