introduction-歡迎訪問復(fù)旦微電子

1、1,集成電路工藝原理,仇志軍zjqiu@fudan.edu.cn邯鄲校區(qū)物理樓435室,2,上節(jié)課主要內(nèi)容,CMOS工藝：光刻、氧化、擴(kuò)散、刻蝕等,硅技術(shù)的歷史沿革和未來發(fā)展趨勢(shì)：晶體管的誕生集成電路的發(fā)明平面工藝的發(fā)明CMOS技術(shù)的發(fā)明摩爾定律（Moore’s law）VLSI、SoC、SIPConstant-field等比例縮小原則ITRS：技術(shù)代/節(jié)點(diǎn),3,大綱 （2）,第一章 前言第二章

2、 晶體生長(zhǎng)第三章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章 光刻第五章 熱氧化第六章 熱擴(kuò)散第七章 離子注入第八章 薄膜淀積第九章 刻蝕第十章 后端工藝與集成第十一章 未來趨勢(shì)與挑戰(zhàn),4,一、襯底材料的類型元素半導(dǎo)體 Si、Ge….2. 化合物半導(dǎo)體 GaAs、SiC 、GaN…,5,二、對(duì)襯底材料的要求,導(dǎo)電類型：N型與P型都易

3、制備；電阻率：0.01-105?·cm，均勻性好（縱向、橫向、微區(qū)）、可靠性高（穩(wěn)定、真實(shí)）；壽命（少數(shù)載流子）：晶體管—長(zhǎng)壽命； 開關(guān)器件—短壽命；晶格完整性：低位錯(cuò)（；MOS--； 直徑、平整度、禁帶寬度、遷移率等。,6,Si：含量豐富，占地殼重量25%；單晶Si 生長(zhǎng)工藝簡(jiǎn)單，目前直徑最大18英吋（450mm）氧化特性好， Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、鈍化膜、介質(zhì)隔離、絕緣柵等介質(zhì)材料；

4、易于實(shí)現(xiàn)平面工藝技術(shù)；,7,Ge：漏電流大，禁帶寬度窄，僅0.66eV(Si:1.1eV)；工作溫度低，75℃（Si:150℃）；GeO2易水解（SiO2穩(wěn)定）；本征電阻率低：47 ?·cm（Si: 2.3x105 ?·cm）；成本高。,8,Si 的基本特性: FCC 金剛石結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a=5.431 Å 間接帶隙半導(dǎo)體， 禁帶寬度 Eg=1.12eV 相對(duì)介電常數(shù)， ?r

5、=11.9 熔點(diǎn)： 1417oC 原子密度： 5x1022 cm-3 本征載流子濃度：ni=1.45x1010 cm-3 本征電阻率 ?=2.3x105 ?·cm 電子遷移率 ?e=1500 cm2/Vs, 空穴遷移率?h=450 cm2/Vs,9,三、起始材料--石英巖（高純度硅砂--SiO2）,SiO2+SiC→Si(s)+SiO(g)+CO(g), 冶金級(jí)硅：98%；Si(s)+3HCl(g) →SiH

6、Cl3(g)+H2，三氯硅烷室溫下呈液態(tài)沸點(diǎn)為32℃，利用分餾法去除雜質(zhì)；SiHCl3(g)+ H2→Si(s)+ 3HCl(g)，得到電子級(jí)硅（片狀多晶硅）。,300oC,10,單晶制備,一、直拉法（CZ法）,CZ 拉晶儀熔爐石英坩堝：盛熔融硅液；石墨基座：支撐石英坩堝；加熱坩堝；旋轉(zhuǎn)裝置：順時(shí)針轉(zhuǎn)；加熱裝置：RF線圈；拉晶裝置籽晶夾持器：夾持籽晶（單晶）；旋轉(zhuǎn)提拉裝置：逆時(shí)針；環(huán)境控制系統(tǒng)氣路供應(yīng)系統(tǒng)流量控

7、制器排氣系統(tǒng)電子控制反饋系統(tǒng),11,拉晶過程,熔硅將坩堝內(nèi)多晶料全部熔化 ；注意事項(xiàng)：熔硅時(shí)間不易長(zhǎng)；引晶將籽晶下降與液面接近，使籽晶預(yù)熱幾分鐘，俗稱“烤晶”，以除去表面揮發(fā)性雜質(zhì)同時(shí)可減少熱沖擊。當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，可將籽晶與熔體接觸，籽晶向上拉，控制溫度使熔體在籽晶上結(jié)晶；,12,收頸指在引晶后略為降低溫度，提高拉速，拉一段直徑比籽晶細(xì)的部分。其目的是排除接觸不良引起的多晶和盡量消除籽晶內(nèi)原有位錯(cuò)的延伸。頸一般要長(zhǎng)于

