微电子工艺学课件-3

微电子工艺学第一章绪论第二章现代CMOS工艺技术第三章晶体生长与衬底制备第四章加工环境与基片清洗第四章加工环境与基片清洗第五章光刻第六章热氧化第七章扩散掺杂第八章离子注入掺杂第九章薄膜淀积第十章刻蚀第十一章后段工艺与集成第十一章后段工艺与集成1第三章单晶生长和衬底制备3.1衬底材料衬底材料3.2单晶生长3.3衬底制备3.4晶体特性3.5晶体参数测量23.1衬底材料微电子器件衬底材料的种类：元素半导体（如硅、锗）、化合物半导体（砷化镓、磷化铟、氮化元素半导体（如硅、锗）、化合物半导体（砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化硅）和绝缘体（蓝宝石、尖晶石）¾结构、组成各有不同特点；¾结构、组成各有不同特点；¾不承担器件或电路的电子功能；¾品质高低对器件性能有很大影响。•导电类型：N型与P型都易制备；•电阻率：0.01~105Ω·cm，均匀性好；•寿命（少数载流子）：晶体管—长寿¾品质高低对器件性能有很大影响。寿命（少数载流子）：晶体管长寿命,开关器件—短寿命；•晶格完整性：低位错（1000/cm2）；纯度：电子级109杂质；选择和制备低成本、高用量的优良衬底材料，对微电子工业至关重要！•纯度：电子级—10−9杂质；•晶向：双极器件111,MOS100；•直径、平整度、禁带宽度、迁移率等。3底材料，对微电子工业至关重要！Si的基本特性:¾间接带隙半导体，禁带宽度Eg=1.12eV¾相对介电常数：εr=11.9¾熔点：1417°C；工作温度：150°C；¾本征载流子浓度：ni=1.45×1010cm−3¾本征电阻率：23105Ω¾本征电阻率：ρ=2.3×105Ω·cm¾电子迁移率：μe=1500cm2/Vs；¾空穴迁移率：μh=450cm2/Vs空穴迁移率：μh50c/VsGe的基本特性：在半导体器件上的应用已大部分被硅取¾禁带宽度：0.66eV；¾工作温度：75°C；¾本征电阻率：。在半导体器件上的应用已大部分被硅取代，仅在高频大功率器件有一定用量，其他以光电雪崩二极管用量较大。红外光学上需要量占锗总用量50％～60％。¾本征电阻率：47Ω·cm。4光学上需要量占锗总用量50％～60％。单晶硅基片之所以在诸多衬底材料中脱颖而出，成为超大规模集成电路器件的基片材料，原因还在于：¾可获得性：地球表面存量最丰富的元素之一（27.6％）；为超大规模集成电路器件的基片材料，原因还在于：¾工艺优势：与晶片粘结或生长氧化层、外延层相对容易；Si/SiO2界面性能理想，可做掩蔽膜、钝化膜、介质隔离、绝缘栅等介质材料；材料；¾制备成本：能大量生长大尺寸（450mm）单晶棒，具有目前最经济、最成熟的规模生产技术。微电子技术取得非凡进步并按摩尔定律发展的一个基本因素是硅材料的独有特性⎯硅材料的独有特性5一个FCC中的原子另一中的原子另一FCC中的原子硅的晶体金刚石结构（Si,Ge,GaAs）两中所有原子体内：各向同性表面：电学、物理两FCC中所有原子与四个相邻原子形成共价键表面：电学、物理特性有差异两套构FCC，三方向上偏移a/4。(100)Si：主导地位(111)Si：较少使用(111)Si：较少使用63.2单晶生长GaAs/Ga,As原材料Si/SiO2原材料蒸馏和还原合成多晶半导体晶体生长晶体生长单晶研磨、切割、研磨、切割、晶片研磨、切割、抛光研磨、切割、抛光777最纯材料硅砂（SiO2）冶金级硅（MGS）电子级硅（EGS）98%pureppbpurity，最纯材料高温碳还原高温氯化高温氢还原gassolid1600-1800°CMSG1000-1200°C精馏提纯GrindtopowderSiC＋SiO2→Si＋SiO↑＋CO↑Si＋3HCl→SiHCl3↑＋H2↑(300°C)SiHCl3＋H2→Si＋3HCl↑C精馏提纯TakeseveraldaysSiC＋SiO2→Si＋SiO↑＋CO↑SiO2＋C→Si＋CO↑Si＋3