第1章 集成电路工艺原理

1、2022-6-21集成电路工艺原理集成电路工艺原理复旦大学微电子研究院复旦大学微电子研究院2004.8於伟峰2第一章 工艺概述1.1 器件的发展与工艺的关系1.2 硅外延平面晶体管制造工艺1.3 硅集成电路制造工艺3第一章工艺概述第一章工艺概述 第一章 工艺概述1.1IC的发展与工艺技术的关系v IC的发明是1947年晶体管发明的逻辑性的必然，是固体电子学和数字化技术发展的重要里程碑；v 1947年美国贝尔电话实验室的J.Bardeen和W.Brattain两位科学家发明了半导体锗点接触晶体管；W.Shockley成功地解释了晶体管的工作原理；为此，三者共享了1956年的诺贝尔物理奖；4194

2、7.12,23闻世的第一个点接触晶体管闻世的第一个点接触晶体管51958年年9月月12日日,美国德克萨斯仪器美国德克萨斯仪器公司公司(TI)半导体实验室半导体实验室J.Kilby展示展示第一快集成电路第一快集成电路相移振荡器电路相移振荡器电路基片基片 锗锗 元件数元件数 十几个十几个空气隔离空气隔离, 台面晶体管台面晶体管,T、R、C 间由细导线焊接互连间由细导线焊接互连被命名为被命名为: 固态电路固态电路67v IC IC由这样一个发明原形成长为今天现代经济的由这样一个发明原形成长为今天现代经济的主要支柱产业主要支柱产业, ,成为近半个世纪来发展最快、影响成为近半个世纪来发展最快、影响最深远

3、的技术之一；最深远的技术之一； v 40 40几年来，几年来，ICIC技术经历了持续、迅速和不断创新技术经历了持续、迅速和不断创新的独特的发展道路；的独特的发展道路；一一 1958 1967 1958 1967 ：ICIC发明和基本器件制造技术发明和基本器件制造技术形成的初創时期形成的初創时期 1958 19591958 1959，BellBell实验室等发展了：实验室等发展了： 1 1，硅氧化层的热生长技术（，硅氧化层的热生长技术（Atalla)Atalla) 2 2，pnpn结隔离技术结隔离技术(k.Levovec)(k.Levovec) 3 3，铝薄膜蒸发技术，铝薄膜蒸发技术 19591

4、959年，仙童公司（年，仙童公司（Fairchild Co.) Fairchild Co.) J.HoerniJ.Hoerni 发明了发明了制造晶体管的平面工艺制造晶体管的平面工艺8 同年，仙童公司的R.NoyceR.Noyce 提出了利用平面工艺的微芯片(Microchip)集成电路技术，从而，为集成电路大批量生产开辟了道路。为此,J.KilbyJ.Kilby 和 R.NoyceR.Noyce 被公认为IC的共同发明人。91962年研制成功pmos(仙童)和nmos晶体管(RCA);1963年发明了cmos晶体管(仙童); 这一时期较成熟的产品还是双极型IC，主流产品为中小规模IC； 代表性

5、企业：TI 和 Fairchild Co.10二 1968 1977：半导体器件制造技术走向成熟的大规模IC发展时期 氧化、扩散、外延、和光刻等IC基本工艺和材料制备技术不断完善和改进；围绕提高IC集成度、速度和其他性能，发展了三项新技术： 1，离子注入掺杂 2，多晶硅栅 3，硅局部氧化(LOCOS)适于微型化的自对准MOS IC结构和工艺开始得到应用；MOS IC制造技术趋于成熟，PMOS、NMOS大规模IC相继得到迅速发展；11 工艺技术进步导致产品更新换代，成为今天支柱产品的半导体存储器和微处理器芯片开始发展； 1969年研制成功双极型存储器后，相继出现了适于高容量集成的动态随机存储器（

6、DRAM)； 1968年, R.Noyce R.Noyce 、 G.Moore G.Moore 和和 A.GroveA.Grove 脱离 Fairchild Co. 创立 Intel Co. 在这一时期初露锋芒，并于1971年，研制成功微处理器； 在这时期，生产方式发生重大变化，由实验室作坊式，逐渐转变成高度集中的大生产；121314三三 1978 19871978 1987：大规模集成电路技术急剧发展：大规模集成电路技术急剧发展的时期的时期工艺、材料、设计和测试技术全面进步，促使工艺、材料、设计和测试技术全面进步，促使VLSIVLSI成为半导体器件的主导产品。适应成为半导体器件的主导产品。适

7、应VLSIVLSI要求：要求： 1 1，工艺：，工艺：（1 1）电子束制版电子束制版；（；（2 2）分步重复曝分步重复曝光光刻技术光光刻技术（Stepper) Stepper) 开始广泛应用开始广泛应用 精度显精度显著提高；（著提高；（3 3）磁控溅射磁控溅射代替蒸发代替蒸发 金属膜淀积金属膜淀积手段；（手段；（4 4）CVDCVD和和RIERIE不断创新；不断创新； 2 2，材料：由，材料：由7575发展到发展到100100、125125和和150mm150mm； 3 3，设计和测试：，设计和测试：CADCAD和和CATCAT技术得到普遍使用；技术得到普遍使用；15 DRAM DRAM等半导

8、体存储器的集成度和生产规模越来等半导体存储器的集成度和生产规模越来越大，成为当时市场、技术竞争的标志；越大，成为当时市场、技术竞争的标志； 日本日本NECNEC迅速崛起，占有存储器大部分市场令人迅速崛起，占有存储器大部分市场令人震惊；震惊； PCPC机出现，使微处理器芯片设计和生产技术得到机出现，使微处理器芯片设计和生产技术得到迅速发展，迅速发展，Intel Intel 退出存储器竞争，专攻微处理器；退出存储器竞争，专攻微处理器； 70年代末，80年代初作为主流的NMOS VLSI技术逐步让位于功耗显著减小的CMOS技术 这时期技术发展的特点之一16四四 1988198820072007，IC

