1、Xianying Dai1硅片制备硅片制备 单晶生长：直拉法、区熔法单晶生长：直拉法、区熔法高温工艺高温工艺 氧化氧化 扩散扩散 退火退火Xianying Dai2Si集成电路芯片元素组成n半导体（衬底与有源区）：单晶Sin杂质（N型和P型）：P(As)、Bn导体（电极及引线）：Al、Wu（Cu、Ti）、poly-Sin绝缘体（栅介质、多层互连介质）：SiO2、Si3N4Xianying Dai3Group 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Period 1 1 H 2 He 2 3 Li 4 Be 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F
2、 10 Ne 3 11 Na 12 Mg 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 4 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 5 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 6 55 Cs 56 Ba*71 Lu 72 Hf 73
3、Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 7 87 Fr 88 Ra 103 Lr 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds 111 Rg 112 Uub 113 Uut 114 Uuq 115 Uup 116 Uuh 117 Uus 118 Uuo *镧系元素镧系元素 *57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 T
4、m 70 Yb 放射性元素放射性元素 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 化学元素周期表Xianying Dai4周期表中用作半导体的元素n 族 族 族 族 族n第2周期 B C Nn第3周期 Al Si P Sn第4周期 Zn Ga Ge As Sen第5周期 Cd In Sn Sb Ten第6周期 Hg PbXianying Dai5半导体衬底材料的种类元素半导体：nSi、Ge、C（金刚石）化合物半导体二元化合物n-族：GaAs，InP，GaN等；n-族：
5、ZnSe，CdS，ZnO，ZnS等；n-族：SiC，SixGe1-x（合金/混晶)；三元、四元化合物(混晶）nAlxGa1-xAs,InxGa1-xAs,AlxGa1-xN，Hg1-xCdxTe等；地球岩石圈和土壤的主要化学组成地球岩石圈和土壤的主要化学组成(重量重量%)元素岩石圈土壤氧化物岩石圈土壤O47.249.0SiO261.2864.17Si33.027.6 Al2O315.3412.86Al8.87.13 Fe2O36.296.58Fe5.13.8CaO4.961.17Ca3.61.37MgO3.900.91Na2.640.63K2O3.060.95K2.61.36Na2O3.440
6、.58Mg2.10.6P2O50.290.11Ti0.60.46TiO20.781.25S0.090.085 Mn0.090.085地球大气体积比P0.080.08N278.084N0.010.1O220.95Cu0.010.002Ar0.934Zn0.0050.005Xianying Dai72.1 单晶硅晶体结构单晶硅晶体结构Xianying Dai氧化前需要清洗硅片表面外延(Epitaxy)定义SiHCl3(TGS)常见的物理现象，物质从高浓度区向低浓度区移动三元、四元化合物(混晶）温度太低-籽晶不熔或不生长；高温工艺(Thermal Processes)Si源气体：SiH4(硅烷),S
7、iH2Cl2(二氯硅烷),气路系统：提供惰性气体；Si+2H2O SiO2+2H2多晶硅(EGS:Electronic Grade Silicon)主要用在阱注入后的推进工艺SiHCl3(三氯硅烷),SiCl4(四氯硅烷)Most commonly used clean processes in IC fabsNormally thin oxide layer(150)to protect silicon defects from contamination and over-stress.8硅的重要性 储量丰富，便宜；（27.6）SiO2性质很稳定、良好介质，易于热氧化生长；较大的禁带宽度（
8、1.12eV），较宽工作温度范围；2.1 单晶单晶Si简介简介Xianying Dai9硅的基本参数名称 Name硅 Silicon符号 SymbalSi原子序数 Atomic Number14原子量 Atomic Weight28.0855发现日期 Discovery Date1824键长 Bond length in single crystal Si2.352A密度 Density of Solid2.33g/cm3电阻率 Electrical resistivity熔点 Melting point1414 沸点 Boiling point2900 2.1 单晶单晶Si简介简介Xiany
