1、1重慶郵電大學重慶郵電大學2重點單元n第二單元n第四單元3第一單元n硅n結構特點n優點4 1.1 硅晶體結構的特點硅晶體結構的特點n硅是微電子工業中應硅是微電子工業中應用最廣泛的半導體材用最廣泛的半導體材料，占整個電子材料料，占整個電子材料的的95左右，人們左右，人們對它的研究最為深入，對它的研究最為深入，工藝也最成熟，在集工藝也最成熟，在集成電路中基本上都是成電路中基本上都是使用硅材料。使用硅材料。硅四面體結構硅四面體結構鍵角：鍵角：109285硅作為電子材料的優點硅作為電子材料的優點n原料充分；原料充分；n硅晶體表面易于生長穩定的氧化層，這對于保硅晶體表面易于生長穩定的氧化層，這對于保護硅

2、表面器件或電路的結構、性質很重要；護硅表面器件或電路的結構、性質很重要；n重量輕，密度只有重量輕，密度只有2.33g/cm3；n熱學特性好，線熱膨脹系數小，熱學特性好，線熱膨脹系數小，2.5*10-6/ ，熱導率高，熱導率高，1.50W/cm；n單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；單晶圓片的缺陷少，直徑大，工藝性能好；n機械性能良好。機械性能良好。61.2 硅晶體缺陷硅晶體缺陷n在高度完美的單晶硅片中，實際也存在缺在高度完美的單晶硅片中，實際也存在缺陷。有：陷。有：n零維零維-點缺陷、點缺陷、n一維一維-線缺陷、線缺陷、n二、三維二、三維-面缺陷和體缺陷面缺陷和體缺陷n晶體缺陷對微電子工藝有

3、多方面的影響。晶體缺陷對微電子工藝有多方面的影響。7n單晶硅制備n單晶生長n硅片制備82.2 單晶硅生長單晶硅生長n采用熔體生長法采用熔體生長法制備單晶硅棒制備單晶硅棒n多晶硅多晶硅熔體硅熔體硅單晶硅棒單晶硅棒 n按制備時有無使用按制備時有無使用坩堝坩堝又分為兩類又分為兩類n有坩堝的：有坩堝的：直拉法直拉法、磁控直拉法磁控直拉法；n無坩堝的：無坩堝的：懸浮區熔法懸浮區熔法 。 9三、硅片制備10n外延n概念n分類n作用113.1 3.1 概述概述3.1.13.1.1外延概念外延概念 n在微電子工藝中，外延(epitaxy)是指在單晶襯底上，用物理的或化學的方法，按襯底晶向排列（生長）單晶膜的工

4、藝過程。n新排列的晶體稱為外延層，有外延層的硅片稱為（硅）外延片。n與先前描述的單晶生長不同在于外延生長溫度低于熔點許多n外延是在晶體上生長晶體，生長出的晶體的晶向與襯底晶向相同，摻雜類型、電阻率可不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。123.1.2 3.1.2 外延工藝種類外延工藝種類 n按材料劃分：按材料劃分：同質外延同質外延和和異質外延異質外延n按工藝方法劃分：氣相外延（按工藝方法劃分：氣相外延（VPE)VPE)，液相外延，液相外延(LVP)(LVP)，固相外延，固相外延 (SPE)(SPE)，分子束外延（，分子束外延（MBE)MBE)n按溫度劃分：高溫外延按溫度劃分：高溫外延(100

5、0 (1000 以上以上) )；低溫外延；低溫外延(1000 (1000 以下以下) )；變溫外延；變溫外延-先低溫下成核，再高先低溫下成核，再高溫下生長外延層溫下生長外延層n按電阻率高低劃分：正外延按電阻率高低劃分：正外延-低阻襯底上外延高阻低阻襯底上外延高阻層；反外延層；反外延-高阻襯底上外延低阻層高阻襯底上外延低阻層n按外延層結構分類按外延層結構分類: : 普通外延，選擇外延，多層外普通外延，選擇外延，多層外延延 n其它劃分方法：按結構劃分；按外延層厚度劃分等其它劃分方法：按結構劃分；按外延層厚度劃分等氣相外延工藝成熟，可很好氣相外延工藝成熟，可很好的控制薄膜厚度，雜質濃度的控制薄膜厚度

6、，雜質濃度和晶格的完整性，在硅工藝和晶格的完整性，在硅工藝中一直占主導地位中一直占主導地位13n同質外延同質外延又稱為均勻外延，是外延層與襯底材料又稱為均勻外延，是外延層與襯底材料相同的外延。相同的外延。n異質外延異質外延也稱為非均勻外延，外延層與襯底材料也稱為非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，甚至物理結構也與襯底完全不同。不相同，甚至物理結構也與襯底完全不同。GaAs/Si GaAs/Si 、SOISOI（SOSSOS）等材料就可通過異質外延）等材料就可通過異質外延工藝獲得。工藝獲得。143.1.3 外延工藝用途雙極型晶體管 優勢：1.高的集電結擊穿電壓2.低的集電極串聯電阻15n利用外延

7、技術的利用外延技術的pn結隔離是早期結隔離是早期雙極型集成電路雙極型集成電路常采用的電隔離常采用的電隔離方法。方法。 P-Si襯底襯底n+埋層埋層n-Si外延層外延層p+隔離墻隔離墻SiO2pnpn結隔離示意圖結隔離示意圖16n將將CMOS電路制作在電路制作在外延層上比制作在體外延層上比制作在體硅拋光片上有以下優硅拋光片上有以下優點：點： 避免了閂鎖效應；避免了閂鎖效應； 避免了硅層中避免了硅層中SiOx的沉積；的沉積； 硅表面更光滑，損硅表面更光滑，損傷最小。傷最小。 P阱阱n阱阱 制作在外延層上的雙阱制作在外延層上的雙阱CMOS剖面圖剖面圖1718n微波器件的芯片制造，需要具有突變雜質分布

