微电子工艺-PRINT.

微电子工艺0绪论、1硅衬底1绪论1.引言2.微电子工艺发展历程3.微电子工艺特点与用途4.本课程内容21引言早在1830年，科学家已于实验室展开对半导体的研究。1874年，电报机、电话和无线电相继发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴的工业──电子业的诞生。3基本器件的两个发展阶段分立元件阶段（1905～1959）真空电子管、半导体晶体管集成电路阶段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI、ASIC4集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规模集成电路和超大规模集成电路，从而使电子产品向着高效能、低消耗、高精度、高稳定、智能化的方向发展。什么是微电子工艺微电子工艺，是指用半导体材料制作微电子产品的方法、原理、技术。不同产品的制作工艺不同，但可将制作工艺分解为多个基本相同的小单元（工序），称为单项工艺。不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺序排列组合来实现的。5目的、方法微电子工业生产过程图6前工序后工序NPN-SI双极型晶体管芯片工艺流程----硅外延平面工艺举例7举例n+npn+ebc返回3微电子工艺特点及用途超净环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净室，ULSI在100级超净室制作，超净台达10级。超纯指所用材料方面，如衬底材料，功能性电子材料、水、气，工艺材料等；Si、Ge单晶纯度达11个9。高技术含量设备先进，技术先进。高精度光刻图形的最小线条尺寸在深亚微米量级，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。大批量，低成本图形转移技术使之得以实现。83.1主要特点:超净室结构和运行原理示意图超净环境1011返回3.2主要应用制作微电子分立器件和集成电路微机电系统(microelectromechanicolSystem,MEMS)的所依托的微加工技术纳米技术，如光刻—图形复制转移工艺，MBE等12集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SoC)----SoC是一个通过IP设计复用达到高生产率的软/硬件协同设计过程微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等----其核心是将电子信息系统中的信息获取、信息执行与信息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信息处理处理功能。13拓展新的应用领域返回4本课程内容重点介绍单项工艺---原理、主要方法，及其所依托的基础科学。简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技术的发展趋势。1415第一单元硅衬底1单晶硅结构2硅锭及圆片制备3外延基本单项工艺第二单元氧化与掺杂第三单元薄膜制备第四单元光刻技术4氧化5扩散6离子注入7CVD8PVD9光刻10现代光刻技术11刻蚀第五单元工艺集成和测试封装12金属化与多层互连13工艺集成14测试封装课程内容框架图教材与参考书王蔚等《集成电路制造技术----原理与工艺》(修订版）电子工业出版社2013关旭东《硅集成电路工艺基础》北京大学出版2003StephenA.C.《微电子制造科学原理与工程技术》电子工业出版社，2003清华大学《集成电路工艺》多媒体教学课件200116第一单元硅衬底第1章单晶硅特性第2章硅片的制备第3章外延17第1章单晶硅特性1.1硅晶体的结构特点1.2硅晶体缺陷1.3硅晶体中杂质181.1硅晶体的结构特点硅是微电子工业中应用最广泛的半导体材料，占整个电子材料的95％左右，人们对它的研究最为深入，工艺也最成熟，在集成电路中基本上都是使用硅材料。19硅四面体结构键角：109º28′1、硅、锗、砷化镓电学特性比较20性质SiGeGaAs禁带宽度（eV）1.120.671.43禁带类型间接间接直接晶格电子迁移率（cm2/V·s）135039008600晶格空穴迁移率（cm2/V·s）4801900250本征载流子浓度（cm-3）1.45×10102.4×10189.0×106本征电阻率（Ω·cm）2.3×10547108锗应用的最早，现只有一些分立器件采用；GaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要是中等集成度的高速IC，及超过GHz的模拟IC使用，以及光电器件从电学特性看硅并无多少优势,但在其它方面有许多优越性能。21硅作为电子材料的优点：原料充分；硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保护硅表面器件或电路的结构、性质很重要；重量轻，密度只有2.33g/cm3；热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/℃，热导率高，1.50W/cm·℃；单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好；机械性能良好。222、硅晶胞晶格常数：α=5.4305Å原子密度：8/a3=5*1022cm-3原子半径：rSi=√3a/8=1.17Å空间利用率：金刚石结构的面心立方体34.034833arVnv1.2硅晶向、晶面和堆积模型24硅的几种常用晶向的原子分布图晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记晶列方向用晶向指数,记为[m1m2m3]。用m1m2m3表示等价的晶向.1/a1.41/a1.15/a1、晶向cab[110][111][100][001]立方晶格的晶向指数[100][110]a[111]a2a3R=m1x+m2y+m3z2、晶面晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面。用晶面指数(h1h2h3)标记。如（100）晶面（又称密勒指数）。等价晶面表示为{100}立方晶系的[100]晶向和(100)面是垂直的。25立方晶系的几种主要晶面硅晶面26硅常用晶面上原子分布Si面密度:(100)2/a2(110)2.83/a2(111)2.3/a2面心立方晶格27在[111]晶向是立方密积，(111)面是密排面硅晶体为双层立方密积结构硅单晶由两套面心立方结构套构而成，有双层密排面AA′BB′CC′双层密排面：原子距离最近，结合最为牢固，能量最低，腐蚀困难，容易暴露在表面，在晶体生长中有表面成为{111}晶面的趋势。两层双层密排面之间：原子距离最远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这里形成和扩展，在外力作用下，很容易沿着{111}晶面劈裂，这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。28解理面（111）面为解理面，即为天然易破裂面。