HCl→SiHCl3↑＋H2↑(300C)Si＋Cl2→SiCl4↑(500-700°C)SiHCl3＋H2→Si＋3HCl↑SiCl4＋H2→Si＋4HCl↑8一、直拉（Czochralski，CZ）法籽晶¾目前IC所用Si基片基本均由CZ法制备；Arambient单晶棒石英坩埚水冷腔制备；¾加热EGS至1417°C左右熔融，使用籽晶浸入后拉出硅单晶；碳加热器热屏蔽石墨坩埚籽晶浸入后拉出硅单晶；1CrystalPulling.MOV¾需控制工艺参数1CrystalPulling.MOV坩埚基座电极溢出托盘¾需控制工艺参数一级：温度、拉晶速度；二级：单晶和坩埚转速、气体流量。电极→C≈1015-1016cm-3EGS中杂质1ppb，晶体生长引入O（≈1018cm-3）和C（≈1016cm-3），→IntroducesSiO2inCZ;Oi≈1017-1018cm-3→C≈1010cm融硅中掺杂杂质P、B、As等9¾拉晶：籽晶CCW，坩埚CW，降低熔料温度梯度，提高生长和降低熔料温度梯度，提高生长和掺杂均匀性；¾坩埚随液面下降而上升：保持熔硅液面在温度场中位置不变；¾加磁场：抑制热对流，降低缺陷、杂质、氧含量的浓度；陷、杂质、氧含量的浓度；¾直径：由拉速决定；¾拉速：由远离结晶表面的加热φ200mm单晶,0.8mm/min拉速：由远离结晶表面的加热条件所限制；¾氧含量：角色好坏参半；¾碳含量：形成本征缺陷。10非惰性，可影响硅工艺过程，如杂质扩散硅中的氧：10~20ppm（5×1017~1018cm−3），定性而非定量模型非惰性，可影响硅工艺过程，如杂质扩散¾适当浓度填隙氧原子可提高硅的机械强度（≈25%）；析出过程：体积膨胀（压应力），消耗V或产生I。（25%）；¾构成氧施主（SiO4，450°C，1016cm-3），提供的自由电子对改变单晶硅电阻率。T500°C退火，硅氧络合物溶解；消耗或产生。Si-Si→Si-O-SiT500°C退火，硅氧络合物溶解；¾因溶解度变化而析出，形成位错和堆垛层错，（非有源区的）可用于本征吸杂。30Å晶核@700°C氧在硅中的平衡溶解度：30Å晶核@700C1210183（1417°C）1.2×1018cm−3（1417°C）1.0×1017cm−3（1000°C）T↓，异质or同质成核11氧在硅中溶解度随温度的变化硅中的碳（≈1×1016cm−3）来源：SiOCSiCO↑，通过气相传输来源：SiO+C→Si+CO↑，通过气相传输¾通常以替位方式占据原有的硅晶格位置，非施主和受主；非施主和受主；¾影响氧的沉积（趋向于形成最小应力的氧、碳化合物）及吸杂效率；¾在更高温度上（650~1000°C）形成氧施主；¾与点缺陷和其它掺杂杂质存在相互作用（补偿应力）。（补偿应力）。不是期望的杂质，需严格控制其浓度。更高浓度的碳可改变硅禁带宽度（几个百分更高浓度的碳可改变硅禁带宽度（几个百分点）-未来可能的新型器件。12拉晶过程a.引晶（下种）：籽晶旋转下降，预热（烤晶）后与熔硅表面熔接，注意控制引晶温度；硅表面熔接，注意控制引晶温度；b.缩颈：高温熔接，低温快速细长缩颈，以生长无位错单晶。c.放肩：缩颈到要求长度后，大幅降低提拉速度，将晶体放大到所需直径，控制出一均匀平滑的肩。d等径生长：放肩至接近所需直径时，升温、加速，使d.等径生长：放肩至接近所需直径时，升温、加速，使晶体圆滑进入等径生长。恒定拉速使直径大小均匀。e.收尾：等径生长后，升温提速拉成锥形尾体，目的在于减少尾部位错的产生与攀移。部位错的产生与攀移。13（111）三棱三面，（100）四条对称棱线()dTJk=界面→结晶硅的热流密度界面区单位时间内CZ晶体生长模型1()ssdTJkdx=界面→结晶硅的热流密度2()lldTJkdx=熔硅→界面的热流密度界面区单位时间内释放的潜能E=J1-J2Seed¾单晶生长实际上是液固两相的转化，实现条件是在两相界面附近存在温度梯度；C=辐射传热dxC附近存在温度梯度；¾晶体凝结发生在两等温面X1和X2间，期间释放热量；B=固体热传导SolidSiBAIsothermX2和2间，期间释放热量；¾热平衡（ABC）：结晶潜热+液相到界面的热传导界面到固相的热传导（最固体热传导A=结晶潜热固液相界面+LiquidSiIsothermX1导=界面到固相的热传导（最终由辐射和对流从固相耗散）.