8、的復雜多層結構襯底材料。可以采用多層外延工藝來實現這類襯底材料的制備。 n采用異質外延的SOSCMOS電路，能夠有效地防止元件之間的漏電流，抗輻照閂鎖；提高CMOS電路的集成度。19第二單元n氧化n性質及作用n硅熱氧化204.1.2二氧化硅的理化性質及用途二氧化硅的理化性質及用途n密度密度 是是SiO2致密程度的標志。密度大表示致密程度致密程度的標志。密度大表示致密程度高，約高，約2-2.2g/cm3；n熔點熔點 石英晶體石英晶體1732,而非晶態的而非晶態的SiO2無熔點，軟無熔點，軟化點化點1500n電阻率電阻率 與制備方法及所含雜質有關與制備方法及所含雜質有關,高溫干氧可達高溫干氧可達1

9、016cm,一般在一般在107-1015 cm；n介電性介電性 介電常數介電常數3.9；n介電強度介電強度 100-1000V/m；n折射率折射率 在在1.33-1.37之間；之間；n腐蝕性腐蝕性 只和只和HF酸反應，與強堿反應緩慢。酸反應，與強堿反應緩慢。210.8 nm柵氧化層柵氧化層離子注入掩蔽離子注入掩蔽隔離工藝隔離工藝互連互連層間層間絕緣絕緣介質介質High K作為掩蔽膜作為掩蔽膜作為電隔離膜作為電隔離膜元器件的組成部分元器件的組成部分二氧化硅膜用途二氧化硅膜用途2223SiO2掩蔽層厚度的確定掩蔽層厚度的確定n掩蔽條件掩蔽條件:nDSiDSiO2tD.xSiO264min310sI

10、CC所需氧化層的最小厚度若不同溫度下掩蔽P、B所需氧化層厚度與擴散時間關系圖244.2硅的熱氧化硅的熱氧化n熱氧化制備熱氧化制備SiO2工藝就是在工藝就是在高溫高溫和和氧化物質氧化物質（氧氣或者水（氧氣或者水汽）存在條件下，在清潔的硅片表面上生長出所需厚度的汽）存在條件下，在清潔的硅片表面上生長出所需厚度的二氧化硅。二氧化硅。n熱氧化是在熱氧化是在Si/SiO2界面進行界面進行，通過擴散和化學反應實現。，通過擴散和化學反應實現。O2或或H2O，在生成的二氧化硅內擴散，到達，在生成的二氧化硅內擴散，到達Si/SiO2界面后界面后再與再與Si反應，反應， O2+Si SiO2； H2O+Si Si

11、O2+H2 ，n 硅被消耗硅被消耗，所以硅片變薄，氧化層增厚。，所以硅片變薄，氧化層增厚。 生長生長1m厚厚SiO2 約消耗約消耗0.44m 厚的硅厚的硅25熱氧化方法熱氧化方法n干氧氧化：干氧氧化：氧化膜致密性最好，針孔密度小，薄膜表面干燥，氧化膜致密性最好，針孔密度小，薄膜表面干燥，適合光刻，但是生長速率最慢；適合光刻，但是生長速率最慢；n濕氧氧化：濕氧氧化：氧化膜較干氧氧化膜疏松，針孔密度大，表面含氧化膜較干氧氧化膜疏松，針孔密度大，表面含水汽，光刻性能不如干氧，容易浮膠。濕氧與干氧比，水溫水汽，光刻性能不如干氧，容易浮膠。濕氧與干氧比，水溫越高，水汽就越多，二氧化硅生長速率也就越快；越

12、高，水汽就越多，二氧化硅生長速率也就越快；n水蒸汽氧化：水蒸汽氧化：在三種熱氧化方法中氧化膜致密性最差，針孔在三種熱氧化方法中氧化膜致密性最差，針孔密度最大，薄膜表面潮濕，光刻難，浮膠。但是，生長速率密度最大，薄膜表面潮濕，光刻難，浮膠。但是，生長速率最快。最快。26工藝工藝n掩膜氧化（厚氧化層）掩膜氧化（厚氧化層） 干氧干氧-濕氧濕氧-干氧干氧n薄層氧化（薄層氧化（MOS柵）柵） n干氧干氧 n摻氯氧化摻氯氧化 274.2.2 4.2.2 熱氧化機理熱氧化機理n在熱氧化的過程中，氧化反應將在SiO2-Si界面處進行，而不發生在SiO2層的外表層；n熱氧化是通過擴散與化學反應來完成的，氧化反應

13、是由硅片表面向硅片縱深依次進行的，硅被消耗，所以硅片變薄，氧化層增厚 222222222.2 100.445 10SiOSiSiOSiSiOSiOnddndd284.2.4 熱氧化生長速率熱氧化生長速率氧化層生長速率可為界面流量除以單位體積SiO2的氧分子數1N2223111SiOsgsSiOsSiOdxHk pFvNdtk xkNhD假設氧化前硅片表面上存在的初始氧化層厚度為0 x求解出氧化層生長厚度與生長時間之間的關系式為222()SiOSiOxAxB t2112SiOsADkh212SiOgDHPBN200 xAxB其中221124SiOAtxAB解為29兩種極限情況 氧化時間長，擴散控

14、制階段氧化時間長，擴散控制階段:22SiOxB(t)拋物線速率常數拋物線速率常數線性速率常數線性速率常數擴散控制：擴散控制：DSiO2 0， Ci 0， Co C *反應控制：反應控制：ks 0， Ci Co= C */（1+ks/h）氣體氣體C0SiO2Siks0DSiO20CxCi2SiOBx(t )A氧化時間很短，反應控制階段氧化時間很短，反應控制階段:30鹵族元素摻入對氧化速率影響n在氧化氣氛中加入適量的鹵族元素會改善氧化膜及其下面硅的特性。n氧化膜特性的改善包括鈉離子濃度減少、介質擊穿強度增加、界面態密度減少。n實踐中應用較多的鹵族元素是氯，在Si-SiO2界面上或界面附近，氯能使雜

