半导体器件原理与工艺1

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1、半导体器件原理与工艺秦明东南大学MEMS教育部重点实验室Tel:025-83792632ext.8809Email:mqin@seu.edu.cn教材与参考书教材微电子制造科学原理与工程技术(第二版)StephenA.Campbell,电子工业出版社参考书微加工导论SamiFranssila,电子工业出版社硅微机械加工技术黄庆安,科学出版社半导体加工工艺概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀薄膜淀积：物理和化学CMOS半导体加工工艺概述上世纪40年代发明的晶体管及随后发明的集成电路，完全改变了人类生活。微电子的发展半导体加工概述

2、Moore定律“Componentcountsperunitareadoubleseverytwoyears”Featuresizereductionenablestheincreaseofcomplexity.半导体加工概述半导体加工概述半导体加工概述半导体加工概述半导体加工工艺原理概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀薄膜淀积CMOS半导体衬底硅是目前半导体中用的最多的一种衬底材料每年生产约1.5亿片，总面积约3~4km2硅的性能屈服强度7x109N/m2弹性模量1.9x1011N/m2密度2.3g/cm3热导率1.57Wc

3、m-1°C-1热膨胀系数2.33x10-6°C-1电阻率(P)n-型1-50Ω.cm电阻率(Sb)n-型0.005-10Ω.cm电阻率(B)p-Si0.005-50Ω.cm少子寿命30-300μs氧5-25ppm碳1-5ppm缺陷<500cm-2直径Upto200mm重金属杂质<1ppb硅的晶体生长硅的纯化SiO2+2CSi(冶金级）+2COSi+3HClSiHCl3+H22SiHCl3(蒸馏后的)+2H22Si(电子级)+6HCl直拉法单晶生长多晶硅放在坩埚中，加热到1420oC将硅熔化，将已知晶向的籽晶插入熔化硅中然后拔

4、出。硅锭旋转速度20r/min坩埚旋转速度10r/min提升速度：1.4mm/min(100mm)掺杂P、B、Sb、As300mm硅片和Pizza比较芯片加工厂一角芯片直径增大,均匀性问题越来越突出区熔法晶体生长主要用于制备高纯度硅或无氧硅生长方法多晶硅锭放置在一个单晶籽晶上，多晶硅锭由一个外部的射频线圈加热，使得硅锭局部熔化，随着线圈和熔融区的上移，单晶籽晶上就会往上生长单晶。电阻率高无杂质沾污机械强度小，尺寸小大直径硅片的优点晶体结构基本术语晶面硅切片工艺半导体加工工艺原理概述半导体衬底热氧化扩散离子注入光刻刻蚀薄膜淀积CM

5、OS热氧化SiO2的基本特性热SiO2是无定形的密度=2.2gm/cm3分子密度=2.3E22molecules/cm3晶体SiO2[Quartz]=2.65gm/cm3良好的电绝缘材料Resistivity>1E20ohm-cm带隙EnergyGap~9eV高击穿电场>10MV/cm热氧化SiO2的基本特性稳定和可重复的Si/SiO2界面硅表面的生长基本是保形的热氧化SiO2的基本特性杂质阻挡特性好硅和SiO2的腐蚀选择特性好热氧化原理反应方程：Si(固体)+O2(气体)SiO2Deal-Grove模型Deal-Grove模型

6、tsl:Boundarylayerthicknessk:BoltzmannconstantPg:PartialpressureofO2hg:masstransfercaefficienttox:oxidethickness留在大气层中的气流第二个流量:第三个流量:J3=ksCiJ1=J2=J3Deal-Grove模型利用Henry定律Co=HPs=H(kTCs)Henry常数Deal-Grove模型界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数,得到生长速率:初始氧化层厚度为t0LinearandParabolicRateCoeff

7、icients(B/A:linearratecoeff)(B=parabolicratecoeff)氧化层足够薄时:氧化层足够厚时:热氧化热氧化含Cl氧化氧化过程中加入少量的HCl或TCE(三氯乙烯)减少金属沾污改进Si/SiO2界面性能Cl对氧化速率的影响初始阶段的氧化Deal-Grove模型严重低估了薄氧化层厚度多种模型解释薄氧化特性表面电场薄氧层微孔应力氧在氧化层中的溶解度增加氧化中消耗硅的厚度硅表面形貌对Xi的影响热氧化的影响因素温度气氛（干氧、水汽、HCl）压力晶向掺杂高压氧化对给定的氧化速率，压力增加，温度可降低温度不

8、变的情况下，氧化时间可缩短高掺杂效应900oC下干氧速率是掺杂浓度的函数晶向的影响氧化界面的TEM图SiO2结构以掺入P5+为例：P5+通常是以P2O5的形式进入SiO2网络，P将替代Si的位置，形成P-O四面体。Si--O四面体P2O52(PO2