固液相界面液相到固相→热量⇑界面附近液相一侧无温度梯Ldmdt+kLdTdx1A1=kSdTdx2A2固液相界面区域的热传输一维连续性方程界面附近液相一侧无温度梯度时，则单晶生长速度最大熔解潜热单位时间内凝结量液相热导率x1面温度梯度固相热导率x2面温度梯度维连续性方程14dmdx()=ρ()dtdt最大拉晶速度与晶体半径的平方根成反比硅的发射系数溶解温度TM处的热导率MPmax5M2σεkT1=Lvr3ρ硅的密度波尔兹曼常数6inCZ晶体的最大拉速：23.6cmhr−1，是实际拉晶实际拉晶过程中，拉晶速度变化同时引起单晶直径和轴向温度分布的变化。速度的2倍。通常使用反馈系统监视和实时调节拉速，以维持均一直径。15掺杂分布目的：在晶体生长时，往往将一定数量的杂质原子加入熔融液中，以获得所需的掺杂浓度，使硅片具有一定电阻率（比如：N/P型硅片1-100Ω·cm）任何一种杂质在不同相中的溶解度是不同的。固液两相界面随着单晶生长不断不同的。固液两相界面随着单晶生长不断向液相中推移，原存在于融硅中的杂质将在界面两边再分布直至达到在界面两边的在界面两边再分布直至达到在界面两边的化学势相同，这种现象称为分凝现象，平衡时的比例常数称为分凝系数。对于均匀溶液，平衡分凝系数，其中Cs和Cl分别是晶体和熔融液中两相界面附近的平衡掺杂浓度。0/slkCC=16熔融液中两相界面附近的平衡掺杂浓度。特定温度下、特定系统中的特定杂质，k0一般由实验测定。杂质k类型杂质k类型硅中常见掺杂杂质的平衡分凝系数0/slkCC=杂质k0类型杂质k0类型B8×10−1pAs3×10−1nAl2×10−3pSb2.3×10−2nGa8×10−3pTe2×10−4nIn4×10−4pLi1.0×10−2nO125Cu40104深能级O1.25nCu4.0×10−4深能级C7×10−2nAu2.5×10−5深能级P0.35n17平衡分凝系数对晶体杂质分布的影响假设某种杂质的平衡分凝系数为，它在初始重量为M的熔融硅中的初始掺杂浓0/slkCC=，它在初始重量为M0的熔融硅中的初始掺杂浓度为C0。在晶体生长过程中，如果已生长成晶体的重量为M，依然留在熔融液中的掺杂数量Cs,M（以重量表示）为S。当晶体增加dM的重量，对应熔融液中所减少的掺杂重量–dS为：dSCdM−=C0,M0Cl,M0−M此时，熔融液所剩重量为M0－M，则：显然，sdSCdM=0lSCMM=−dSdMk−=显然，已知初始掺杂总量为C0M0，对上式积分：00kSMM=−00000SMCMdSdMkSMM−=−∫∫M18解此方程，可得：01000(1)ksMCkCM−=−LongitudinalDopingNonuniformity0100(1)ksMCkCM−=−01000(1)ksCMkCM−=−0M00k01：掺杂浓度将会持续减少，晶锭头浓度晶锭尾浓度；k01：掺杂浓度将会持续增加，晶锭头浓度晶锭尾浓度；晶锭头浓度晶锭尾浓度；k0≈1：可获得均匀的掺杂浓度分布。19RadialDopingNonuniformity非理想因素：熔料中杂质浓度不均、温度梯度熔料中杂质浓度不均、温度梯度、对流流动、界面边界层等凝结面凹陷进熔料，硅片径向上各点的凝结发生于晶体生长过程中不同时刻，导致径向掺杂不均20有效分凝系数实际上，熔料中存在温度梯度，均匀溶液的假设并非总成立。Boundaryl的假设并非总成立。浮（力）致环流（buoyancy-drivenrecirculationcells）layer（yy）附面层（boundarylayer）：熔料有一定黏滞系数，靠近固液界面某一区域无物质流动。