15、質轉變成容易揮發的氯化物從而起到吸雜的效果，另外也能看到氧化誘生旋渦缺陷減少。314.44.4熱氧化過程中雜質的再分布熱氧化過程中雜質的再分布由四方面因素決定：由四方面因素決定：n雜質的分凝現象；雜質的分凝現象；n雜質在雜質在SiO2表面逸出；表面逸出；n雜質在雜質在SiO2、Si中的擴散系數；中的擴散系數；n界面移動（氧化速率）界面移動（氧化速率） 分凝分凝逸出逸出擴散擴散界面界面移動移動32n擴散n概念n擴散機構n實際擴散工藝33第第5 5章章 擴散擴散n擴散是微電子工藝中最基本的工藝之一，擴散是微電子工藝中最基本的工藝之一，是在是在約約10001000的高溫、的高溫、p p型或型或n n

16、型雜質氣氛型雜質氣氛中，使雜質向襯底硅片的確定區域內擴散，中，使雜質向襯底硅片的確定區域內擴散，達到一定濃度，實現半導體達到一定濃度，實現半導體定域、定量摻定域、定量摻雜雜的一種工藝方法，也稱為熱擴散。的一種工藝方法，也稱為熱擴散。 n目的是通過目的是通過定域定域、定量定量擴散摻雜改變半導擴散摻雜改變半導體導電類型，電阻率，或形成體導電類型，電阻率，或形成PNPN結。結。345.1 5.1 擴散機構擴散機構n擴散是物質內質點運動的基本方式，當溫度高于擴散是物質內質點運動的基本方式，當溫度高于絕對零度時，任何物系內的質點都在作熱運動。絕對零度時，任何物系內的質點都在作熱運動。n雜質在半導體中的擴

17、散是由雜質在半導體中的擴散是由雜質濃度梯度雜質濃度梯度或或溫度溫度梯度梯度（物體中兩相的化學勢不相等）引起的一種（物體中兩相的化學勢不相等）引起的一種使雜質濃度趨于均勻的雜質定向運動。使雜質濃度趨于均勻的雜質定向運動。n擴散是一種擴散是一種傳質傳質過程，宏觀上表現出物質的定向過程，宏觀上表現出物質的定向遷移。遷移。n擴散是一種自然現象，是微觀粒子熱運動的形式，擴散是一種自然現象，是微觀粒子熱運動的形式，結果使其濃度趨于均勻。結果使其濃度趨于均勻。35固相擴散工藝固相擴散工藝n微電子工藝中的擴散，是雜質在晶體內的擴散，微電子工藝中的擴散，是雜質在晶體內的擴散，是固相擴散工藝。是固相擴散工藝。n固

18、相擴散是通過微觀粒子一系列隨機跳躍來實固相擴散是通過微觀粒子一系列隨機跳躍來實現的，這些跳躍在整個三維方向進行，主要有現的，這些跳躍在整個三維方向進行，主要有三種方式三種方式 間隙式擴散間隙式擴散 替位式擴散替位式擴散 間隙間隙替位式擴散替位式擴散365.35.3雜質的擴散摻雜雜質的擴散摻雜n擴散工藝擴散工藝是要將具有是要將具有電活性電活性的雜質，在一定的雜質，在一定溫度溫度，以一定以一定速率速率擴散到襯底硅的特定位置，得到所需擴散到襯底硅的特定位置，得到所需的的摻雜濃度摻雜濃度以及以及摻雜類型摻雜類型。 n兩種方式：兩種方式：恒定表面源擴散恒定表面源擴散和和限定表面源擴散限定表面源擴散 n擴

19、散工藝重要的工藝參數包括：擴散工藝重要的工藝參數包括： 雜質的分布雜質的分布 表面濃度表面濃度 結深結深 摻入雜質總量摻入雜質總量37恒定表面源擴散恒定表面源擴散n恒定表面源恒定表面源是指在擴散過程中，硅片是指在擴散過程中，硅片表面的雜質濃度始終是保持不變的。表面的雜質濃度始終是保持不變的。n恒定表面源擴散恒定表面源擴散指硅一直處于雜質氛指硅一直處于雜質氛圍中，硅片表面達到了該擴散溫度的圍中，硅片表面達到了該擴散溫度的固溶度固溶度Cs。n解擴散方程：解擴散方程：n初始條件為：初始條件為：C(x，0)=0，x0n邊界條件為：邊界條件為：C(0，t)=Cs C(，t)= 0恒定表面源擴散雜質分布情

20、況恒定表面源擴散雜質分布情況2sxC x,tC erfcDt22CCxDtxCBCsxj1 xj2 xj3C(x,t)t1t2t30t3t2t138恒定表面源擴散恒定表面源擴散nerfc稱為余誤差函數。稱為余誤差函數。n恒定源擴散雜質濃度服從恒定源擴散雜質濃度服從余誤差分布余誤差分布，延長擴散時間：，延長擴散時間： 表面雜質濃度不變；表面雜質濃度不變； 結深增加；結深增加； 擴入雜質總量擴入雜質總量增加；增加； 雜質濃度梯度減小。雜質濃度梯度減小。DtADtsCCerfc2jxB14DtxeDtsCx,txC(x,t)Dts1.13C0Dts2Cdxx,tCQ2結深結深雜質數量雜質數量雜質濃度

21、梯度雜質濃度梯度39有限表面源擴散有限表面源擴散 n指雜質源在擴散前積累于硅指雜質源在擴散前積累于硅片表面薄層片表面薄層內，內， Q為為單位單位面積雜質總量，解擴散方程：面積雜質總量，解擴散方程：邊界條件邊界條件:C(x,0)=Q/ , 0 x000 ,CQdxxDtxeDtQtxC42,n有限表面源擴散雜質分布情況有限表面源擴散雜質分布情況XXj1 Xj2 Xj3CsCsCs”t1t2t3C(x,t)CB0 t3t2t14041有限表面源擴散有限表面源擴散DtQCsC(x,t)2Dtx(x,t)xC(x,t)DtADtxBsj21CCln2雜質濃度梯度雜質濃度梯度雜質表面濃度雜質表面濃度結深