9、ing Dai10晶体结构n无定形 不存在重复结构n多晶 有一些重复结构n单晶 一个完整的重复结构2.1 单晶单晶Si简介简介Xianying Dai11无定形结构2.1 单晶单晶Si简介简介Xianying Dai12多晶Si结构2.1 单晶单晶Si简介简介结构特征：局部有序（单晶）、整体无序。应用：栅电极、引线Xianying Dai13单晶Si结构2.1 单晶单晶Si简介简介结构特征：一个完整、有序的周期重复结构。应用：衬底与有源区Xianying Dai14思考题在集成电路制造中，单晶Si和多晶Si分别有什么用途？Xianying Dai15单晶硅的基本单元2.1 单晶单晶Si简介简介
10、金刚石结构金刚石结构 四面体四面体Xianying Dai16晶向：、2.1 单晶单晶Si简介简介Xianying Dai17晶向应用2.1 单晶单晶Si简介简介晶面：MOS器件和电路：双极型器件和电路Xianying Dai18晶面判据：刻蚀凹坑2.1 单晶单晶Si简介简介右上图：右上图：晶面晶面左下图：左下图：晶面晶面Xianying Dai192.2 单晶硅圆片的制备单晶硅圆片的制备Xianying DaiThermal Processes in IC Fabrication直径：2-3mm；SiHCl3(TGS)Si+O2 SiO2200mm硅圆片厚度和表面粗糙度的变化结构特点：（由无
11、规则排列的Si-O4四面体组成的三维网络结构),即短程有序，长程无序；厚氧化层,如 LOCOSDeveloped by Kern and Puotinen in 1960 at RCA主要用在阱注入后的推进工艺立式炉管使用最广泛，因为其占地面积小、污染控制好、维护量小；外延层：单晶衬底上单晶薄膜层Normally thin oxide layer(150)to protect silicon defects from contamination and over-stress.Si-O4四面体:在顶角处通过氧（O)相互联结,构成三维网络结构。AlxGa1-xAs,InxGa1-xAs,AlxG
12、a1-xN，Hg1-xCdxTe等；杂质（N型和P型）：P(As)、B20 石英砂（石英砂（SiO2)冶金级硅冶金级硅(MGS)HCl与与MGS粉反应形成粉反应形成TCS（trichlorosilane：氯硅烷）：氯硅烷）利用汽化和冷凝提纯利用汽化和冷凝提纯TCS TCS与与H2反应形成多晶硅反应形成多晶硅(EGS)熔融熔融EGS和拉单晶硅锭和拉单晶硅锭从石英砂到硅锭Xianying Dai21从硅锭到硅片单晶硅锭单晶硅锭整型整型切片切片磨片倒角磨片倒角刻蚀刻蚀抛光抛光清洗清洗检查检查包装包装2.2 单晶单晶Si制备制备从石英砂中提炼硅从石英砂中提炼硅Xianying Dai22砂硅SiO2石
13、英砂C碳加热到2000Si冶金级硅CO2二氧化碳2.2 单晶单晶Si制备制备纯度:98%Xianying Dai23硅提纯 I过过滤滤器器冷凝器冷凝器纯化器纯化器反应室，反应室，300HClSi 硅粉SiHCl3(TGS)纯度:99.9999999%(9N)SiHCl3:三氯氢硅 Si(固)+3HCl(气)SiHCl3(气)+H2(气)2.2 单晶单晶Si制备制备(220300)SiHCl3：沸点31.5 Fe、Al和B被去除。Xianying Dai24多晶硅淀积SiHCl3TGSH2氢气10001200Si电子级硅EGS3HCl氯化氢2.2 单晶单晶Si制备制备纯度:99.9999999%
14、Xianying Dai25硅提纯 IIH2液态SiHCl3TGSH2+SiHCl3H2+SiHCl3Si+3HCl电子级硅（多晶硅）EGS工艺腔2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai261:冷却平台,2:冷却保护玻璃,3:观察窗玻璃,4:石英罩,5:硅核(细柱),6:电流源,7:饱和器Xianying Dai27多晶硅(EGS:Electronic Grade Silicon)2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai28Si单晶的制备n直拉法：CZ法n悬浮区熔法：FZ法Xianying Dai29直拉法（Czochralski，CZ法）石英坩锅石英坩锅石墨坩锅石墨坩
15、锅单晶硅锭单晶硅锭单晶硅籽晶单晶硅籽晶加热线圈加热线圈2.2 单晶单晶Si制备制备硅熔点为1414,沸点为2355 Xianying Dai30直拉(CZ)法生长Si单晶2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai311）拉晶仪炉子n石英坩埚：盛熔融硅液；n石墨基座：支撑石英坩埚；加热坩埚；n旋转装置：顺时针转；n加热装置：RF线圈；2.2 单晶单晶Si制备制备直拉(CZ)法生长单晶Xianying Dai321）拉晶仪拉晶装置n籽晶夹持器：夹持籽晶（单晶）；n旋转提拉装置：逆时针；环境控制n真空系统：n气路系统：提供惰性气体；n排气系统：电子控制及电源系统 2.2 单晶单晶Si制备制