9、IC技术和应用都突飞猛进的辉煌发技术和应用都突飞猛进的辉煌发展时期展时期微细加工技术不断突破，进入亚微米、深亚微米领微细加工技术不断突破，进入亚微米、深亚微米领域；整个系统集成在芯片（域；整个系统集成在芯片（SOCSOC）上的超大规模集成）上的超大规模集成电路（电路（SLSISLSI）技术得到迅速发展；）技术得到迅速发展； 1 1，光刻技术的突破，应用深紫外激光光源系统，光刻技术的突破，应用深紫外激光光源系统已能制造已能制造0.250.25、0.150.15甚至甚至0.09m0.09m的深亚微米的深亚微米ICIC； 2 2，多层布线等一系列亚微米、深亚微米器件配，多层布线等一系列亚微米、深亚微

10、米器件配套的技术、设备、材料得到应用。例如，套的技术、设备、材料得到应用。例如，铜布线和Low-K互连技术、High-K栅介质、SOI薄膜CMOS以及异质结结构类型的Si-CMOS技术等；CMOSCMOS成为占压倒优势的成为占压倒优势的ICIC器件，占有率达器件，占有率达75%75%以上以上; ;17 以微处理器、存储器和专用以微处理器、存储器和专用IC (ASIC) IC (ASIC) 为主要为主要产品的半导体产业迅速增大产品的半导体产业迅速增大; ; 微处理器芯片技术的先锋微处理器芯片技术的先锋 Intel Co.Intel Co.跃为世跃为世界第一大半导体公司界第一大半导体公司; ; 年

11、销售额已超年销售额已超15001500亿亿USDUSD，对世界经济发展具有，对世界经济发展具有举足轻重的影响举足轻重的影响; ;1819201.21.2硅外延平面晶体管制造工艺硅外延平面晶体管制造工艺硅外延平面晶体管硅外延平面晶体管管芯结构管芯结构硅外延平面开关管工艺流程图硅外延平面开关管工艺流程图211.3 1.3 硅集成电路制造工艺硅集成电路制造工艺 集成电路工艺与硅外延平面晶体管工艺的不同点集成电路工艺与硅外延平面晶体管工艺的不同点 1 1，同一芯片上各元件之间必须相互隔离（电绝缘），同一芯片上各元件之间必须相互隔离（电绝缘） 2 2，必须解决晶体管集电极从表面引出，必须解决晶体管集电极

12、从表面引出 （1 1）隔离：）隔离：pnpn结隔离和介质隔离结隔离和介质隔离22（2 2）隐埋层）隐埋层23 双极型集成电路的制造步骤双极型集成电路的制造步骤24 双极型集成电路的制造步骤双极型集成电路的制造步骤25MOSMOS晶体管制造步骤晶体管制造步骤26NMOSNMOS硅栅硅栅ICIC制造工艺制造工艺27CMOS电路的各种阱工艺28BiCMOS结构 电路的不同部分可选电路的不同部分可选CMOSCMOS或双极，以得最佳设计或双极，以得最佳设计29第二章 半导体硅衬底 2.1 相平衡和相图 2.2 半导体硅材料的基本特征 2.3 硅晶体中的缺陷 2.4 半导体硅材料的制备30v 半导体材料可

13、分为两类： 一类是锗、硅为代表的元素半导体；另一类是各种化合物半导体，其中包括金属氧化物、硫化物、卤化物，砷化镓、锑化铟等金属间化合物以及有机半导体等。第二章 半导体硅衬底31v 半导体硅材料的优点： 禁带宽度为1.12ev，硅器件工作温度可达200； 硅表面容易形成结构高度稳定的SiO2钝化层，使得能够在复杂图形中的指定区域进行掺杂，从而在硅片上制造出各种结构； 硅材料临界切应力临界切应力较大，一旦达到无位错状态后，在生长过程中不容易出现位错，因此是少数能得到无位错单晶的材料之一； 在自然界中蕴藏最丰富的元素之一，约占地壳重量的25； 无毒；32v Si性能欠缺的地方 电子迁移率不如GaAs

14、高，在减少寄生效应和改善频率响应方面不如GaAs； 非直接带隙能带结构，不能直接用于制造光电器件；332.1 相平衡和相图v 在半导体材料和器件制备的工艺过程中，经常会遇到物质在不同相之间的平衡和相互转变的问题： 例如：从熔体中生长晶体，涉及物质由液态变成固态的相变； 扩散、掺杂,杂质在固溶体中的溶解行为； 合金化时，合金的熔化或凝固等； v 因此，在设计工艺参数时，研究材料的组成、物相平衡随外界条件变化的规律等，对确定半导体材料制备和加工的最佳工艺条件、控制材料的性质具有重要的意义。341 相：在由几种元素(称为组元)组成的材料体系中，具有相同物理性质和化学组成的那些部分统称为一个“相相”，

15、其数目用符号表示。v 在相与相之间有明显的界面，在界面上，它们的宏观性质发生突变；则， 由于任何气体气体都能混合均匀，故体系内不论有多少种气体均为一相； 均匀的液体液体也是一相，但若两种液体只能有限溶解，则可能形成两相或多相； 对于固体固体，一般是一种固体就是一相；但对组成相同而晶体结构不同的同素异形体，因不同构型间性质差异较大，故一种构型就是一相（如Cu-Zn合金）；但当几种固体相互完全溶解形成固溶体时，则是一相（如掺硼的单晶等）；一一 相、组元、自由度的概念相、组元、自由度的概念ZnZn原子的百分比低于原子的百分比低于38%38%时是具有面时是具有面心立方结构的固相心立方结构的固相(相相)