22、結深42n有限源擴散雜質濃度是一種高斯函數分布。有限源擴散雜質濃度是一種高斯函數分布。n延長擴散時間延長擴散時間(提高擴散溫度提高擴散溫度T )： 雜質表面濃度雜質表面濃度迅速減小；迅速減小；雜質總量不變；雜質總量不變； 結深增加；結深增加； 雜雜質濃度梯度減小質濃度梯度減小。 43n離子注入n概念n原理n退火44什么是離子注入什么是離子注入 離化后的原子在強電場的加速作用下，注射進入靶材離化后的原子在強電場的加速作用下，注射進入靶材料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學性質料的表層，以改變這種材料表層的物理或化學性質 離子注入的基本過程離子注入的基本過程v將某種元素的原子或攜將某種元素的原

23、子或攜帶該元素的分子經離化帶該元素的分子經離化變成帶電的離子變成帶電的離子v在強電場中加速，獲得在強電場中加速，獲得較高的動能較高的動能v注入材料表層（靶）以注入材料表層（靶）以改變這種材料表層的物改變這種材料表層的物理或化學性質理或化學性質45離子注入特點離子注入特點各種雜質濃度分布與注入深度可精確控制各種雜質濃度分布與注入深度可精確控制同一平面上雜質摻雜分布非常均勻同一平面上雜質摻雜分布非常均勻不受固溶度限制不受固溶度限制純度高，能量單一純度高，能量單一低溫過程，避免了高溫過程引起的熱擴散；易于實現低溫過程，避免了高溫過程引起的熱擴散；易于實現對化合物半導體的摻雜；對化合物半導體的摻雜；橫

24、向效應比氣固相擴散小得多橫向效應比氣固相擴散小得多可穿透襯底表面薄膜，防止玷污，自由度大可穿透襯底表面薄膜，防止玷污，自由度大46離子注入特點離子注入特點n會產生缺陷，甚至非晶化，必須經高溫退會產生缺陷，甚至非晶化，必須經高溫退火加以改進火加以改進n設備相對復雜、相對昂貴（設備相對復雜、相對昂貴（尤其是超低能尤其是超低能量離子注入機量離子注入機）n有不安全因素，如高壓、有毒氣體有不安全因素，如高壓、有毒氣體47R：射程（射程（range） 離子在靶內的總路離子在靶內的總路線長度線長度 Xp：投影射程（投影射程（projected range） R在在入射方向上的投影入射方向上的投影射程分布射程

25、分布： 平均投影射程平均投影射程Rp， 標準偏差標準偏差 Rp， 橫向標準偏差橫向標準偏差 R 6.2離子注入原理離子注入原理6.2.1與注入離子分布相關的幾個概念與注入離子分布相關的幾個概念 48 Rp：標準偏差（標準偏差（Straggling），投影射程的平均偏差投影射程的平均偏差 R ：橫向橫向標準標準偏差（偏差（Traverse straggling）, 垂直于入射方向垂直于入射方向平面上的標準偏差。平面上的標準偏差。49LSS理論理論對在對在非晶靶非晶靶中注入離子的射程分布的研究中注入離子的射程分布的研究n1963年，年，Lindhard, Scharff and Schiott首先

26、首先確立了注入離子在靶內分布理論，簡稱確立了注入離子在靶內分布理論，簡稱 LSS理論。理論。n該理論認為，注入離子在靶內的能量損失分為兩該理論認為，注入離子在靶內的能量損失分為兩個彼此獨立的過程個彼此獨立的過程 (1) 核碰撞核碰撞（nuclear stopping） (2) 電子碰撞電子碰撞 （electronic stopping）n阻止本領（阻止本領（stopping power）：材料中注入離：材料中注入離子的能量損失大小。子的能量損失大小。6.2.2 6.2.2 離子注入相關理論基礎離子注入相關理論基礎（LSS理論）理論） 50n核碰撞核碰撞：能量為能量為E的的一個注入離子與靶一個注

27、入離子與靶原子核碰撞，離子原子核碰撞，離子能量轉移到原子核能量轉移到原子核上，結果將使離子上，結果將使離子改變運動方向，而改變運動方向，而靶原子核可能離開靶原子核可能離開原位，成為間隙原原位，成為間隙原子核，或只是能量子核，或只是能量增加。增加。 nndESEdx核阻止本領核阻止本領能量為能量為E的注入離子在的注入離子在單位密度靶內運動單單位密度靶內運動單位長度時，損失給靶位長度時，損失給靶原子核的能量。原子核的能量。核碰撞核碰撞碰撞參數碰撞參數pr1+r251核阻止本領核阻止本領 1521212 32 312122.8 10eVcmnZ ZMSEMMZZM質量質量Z 原子序數原子序數下標下標

28、1離子離子下標下標2靶靶212M2202124M M1TM UE2(MM )正面碰撞正面碰撞 最大能量轉移：最大能量轉移： 0p 212Z Z( )qV rr忽略外圍電子屏蔽作用，注入忽略外圍電子屏蔽作用，注入離子與靶內原子之間勢函數：離子與靶內原子之間勢函數：注入離子與靶內原子之間注入離子與靶內原子之間彈性碰撞彈性碰撞52能量損失率與離子能能量損失率與離子能量的關系量的關系核碰撞核碰撞托馬斯托馬斯費米費米屏蔽函數屏蔽函數rrf最簡屏蔽函數最簡屏蔽函數212Z Z V( )qrrfra電子屏電子屏蔽函數蔽函數考慮電子屏蔽時離子考慮電子屏蔽時離子與靶核之間相互作用勢與靶核之間相互作用勢函數函數a