实际上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。（100）面与（111）面相交成矩形，（100）面硅片破裂时裂纹是呈矩形的；（111）面和其它（111）面相交呈三角形，因此（111）面硅片破裂时裂纹也是呈三角形，呈60°角。硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，微电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶面的硅片作为衬底材料。29第一次课问题：微电子工艺的主要特点?硅成为IC最主要的衬底材料的原因？在微电子工艺中常采用的硅晶向（面）？硅的双层密排面是指哪个面？它的结构特点及主要特性？3011.2硅晶体缺陷在高度完整的单晶硅片中，实际也存在缺陷。有：零维--点缺陷、一维--线缺陷、二、三维--面缺陷和体缺陷晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。311.2.1点缺陷本征缺陷空位A，A+、A-、A2-自间（填）隙原子B※弗伦克尔缺陷肖特基缺陷杂质缺陷替位杂质C填隙杂质D32杂质缺陷是非本征点缺陷，是指硅晶体中的外来原子。填隙杂质应尽量避免，它破坏了晶格的完整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的电学性质影响不大；替位杂质通常是有意掺入的杂质。例如，硅晶体中掺入Ⅲ、Ⅴ族替位杂质，目的是调节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au等，目的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短载流子寿命。331.2.2线缺陷线缺陷最常见的就是位错。位错附近，原子排列偏离了严格的周期性，相对位置发生了错乱。位错可看成由滑移形成，滑移后两部分晶体重新吻合。在交界处形成位错。用滑移矢量表征滑移量大小和方向。34123BA缺陷附近共价键被压缩1、拉长2、悬挂3，存在应力刃位错和螺位错位错主要有刃位错和螺位错：位错线与滑移矢量垂直称刃位错；位错线与滑移矢量平行，称为螺位错。硅晶体的双层密排面间原子价键密度最小，结合最弱，滑移常沿{111}面发生，位错线也就常在{111}晶面之间。该面称为滑移面。35刃形位错的运动36攀移滑移1.2.3面缺陷和体缺陷面缺陷主要是由于原子堆积排列次序发生错乱，称为堆垛层错，简称层错。体缺陷是杂质在晶体中沉积形成；晶体中的空隙也是一种体缺陷。37缺陷的产生及结团缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够诱导缺陷的应力主要有三种：存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成热塑性应力，诱生位错；晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子大小不同，形成内部应力诱生缺陷；硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击（离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。结团现象高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高维缺陷，释放能量。38缺陷的去除缺陷在器件的有源区影应响其性能，必须设法使之减少。单晶生长时的工艺控制；非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来吸杂；本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。3911.3硅中杂质半导体材料多以掺杂混合物状态出现，杂质有故意掺入的和无意掺入的。故意掺入Si中的杂质，如Ⅲ、V族具有电活性的杂质,或Au等能改变硅晶体的某种特性的杂质。无意掺入Si中的杂质有氧，碳等。40SI中杂质类型间隙式杂质主要是Ⅰ族元素，有：Na、K、Li、H等，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速率快。替位式杂质主要是Ⅲ和Ⅴ族元素，具有电活性，在硅中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙-替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。间隙—替位式杂质大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置，位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性。411.3.1杂质对SI电学特性的影响Ⅲ、V族电活性杂质主要有：硼、磷、砷，锑等浅能级杂质金等杂质在室温时难以电离，多数无电活性，是复合中心，具有降低硅中载流子寿命的作用，是深能级杂质42束缚电子自由电子P+PDCDEE施主电离能空穴B¯B受主电离能vAAEE硅晶体中杂质能级和电离能43硅的电阻率-掺杂浓度曲线不同类型杂质对导电能力相互抵消的现象叫杂质补偿。硅中同时存在磷和硼，若磷的浓度高于硼，那么这就是N型硅。不过导带中的电子浓度并不等于磷杂质浓度，因为电离的电子首先要填充受主，余下的才能发送到导带。1.3.2固溶度和相图一种元素B(溶质)引入到另一种元素A(溶剂)晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有新相产生，仍保持原A晶体结构，这样的晶体称为固溶体。一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓度，这一平衡浓度就称为该杂质B在晶体A中的固溶度。45一、固溶度固溶体固溶体主要可分为两类：替位式固溶体和间隙式固溶体。■Si中Ⅲ、V族杂质形成替位式有限固溶体。替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件：原子半径相差小于15％，称“有利几何因素”r：Si：1.17,B：0.89,P：1.10Å；原子外部电了壳层结构相似；晶体结构也应相似。46硅晶体中杂质的固溶度掺杂浓度可以超过固溶度。给含杂质原子的硅片加热，再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的10倍以上。47二、相图知识48•相图是用来讨论混合物体系性质的一种图示方法。•相指的是物质存在的一种状态。用一组均匀的性质来表征。相图与大气压也有关，微电子工艺大多是常压工艺，一般只使用常压状态的相图。49相图的构成：由两条曲线将相图分为三个区。左右两端点分别为组元的熔点。上面的一条曲线称为液相线，液相线之上为液相的单相区，常用L表示；下面的一条曲线称为固相线，固相线之下为固溶体的单相区，常用α表示；两条曲线之间是双相区，标记L+α表示。二元匀晶相图两相平衡时的数量分配规律－－杠杆规则50合金x，T1时，两相并存。过x点作水平线交液相线a点和固