超大规模集成电路技术基础5-6课件

黄君凯教授5.2干法刻蚀（等离子体辅助刻蚀）5.2.1等离子体原理等离子体：一种部分或全部离子化的气体，其中含有等量正负性电荷，以及不同数量的未离化分子。有效离化率：等离子体中的电子密度与分子密度之比。5.2.2等离子体辅助刻蚀机制（1）刻蚀步骤（五个基本步骤）生成刻蚀微粒扩散至反应表面吸附物理或化学反应可挥发化合物排出图5-4干法刻蚀机制黄君凯教授5.2干法刻蚀（等离子体辅助刻蚀）5.2.黄君凯教授（2）刻蚀方式溅射刻蚀（物理刻蚀）：接受等离子体中正性离子高速轰击的电极上放置准备刻蚀的晶片，是一种纯动量转移的物理性离子轰击。【优点】各向异性佳。（激发态中性粒子，强化学活性）【缺点】选择性差，轰击带来损伤。等离子体刻蚀（化学刻蚀）：等离子体中的中性反应微粒（形成自由基）与薄膜间的相互化学作用形成挥发性物质。【优点】选择性好，刻蚀率高。【缺点】各向异性差。图5-5刻蚀方式被刻蚀薄膜黄君凯教授（2）刻蚀方式图5-5刻蚀方式被刻蚀薄膜黄君凯教授反应离子刻蚀（RIE）：介于溅射刻蚀和等离子刻蚀之间，以物理上的溅射刻蚀使薄膜表面清洁，从而促进等离子刻蚀的化学反应进行。【特点】兼具各向异性和选择性优点（压力Torr，有效离化率）其他高密度刻蚀（HDP）方式：低压和高有效离化率（压力Torr，有效离化率）—线圈耦合等离子体刻蚀（TCP）—电子回旋共振等离子体刻蚀（ECR）图5-7ECR刻蚀图5-6TCP刻蚀黄君凯教授反应离子刻蚀（RIE）：介于溅射刻蚀和等离子刻黄君凯教授（3）等离子体诊断与终点检测等离子体中中性和离化微粒诊断光发射分光光谱（OES）：测量等离子体反应物和生成物的辐射光特征光谱强度诊断该物质。刻蚀终点控制激光干涉测量法：反射光一个变化周期的薄膜厚度改变量（:被刻蚀薄膜折射率）图5-8OES谱图5-9激光干涉测量法阻挡层TiNTi黄君凯教授（3）等离子体诊断与终点检测图5-8OES黄君凯教授5.2.3反应离子刻蚀应用表5-1不同材料的刻蚀方法黄君凯教授5.2.3反应离子刻蚀应用表5-1不同材黄君凯教授硅沟刻蚀：元件之间的隔断绝缘层

深Si沟（大于）—DRAM存储单元的存储电容器绝缘层（刻蚀配方：）

浅Si沟（小于）—元件间的绝缘隔离（刻蚀配方：）图5-10刻蚀相关性—硅沟刻蚀率与深宽比关系黄君凯教授硅沟刻蚀：元件之间的隔断绝缘层图5-10刻黄君凯教授绝缘材料刻蚀膜-刻蚀配方：比值富F:刻蚀反应（增加氧）膜-刻蚀配方：富C:高分子反应（增加氢）图5-11刻蚀气体F/C值图5-12高分子反应形成的侧壁保护膜黄君凯教授绝缘材料刻蚀图5-11刻蚀气体F/C值图5黄君凯教授第六章扩散掺杂方法：扩散（形成深结）和离子注入（形成浅结）6.1基本扩散工艺（1）Si扩散工艺杂质源：固态源（