16、备直拉(CZ)法生长Si单晶Xianying Dai332 2）拉晶过程）拉晶过程例，2.5及3英吋硅单晶制备 熔硅n调节坩埚位置；（注意事项：熔硅时间不易长）引晶（下种）n籽晶预热：目的-避免对热场的扰动太大；位置-熔硅上方；n与熔硅接触：温度太高-籽晶熔断；温度太低-籽晶不熔或不生长；合适温度-籽晶与熔硅可长时间接触，既不会进一步融化，也不会生长；2.2 单晶单晶Si制备制备直拉(CZ)法生长单晶Xianying Dai342 2）拉晶过程）拉晶过程收颈n 目的：抑制位错从籽晶 向晶体延伸；n 直径：2-3mm；n 长度：20mm；n 拉速：3.5mm/min 放肩n 温度：降15-40；
17、n 拉速：0.4mm/min；2.2 单晶单晶Si制备制备直拉(CZ)法生长单晶Xianying Dai35Xianying Dai36（悬浮）区熔法生长单晶2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai37直拉法 vs（悬浮）区熔法 u 直拉法，更为常用直拉法，更为常用(占占75以上以上)便宜便宜 更大的圆片尺寸更大的圆片尺寸(300mm已生产已生产)剩余原材料可重复使用剩余原材料可重复使用 位错密度：位错密度：0104cm2u 区熔法区熔法 高纯度的硅单晶高纯度的硅单晶(不使用坩锅不使用坩锅)（电阻率（电阻率2000W W-mm）成本高，可生产圆片尺寸较小成本高，可生产圆片尺寸较小(
18、150mm)主要用于功率器件主要用于功率器件 位错密度：位错密度：103105cm22.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai38（水平）区熔法-布里吉曼法 制备GaAs单晶Xianying Dai39硅锭整型处理定位边（参考面）150mm或更小直径定位槽200mm或更大直径2.2 单晶单晶Si制备制备截掉头尾、直径研磨和定位边或定位槽Xianying Dai40定位边或定位槽的作用识别晶向、导电类型及划片方向；识别晶向、导电类型及划片方向；硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；硅片（晶锭）机械加工定位的参考面；硅片装架的接触位置。硅片装架的接触位置。2.2 单晶单晶Si制备制备Xian
19、ying Dai41切片(Wafer Sawing)晶向标记晶向标记定位槽定位槽锯条锯条冷却液冷却液硅锭硅锭硅锭运动方向硅锭运动方向金刚石覆层金刚石覆层2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai42边缘倒角(Edge Rounding)倒角前的圆片倒角前的圆片倒角后的圆片倒角后的圆片2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai43硅圆片机械研磨(Lapping)n粗抛光n常规的使用研磨剂（Al2O3、SiC、ZrO、SiO2、MgO）进行浆料研磨n去除大多数表面损伤n获得平整的表面2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai44硅圆片化学腐蚀(Etch)n去除圆片表面
20、的缺陷nHNO3(重量比浓度79%)、HF(重量比浓度49%)和纯CH3COOH配成4:1:3溶液n腐蚀化学反应 3Si+4HNO3+6HF3H2SiF6+4NO+8H2O2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai45化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing:CMP)2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai46200mm硅圆片厚度和表面粗糙度的变化锯片后倒角后机械研磨后化学腐蚀后CMP后2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai47硅圆片的基本参数2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai48Xianying Dai49
21、Si外延片n定义n目的n外延反应室n外延工艺2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai50外延(Epitaxy)定义nEpitaxy，希腊语，epi：Upon，taxy:orderly,arrangedn外延层：单晶衬底上单晶薄膜层n外延：同质外延和异质外延n同质外延：衬底与外延层为相同晶体，晶格完全匹配n异质外延：衬底与外延层为不同晶体，晶格不匹配2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai51双极晶体管（电路）中外延层的应用n高阻的外延层可提高集电结的击穿电压n低阻的衬底（或埋层）可降低集电极的串联电阻2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai52CMOS器件（
