半导体器件制备工艺课件.pptx

1、第四章第四章 器件制备技术初步器件制备技术初步一一半导体材料的制备技术半导体材料的制备技术二二器件制备工艺举例器件制备工艺举例三三器件工艺技术总览器件工艺技术总览四四器件工艺的环境要求器件工艺的环境要求一、一、半导体材料的半导体材料的制备技术制备技术l单晶提拉法单晶提拉法l外延生长法外延生长法单晶提拉法单晶提拉法Si晶片的制造过程晶片的制造过程外延生长法外延生长法外延生长外延生长外延生长外延生长 Epitaxy 非外延生长非外延生长epi：在：在之上之上 （on, upon）taxis：规则地安置排列：规则地安置排列 (orderly arrangement)衬底衬底 (substrate)磊

2、晶磊晶 （台湾称谓）（台湾称谓）外延的种类化学气相淀积（化学气相淀积（CVD） Chemical Vapor Deposition MOCVD （金属有机化学气相淀积）（金属有机化学气相淀积） 液相外延（液相外延（LPE） Liquid Phase Epitaxy分子束外延（分子束外延（MBE） Molecule Beam Epitaxy液相外延（液相外延（LPE） Liquid Phase Epitaxy分子束外延（分子束外延（MBE） Molecule Beam Epitaxy13MOCVD Metalorganic Chemical Vapor Deposition（金属有机化学气相淀积

3、）（金属有机化学气相淀积） AsH3 or NH3半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质一一. 晶格结构的基本概念晶格结构的基本概念 1. 三维立方晶格三维立方晶格-简单立方简单立方 2. 三维立方晶格三维立方晶格-体心立方体心立方 3. 三维立方晶格三维立方晶格-面心立方面心立方 4. 晶面和晶向晶面和晶向二二. 半导体的晶格结构半导体的晶格结构 1.半导体材料的原子组成半导体材料的原子组成 2. 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构和共价键构和共价键 3. -族和族和-族化合物半导体结构族化合物半导体结构半导体半导体的晶格结构和结合性质的晶格结构和结合性质1、三维立方晶格、

4、三维立方晶格-简单立方简单立方图图1.1 简单立方堆积简单立方堆积 简单立方结构单元简单立方结构单元一、一、 晶格结构的基本概念晶格结构的基本概念半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质图图1.2 体心立方堆积体心立方堆积体心立方结构单元体心立方结构单元2、三维立方晶格、三维立方晶格-体心立方体心立方半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质3、三维立方晶格、三维立方晶格-面心立方面心立方图图1.3 面心立方结构单元面心立方结构单元图图1.4 常用的密勒指数示意图（常用的密勒指数示意图（a）晶面）晶面 （b）晶向）晶向4. 晶面和晶向晶面和晶向半导体的晶格结构和结合性质半

5、导体的晶格结构和结合性质1、半导体材料的原子组成、半导体材料的原子组成二、半导体的晶格结构二、半导体的晶格结构2.金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构和共价键构和共价键（ Si：a=5.43A; Ge:a=5.66A ; -SiC:a=4.35A， 金刚石金刚石 a=3.567A等）等）金刚石结构金刚石结构共价键共价键半导体半导体的晶格结构和结合性质的晶格结构和结合性质 练习题 ：1 1、在室温下、在室温下SiSi的晶格常数的晶格常数a=5.43A; Gea=5.43A; Ge的晶格常数的晶格常数 a=5.66A a=5.66A，分别计算每立方厘米内硅、锗的原子个数，分别计算每立方厘米内硅、

6、锗的原子个数2 2、分别计算、分别计算SiSi（100100），（），（110110），（），（111111）面每平方厘）面每平方厘 米内的原子个数，即原子面密度（提示：先画出各米内的原子个数，即原子面密度（提示：先画出各 晶面内原子的位置和分布图）晶面内原子的位置和分布图）3 3、计算硅、计算硅, , 和和111111晶向上单位长度内晶向上单位长度内 的原子数，即原子线密度的原子数，即原子线密度半导体半导体的晶格结构和结合性质的晶格结构和结合性质 练习题1 222383/1025. 5)1043. 5(88cmatomaGe: 222383/104 . 4)1066. 5(88cmatoma

7、Si:1.1 半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质练习题2（100），（），（110）和（）和（111）晶面上的原子分布）晶面上的原子分布半导体半导体的晶格结构和结合性质的晶格结构和结合性质221422142822342232212414/1059. 92422124142/1078. 6)1043. 5(224141aaacmatomaaacmatomaa（100）（110）（111）1.1 半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质第四章第四章 器件制备技术初步器件制备技术初步一一半导体材料的制备技术半导体材料的制备技术三三器件工艺技术总览器件工艺技术总览四四器件