）液态源（）气态源（）【例】

液态源扩散工艺黄君凯教授第六章扩散掺杂方法：扩散（黄君凯教授典型扩散装置（2）GaAs扩散工艺解决因砷高蒸汽压造成分解的基本方法：密封管扩散掺杂绝缘层（）覆盖扩散图6-1典型扩散装置黄君凯教授典型扩散装置图6-1典型扩散装置黄君凯教授6.1.1扩散方程（1）扩散模型：空穴式机制和填隙式机制（2）扩散定律菲克第一扩散定律：，（6-1）菲克第二扩散定律：，（6-2）式中F，C和D分别为杂质的扩散流量、杂质浓度和扩散系数。当扩散为本征扩散（D与C无关）时，式（6-2）为：。（6-3）图6-2扩散机制慢扩散快扩散黄君凯教授6.1.1扩散方程（1）扩散模型：空穴式机制黄君凯教授（3）扩散系数实测结果表明：（6-4）式中为温度无限大时的扩散系数，为激活能。填隙式机制：表征了杂质原子移动所需能量（）例如：图6-3曲线上部，Cu在Si或GaAs中的快扩散（）。空穴式机制：表征了杂质原子移动和形成空穴所需能量（）例如：图6-3曲线下部，As在Si或GaAs中的慢扩散（）。图6-3实测结果：D~T关系黄君凯教授（3）扩散系数图6-3实测结果：D~T关系黄君凯教授6.1.2扩散分布两步扩散法—预淀积扩散：恒定表面杂质浓度条件—再分布扩散：有限表面杂质总量条件（恒定总杂质量）（1）恒定表面杂质浓度扩散初始条件：，（6-5）边界条件：，（6-6），（6-7）式中为表面处杂质浓度。可得到式（6-3）的解为：，（6-8）式中为余误差函数，为扩散长度。因此，预淀积时单位面积淀积的杂质原子总量为：。（6-9）黄君凯教授6.1.2扩散分布两步扩散法黄君凯教授（2）有限表面杂质总量扩散（恒定总杂质量）初始条件：，（6-10）边界条件：，（6-11），（6-12）式中为单位面积上的杂质总量，可得到式（6-3）的解为：，（6-13）表达式为高斯分布。因此，再分布扩散时，表面杂质浓度为：，（6-14）可见，保持杂质总量一定时，随着扩散时间增加，表面杂质浓度将下降。黄君凯教授（2）有限表面杂质总量扩散（恒定总杂质量）黄君凯教授（3）扩散分布6.1.3扩散层测定：评价的物理量

结深：腐蚀染色法测量

薄板电阻（平均电阻率）：四探针法测量

扩散层杂质分布：测试方法图6-4扩散分布黄君凯教授（3）扩散分布图6-4扩散分布黄君凯教授5.2干法刻蚀（等离子体辅助刻蚀）5.2.1等离子体原理等离子体：一种部分或全部离子化的气体，其中含有等量正负性电荷，以及不同数量的未离化分子。有效离化率：等离子体中的电子密度与分子密度之比。5.2.2等离子体辅助刻蚀机制（1）刻蚀步骤（五个基本步骤）生成刻蚀微粒扩散至反应表面吸附物理或化学反应可挥发化合物排出图5-4干法刻蚀机制黄君凯教授5.2干法刻蚀（等离子体辅助刻蚀）5.2.黄君凯教授（2）刻蚀方式溅射刻蚀（物理刻蚀）：接受等离子体中正性离子高速轰击的电极上放置准备刻蚀的晶片，是一种纯动量转移的物理性离子轰击。【优点】各向异性佳。（激发态中性粒子，强化学活性）【缺点】选择性差，轰击带来损伤。等离子体刻蚀（化学刻蚀）：等离子体中的中性反应微粒（形成自由基）与薄膜间的相互化学作用形成挥发性物质。【优点】选择性好，刻蚀率高。【缺点】各向异性差。图5-5刻蚀方式被刻蚀薄膜黄君凯教授（2）刻蚀方式图5-5刻蚀方式被刻蚀薄膜黄君凯教授反应离子刻蚀（RIE）：介于溅射刻蚀和等离子刻蚀之间，以物理上的溅射刻蚀使薄膜表面清洁，从而促进等离子刻蚀的化学反应进行。【特点】兼具各向异性和选择性优点（压力Torr，有效离化率）其他高密度刻蚀（HDP）方式：低压和高有效离化率（压力Torr，有效离化率）—线圈耦合等离子体刻蚀（TCP）—电子回旋共振等离子体刻蚀（ECR）图5-7ECR刻蚀图5-6TCP刻蚀黄君凯教授反应离子刻蚀（RIE）：介于溅射刻蚀和等离子刻黄君凯教授（3）等离子体诊断与终点检测等离子体中中性和离化微粒诊断光发射分光光谱（OES）：测量等离子体反应物和生成物的辐射光特征光谱强度诊断该物质。刻蚀终点控制激光干涉测量法：反射光一个变化周期的薄膜厚度改变量（:被刻蚀薄膜折射率）图5-8OES谱图5-9激光干涉测量法阻挡层TiNTi黄君凯教授（3）等离子体诊断与终点检测图5-8OES黄君凯教授5.2.3反应离子刻蚀应用表5-1不同材料的刻蚀方法黄君凯教授5.2.3反应离子刻蚀应用表5-1不同材黄君凯教授硅沟刻蚀：元件之间的隔断绝缘层