16、;);当所含当所含ZnZn原子的百分比在原子的百分比在50%50%左右时左右时, ,则是具则是具有体心立方结构的固相有体心立方结构的固相(相相););而当而当ZnZn原子百分比在以上两者之间时原子百分比在以上两者之间时, , 相和相和相共存相共存; ;这表明材料的组成这表明材料的组成可以决定材料系统的相结构；可以决定材料系统的相结构；35v 相变和相平衡相变和相平衡：在一个热力学体系内，当不同相之间的物质相互接触时，若发生物质从一相迁至另一相的过程，称为相变；当宏观上物质的迁移停止时，称为相平衡。v 除了组成以外,温度也是决定相结构和相变的一个重要因素，例如，Ge-Siv 把在相平衡条件下系统

17、的状态与组成、温度、压力之间的关系绘成状态图，这种图即称为相图相图。 从相图上可以更直观地了解在某一温度、压力条件下,系统处于相平衡时可能存在的相、各相的组成、各相量间的关系以及条件发生变化时相变的方向和限度等等； 原子比为原子比为5050的半导体合金，的半导体合金，在在11151115以下时为固相，在以下时为固相，在12701270以上时为液相，两者之以上时为液相，两者之间时则为固相、液相共存；间时则为固相、液相共存；362 组元：v 任何一个体系，总会包括一些不同的元素或化合物(组元)，这些元素或化合物的数目称作原始物质数原始物质数；v 组元数组元数是能将体系中所有各相组成都表示出来所需要

18、的最少原始物质数最少原始物质数。组元数亦称组分数。常用符号“K”K”表示；v 组元数与原始物质数是不同的；组元数与原始物质数是不同的；体系中有几种物质，原始物质数就是几，而组元数却不一定；37 若各物质间无任何化学反应，则组元数等于原始物则组元数等于原始物质数为质数为3 3；14GaAsGaAs 但Ga和As可发生反应 则知其中两种物质含量，第三种可根据平衡常数求得，则组元数为则组元数为2 2； 若体系中某一相原始物质组成(浓度)间还存在一定的限制条件时，如 Ga ：As = 1 ：1/4，则只需知其中一种的量，就可确定另外两种的量，故该体系中的组元数为组元数为1 1；例如，由Ga、As和Ga

19、As组成的体系，其原始物质数为3,38 组元数组元数 = = 原始物质数原始物质数 - - 独立的化学反应数独立的化学反应数 - - 浓度限制条件浓度限制条件 对独立的化学反应的解释：对独立的化学反应的解释： 例 CO + H2O = CO2+H2 CO + (1/2)O2 = CO2 H2 + (1/2)O2 = H2O此三个反应式中3式=2式-1式只有两个是独立的； 浓度限制条件：浓度限制条件： 只在同一相中方能应用只在同一相中方能应用，如 CaCO3 = CaO+CO2 其中CaO是固相， CO2是气相，由于没有公式将它们联系起来，故没有浓度限制条件。393 3 自由度自由度(F)(F)

20、：又称独立变量，：又称独立变量，可以独立改变但仍能可以独立改变但仍能维持系统原有相数（不是相的含量）的变量维持系统原有相数（不是相的含量）的变量。这些。这些变量通常取温度、压力、组元浓度等。变量通常取温度、压力、组元浓度等。例如：例如： 单组元液态水体系，自由度为单组元液态水体系，自由度为2 2（压力和温度）（压力和温度） 双变体系双变体系； 水和水蒸气平衡体系，压力和温度间存在克拉珀龙关系式，水和水蒸气平衡体系，压力和温度间存在克拉珀龙关系式，自由度为自由度为1 1（压力确定了，温度也确定）（压力确定了，温度也确定） 单变体系单变体系； 冰、水、气三相共存只在确定条件下（冰、水、气三相共存只

21、在确定条件下（273.16K, 610.62Pa)273.16K, 610.62Pa)存在，存在，P P、T T稍一变，一相就消失，自由度为稍一变，一相就消失，自由度为0 0 零变体系零变体系；v 对于任意组成的二元体系，要确定其状态，除温度和压力外，对于任意组成的二元体系，要确定其状态，除温度和压力外，还要知道两个组元的相对含量还要知道两个组元的相对含量( (即浓度多少即浓度多少) )，所以，所以，二元系比二元系比单元系多一个变数，即多一个自由度；单元系多一个变数，即多一个自由度；40v 对于多种物质、多相系统来说，凭经验确对于多种物质、多相系统来说，凭经验确定自由度数较困难，需要公式的指引

22、，这就定自由度数较困难，需要公式的指引，这就是相律；是相律；v 相律相律定义：一个多组元复相平衡体系中，独定义：一个多组元复相平衡体系中，独立组元数、相数与描述该体系的自由度数之间立组元数、相数与描述该体系的自由度数之间的关系；的关系； 自由度数：自由度数： F = F = K-+2K-+2式中，式中，K K为独立组元数，为独立组元数， 为相数；为相数；二二 相律相律41 相律只适用于相平衡系统。 f=K-+2中的2表示整体的温度、压力相同，对此条件不符的系统则需补充。 f=K-+2中的2只考虑了温度、压力对系统的影响，但当需考虑其它因素的影响（如电场、磁场、重力场）时，还应考虑造成这些影响的