29、屏蔽參數屏蔽參數53電子碰撞電子碰撞n電子碰撞電子碰撞指的是注入離指的是注入離子與靶內白由電子以及子與靶內白由電子以及束縛電子之間的碰撞。束縛電子之間的碰撞。n注入離子和靶原子周圍注入離子和靶原子周圍電子云通過庫侖作用，電子云通過庫侖作用，使離子和電子碰撞失去使離子和電子碰撞失去能量，而束縛電子被激能量，而束縛電子被激發或電離，自由電子發發或電離，自由電子發生移動。生移動。n瞬時地形成電子瞬時地形成電子-空穴對空穴對。 eedxdEES電子阻止本領電子阻止本領電子阻止本領和注入離子電子阻止本領和注入離子的能量的平方根成正比。的能量的平方根成正比。1/ 2151/ 220.210eVcmeion

30、eeSECvk Ek離子離子速度速度54 nedESESEdx -dE/dx：能量損失梯度：能量損失梯度E：注入離子在其運動路程上任一點：注入離子在其運動路程上任一點x處的能量處的能量Sn(E)：核阻止本領：核阻止本領Se(E)：電子阻止本領：電子阻止本領N: 靶原子密度靶原子密度 5 1022 cm-3 for SiLSS理論理論能量能量E的函數的函數能量為能量為E的的入射粒子在入射粒子在密度為密度為N的的靶內走過靶內走過x距離后損失距離后損失的能量的能量v單位路程上注入離子由于核阻止（單位路程上注入離子由于核阻止（Sn(E)）和電子阻止和電子阻止(Se(E) )所損失的能量，所損失的能量，

31、總能量總能量損失為兩者的和損失為兩者的和。55低能區低能區中能區中能區高能區高能區核阻止本領和電子阻止本領曲線核阻止本領和電子阻止本領曲線(1)低能區：Sn(E)占主要地位，Se(E)可忽略(2)中能區：Sn(E)和Se(E)同等重要(3)高能區：Se(E) 占主要地位， Sn(E) 可忽略56表面處晶格表面處晶格損傷較小損傷較小射程終點（射程終點（EOR）處晶格損傷大處晶格損傷大n核阻止本領在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）核阻止本領在低能量下起主要作用（注入分布的尾端）n電子阻止本領在高能量下起主要作用電子阻止本領在高能量下起主要作用57n在某一高溫下保持一段時間，使雜質通過擴在某一高

32、溫下保持一段時間，使雜質通過擴散進入替位，有電活性；并使晶體損傷區域散進入替位，有電活性；并使晶體損傷區域“外延生長外延生長”為晶體，恢復或部分恢復硅的遷為晶體，恢復或部分恢復硅的遷移率，少子壽命。移率，少子壽命。n退火效果退火效果(q/NA,)，與溫度，時間有關。一與溫度，時間有關。一般溫度越高、時間越長退火效果越好。般溫度越高、時間越長退火效果越好。n退火后出現靶的雜質再分布。退火后出現靶的雜質再分布。6.5退火退火 58退火條件、方法退火條件、方法n退火條件：依據損傷情況定，目的是激退火條件：依據損傷情況定，目的是激活雜質，恢復電學特性活雜質，恢復電學特性n注入雜質的質量，注入雜質的質量

33、，劑量劑量、劑量率，能量、劑量率，能量n靶溫靶溫n退火方法退火方法n高溫退火高溫退火n快速退火：激光、寬帶非相關光、電子束快速退火：激光、寬帶非相關光、電子束退火退火59第三單元nCVDn概念n原理n質量607.1 CVD概述概述 n化學氣相淀積化學氣相淀積(Chemical Vapor Deposition, CVD)是把構成薄膜元素的是把構成薄膜元素的氣態氣態反應劑或液反應劑或液態反應劑的態反應劑的蒸氣蒸氣以合理的流速引入反應室，以合理的流速引入反應室，在襯底表面發生在襯底表面發生化學反應化學反應并在襯底上并在襯底上淀積淀積薄膜薄膜的工藝方法。的工藝方法。n淀積的薄膜淀積的薄膜是非晶或多晶

34、態是非晶或多晶態，襯底不要求，襯底不要求是單晶，只要是具有一定平整度，能經受是單晶，只要是具有一定平整度，能經受淀積溫度即可。淀積溫度即可。617.2 CVD工藝原理n(1)反應劑引入，在襯底表面附近形成反應劑引入，在襯底表面附近形成“滯留層滯留層”n(2)反應劑被吸附在硅片表面，并進行化學反應反應劑被吸附在硅片表面，并進行化學反應n(3) 在硅片表面成核、生長成薄膜在硅片表面成核、生長成薄膜n(4)反應后的氣相副產物排出反應室反應后的氣相副產物排出反應室62薄膜生長的步驟薄膜生長的步驟連續的膜連續的膜氣體分子氣體分子成核成核凝聚凝聚Substrate63CVD 傳輸和反應步驟圖傳輸和反應步驟

35、圖CVD 反應室反應室Substrate連續膜連續膜 8) 副產物副產物 去除去除 1) 反應物的質反應物的質量傳輸量傳輸副產物副產物 2) 薄膜先驅薄膜先驅 物反應物反應 3) 氣體分氣體分 子擴散子擴散 4) 先驅物先驅物 的吸附的吸附 5) 先驅物擴散先驅物擴散 到襯底中到襯底中 6) 表面反應表面反應 7) 副產物的解副產物的解 吸附作用吸附作用排氣排氣氣體傳送氣體傳送64Y一定時，一定時， G 由由hg和和ks中較小者決定中較小者決定1、如果、如果hgks，則，則CsCg-表面化學反應速率控制表面化學反應速率控制過程，過程，有有TsCGk YN表面（反應）控制，對溫度表面（反應）控制

36、，對溫度特別敏感特別敏感 kTEkkasexp0在在較低溫度和壓力較低溫度和壓力下，驅動表面反應的能量少，表面反下，驅動表面反應的能量少，表面反應速度降低。反應物傳輸速度超過表面化學反應的速度。應速度降低。反應物傳輸速度超過表面化學反應的速度。652、如果、如果hgks，則，則CS0-質量傳輸速率控制過程質量傳輸速率控制過程，有有 質量輸運控制，對溫度不敏感質量輸運控制，對溫度不敏感TgCGh YN在在高溫加壓高溫加壓淀積工藝中，反應速度較快，傳輸到硅片表淀積工藝中，反應速度較快，傳輸到硅片表面的反應氣體始終不足。面的反應氣體始終不足。66臺階覆蓋（保形性）臺階覆蓋（保形性）保形覆蓋保形覆蓋：