8、工艺的环境要求器件工艺的环境要求二、器件制备工艺举例二、器件制备工艺举例（一）（一）PN结的制备方法结的制备方法（二）（二） MOSFET的制备工艺的制备工艺（三）（三） CMOS工艺工艺n-Si常温常温固态固态Aln高温高温熔融熔融 Alnp常温常温固态固态Al方法1. 合金法合金法方法2. 扩散法扩散法N Si N+ (a)(a)抛光处理后的型硅晶片抛光处理后的型硅晶片 N+ (b)(b)采用干法或湿法氧化采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作工艺的晶片氧化层制作 光刻胶 N Si SiO2 N+ （d)d)图形掩膜、曝光图形掩膜、曝光 光刻胶 掩模板 紫外光 N Si SiO2 N+

9、(c)(c)光刻胶层匀胶及坚膜光刻胶层匀胶及坚膜 （f)f)腐蚀腐蚀SiOSiO2 2后的晶片后的晶片 (e)(e)曝光后去掉扩散窗口膜的曝光后去掉扩散窗口膜的晶片晶片半导体的掺杂半导体的掺杂热扩散热扩散半导体的掺杂半导体的掺杂方法3. 离子注入法离子注入法注入产生晶格损伤损伤恢复：快速热退火 （RTA）该方法在现代集成电路的制作工艺中被广泛采用36半导体的掺杂半导体的掺杂离子注入离子注入半导体的掺杂半导体的掺杂Lattice Atoms离子注入前离子注入前Dopant AtomLattice Atoms离子注入后离子注入后Dopant AtomsLattice Atoms热退火热退火方法4.

10、 外延生长法外延生长法外延生长法不仅可以制作同质材料同质材料pnpn结结，而且可以制作异质材料异质材料pn结结n+ Substratenpp+ cap layerN electrodeP electrodeP P型型衬底的制备衬底的制备热热氧化氧化SiOSiO2 2层层淀淀积积多晶硅多晶硅旋涂旋涂光刻胶光刻胶显影显影刻蚀多晶硅刻蚀多晶硅氧化层氧化层通常留下一个薄层，以减小离子注入对通常留下一个薄层，以减小离子注入对SiSi表面带表面带来的晶格损伤，以及通过离子注入掺杂过程中的沟道效来的晶格损伤，以及通过离子注入掺杂过程中的沟道效应。应。刻蚀氧化层刻蚀氧化层去除光刻胶去除光刻胶源漏源漏掺杂掺杂（

11、离子注入）（离子注入）淀淀积积钝化层钝化层刻蚀接触孔刻蚀接触孔淀积金属淀积金属刻蚀金属刻蚀金属第四章第四章 器件制备技术初步器件制备技术初步一一半导体材料的制备技术半导体材料的制备技术二二器件制备工艺举例器件制备工艺举例四四器件工艺的环境要求器件工艺的环境要求三、器件工艺技术总览三、器件工艺技术总览1. 光刻光刻2. 镀膜镀膜3. 掺杂（离子注入、热扩散）掺杂（离子注入、热扩散）4. 刻蚀（干法、湿法）刻蚀（干法、湿法）第四章第四章 器件制备技术初步器件制备技术初步一一半导体材料的制备技术半导体材料的制备技术二二器件制备工艺举例器件制备工艺举例三三器件工艺技术总揽器件工艺技术总揽4.1 工艺间

12、工艺间(Cleanroom) A room in which the concentration of airborne particles is controlled, and which is constructed and used in a manner to minimise the introduction, generation, and retention of particles inside the room and in which other relevant parameters, e.g. temperature, humidity, and pressure, a

13、re controlled as necessary.What is cleanroom?Class 10 is defined as less than 10 particles with diameter larger than 0.5 m mm per cubic foot. Class 1 is defined as less than 1 such particles per cubic foot.0.18 m mm device require higher than Class 1 grade clean room.0.1110100100010000100000Class 10

14、0,000Class 10,000Class 1,000Class 100Class 10Class 10.11.010Class M-1Why do we need a cleanroom? A particle even one-tenth of the minimum feature size can contaminate the chip At 0.18um feature size, a particle as small as 0.018um could be a killer particle if it falls on a critical area Larger part

15、icles (1um in diameter) Can be handle by high-pressure airflow High-pressure air or nitrogen blowers are widely used in older, 100mm(4-inches) fabs Smaller particles Cannt be handle by high-pressure airflow An air blower add more particlesFilmFilmSubstrateSubstratePartially Implanted JunctionsPartic

16、leIon BeamPhotoresistScreen OxideDopant in PRCleanroom StructureProcess AreaEquipment AreaClass 1000Equipment AreaClass 1000Raised Floor with Grid PanelsReturn AirHEPA FilterFansPump, RF and etc.Process ToolProcess ToolMakeup AirMakeup AirClass 1Clothing in a CleanroomAir Shower （风淋风淋）Ultra-purity Water （超纯水超纯水）作业1、集成电路工艺主要分哪几类，每类中包括哪些主要工艺，并简述各工艺的作用。2、 简述光刻的工艺过程