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1、微納制造技術(shù),秦明 東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 Tel:025-83792632 ext.8809 Email:,教材與參考書,教材 微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)(第二版) Stephen A. Campbell, 電子工業(yè)出版社 參考書 微加工導(dǎo)論 Sami Franssila,電子工業(yè)出版社 硅微機(jī)械加工技術(shù) 黃慶安, 科學(xué)出版社,半導(dǎo)體加工,概述 半導(dǎo)體襯底 熱氧化 擴(kuò)散 離子注入 光刻 刻蝕,化學(xué)氣相淀積 物理淀積 外延 工藝集成 CMOS 雙極工藝 BiCMOS MEMS加工,半導(dǎo)體加工概述,上世紀(jì)40年代發(fā)明的晶體管及隨后發(fā)明的集成電路，完全改變了人類生活。,微電子的發(fā)展,半

2、導(dǎo)體加工概述,Moore定律 “Component counts per unit area doubles every two years”,Feature size reduction enables the increase of complexity.,,半導(dǎo)體加工概述,,半導(dǎo)體加工概述,半導(dǎo)體加工概述,半導(dǎo)體加工概述,,,,半導(dǎo)體加工工藝原理,概述 半導(dǎo)體襯底 熱氧化 擴(kuò)散 離子注入 光刻 刻蝕,化學(xué)氣相淀積 物理淀積 外延 工藝集成 CMOS 雙極工藝 BiCMOS MEMS加工,半導(dǎo)體襯底,硅是目前半導(dǎo)體中用的最多的一種襯底材料 每年生產(chǎn)約1.5億片，總面積約34km2 硅的性能

3、 屈服強(qiáng)度 7x109 N/m2 彈性模量 1.9x1011 N/m2 密度 2.3 g/cm3 熱導(dǎo)率 1.57 Wcm-1C-1 熱膨脹系數(shù) 2.33x10-6 C-1,電阻率(P) n-型 1 - 50 .cm 電阻率(Sb) n-型0.005 -10.cm 電阻率(B) p-Si 0.005 -50 .cm 少子壽命 30 -300 s 氧 5 -25 ppm 碳 1 - 5 ppm 缺陷 <500 cm-2 直徑 Up to 200 mm 重金屬雜質(zhì) < 1 ppb,硅的晶體生長(zhǎng),硅的純化 SiO2+2CSi(冶金級(jí)）+2CO Si+3HClSiHCl3+H2 2SiHCl3(

4、蒸餾后的)+2H22Si(電子級(jí))+6HCl,直拉法單晶生長(zhǎng),多晶硅放在坩堝中，加熱到1420oC將硅熔化，將已知晶向的籽晶插入熔化硅中然后拔出。 硅錠旋轉(zhuǎn)速度 20r/min 坩堝旋轉(zhuǎn)速度 10r/min 提升速度：1.4mm/min (100mm) 摻雜P、B、Sb、As,,300mm硅片和Pizza比較 芯片加工廠一角 芯片直徑增大, 均勻性問(wèn)題越來(lái)越突出,,區(qū)熔法晶體生長(zhǎng),主要用于制備高純度硅或無(wú)氧硅 生長(zhǎng)方法 多晶硅錠放置在一個(gè)單晶籽晶上，多晶硅錠由一個(gè)外部的射頻線圈加熱，使得硅錠局部熔化，隨著線圈和熔融區(qū)的上移，單晶籽晶上就會(huì)往上生長(zhǎng)單晶。 電阻率高 無(wú)雜質(zhì)

5、沾污 機(jī)械強(qiáng)度小，尺寸小,大直徑硅片的優(yōu)點(diǎn),晶體結(jié)構(gòu),基本術(shù)語(yǔ),,晶面,,硅切片工藝,單晶生長(zhǎng),芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境,每一個(gè)硅片表面有許多個(gè)微芯片，每一個(gè)芯片又由數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的器件和互連線組成 隨著芯片的特征尺寸縮小，對(duì)沾污變得越來(lái)越敏感，對(duì)沾污的控制越來(lái)越重要 具估計(jì)80%芯片的電學(xué)失效是由沾污帶來(lái)的缺陷引起的，電學(xué)失效引起成品率下降，導(dǎo)致芯片成本增加。 為控制芯片制造過(guò)程中不受沾污，芯片制造都是在凈化間中完成。 凈化間本質(zhì)上是一個(gè)凈化過(guò)的空間，它以超凈的空氣把芯片制造與外界沾污環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)，包括化學(xué)品、人員和常規(guī)工作環(huán)境。,芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境1,凈化間沾污類型 顆粒 金屬雜質(zhì) 有機(jī)物沾污 自然