37、無論襯底表面：無論襯底表面有什么樣的傾斜圖形，在有什么樣的傾斜圖形，在所有圖形上面都能淀積有所有圖形上面都能淀積有相同厚度的薄膜。相同厚度的薄膜。在質量輸運控制的淀積過在質量輸運控制的淀積過程，襯底表面上任何一點程，襯底表面上任何一點所淀積的薄膜厚度取決于所淀積的薄膜厚度取決于到達該點的反應劑數量到達該點的反應劑數量-由工藝過程壓力和吸附原由工藝過程壓力和吸附原子的遷移性決定子的遷移性決定吸附原子的遷移率與吸附原吸附原子的遷移率與吸附原子的種類、能量、襯底溫度、子的種類、能量、襯底溫度、離子對吸附原子的轟擊有關：離子對吸附原子的轟擊有關：高溫，高溫，LPCVD-高保形性高保形性低溫，低溫，AP

38、CVD-非保形性非保形性67nPCD-真空蒸鍍n熱源688.3.2蒸鍍設備主要采用的加熱器類型及蒸鍍設備主要采用的加熱器類型及性能性能 n電阻加熱蒸鍍電阻加熱蒸鍍n高頻感應蒸鍍高頻感應蒸鍍n電子束電子束(EB)蒸鍍蒸鍍n激光蒸鍍激光蒸鍍69 電阻加熱器電阻加熱器n出現最早，工藝簡單；出現最早，工藝簡單；但有加熱器污染，薄膜但有加熱器污染，薄膜臺階覆蓋差，難鍍高熔臺階覆蓋差，難鍍高熔點金屬問題。點金屬問題。n對電阻加熱材料要求：對電阻加熱材料要求：熔點要高熔點要高；飽和蒸氣壓；飽和蒸氣壓要低；要低；化學穩定性好化學穩定性好；被蒸發材料與加熱材料被蒸發材料與加熱材料間應有間應有浸潤性浸潤性。n常用

39、鎢、鉑等常用鎢、鉑等70高頻感應蒸發高頻感應蒸發n高頻感應蒸發源是通過高高頻感應蒸發源是通過高頻感應對裝有頻感應對裝有導電的蒸發導電的蒸發源源的坩堝進行加熱，使蒸的坩堝進行加熱，使蒸發材料在高頻電磁場的感發材料在高頻電磁場的感應下產生強大的渦流損失應下產生強大的渦流損失和磁滯損失和磁滯損失(對鐵磁體對鐵磁體)，致使蒸發材料升溫致使蒸發材料升溫,直至汽直至汽化蒸發。化蒸發。71電子束電子束(EB)加熱加熱nEB蒸鍍基于電子在電場作用蒸鍍基于電子在電場作用下，獲得動能轟擊處于陽極的下，獲得動能轟擊處于陽極的蒸發材料，使其加熱汽化。蒸發材料，使其加熱汽化。nEB蒸鍍相對于電阻加熱蒸鍍蒸鍍相對于電阻加

40、熱蒸鍍雜質少雜質少，去除了加熱器帶來的，去除了加熱器帶來的玷污；玷污；可蒸發高熔點金屬；熱可蒸發高熔點金屬；熱效率高效率高；nEB蒸鍍薄膜有輻射損傷，即蒸鍍薄膜有輻射損傷，即薄膜電子由高激發態回到基態薄膜電子由高激發態回到基態產生的；也有設備復雜，價格產生的；也有設備復雜，價格昂貴的缺點。昂貴的缺點。72電子束加熱器電子束加熱器73激光蒸鍍激光蒸鍍n利用高功率的連續或脈沖激光束作為利用高功率的連續或脈沖激光束作為能源對蒸發材料進行加熱，稱為能源對蒸發材料進行加熱，稱為激光激光束加熱蒸發法。束加熱蒸發法。n激光束加熱的特點是激光束加熱的特點是加熱溫度高加熱溫度高，可，可避免坩堝的污染，避免坩堝的

41、污染，材料蒸發速率高材料蒸發速率高，蒸發過程容易控制。蒸發過程容易控制。n激光加熱法特別激光加熱法特別適應于適應于蒸發蒸發成份比較成份比較復雜的合金復雜的合金或或化合物材料化合物材料。74蒸發源蒸發源n電阻加熱源電阻加熱源n工藝簡單工藝簡單n有加熱器污染，臺階覆蓋差，難鍍高熔點金屬有加熱器污染，臺階覆蓋差，難鍍高熔點金屬n高頻感應加熱蒸發源高頻感應加熱蒸發源n蒸發速率大、蒸發源的溫度均勻、穩定，不易產生飛濺現象蒸發速率大、蒸發源的溫度均勻、穩定，不易產生飛濺現象n溫度控制精度高，操作比較簡單溫度控制精度高，操作比較簡單n價格昂貴、功耗大價格昂貴、功耗大n電子束蒸發源電子束蒸發源n高純度、難熔薄

42、膜的淀積高純度、難熔薄膜的淀積n有輻射損傷有輻射損傷n激光加熱源激光加熱源n無坩堝材料的污染無坩堝材料的污染n可淀積不同熔點的化合物薄膜可淀積不同熔點的化合物薄膜n真空室內裝備簡單，可獲得高真空度（熱源在真空室外）真空室內裝備簡單，可獲得高真空度（熱源在真空室外）n價格昂貴價格昂貴75n濺射n概念n原理768.4 濺射濺射n濺射濺射 具有一定能量的入射離子在對固體具有一定能量的入射離子在對固體表面進行轟擊時，入射離子在與固體表面表面進行轟擊時，入射離子在與固體表面原子的碰撞過程中將發生原子的碰撞過程中將發生能量和動量能量和動量的轉的轉移，并可能將固體表面的原子濺射出來。移，并可能將固體表面的原