23、其它外界因素的数目。 对没有气相存在的凝聚体系来说，压力对相平衡的影响很小。故f=K-+1 相律可以告知相平衡系统中有几个独立变量，其它变量是它们的函数，但不能告知函数的具体形式。v 有关相律的几点说明42三 单元系相图v 单元系：只有一个独立组元的体系；因为体系的K1，故相律的表现形式为： F = 3 相数 自由度F 1时 F=2 2时 F=1 3时 F=0 体系最多共存相数为3，最多自由度为2，用两个独立变数(如温度和压力)就可以完全决定体系的状态；43v 纯金属的相图 图中BO为固态锌与锌蒸气的平衡曲线 (升华曲线) ；OA 为液体锌和锌蒸气的平衡曲线 (蒸发曲线)；OC 是固态锌和液体

24、锌的平衡曲线(熔化曲线)； 三条线交于O点，在该点锌的气液固三相共存，故O点称为三相点；44 三条曲线将相图划分为固态锌，液态锌和气态锌三个区域。在各区域内，体系是单相。 图中虚线 0A是OA的延长线，代表过冷的液态锌饱和蒸气压与温度的关系；虚线 OB是OB的延长线，代表过热的固态锌饱和蒸气压与温度的关系，它们都是介稳的平衡线。v 即在一定的压力和温度下，任何物质的两相达到平衡时，若体系温度(或压力)改变dT(或dp),则相应压力(或温度)改变为dp(或dT)以后两相又达到平衡；45四 几种典型的二元二相系相图 根据组元在液态和固态时相互溶解的情况，二组元固液凝聚体系的相图分为：(1)低共熔混

25、合物 (2)完全互溶共熔体 (3)部分互溶共溶体 (4)生成化合物;1 低共熔混合物相图 该类体系的特点是，两个组元在液态时能以任何比例相互溶解形成均匀的一相，但在固态时却完全不互溶，只能析出纯组元晶体或两者的机械混合物。46根据步冷曲线的转折点绘制的根据步冷曲线的转折点绘制的Au-SiAu-Si相图相图v Au-Si系统的相图 曲线曲线a a是纯金的步冷曲线，是纯金的步冷曲线，aAaA 段相当于金熔体的冷却过程，到段相当于金熔体的冷却过程，到了了10631063，开始析出固体金，这，开始析出固体金，这时将有熔化潜热放出，此热量抵时将有熔化潜热放出，此热量抵消了体系热的散失，因而在曲线消了体系

26、热的散失，因而在曲线中出现了水平曲线段中出现了水平曲线段AA,AA,至金至金全部凝固后，温度才继续下降；全部凝固后，温度才继续下降； 纯硅的步冷曲线纯硅的步冷曲线e e与与纯纯金相似，只是在其熔点金相似，只是在其熔点14171417时出现水平段；时出现水平段； 对于组成为（对于组成为（8585原子原子AuAu）和（）和（1515原子原子SiSi）的合金样品，熔融冷却时先沿）的合金样品，熔融冷却时先沿bcbc线变化，线变化，当冷却到当冷却到c c点时，组元金达到饱和，从熔体点时，组元金达到饱和，从熔体中析出纯金晶体并放出凝固热，这使体系的中析出纯金晶体并放出凝固热，这使体系的冷却速度变慢，步冷曲

27、线的坡度变缓，出现冷却速度变慢，步冷曲线的坡度变缓，出现了转折点了转折点c c；但；但AuAu的析出会使熔体中的析出会使熔体中SiSi的浓的浓度增大，导致体系的凝固点继续降低，直到度增大，导致体系的凝固点继续降低，直到温度降到温度降到370370时，熔体对时，熔体对SiSi也达到了饱和，也达到了饱和，此时由熔体中同时析出此时由熔体中同时析出AuAu和和SiSi，二者同时放，二者同时放出凝固热，使步冷曲线出现了水平线段出凝固热，使步冷曲线出现了水平线段DDDD，在在370370以下体系完全凝固；以下体系完全凝固；47v 由由Au-SiAu-Si体系的步冷曲线图可见：体系的步冷曲线图可见： 曲线a

28、是纯金的步冷曲线，aA 段相当于金熔体的冷却过程，到了1063，开始析出固体金，这时将有熔化潜热放出，此热量抵消了体系热的散失，因而在曲线中出现了水平曲线段AA,至金全部凝固后，温度才继续下降； 纯硅的步冷曲线e与纯金相似，只是在其熔点1417时出现水平段； 对于组成为（85原子Au）和（15原子Si）的合金样品，熔融冷却时先沿bc线变化，当冷却到c点时，组元金达到饱和，从熔体中析出纯金晶体并放出凝固热，这使体系的冷却速度变慢，步冷曲线的坡度变缓，出现了转折点c；但Au的析出会使熔体中Si的浓度增大，导致体系的凝固点继续降低，直到温度降到370时，熔体对Si也达到了饱和，此时由熔体中同时析出A

29、u和Si，二者同时放出凝固热，使步冷曲线出现了水平线段DD，在370以下体系完全凝固；48根据步冷曲线的转折点绘制的根据步冷曲线的转折点绘制的Au-SiAu-Si相图相图 图中图中AEAE为固态为固态AuAu与熔体平衡与熔体平衡时，熔体的组成与温度关系曲时，熔体的组成与温度关系曲线，线，称为液相线称为液相线。它反映。它反映AuAu在在SiSi中的溶解度情况；中的溶解度情况； 在在E E点点AuAu、SiSi同时由熔同时由熔体析出，熔体全转变为体析出，熔体全转变为固态，故将它固态，故将它称为低共称为低共晶点或低共熔点晶点或低共熔点 。AEHAEH线以上为线以上为液相区液相区；ABEABE为为Au