8、20mm。,13,放肩縮頸工藝完成后，略降低溫度（15-40℃） ，讓晶體逐漸長(zhǎng)大到所需的直徑為止。這稱為“放肩”。,14,等徑生長(zhǎng)：當(dāng)晶體直徑到達(dá)所需尺寸后，提高拉速，使晶體直徑不再增大，稱為收肩。收肩后保持晶體直徑不變，就是等徑生長(zhǎng)。此時(shí)要嚴(yán)格控制溫度和拉速。,15,收晶：晶體生長(zhǎng)所需長(zhǎng)度后，拉速不變，升高熔體溫度或熔體溫度不變，加快拉速，使晶體脫離熔體液面。,16,硅片摻雜,目的：使硅片具有一定電阻率 （比如： N/P型硅

9、片 1-100 ?·cm）分凝現(xiàn)象：由于雜質(zhì)在固體與液體中的溶解度不一樣， 所以，雜質(zhì)在固-液界面兩邊材料中分布的濃度是不同 的，這就是所謂雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象。分凝系數(shù): , Cs 和 Cl分別是固體和液體界面附近的平衡摻雜濃度 一般情況下k0&

10、lt;1。,17,摻雜分布,假設(shè)熔融液初始質(zhì)量為M0，雜質(zhì)摻雜濃度為C0（質(zhì)量濃度），生長(zhǎng)過程中晶體的質(zhì)量為M，雜質(zhì)在晶體中的濃度為Cs，留在熔液中雜質(zhì)的質(zhì)量為S，那么熔液中雜質(zhì)的濃度Cl為：,,當(dāng)晶體增加dM的重量：,18,,19,有效分凝系數(shù),當(dāng)結(jié)晶速度大于雜質(zhì)在熔體中的擴(kuò)散速度時(shí)，雜質(zhì)在界面附近熔體中堆積，形成濃度梯度,按照分凝系數(shù)定義：,由于Cl(0)未知，然而為了描述界面粘滯層?中雜質(zhì)濃度偏離對(duì)固相中的雜質(zhì)濃度的影響，引入

11、有效分凝系數(shù)ke:,20,當(dāng)??/D>>1，ke ?1， 所以為了得到均勻的摻雜分布， 可以通過較高的拉晶速率和較低的旋轉(zhuǎn)速率。,D: 熔液中摻雜的擴(kuò)散系數(shù),21,直拉法生長(zhǎng)單晶的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：所生長(zhǎng)單晶的直徑較大成本相對(duì)較低; 通過熱場(chǎng)調(diào)整及晶轉(zhuǎn)，堝轉(zhuǎn)等工藝參數(shù)的優(yōu)化，可較好控制 電阻率徑向均勻性缺點(diǎn)：石英坩堝內(nèi)壁被熔硅侵蝕及石墨保溫加熱元件的影響，易

12、 引入氧碳雜質(zhì)，不易生長(zhǎng)高電阻率單晶（含氧量通常10- 40ppm),22,二、改進(jìn)直拉生長(zhǎng)法—磁控直拉技術(shù),原理： 在直拉法(CZ法)單晶生長(zhǎng)的基礎(chǔ)上對(duì)坩堝內(nèi)的熔體施加磁 場(chǎng)，由于半導(dǎo)體熔體是良導(dǎo)體，在磁場(chǎng)作用下受到與其運(yùn) 動(dòng)方向相反作用力，于是熔體的熱對(duì)流受到抑制。因而除 磁體外，主體設(shè)備如單晶爐等并無大的差別。

13、優(yōu)點(diǎn)：減少溫度波動(dòng)；減輕熔硅與坩堝作用；使擴(kuò)散層厚度增大 降低了缺陷密度，氧的含量，提高了電阻分布的均勻性。,23,三、懸浮區(qū)熔法（float-zone，F(xiàn)Z法）,方法： 依靠熔體表面張力，使熔區(qū)懸浮于多晶Si與下方長(zhǎng)出 的單晶之間，通過熔區(qū)的移動(dòng)而進(jìn)行提純和生長(zhǎng)單晶。,24,懸浮區(qū)熔法（float-zone，F(xiàn)Z法）,特點(diǎn)：可重復(fù)生長(zhǎng)、提純單晶，單晶純度較CZ法高；

