半导体器件制备工艺课件

第四章器件制备技术初步半导体材料的制备技术器件制备工艺举例器件工艺技术总览器件工艺的环境要求

一、半导体材料的制备技术

单晶提拉法外延生长法

单晶提拉法

Si晶片的制造过程

外延生长法

外延生长非外延生长epi：在…之上（on,upon）外延生长——Epitaxytaxis：规则地安置排列

(orderlyarrangement)衬底(substrate)磊晶（台湾称谓）外延的种类液相外延（LPE）Liquid

Phase

Epitaxy分子束外延（MBE）Molecule

Beam

Epitaxy化学气相淀积（CVD）Chemical

Vapor

DepositionMOCVD

（金属有机化学气相淀积）液相外延（LPE）Liquid

Phase

Epitaxy分子束外延（MBE）Molecule

Beam

Epitaxy13MOCVDMetalorganic

Chemical

Vapor

Deposition（金属有机化学气相淀积）晶体质量高重复性好稳定性好工艺灵活易于规模化生产AsH3

or

NH3MOCVD系统组成AlGaInN材料的外延生长---有机金属气相沉淀(MOCVD)衬底substrate气体与MO源GMScabinet控制柜Control

bcabinet反应室reactor真空与排气Vacuum

&

Exhaust真空与反应室Load/Lock加热器Heater半导体的晶格结构和结合性质一.晶格结构的基本概念三维立方晶格-简单立方三维立方晶格-体心立方三维立方晶格-面心立方晶面和晶向二.半导体的晶格结构半导体材料的原子组成金刚石晶体结构和共价键Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体结构半导体的晶格结构和结合性质一、晶格结构的基本概念1、三维立方晶格-简单立方图1.1

简单立方堆积 简单立方结构单元半导体的晶格结构和结合性质图1.2

体心立方堆积 体心立方结构单元2、三维立方晶格-体心立方半导体的晶格结构和结合性质3、三维立方晶格-面心立方图1.3

面心立方结构单元图1.4

常用的密勒指数示意图（a）晶面 （b）晶向4.晶面和晶向半导体的晶格结构和结合性质二、半导体的晶格结构1、半导体材料的原子组成2.金刚石晶体结构和共价键（

Si：a=5.43A;

Ge:a=5.66A;β-SiC:a=4.35A，金刚石

a=3.567A等）金刚石结构共价键半导体的晶格结构和结合性质练习题：1、在室温下Si的晶格常数a=5.43A;

Ge的晶格常数a=5.66A，分别计算每立方厘米内硅、锗的原子个数2、分别计算Si（100），（110），（111）面每平方厘米内的原子个数，即原子面密度（提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图）3、计算硅<100>,

<110> 和〈111〉晶向上单位长度内的原子数，即原子线密度半导体的晶格结构和结合性质练习题1Si:Ge:1.1

半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质练习题2（100），（110）和（111）晶面上的原子分布（100）（110）（111）1.1

半导体的晶格结构和结合性质第四章器件制备技术初步半导体材料的制备技术器件制备工艺举例器件工艺技术总览器件工艺的环境要求

二、器件制备工艺举例

（一）PN结的制备方法（二）

MOSFET的制备工艺（三）

CMOS工艺（一）pn结的制作方法合金法扩散法离子注入法外延生长法n-Si常温固态Aln高温熔融Alnp常温固态Al方法1.合金法方法2.扩散法(a)抛光处理后的型硅晶片(b)采用干法或湿法氧化工艺的晶片氧化层制作（d)图形掩膜、曝光(c)光刻胶层匀胶及坚膜（f)腐蚀SiO2后的晶片(e)曝光后去掉扩散窗口膜的晶片半导体的掺杂—热扩散半导体的掺杂方法3.离子注入法

注入产生晶格损伤

损伤恢复：快速热退火（RTA）

该方法在现代集成电路的制作工艺中被广泛采用36半导体的掺杂—离子注入半导体的掺杂Lattice

Atoms离子注入前Dopant

AtomLattice

Atoms离子注入后Dopant

AtomsLattice

Atoms热退火方法4.外延生长法外延生长法不仅可以制作同质材料pn结，而且可以制作异质材料pn结n+Substratenpp+ cap

layerNelectrodePelectrode（二）n沟MOSFET制备工艺P型Si衬底的制备

热氧化SiO2淀积多晶硅光刻腐蚀开窗口掺杂钝化保护

电极的形成NMOS制备流程P型衬底的制备NMOS制备流程热氧化SiO2层NMOS制备流程淀积多晶硅NMOS制备流程旋涂光刻胶NMOS制备流程显影NMOS制备流程刻蚀多晶硅NMOS制备流程刻蚀氧化层氧化层通常留下一个薄层，以减小离子注入对Si表面带来的晶格损伤，以及通过离子注入掺杂过程中的沟道效应。NMOS制备流程去除光刻胶NMOS制备流程源漏掺杂（离子注入）NMOS制备流程淀积钝化层NMOS制备流程刻蚀接触孔NMOS制备流程淀积金属NMOS制备流程刻蚀金属（三）CMOS工艺（三）CMOS工艺第四章器件制备技术初步半导体材料的制备技术器件制备工艺举例器件工艺技术总览器件工艺的环境要求

三、器件工艺技术总览

光刻镀膜绝缘介质膜：热氧化、CVD金属膜：溅射、电子束蒸发、热蒸发掺杂（离子注入、热扩散）刻蚀（干法、湿法）第四章器件制备技术初步半导体材料的制备技术器件制备工艺举例器件工艺技术总揽器件工艺的环境要求4.1

工艺间(Cleanroom)A

room

in

which

the

concentration

of

airborneparticles

is

controlled,

and

which

is

constructedand

used

in

a

mannerto

minimise

theintroduction,

generation,

and

retention

ofparticles

inside

the

room

and

in

which

otherrelevant

parameters,

e.g.

temperature,

humidity,and

pressure,

are

controlled

as

necessary.What

is

cleanroom?Class

10

is

defined

as

lessthan

10

particleswithdiameter

larger

than0.5μm

per

cubic

foot.Class

1

is

defined

as

lessthan

1

such

particles

percubic

foot.0.18

μm

device

requirehigher

than

Class

1

gradeclean

room.10.110100100010000100000Class

100,000Class

10,000Class

1,000Class100Class10Class

1Number

of

particles

/

ft30.11.010Particle

size

in

micronClass

M-1Why

do

we

need

acleanroom?A

particle

even

one-tenth

of

the

minimum

featuresize

can

contaminate

thechipAt

0.18um

feature

size,

a

particle

as

small

as0.018um

could

be

a

killer

particle

if

it

falls

on

acritical

areaLarger

particles

(>1um

in

diameter)Can

be

handle

by

high-pressure

airflowHigh-pressure

air

or

nitrogen

blowers

are

widelyused

in

older,

100mm(4-inches)

fabsSmaller

particlesCann’t

be

handle

by

high-pressure

airflowAn

air

blower

add

more

particlesParticles

onMaskmp

on胶Stu正型FilmSubstratHoleo