30、Au与熔体与熔体两相共存两相共存区区；HEMHEM为为SiSi与熔体与熔体两相共两相共存区存区。在在E E点的等温线点的等温线BEMBEM以下，以下，只存在只存在AuAu和和SiSi固体，所以固体，所以BEMBEM线叫固相线线叫固相线。AB,HMAB,HM也也分别是纯金和纯硅的分别是纯金和纯硅的固相固相线线。 EH EH是固态是固态SiSi与熔与熔体平衡的体平衡的液相线液相线。v根据上述实验曲线，在以温度浓度为坐标轴的图上根据上述实验曲线，在以温度浓度为坐标轴的图上把性质相同的点用曲线连接起来，就得到把性质相同的点用曲线连接起来，就得到Au-SiAu-Si相图；相图；49 图中图中AEAE为固

31、态为固态AuAu与熔体平衡时，熔体的组成与温度关系曲线，与熔体平衡时，熔体的组成与温度关系曲线，称为液相线称为液相线。它反映。它反映AuAu在在SiSi中的溶解度情况；中的溶解度情况； EHEH是固态是固态SiSi与熔体平衡的与熔体平衡的液相线液相线。 在在E E点点AuAu、SiSi同时由熔体析出，熔体全转变为固态，故将它同时由熔体析出，熔体全转变为固态，故将它称为低共晶点或低共熔点称为低共晶点或低共熔点 。 在在E E点的等温线点的等温线BEMBEM以下，只存在以下，只存在AuAu和和SiSi固体，所以固体，所以BEMBEM线叫线叫固相线固相线。AB,HMAB,HM也分别是纯金和纯硅的也分

32、别是纯金和纯硅的固相线固相线。 图中图中AEHAEH线以上为线以上为液相区液相区； 图中图中ABEABE为为AuAu与熔体与熔体两相共存区两相共存区；HEMHEM为为SiSi与熔体与熔体两相共存区两相共存区。v 根据上述实验曲线，在以温度浓度为坐标轴的根据上述实验曲线，在以温度浓度为坐标轴的图上把性质相同的点用曲线连接起来，就得到图上把性质相同的点用曲线连接起来，就得到Au-SiAu-Si相图；相图；50v 图中为一具有低共熔类型的二组元相图。 组成为1的合金，在高温下位于液相区E处，此时为液相；将它冷却，其状态点将由E移向E。在E点以上，合金仍为液相，到E后开始析出A和B共晶体。直至液相全部

33、凝 固后，温度才继续沿ES下降，而合金仍保持共晶结构不变； 组成为2的合金，当它冷却至Q点之前合金也是液相。冷却至Q点后，开始由液相析出晶体B，此时为B与熔体二相共存；由于B的析出，使熔体中B含量减少，而A含量则相对增加。因此，当温度下降，B继续析出时，液相中的组分将沿着液相线QE移动；51 如体系的总重量为W，P点B组分的重量分数为X，在H点时，平衡的固液两相分别为W1和W2，液相J中B的重量分数为X1，固相K中B的重量分数为1;则， W = W1 + W2 (1) XW = X1W2 + 1W1 (2)(1)式代入(2)式，整理后得 W W1 1 HK = WHK = W2 2 JHJH

34、(3) 若温度再下降，B将继续析出，熔体组成也由J逐步向E转变，温度达T时，如只有B与熔体E相平衡，则 ETTG固 相 量液 相 量杠杆定理杠杆定理v 当温度降至H时，熔体和固体的组分可由杠杆定理解得：522 形成连续固溶体的相图v 当两种金属晶体结构相似，原子半径相近时，它们形成的合金无论在液态或固态，组元之间都能以任何比例相互溶解，形成均匀的单相，这种体系叫形成连续固溶体体系； Ge-Si和Au-Ag之间属于这类体系； 以后冷却，温度仍为T，但A、B将同时析出，并与熔体E共存，直至整个液相E完全凝固后，温度才会继续降低；53GeGeSiSi相图相图54 Ge-Si相图中有两条实线，上面一条

35、是液相线，它是组成不同的熔体开始析出晶体时的温度连线；下面的一条是固相线，它是从组成不同的熔体中结晶终了时温度的连线；两条线在Ge和Si的熔点处相接；在液相线上方为液相区；固相线下方为固相区；固、液相线包围的区域则是固液两相平衡共存区； 从相图中可以很容易地定出熔化物的组成； 例：设有一例：设有一GeGe和和SiSi原子浓度相等原子浓度相等的固态混合物，将它从室的固态混合物，将它从室温开始加热，该材料将在温开始加热，该材料将在11081108时熔化，假定加热过程足够时熔化，假定加热过程足够慢，过程中系统总处在热力学平衡状态。慢，过程中系统总处在热力学平衡状态。处在两实线之间区处在两实线之间区域

36、的熔化物成份浓度可由液相线与温度线交点处的组分定出；域的熔化物成份浓度可由液相线与温度线交点处的组分定出；固体成份浓度则可由图中固相线与温度线交点处的浓度读出。固体成份浓度则可由图中固相线与温度线交点处的浓度读出。液相线液相线液相区液相区固相线固相线固相区固相区固固- -液两相平液两相平衡区衡区55 如在1150时，熔化物的组成以原子百分比计，Si占22；固体的组成为Si占原子百分比58。 随着温度继续升高时，熔化物的成份浓度逐渐回归初始值（Ge、Si各占50），其完全熔化出现在1272左右。例：试计算上述混合物在1150时，熔化掉的材料占多大比例？设X是所求的熔化物所占的比例，则1X即固体所

