半导体工艺原理--复习总结(贵州大学)

1、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

2、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710o(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（electrically active） 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、

3、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

4、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 不易氧化 易氧化而使光刻胶膜变薄

5、成本高 成本低 图形边缘整齐、陡直，无溶胀现象 易吸收显影液而溶涨 分辨率更高 去胶较容易 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 Wafer Clean。2、预烘和底胶涂覆 Pre-bake and Primer Vapor3、光刻胶涂覆 Photoresist Coating4、前烘 Soft Bake5、对准 Alignment6、曝光 Exposure7、后烘 Post Exposure Bake8、显影 Development9、坚膜 Hard Bake10、图形检测 Pattern Inspection化学气相淀积CVD模型 化学气相

6、淀积(Chemical Vapor Deposition, 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1.1 CVD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；（

7、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2 CVD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,） 2.3 APCVD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

8、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Batch processing：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

9、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（Physical vapor deposition，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、

10、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

11、为106-107V/cm干氧氧化(掺氯氧化)；湿氧氧化；水汽氧化(氢氧合成氧化)；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：氧化层结构致密，氧化速度慢；均匀、重复性好；SiO2 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：氧化层结构疏松

12、，质量不如干氧好，水汽氧化速度快 ；均匀、重复性差。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：掺氯氧化可吸收、提

13、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。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。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。可提高氧化速度，氯起催化剂的作用。氧化过程：氧化剂(氧气或水汽)从气相内部输运到氧化层表面。扩散穿过已经生成的氧化层，抵达SiO2-Si界面；在界面处与硅发生氧化反应；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

14、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