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1、微納制造技術,秦明 東南大學MEMS教育部重點實驗室 Tel:025-83792632 ext.8809 Email:,教材與參考書,教材 微電子制造科學原理與工程技術(第二版) Stephen A. Campbell, 電子工業(yè)出版社 參考書 微加工導論 Sami Franssila,電子工業(yè)出版社 硅微機械加工技術 黃慶安, 科學出版社,半導體加工,概述 半導體襯底 熱氧化 擴散 離子注入 光刻 刻蝕,化學氣相淀積 物理淀積 外延 工藝集成 CMOS 雙極工藝 BiCMOS MEMS加工,半導體加工概述,上世紀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.,半導體加工概述,半導體加工概述,半導體加工概述,半導體加工概述,半導體加工工藝原理,概述 半導體襯底 熱氧化 擴散 離子注入 光刻 刻蝕,化學氣相淀積 物理淀積 外延 工藝集成 CMOS 雙極工藝 BiCMOS MEMS加工,半導體襯底,硅是目前半導體中用的最多的一種襯底材料 每年生產約1.5億片，總面積約34km2 硅的性能 屈服強度

3、 7x109 N/m2 彈性模量 1.9x1011 N/m2 密度 2.3 g/cm3 熱導率 1.57 Wcm-1C-1 熱膨脹系數 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 1 ppb,硅的晶體生長,硅的純化 SiO2+2CSi(冶金級）+2CO Si+3HClSiHCl3+H2 2SiHCl3(蒸餾后的)+2H22S

4、i(電子級)+6HCl,直拉法單晶生長,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。 硅錠旋轉速度 20r/min 坩堝旋轉速度 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, 均勻性問題越來越突出,區(qū)熔法晶體生長,主要用于制備高純度硅或無氧硅 生長方法 多晶硅錠放置在一個單晶籽晶上，多晶硅錠由一個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，單晶籽晶上就會往上生長單晶。 電阻率高 無雜質沾污 機械強度小，尺寸小,大直徑硅片的優(yōu)點,晶體結

5、構,基本術語,晶面,硅切片工藝,單晶生長,芯片制造的生產環(huán)境,每一個硅片表面有許多個微芯片，每一個芯片又由數以百萬計的器件和互連線組成 隨著芯片的特征尺寸縮小，對沾污變得越來越敏感，對沾污的控制越來越重要 具估計80%芯片的電學失效是由沾污帶來的缺陷引起的，電學失效引起成品率下降，導致芯片成本增加。 為控制芯片制造過程中不受沾污，芯片制造都是在凈化間中完成。 凈化間本質上是一個凈化過的空間，它以超凈的空氣把芯片制造與外界沾污環(huán)境隔離開來，包括化學品、人員和常規(guī)工作環(huán)境。,芯片制造的生產環(huán)境1,凈化間沾污類型 顆粒 金屬雜質 有機物沾污 自然氧化層 靜電釋放（ESD）,芯片制造的生產環(huán)境2,凈化

6、間剪影,半導體加工工藝原理,概述 半導體襯底 熱氧化 擴散 離子注入 光刻 刻蝕,化學氣相淀積 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 10MV/cm,熱氧化,SiO2的基本特性 穩(wěn)定和可重復的Si/SiO2界面 硅表面的生長基本是保形的,熱氧化,SiO2的基本特性

7、 雜質阻擋特性好 硅和SiO2的腐蝕選擇特性好,熱氧化原理,反應方程： 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,第二個流量: 第三個流量:,J3 = ksCi,J1= J2 = J3,Deal-Grove 模型,利用Henry定律 Co=H Ps =H (kT C

8、s),Henry常數,Deal-Grove 模型,界面流量除以單位體積SiO2的氧分子數, 得到生長速率:,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: 氧化層足夠厚時:,熱氧化,熱氧化,含Cl氧化,氧化過程中加入少量的HCl 或TCE(三氯乙烯) 減少金屬沾污 改進Si/SiO2界面性能,Cl對氧化速率的影響,初始階段的氧化,Deal-Grove模型嚴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 薄氧層微孔

9、 應力 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，氧化時間可縮短,高摻雜效應,900oC下干氧速率是摻雜濃度的函數,晶向的影響,氧化界面的TEM圖,SiO2結構,SiO2特性,厚度測量 形成臺階 光學比色 橢圓偏振光 干涉法 擊穿場強12MV/cm,二氧化硅顏色厚度對照表,SiO2特性,CV測試氧化層電荷,氧化層電荷測量,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、白霧、發(fā)花、裂紋 體內缺陷： 針孔、氧化層錯,氧化誘生堆垛層錯,氧化過程產生自填隙硅原子集中并延伸OSF,