43、子濺射出來。n熱蒸發本質熱蒸發本質 能量的轉化能量的轉化 濺射本質濺射本質 能量和動量，原子具有方向性能量和動量，原子具有方向性77n濺射過程建立在輝光放電的基礎上；濺射過程建立在輝光放電的基礎上；n微電子工藝中的濺射，是指利用微電子工藝中的濺射，是指利用氣氣體輝光放電體輝光放電時，離子對陰極轟擊，時，離子對陰極轟擊，使陰極物質飛濺出來淀積到基片上使陰極物質飛濺出來淀積到基片上形成薄膜的工藝方法。形成薄膜的工藝方法。788.4.1 工藝機理工藝機理n在初、中真空度下，真空室通入少在初、中真空度下，真空室通入少量氬或其它惰性氣體，加高壓或高量氬或其它惰性氣體，加高壓或高頻電場，使氬等惰性氣體電離

44、，正頻電場，使氬等惰性氣體電離，正離子在電場作用下撞擊靶，靶原子離子在電場作用下撞擊靶，靶原子受碰撞濺射，到達襯底淀積成膜。受碰撞濺射，到達襯底淀積成膜。79尾氣e-e-e-DC 直流二極管濺射裝置襯底 1) 電場產生 Ar+ 離子 2) 高能Ar+ 離子和 金屬靶撞擊 3) 將金屬原子 從 靶中撞擊陽極(+)陰極 (-)氬原子電場金屬靶等離子體 5) 金屬淀積在襯底上 6) 用真空泵將多余 物質從腔中抽走4) 金屬原子向襯底遷移.進氣80+0高能高能 Ar+ 離子離子被濺射的被濺射的金屬原子金屬原子金屬原子金屬原子陰極陰極(-)彈回的氬離子和自由電彈回的氬離子和自由電子復合形成中性原子子復合

45、形成中性原子81入射離子濺射分析入射離子濺射分析濺射出的原子，濺射出的原子，獲得很大動能，獲得很大動能，約約10-50eV。和。和蒸鍍相比（約蒸鍍相比（約0.2eV）濺射原）濺射原子在基片表面上子在基片表面上的遷移能力強，的遷移能力強，改善了臺階覆蓋改善了臺階覆蓋性，以及與襯底性，以及與襯底的附著力。的附著力。82第四單元n光刻工藝n流程83 839.2 基本光刻工藝流程基本光刻工藝流程n一般的光刻工藝要經歷底膜處理、涂膠、前一般的光刻工藝要經歷底膜處理、涂膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕、去膠、檢驗烘、曝光、顯影、堅膜、刻蝕、去膠、檢驗工序。工序。 84n光刻技術n掩膜版n光刻技術n光刻設備

46、85 8510.1 光刻掩模版的制造光刻掩模版的制造 掩模版就是將設計好的特定幾何圖形通過一定掩模版就是將設計好的特定幾何圖形通過一定的方法以一定的間距和布局做在基版上，供光的方法以一定的間距和布局做在基版上，供光刻工藝中重復使用。制造商將設計工程師交付刻工藝中重復使用。制造商將設計工程師交付的標準制版數據傳送給一個稱作圖形發生器的的標準制版數據傳送給一個稱作圖形發生器的設備，圖形發生器會根據該數據完成圖形的產設備，圖形發生器會根據該數據完成圖形的產生和重復，并將版圖數據分層轉移到各層光刻生和重復，并將版圖數據分層轉移到各層光刻掩模版（為涂有感光材料的優質玻璃板）上，掩模版（為涂有感光材料的優

47、質玻璃板）上，這就是制版。這就是制版。 86 8610.4 紫外光曝光技術紫外光曝光技術n光源：主要是光源：主要是UV，DUVn水銀弧光燈：水銀弧光燈：i線線365nm；h線線405nm；g線線436nmn氙汞燈：氙汞燈：200-300nmn準分子激光：準分子激光：KrF248nm；0.35-0.18 m工藝，工藝，ArF193nm，可用于，可用于0.13m的的CMOS工工藝藝87 8710.4 紫外光曝光技術紫外光曝光技術1:1曝光系統曝光系統4或或5倍縮小曝光系統倍縮小曝光系統接觸式接觸式接近式接近式投影式（步進）投影式（步進）88 88接近式曝光接近式曝光S 5 m89 89sR8 .

48、21s5m，=400nm，a 2m，R=250/mm。只能用于只能用于3m工工藝藝接近式曝光接近式曝光90 90投影式曝光投影式曝光fNAy2DnsinNA,61. 0數值數值孔徑孔徑兩像點能分兩像點能分辨最小間隔辨最小間隔NA在在0.2-0.45之間，取之間，取0.4=400nm, y=0.61m91 9110.5 其它曝光技術其它曝光技術其它曝光技術的主要有：其它曝光技術的主要有： 電子束光刻電子束光刻 X-射線光刻射線光刻 離子束光刻離子束光刻 新技術展望新技術展望 92 9210.5.1 電子束光刻電子束光刻n電子束光刻是采用電子束光刻機進行的光刻，電子束光刻是采用電子束光刻機進行的光

49、刻，有兩種方式：一是在一臺設備中既發生圖形又有兩種方式：一是在一臺設備中既發生圖形又進行光刻，就是進行光刻，就是直寫光刻直寫光刻（不用光刻板的光（不用光刻板的光刻）；另一種是兩個系統，制版和光刻分別進刻）；另一種是兩個系統，制版和光刻分別進行。行。n電子束光刻已應用于制造高精度掩模版、移相電子束光刻已應用于制造高精度掩模版、移相掩膜版和掩膜版和x射線掩模版。射線掩模版。93目前電子束直寫可實現目前電子束直寫可實現0.36um線寬線寬94 9410.5.1 電子束光刻電子束光刻n電子抗蝕劑對電子抗蝕劑對10-30kV的電子束靈敏，的電子束靈敏，有有正性抗蝕劑正性抗蝕劑，負性抗蝕劑負性抗蝕劑。常用

