11
3.1.2 外延工艺种类





按材料划分：同质外延和异质外延 按工艺方法划分：气相外延（VPE)，液相外延 (LVP)，固相外延 气相外延工艺成熟，可很好 (SPE)，分子束外延（MBE) 的控制薄膜厚度，杂质浓度 按温度划分：高温外延(1000℃ 以上)；低温外延 和晶格的完整性，在硅工艺 (1000℃ 以下)；变温外延--先低温下成核，再高 温下生长外延层 中一直占主导地位 按电阻率高低划分：正外延--低阻衬底上外延高阻 层；反外延--高阻衬底上外延低阻层 按外延层结构分类: 普通外延，选择外延，多层外 延 其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等
d Si
nSiO2 nSi
d SiO2
2.2 1022 d SiO2 0.44d SiO2 22 5 10
27
4.2.4 热氧化生长速率
氧化层生长速率可为界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数 N1
F3 dxSiO2 v N1 dt Hks pg ks ks xSiO2 N1 1 DSiO2 h
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元器件的组成部分
二氧化硅膜用途
作为掩蔽膜
0.8 nm栅氧化层
High K
离子注入掩蔽
作为电隔离膜
隔离工艺
互连 层间 绝缘 介质
21
22
SiO2掩蔽层厚度的确定

掩蔽条件:

DSi>>DSiO2
Cs 103 所需氧化层的最小厚度 若 C I
xmin 4.6 DSiO2 t
不同温度下掩蔽P、B所需氧化 层厚度与扩散时间关系图
有限表面源扩散杂质分布情况
Q x 2 4 Dt C x, t e Dt
Xj1 Xj2 Xj3
X
39
40
有限表面源扩散
杂质表面浓度
Q C Dt
' s
结深 杂质浓度梯度
C 2 x j 2 ln Dt A Dt C B x C(x,t) C(x,t) x (x,t) 2Dt
集成电路制造技术 微电子工艺
重庆邮电大学
1
重点单元

第二单元 第四单元
2
第一单元

硅

结构特点 优点
3
1.1 硅晶体结构的特点

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。
键角：109º28′
性质及作用 硅热氧化
19
4.1.2二氧化硅的理化性质及用途




密度 是SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程度 高，约2-2.2g/cm3； 熔点 石英晶体1732℃,而非晶态的SiO2无熔点，软 化点1500℃ 电阻率 与制备方法及所含杂质有关,高温干氧可达 1016Ω·cm,一般在107-1015 Ω·cm； 介电性 介电常数3.9； 介电强度 100-1000V/μm； 折射率 在1.33-1.37之间； 腐蚀性 只和HF酸反应，与强碱反应缓慢。
离子注入的基本过程

将某种元素的原子或携 带该元素的分子经离化 变成带电的离子
在强电场中加速，获得 较高的动能 注入材料表层（靶）以 改变这种材料表层的物 理或化学性质
44


离子注入特点




各种杂质浓度分布与注入深度可精确控制 同一平面上杂质掺杂分布非常均匀 不受固溶度限制 纯度高，能量单一 低温过程，避免了高温过程引起的热扩散；易于实现 对化合物半导体的掺杂； 横向效应比气固相扩散小得多 可穿透衬底表面薄膜，防止玷污，自由度大

②表面浓度
③结深
④掺入杂质总量
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恒定表面源扩散



恒定表面源是指在扩散过程中，硅片 表面的杂质浓度始终是保持不变的。 恒定表面源扩散指硅一直处于杂质氛 围中，硅片表面达到了该扩散温度的 固溶度Cs。 解扩散方程： Cs 2 C C D 2 t x 初始条件为：C(x，0)=0，x>0 边界条件为：C(0，t)=Cs
反应控制：ks→ 0， Ci→ Co= C */（1+ks/h）
29
卤族元素掺入对氧化速率影响



在氧化气氛中加入适量的卤族元素会改善氧化 膜及其下面硅的特性。 氧化膜特性的改善包括钠离子浓度减少、介质 击穿强度增加、界面态密度减少。 实践中应用较多的卤族元素是氯，在Si-SiO2界 面上或界面附近，氯能使杂质转变成容易挥发 的氯化物从而起到吸杂的效果，另外也能看到 氧化诱生旋涡缺陷减少。
目的是通过定域、定量扩散掺杂改变半导 体导电类型，电阻率，或形成PN结。
33