14、 無需坩堝、石墨托，污染少； FZ單晶：高純、高阻、低氧、低碳；缺點(diǎn): 單晶直徑不及CZ法,25,摻雜分布,假設(shè)多晶硅棒上的雜質(zhì)摻雜濃度為C0（質(zhì)量濃度），?d為硅的比重，S為熔融帶中雜質(zhì)的含量，那么當(dāng)熔融帶移動(dòng)dx距離時(shí)，熔融帶中雜質(zhì)的濃度變化dS為：,26,區(qū)熔提純,利用分凝現(xiàn)象將物料局部熔化形成狹窄的熔區(qū)，并令其沿錠長(zhǎng)從一端緩慢地移動(dòng)到另一端，重復(fù)多次（多次區(qū)熔）使雜質(zhì)被集中在尾部或頭部

15、，進(jìn)而達(dá)到使中部材料被提純。,一次區(qū)熔提純與直拉法后的雜質(zhì)濃度分布的比較（K=0.01）單就一次提純的效果而言，直拉法的去雜質(zhì)效果好,27,多次區(qū)熔提純,28,襯底制備,襯底制備包括： 整形、晶體定向、晶面標(biāo)識(shí)、晶面加工,29,30,晶面定向與晶面標(biāo)識(shí),由于晶體具有各向異性，不同的晶向，物理化學(xué)性質(zhì)都不一樣，必須按一定的晶向（或解理面）進(jìn)行切割，如雙極器件：{111}面； M

16、OS器件：{100}面。8 inch 以下硅片需要沿晶錠軸向磨出平邊來指示晶向和導(dǎo)電類型。,1．主參考面（主定位面，主標(biāo)志面） 作為器件與晶體取向關(guān)系的參考； 作為機(jī)械設(shè)備自動(dòng)加工定位的參考； 作為硅片裝架的接觸位置；2. 次參考面（次定位面，次標(biāo)志面） 識(shí)別晶向和導(dǎo)電類型,31,8 inch 以下硅片,8 inch 以上硅片,32,切片、磨片、拋光1．切片 將已整形、定向的單

17、晶用切割的方法加工成符合一定要求的單晶薄片。切片基本決定了晶片的晶向、厚度、平行度、翹度，切片損耗占1/3。2.磨片目的：  去除刀痕與凹凸不平；   改善平整度； 使硅片厚度一致；磨料：     要求：其硬度大于硅片硬度。 種類：Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO等,33,3.拋光目的：進(jìn)一步消除表面缺陷，獲得高度平整、光潔

18、及無 損層的“理想”表面。方法：機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光,34,晶體缺陷,缺陷的含義：晶體缺陷就是指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。理想晶體：格點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷,35,點(diǎn)缺陷,缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。,36,線缺陷,指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、

19、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短，分為刃型位錯(cuò)和螺位錯(cuò)。,刃型位錯(cuò):在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，猶如插入的刀刃一樣，沿刀刃方向的位錯(cuò)為刃型位錯(cuò)。,37,螺位錯(cuò):將規(guī)則排列的晶面剪開（但不完全剪斷），然后將剪開的部分其中一側(cè)上移半層，另一側(cè)下移半層，然后黏合起來，形成一個(gè)類似于樓梯 拐角處的排列結(jié)構(gòu)，則此時(shí)在“剪開線”終結(jié)處（這里已形成一條垂直紙面的位錯(cuò)線）附近的原子面將發(fā)生畸變，這種原子不

20、規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)螺位錯(cuò),38,面缺陷,二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如孿晶、晶粒間界以及堆垛層錯(cuò)。,孿晶：是指兩個(gè)晶體（或一個(gè)晶體的兩部分）沿一個(gè)公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系，這兩個(gè)晶體就稱為“孿晶”，此公共晶面就稱孿晶面。晶粒間界則是彼此沒有固定晶向關(guān)系的晶體之間的過渡區(qū)。,孿晶界,晶粒間界,39,堆垛層錯(cuò)是指是晶體結(jié)構(gòu)層正常的周期性

21、重復(fù)堆垛順序在某一層間出現(xiàn)了錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致的沿該層間平面（稱為層錯(cuò)面）兩側(cè)附近原子的錯(cuò)誤排布 。,,,40,體缺陷,由于雜質(zhì)在硅晶體中存在有限的固濃度， 當(dāng)摻入的數(shù)量超過晶體可接受的濃度時(shí)， 雜質(zhì)在晶體中就會(huì)沉積，形成體缺陷。,41,本節(jié)課主要內(nèi)容,硅單晶的制備：CZ 直拉法、 懸浮區(qū)熔法 摻雜分布： 有效分凝系數(shù)襯底制備： 整形、晶體定向、晶面標(biāo)識(shí)、晶面加工晶體缺陷：點(diǎn)缺陷