37、占的比例； 0.5 = 0.22X + 0.58(1 X) 0.36X = 0.08 X = 0.22 则，原始材料的22已熔化掉，而78仍为固体 任一时刻固液混合物中熔化掉的比例可由上述数据推算：563 形成部分互溶固溶体相图形成部分互溶固溶体相图形成部分互溶固溶体相图v 这种体系的特征是：两组元在液相时可以无限溶解，但在固态时却只能部分溶解；液相线液相线GEGE、HEHE固相线固相线GFEPHGFEPH溶解度曲线溶解度曲线57v 图中A、B两组元形成了和两种固溶体，其中固溶体是A组元中溶有少量的B； 固溶体是B组元中溶有少量的A；v 设有一合金设有一合金A A1 1由由M M1 1点开始冷

38、却，点开始冷却，冷至冷至T T1 1(L(L1 1点）时点）时开始析出开始析出 固溶体，其固相组成为固溶体，其固相组成为S S1 1，熔体组成为，熔体组成为L L1 1；继续冷却，继续冷却， 固溶体将不断析出，熔体组成沿固溶体将不断析出，熔体组成沿L L1 1LL3 3变化，固相组成沿变化，固相组成沿S S1 1SS3 3变化；变化；当温度达到当温度达到T T3 3时，时，熔体消失并全部变成组成为熔体消失并全部变成组成为S S3 3的的 固溶体固溶体; ;继续降温继续降温至至T T4 4，此时此时 固溶体中固溶体中 固溶体达到饱和，将由固溶体达到饱和，将由 固固溶体中析出组成为溶体中析出组成为

39、g g的的 固溶体，固溶体，以后冷却时以后冷却时 和和 固固溶体的组成沿溶体的组成沿S S4 4C C和和gDgD线变化；线变化；58v 如合金的组成为如合金的组成为A A2 2，它由，它由M M2 2冷却，冷却，当温度达到当温度达到T T2 2时，时，开始析出开始析出 固溶体，其组成为固溶体，其组成为S S2 2，与，与L L2 2液相相平衡；液相相平衡；继续冷却时，继续冷却时，固溶体固溶体 不断析出，其组成沿不断析出，其组成沿S S2 2F F变化，变化，液相组成则沿液相组成则沿L L2 2E E变化；变化；到低共晶点到低共晶点E E时，时，同时析出同时析出 和和 低共晶混合物，其组成分别

40、为低共晶混合物，其组成分别为F F和和P P；继续降温时，继续降温时， 、 固溶体的组成沿固溶体的组成沿FCFC和和PDPD线变化；线变化；59Al-SiAl-Si相图相图 在在AlAl端和端和SiSi端都有一端都有一个小的固溶体区；个小的固溶体区； 在在SiSi原子原子11.311.3，AlAl原子原子88.788.7处有一低共处有一低共晶点，低共晶点温度为晶点，低共晶点温度为577577；v 工艺过程中，工艺过程中，AlAl的合金的合金化温度必须低于化温度必须低于577577，这，这时时Al-SiAl-Si之间仍为固相，但之间仍为固相，但在界面处它们之间会相互在界面处它们之间会相互扩散；扩

41、散；60v 由相图左部放大区可以看出，大约在235以上Si就以一定比例溶于Al中，形成很薄的Al-Si合金(固相合金)；所以通常合金温通常合金温度选择在度选择在500500570570，恒，恒温加热温加热10101515分钟分钟即能使Al-Si间形成良好的欧姆接触，而且Al膜表面形态较好，有利于后工序的热压或超声键合引线；61v 合金法能获得良好的欧姆接触，也是制备PN结的基本工艺之一； 在N型Si上淀积一层Al膜，在真空下加热，577时，则在Al-Si界面出现低共熔体，其组成为11.3%Si 原子和88.7%Al原子； 随着时间增加，熔区逐渐增大，最后整个Al膜都变成Al-Si熔体； 温度再

42、升高时，Si的溶解度沿相图中的AD液相线变化，其溶解度还会进一步增大；如合金温度为 700，则Si 的溶解要使熔体组成达到E点时才能停止；622.2 半导体硅材料的基本特征一 硅晶体结构的特点v 硅晶体具有金刚石晶格的晶体结构；它可以看成由两个面心立方体格子沿对角线移位四分之一长度套合而成；硅的晶格常数 a5.4305硅的晶体结构硅的晶体结构63v Si是族元素，每个原子最外层轨道有四个价电子，在形成晶体时，可以同四个近邻原子共有电子对，形成四个共价键；四面体结构示意图四面体结构示意图64二 晶向与晶面v 任何一种晶体，其晶格中的原子总可以被看作处在一系列方向相同的平行直线上，这种直线系称为晶

43、列；v晶向：表示一族晶列所指的方向； 立方晶系中的晶向立方晶系中的晶向 Si晶体内部存在相当大的空隙，空间利用率只有34；一些间隙杂质能很容易地在晶体内运动并存在于体内；而且对替位杂质的扩散运动也提供了足够的条件； 键之间的夹角为 10928；34a 最小原子间距为 ；65v 晶格中的所有原子也可以看作是处于一系列彼此平行的平面系上，这种平面系称为晶面；v 晶面上的原子排列情况常用相邻的两个平行晶面在矢量X，Y，Z上的截距来标记；由晶面指数（或密勒指数）表示，记作（h1，h2，h3）；立方晶系的几种主要晶面立方晶系的几种主要晶面66硅晶体的各种不同晶面的特性表硅晶体的各种不同晶面的特性表67v