50、的正。常用的正性抗蝕劑有性抗蝕劑有PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）（聚甲基丙烯酸甲酯）膠，分辨率可達膠，分辨率可達10nm。EBR-9（丙烯（丙烯酸鹽基類），靈敏度比酸鹽基類），靈敏度比PMMA高高10倍，倍，最小分辨率只有最小分辨率只有0.2m。95 9510.5.1 電子束光刻電子束光刻n電子束的散射有前向散射和背散射，背散射角大，是造成電子束的散射有前向散射和背散射，背散射角大，是造成鄰近效應的主要原因鄰近效應的主要原因96 9610.5.2 X射線光刻射線光刻n以高強度的電子束轟擊金屬靶材，使其以高強度的電子束轟擊金屬靶材，使其發射發射X射線，射線，X射線作為曝光光源，射線作為曝光光源，在

51、在 0.2-4nm。n掩膜版：為了掩膜版：為了X-射線能夠透過，掩膜版射線能夠透過，掩膜版很薄，對很薄，對X射線透明的射線透明的Si、SiN、BN和聚和聚酯薄膜為基片在上面淀積金薄膜，以此酯薄膜為基片在上面淀積金薄膜，以此作為空白版，金膜能吸收作為空白版，金膜能吸收X射線，以電射線，以電子束制版方法制備掩膜版版。子束制版方法制備掩膜版版。97 9710.5.2 X射線光刻射線光刻影響分影響分辨率的辨率的不是衍不是衍射，而射，而是是半陰半陰影影和和幾幾何畸變何畸變98 9810.5.2 X射線光刻射線光刻n在電子抗蝕劑中加入銫、鉈等，能增加抗蝕劑對在電子抗蝕劑中加入銫、鉈等，能增加抗蝕劑對X-射

52、線的吸收能力，可以使之作為射線的吸收能力，可以使之作為X-射線抗蝕劑。射線抗蝕劑。如如PMMA 。99 9910.5.2 X射線光刻射線光刻n 同步輻射同步輻射x射射線源，是利用線源，是利用高能電子束在高能電子束在磁場中沿曲線磁場中沿曲線軌道運動時發軌道運動時發出的。出的。n同步輻射方向同步輻射方向性強，準直性性強，準直性好，可以近似好，可以近似看作平行光源。看作平行光源。光源的線度尺光源的線度尺寸約為寸約為1mm，所以半陰影效所以半陰影效應和幾何畸變應和幾何畸變可以忽略。可以忽略。同步輻射同步輻射x射線光學系統射線光學系統100 10010.5.3 離子束光刻離子束光刻 離子束注入，是利用元

53、素離子本身所具有的離子束注入，是利用元素離子本身所具有的化學性質化學性質-摻雜效應，通過將高能雜質離子注摻雜效應，通過將高能雜質離子注入到半導體晶體表面，以改變晶體表面的化學入到半導體晶體表面，以改變晶體表面的化學性質和物理性質；另一方面則可以利用離子本性質和物理性質；另一方面則可以利用離子本身具有的能量來實現各種工藝目的。按照離子身具有的能量來實現各種工藝目的。按照離子能量的不同，工藝目的也不同，如離子能量在能量的不同，工藝目的也不同，如離子能量在10keV以下時，離子束常被用來作為離子束刻以下時，離子束常被用來作為離子束刻蝕和離子束外延；當能量在幾十至蝕和離子束外延；當能量在幾十至70ke

54、V時，時，則被用作離子束曝光。則被用作離子束曝光。101 10110.5.3 離子束光刻離子束光刻聚焦離子束系統截面示意圖102 102 從平面工藝誕生以來，光刻設備可以分為五代。從平面工藝誕生以來，光刻設備可以分為五代。每一代又以那個時期獲得每一代又以那個時期獲得CD和分辨率所需的設備和分辨率所需的設備類型為代表。這五個精細光刻時代的代表是：類型為代表。這五個精細光刻時代的代表是： 接觸式光刻機；接觸式光刻機； 接近式光刻機；接近式光刻機； 掃描投影光刻機；掃描投影光刻機； 分步重復投影光刻機；分步重復投影光刻機； 步進掃描光刻機。步進掃描光刻機。103n刻蝕n概念n種類104 10411.

55、1 概述概述 廣義而言，刻蝕技術包含了所有將材質表面均勻廣義而言，刻蝕技術包含了所有將材質表面均勻移除或是有選擇性地部分去除的技術，可大體分為移除或是有選擇性地部分去除的技術，可大體分為濕法刻蝕濕法刻蝕（Wet Etching）和干法刻蝕和干法刻蝕（Dry Etching）兩種方式兩種方式。 影響刻蝕工藝的因素分為外部因素和內部因素。影響刻蝕工藝的因素分為外部因素和內部因素。 外部因素很難改變外部因素很難改變,內部因素就是在設備穩定的情況下對內部因素就是在設備穩定的情況下對工藝結果起到決定性作用。工藝結果起到決定性作用。 105 10511.2 濕法刻蝕濕法刻蝕n濕法腐蝕是化學腐蝕，晶片放在腐蝕液中（或噴淋），濕法腐蝕是化學腐蝕，晶片放在腐蝕液中（或噴淋），通過化學反應去除窗口薄膜，得到晶片表面的薄膜圖通過化學反應去除窗口薄膜，得到晶片表面的薄膜圖形。形。n濕法刻蝕大概可分為三個步驟：反應物質擴散到被濕法刻蝕大概可分為三個步驟：反應物質擴散到被刻蝕薄膜的表面。反應物與被刻蝕薄膜反應。反刻蝕薄膜的表面。反應物與被刻蝕薄膜反應。反應后的產物從刻蝕表面擴散到溶液中，并隨溶液排出。應后的產物從刻蝕表面擴散到溶液中，并隨溶液排出。n一般進行最慢的是反應物與被刻蝕薄膜反應的步驟，一般進行最慢的是反應物與被刻蝕薄膜反應的步驟，反應反應速率