6、氧化層 靜電釋放（ESD）,芯片制造的生產(chǎn)環(huán)境2,凈化間剪影,半導(dǎo)體加工工藝原理,概述 半導(dǎo)體襯底 熱氧化 擴(kuò)散 離子注入 光刻 刻蝕,化學(xué)氣相淀積 物理淀積 外延 工藝集成 CMOS 雙極工藝 BiCMOS,熱氧化,SiO2的基本特性 熱SiO2是無(wú)定形的 密度 = 2.2 gm/cm3 分子密度 = 2.3E22 molecules / cm3 晶體 SiO2Quartz = 2.65 gm/cm3 良好的電絕緣材料 Resistivity 1E20 ohm-cm 帶隙 Energy Gap 9 eV 高擊穿電場(chǎng) 10MV/cm,熱氧化,,SiO2的基本特性 穩(wěn)定和可重復(fù)的Si/SiO2界

7、面 硅表面的生長(zhǎng)基本是保形的,熱氧化,SiO2的基本特性 雜質(zhì)阻擋特性好 硅和SiO2的腐蝕選擇特性好,,,,熱氧化原理,反應(yīng)方程： Si(固體)+O2(氣體)SiO2,Deal-Grove 模型,Deal-Grove 模型,tsl :Boundary layer thickness k: Boltzmann constant Pg : Partial pressure of O2,hg: mass transfer caefficient,tox : oxide thickness,留在大氣層中的氣流,第二個(gè)流量: 第三個(gè)流量:,J3 = ksCi,J1= J2 = J3,,Deal-Gro

8、ve 模型,利用Henry定律 Co=H Ps =H (kT Cs),,Henry常數(shù),Deal-Grove 模型,界面流量除以單位體積SiO2的氧分子數(shù), 得到生長(zhǎng)速率:,初始氧化層厚度為t0,Linear and Parabolic Rate Coefficients,(B/A : linear rate coeff ),(B=parabolic rate coeff ),氧化層足夠薄時(shí): 氧化層足夠厚時(shí):,熱氧化,熱氧化,含Cl氧化,氧化過(guò)程中加入少量的HCl 或TCE(三氯乙烯) 減少金屬沾污 改進(jìn)Si/SiO2界面性能,Cl對(duì)氧化速率的影響,初始階段的氧化,Deal-Gro

9、ve模型嚴(yán)重低估了薄氧化層厚度 多種模型解釋薄氧化特性 表面電場(chǎng) 薄氧層微孔 應(yīng)力 氧在氧化層中的溶解度增加,氧化中消耗硅的厚度,硅表面形貌對(duì)Xi的影響,熱氧化的影響因素,溫度 氣氛（干氧、水汽、HCl） 壓力 晶向 摻雜,高壓氧化,對(duì)給定的氧化速率，壓力增加，溫度可降低 溫度不變的情況下，氧化時(shí)間可縮短,高摻雜效應(yīng),900oC下干氧速率是摻雜濃度的函數(shù),晶向的影響,氧化界面的TEM圖,SiO2結(jié)構(gòu),SiO2特性,厚度測(cè)量 形成臺(tái)階 光學(xué)比色 橢圓偏振光 干涉法 擊穿場(chǎng)強(qiáng)12MV/cm,二氧化硅顏色厚度對(duì)照表,SiO2特性,CV測(cè)試氧化層電荷,氧化層電荷測(cè)量,局部氧化,隱埋氧化層,摻雜影響,摻雜影響,四種可能,摻雜影響,摻雜影響,摻雜影響,多晶硅的氧化,未摻雜多晶硅的氧化,氧化層的缺陷,表面缺陷： 斑點(diǎn)、白霧、發(fā)花、裂紋 體內(nèi)缺陷： 針孔、氧化層錯(cuò),氧化誘生堆垛層錯(cuò),氧化過(guò)程產(chǎn)生自填隙硅原子集中并延伸OSF,,,