5.1 扩散机构

扩散是物质内质点运动的基本方式，当温度高于 绝对零度时，任何物系内的质点都在作热运动。
杂质在半导体中的扩散是由杂质浓度梯度或温度 梯度（物体中两相的化学势不相等）引起的一种 使杂质浓度趋于均匀的杂质定向运动。 扩散是一种传质过程，宏观上表现出物质的定向 迁移。 扩散是一种自然现象，是微观粒子热运动的形式， 结果使其浓度趋于均匀。
2 x0 Ax0 B
两种极限情况
C
•氧化时间长，扩散控制阶段:
抛物线速率常数
x SiO B(t τ)
2
2
气体 C0
SiO2
ks0
Si
Ci
•氧化时间很短，反应控制阶段:
B xSiO2 (t τ) A
线性速率常数 x
扩散控制：DSiO2→ 0， Ci → 0， Co → C *
硅四面体结构
4
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。

有坩埚的：直拉法、磁控直拉法；
无坩埚的：悬浮区熔法 。
8
三、硅片制备
9

外延


概念 分类 作用
10
3.1 概述
3.1.1外延概念




在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在 单晶衬底上，用物理的或化学的方法，按 衬底晶向排列（生长）单晶膜的工艺过程。 新排列的晶体称为外延层，有外延层的硅 片称为（硅）外延片。 与先前描述的单晶生长不同在于外延生长 温度低于熔点许多 外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体 的晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻 率可不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。
12


同质外延又称为均匀外延，是外延层与衬底材料 相同的外延。 异质外延也称为非均匀外延，外延层与衬底材料 不相同，甚至物理结构也与衬底完全不同。 GaAs/Si 、SOI（SOS）等材料就可通过异质外延 工艺获得。
13
3.1.3 外延工艺用途
优势： 1.高的集电结击穿 电压 2.低的集电极串联 电阻
Dt Q C x,tdx 2C 1.13C Dt 杂质数量 s π s 0 x2 C C(x,t) s e 4Dt 杂质浓度梯度 x x,t πDt erfc称为余误差函数。 恒定源扩散杂质浓度服从余误差分布，延长扩散时间： ①表面杂质浓度不变； ②结深增加； ③扩入杂质总量 增加； ④杂质浓度梯度减小。
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有限表面源扩散

指杂质源在扩散前积累于硅 片表面薄层δ内， Q为单位 Cx,0dx Q 面积杂质总量，解扩散方程： 0
边界条件:C(x,0)=Q/δ , 0<x<δ C(∞,t)=0 初始条件：C(x,0)=0, x>0

C(x,t) Cs Cs’ Cs” CB 0δ t1 t3>t2>t1 t2 t3
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1.2 硅晶体缺陷

在高度完美的单晶硅片中，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。
6

单晶硅制备

单晶生长 硅片制备
7
2.2 单晶硅生长

采用熔体生长法制备单晶硅棒

多晶硅→熔体硅→单晶硅棒

按制备时有无使用坩埚又分为两类
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4.2硅的热氧化

热氧化制备SiO2工艺就是在高温和氧化物质（氧气或者水 汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的 二氧化硅。 热氧化是在Si/SiO2界面进行，通过扩散和化学反应实现。 O2或H2O，在生成的二氧化硅内扩散，到达Si/SiO2界面后 再与Si反应， O2+Si → SiO2； H2O+Si → SiO2+H2 ， 硅被消耗，所以硅片变薄，氧化层增厚。 生长1μm厚SiO2 约消耗0.44μm 厚的硅
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热氧化方法

干氧氧化：氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干燥， 适合光刻，但是生长速率最慢；

湿氧氧化：氧化膜较干氧氧化膜疏松，针孔密度大，表面含 水汽，光刻性能不如干氧，容易浮胶。湿氧与干氧比，水温 越高，水汽就越多，二氧化硅生长速率也就越快；

水蒸汽氧化：在三种热氧化方法中氧化膜致密性最差，针孔 密度最大，薄膜表面潮湿，光刻难，浮胶。但是，生长速率 最快。
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固相扩散工艺

微电子工艺中的扩散，是杂质在晶体内的扩散， 是固相扩散工艺。