深Si沟（大于）—DRAM存储单元的存储电容器绝缘层（刻蚀配方：）

浅Si沟（小于）—元件间的绝缘隔离（刻蚀配方：）图5-10刻蚀相关性—硅沟刻蚀率与深宽比关系黄君凯教授硅沟刻蚀：元件之间的隔断绝缘层图5-10刻黄君凯教授绝缘材料刻蚀膜-刻蚀配方：比值富F:刻蚀反应（增加氧）膜-刻蚀配方：富C:高分子反应（增加氢）图5-11刻蚀气体F/C值图5-12高分子反应形成的侧壁保护膜黄君凯教授绝缘材料刻蚀图5-11刻蚀气体F/C值图5黄君凯教授第六章扩散掺杂方法：扩散（形成深结）和离子注入（形成浅结）6.1基本扩散工艺（1）Si扩散工艺杂质源：固态源（

）液态源（）气态源（）【例】

液态源扩散工艺黄君凯教授第六章扩散掺杂方法：扩散（黄君凯教授典型扩散装置（2）GaAs扩散工艺解决因砷高蒸汽压造成分解的基本方法：密封管扩散掺杂绝缘层（）覆盖扩散图6-1典型扩散装置黄君凯教授典型扩散装置图6-1典型扩散装置黄君凯教授6.1.1扩散方程（1）扩散模型：空穴式机制和填隙式机制（2）扩散定律菲克第一扩散定律：，（6-1）菲克第二扩散定律：，（6-2）式中F，C和D分别为杂质的扩散流量、杂质浓度和扩散系数。当扩散为本征扩散（D与C无关）时，式（6-2）为：。（6-3）图6-2扩散机制慢扩散快扩散黄君凯教授6.1.1扩散方程（1）扩散模型：空穴式机制黄君凯教授（3）扩散系数实测结果表明：（6-4）式中为温度无限大时的扩散系数，为激活能。填隙式机制：表征了杂质原子移动所需能量（）例如：图6-3曲线上部，Cu在Si或GaAs中的快扩散（）。空穴式机制：表征了杂质原子移动和形成空穴所需能量（）例如：图6-3曲线下部，As在Si或GaAs中的慢扩散（）。图6-3实测结果：D~T关系黄君凯教授（3）扩散系数图6-3实测结果：D~T关系黄君凯教授6.1.2扩散分布两步扩散法—预淀积扩散：恒定表面杂质浓度条件—再分布扩散：有限表面杂质总量条件（恒定总杂质量）（1）恒定表面杂质浓度扩散初始条件：，（6-5）边界条件：，（6-6），（6-7）式中为表面处杂质浓度。可得到式（6-3）的解为：