44、 硅(100)、(110)、(111)面各自特性主要不同点面间距大的晶族容易劈裂开，(111)面有最大的面间距，所以(111)面是解离面；由于(111)面双层密排，面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，所以腐蚀后容易暴露在表面上；(111)晶面的位错腐蚀坑呈正三角形(正四面体形)；热生长SiO2时Si的氧化速率按(111)(110)(100)的顺序递减；Si与其他金属共熔时，沿(111)面熔解最慢，所以用合金法制作PN结时，(111)晶面较易控制得到平整的结面；68(5)由于(111)双层密排面之间距离最大，结合较弱，则晶格缺陷容易在这里形成和扩展；(6)杂质和外来原子在Si晶体中的扩散速率、

45、电子的表面迁移率也都与晶面有关；(7)在热氧化形成Si-SiO2系统的界面上，不同晶面的界面态密度不同，一般(111)(110)(100);692.3 硅晶体中的缺陷v 硅晶体中主要有以下几种缺陷：(1)点缺陷，(2)线缺陷，(3)面缺陷和(4)体缺陷等四种一 点缺陷 点缺陷主要包括间隙原子，空位，肖特基缺陷，弗兰克尔缺陷以及外来原子等几种；1 间隙原子：存在于晶格间隙中的Si原子；2 空位：当晶格上的Si原子进入间隙形成间隙原子的同时，在它们原来晶格的位置上就无原子占据，形成空位；如果一个正常晶格位置上的原子跑到表面，在体内产生一个晶格空位，这种缺陷称为肖特基缺陷；如果一个晶格原子进入间隙并

46、产生一个空位，间隙原子和空位是同时产生的这种缺陷称为弗兰克尔缺陷；70简单晶格中点缺陷的位置和类型简单晶格中点缺陷的位置和类型7172点缺陷迁移过程示意图点缺陷迁移过程示意图间隙间隙间隙间隙迁移机构迁移机构间隙格点间隙间隙格点间隙迁移迁移空位格空位格点交换迁点交换迁移移间隙原子空间隙原子空位复合机构位复合机构73空位密度与温度的关系：/vEKTvvnN e式中Nv为单位体积内的格点数目，Ev为形成一个空位所需要的激活能； 晶体中的空位起受主作用；3 外来原子：在晶体生长、加工和器件制造过程中，不可避免要沾污一些杂质，一般称为外来原子；这些杂质可以占据正常格点，也可存在于间隙之中，它的存在破坏了

47、晶格的完整性，引起点阵的畸变；74F 线缺陷bv 滑移量的大小和方向可用滑移矢量 来描述；v 当位错线与滑移矢量垂直时，这样的位错称为刃刃位错位错；如果位错线与滑移矢量平行，这样的位错称为螺位错螺位错；v 晶体中线缺陷最常见的是位错，位错的存在将会产生应力，使其附近的原子排列偏离了严格的周期性，相对位置发生错乱；位错一般可分为刃位错和刃位错和螺位错。螺位错。v 晶体中的位错可以设想是由晶体中的晶面滑移所形成的，滑移以后两部分晶体重新吻合。滑移的晶面中，在滑移部分和未滑移部分的交界处形成位错；751 1 刃位错如同把半个额外晶面挤到规则晶体中的晶面之间，图中的ABCD表示挤入的半个晶面，畸变区集

48、中在位错线AD周围； 沿位错线多挤入的一行原子，各具有一个未成键的电子悬挂键；刃刃 位位 错错76位错线在应力作用下可以在滑移面上沿滑移方向运动；刃位错的滑移和滑移面痕迹刃位错的滑移和滑移面痕迹刃位错的攀移运动刃位错的攀移运动 位错攀移运动位错攀移运动:晶体中晶体中的空位或间隙原子依靠的空位或间隙原子依靠热运动可移到位错处热运动可移到位错处,使使额外半平面边界的原子额外半平面边界的原子增加或减少增加或减少,引起半平面引起半平面扩展或收缩扩展或收缩;772 螺位错的特点是位错线和滑移方向平行；螺螺 位错位错 螺位错的产生：设想把螺位错的产生：设想把晶体沿晶体沿ABCDABCD面切开，并使面切开，

49、并使两边的晶体前后相对滑移两边的晶体前后相对滑移一个原子间距，然后粘合一个原子间距，然后粘合起来。这样在起来。这样在ADAD线附近的线附近的局部区域内的原子排列位局部区域内的原子排列位置就会发生错乱，形成所置就会发生错乱，形成所谓的螺位错缺陷；谓的螺位错缺陷；78三 面缺陷 密堆积的晶体结构中，由于堆积次序发生错乱形成堆垛层错，简称层错； 层错是一种区域性的缺陷，只是在两部分交界面处的原子排列才发生错乱，所以是一种面缺陷；四 体缺陷 体缺陷是指在三维空间原子排列不规则晶体中的沉积物；79v 硅片制备的基本工艺步序 晶体生长晶体生长整形整形定向、切片定向、切片磨片、倒角磨片、倒角腐蚀腐蚀抛光抛光

50、清洗清洗检验检验包装、储存包装、储存2.4 半导体硅材料的制备80一 硅单晶的拉制过程 v引晶引晶缩颈缩颈放肩放肩等径生长等径生长收尾收尾81Step 3: Making the IngotA pure silicon seed crystal is now placed into the molten sand bath. This crystal will be pulled out slowly as it is rotated. The result is a pure silicon tube that is called an ingot821 引晶和缩颈： “引晶”又称“下种”；

51、 “缩颈”又称“收颈”排除接触不良引起的多晶和 消除籽晶内原有位错的延伸；2 放肩：缩颈后，让晶体逐渐长大到所需要的直径为止，这一过程称为“放肩”；3 等径生长：收肩后保持晶体直径不变，等径生长的晶体就是生产上的成品；4 收尾：随着晶体的生长，坩埚中的熔硅将不断减少，熔硅中杂质含量相对提高，为了保证晶体纵向电阻率的均匀性，一般采取稍升温，降拉速，使晶体直径逐渐变小，此过程即称收尾；83F 圆片的制备和规格1 整形加工 整形包括单晶锭磨圆、磨基准面等工序 磨基准面：沿晶锭整个长度上磨出平边，以指示晶向和掺杂类型；其中长平边还可用于光刻自动机械定位的参考面；短平边主要用作识别Si片晶向和导电类型；

52、Flat grindDiameter grindPreparing crystal ingot for grinding 磨圆：对晶锭进行机械修整至合适直径；84 磨平边后，晶锭浸入化学腐蚀液中以去除机械研磨造成的损伤；Different flats for orientationEach of the wafers is given either a notch or a flat edge This will be used in orienting the wafer into the exact position for later procedures.85半导体圆片的标准定位平边半

53、导体圆片的标准定位平边862 切片：将经过整形处理的具有规范直径和参考面的圆柱形晶体，切割成一定厚度的Si圆片； 该工序决定或基本决定了Si片的四个重要参数，即晶向、厚度、平行度和翘曲度；Step 4: Preparing the WafersThe ingot is ground into the correct diameter for the wafers. Then it is sliced into very thin wafers. This is usually done with a diamond saw.873 倒角：用具有特定形状的砂轮磨去Si片边缘锋利的棱角、崩边和裂纹

54、等；884 磨片：去除表面的切刀刀痕；使表面加工损伤均匀一致，以使得在以后的化学腐蚀过程中表面腐蚀速度均匀一致；调节Si片厚度，使片与片之间厚度差缩小；使同一片Si片上各处厚度均匀；提高表面平整度和平行度；Wafer Lapping Machine895 硅片腐蚀：完全去除表面在机械加工过程中产生的加工损伤层；3906 抛光：获得洁净、无加工损伤、平整（镜面光滑）的硅片表面；Wafer polishingNext, the wafers are polished in a series of combination chemical and mechanical polish processe

55、s called CMPThe wafers are held in a hard ceramic chuck using either wax bond or vacuum and buffed with a slurry of silica powder, RO/DI waterand sodium hydroxide91Wafer Polishing927 清洗、包装和存储；Wafer CleaningMost wafer manufacturers use a 3-step process which starts with an SC1 solution (ammonia, hydr

56、ogen peroxide and RO/DI water) to remove organic impurities and particles from the wafer surface.Next, natural oxides and metal impurities are removed with hydrofluoric acid.Finally, the SC2 solution, (hydrochloric acidand hydrogen peroxide), causes super clean new natural oxides to grow on the surf

57、ace.93Some wafers in storage trays9495第三章 热氧化Thermal Oxidation3.1 引言3.2 SiO2的结构, 性质及应用3.3 SiO2在集成电路制造中的应用3.4 SiO2的制备及原理3.5 热氧化方法3.6 LSI及VLSI中的氧化技术3.7 Si/SiO2界面特性3.8 二氧化硅质量测量方法963.1 3.1 引 言v 1957年发现B、P、As、S等元素在SiO2中的扩散速度远低于在Si中的扩散速度；v 1960年前后SiO2膜被用作选择扩散的掩蔽膜导致平面工艺诞生，从而半导体制造技术进入一个崭新的阶段；v SiO2膜制备方法很多，其

58、中以高温热氧化应用最为广泛。973.2 SiO2的结构, 性质及应用 一 SiO2的结构1.按结构特点分为 结晶型 (Crystallized):石英，水晶等;非晶型（无定型amorphous）;2.由SiO四面体组成Si-O 四面体( tetrahedron) 四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子；98v 相邻的四面体通过氧原子相互连接，不存在共同的边和面；v 结晶型SiO2结构中，SiO四面体周期有序地建立起三维网络状的整体结构硅氧桥结构硅氧桥结构,该氧原子称为桥联氧桥联氧; v 无定形SiO2网络的主要特点是结构的无序性，使网络中形成一些无规则的空洞；SiOSi99OSiO bond

59、本征无定形本征无定形SiOSiO2 2网络结构示意图网络结构示意图桥联氧桥联氧非桥联氧非桥联氧100网络形成者网络形成者B、P、Al等正离子，它们的离子半径与Si原子的半径相仿或更小，在网络结构中能替代Si原子的位置。3. SiO2网络中的杂质 有两种类型： 网络形成者(Net work formers) 网络改变者(Net work modifers) 由于价数不同，替位后其配位数将发生变化：硼的硼的配位数由配位数由3 3变为变为4 4，使网络中的非桥联氧原子浓度减小，增强了膜的强度；磷的磷的配位数由配位数由5 5变为变为4 4，造成非桥联氧原子浓度增大，网络强度变小；101 网络改变者网络

60、改变者Na、K、Pb等正离子，由于具有较大的离子半径，在网络中不能替代Si原子的位置，只能以氧化物的形式占据网络中的间隙空洞，氧化物扩散入SiO2后，将被电离并把氧离子交给网络，使网络产生更多的非桥联氧离子，导致非桥联氧原子浓度的增大，形成更多的孔洞，使结构强度减弱；SiOSiO2 2SiSi102热氧化生长的SiO2是无定型的;熔点：不固定，软化温度为1500;热膨胀系数小：2103/度；密度：2.02.3g/cm3；折射率: n = 1.431.47；电阻率: = 107108 cm(热分解） 10151016 cm（热氧化）;1.SiO2的物理性质二. SiO2薄膜的性质103介电强度可