22、电路）中外延层的应用2.2 单晶单晶Si制备制备减小pnpn寄生闸流管效应降低漏电流Xianying Dai53Si外延的源材料nSi源气体：SiH4(硅烷),SiH2Cl2(二氯硅烷),SiHCl3(三氯硅烷),SiCl4(四氯硅烷)n掺杂剂：N型掺杂剂：PH3,AsH3 P型掺杂剂：B2H6,2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai54外延设备：外延炉2.2 单晶单晶Si制备制备右上图：立式炉左下图：卧式炉Xianying Dai55小结nSi的重要性：储量丰富，便宜，易生成氧化物等。nSi衬底的晶向：and。nSi单晶制备：直拉法和区熔法,直拉法更为常用nSi片的制备：锯片,
23、修边,研磨,腐蚀和CMPnSi外延片:Si体单晶上生长Si单晶薄膜nSi外延片的应用：双极与MOS器件（电路）.nSi外延的硅源:SiH4,SiH2Cl2,SiHCl3,SiCl4n Si外延的原位掺杂：P型掺杂源（B2H6）；N型掺杂源（PH3和AsH3）。2.2 单晶单晶Si制备制备Xianying Dai562.3 高温工艺高温工艺Xianying Dai57Thermal Processes in IC Fabrication2.3 高温工艺高温工艺Xianying Dai58高温工艺(Thermal Processes)n高温工艺设备n热氧化n扩散n退火2.3 高温工艺高温工艺Xia
24、nying Dai59高温工艺(Thermal Processes)设备n高温炉是高温工艺的常用设备n通常，高温炉主要由控制部分，气体输运部分，工艺炉管或反应室，硅片装卸部分和尾气处理部分等组成高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai60气路输运部分气瓶减压器控制阀质量流量控制器高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai61热氧化源气体n干氧：干燥氧气n湿氧：氧气携带水（鼓泡器）n水汽：氢气和氧气，H2+O2H2On氯源：降低可动离子(Na+栅氧化层)无水HCl 三氯乙烯Trichloroethylene(TCE)高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai62扩散（源气体）
25、nP型掺杂剂 B2H6，焦巧克力色，令人作呕的芳香气味 有毒，易燃易爆nN型掺杂剂 PH3，腐烂鱼腥味 AsH3，大蒜味 有毒，易燃易爆n吹扫气体 氮气N2高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai63退火（源气体）n高纯氮气N2，保护气体nH2O，有时用作PSG和BPSG玻璃回潮的环境气体nO2，用作STI形成工艺USG CMP后USG的退火n较低纯度氮气N2用作空闲状态时的吹扫气体高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai64尾气处理部分n尾气排出大气前需对危险气体进行处理n有毒、易燃、易爆和腐蚀性尾气需要被处理n焚烧炉处理大多数有毒、易燃和易爆的气体n喷水洗刷器溶解燃烧的氧化
26、物和腐蚀性气体n处理后的气体可以排入大气(满足环保要求)高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai65温度控制n高温工艺对于温度非常敏感n精确的温度控制非常关键n中心温区：0.5 0.05%at 1000!高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai66温控系统n热电偶与反应炉管接触测温；n温控仪提供功率给加热线圈；n加热功率正比于设定值与测量值之间的偏差高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai67反应室n高纯石英 高温稳定性 清洁性n缺点 易碎 含有一些金属离子 不能阻挡Na离子 在 1200 C下出现小片脱落,失去表面光泽高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai6
27、8卧式炉管高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai69立式炉管高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai70高温工艺设备小结n高温工艺通常使用炉管反应室；n反应炉通常由控制系统、气体输运系统、反应腔、装卸片系统和尾气处理系统构成；n立式炉管使用最广泛，因为其占地面积小、污染控制好、维护量小；n温度控制的精确性和均匀性对于高温工艺的成功至关重要。高温工艺设备高温工艺设备Xianying Dai71氧化n简介n氧化膜的应用n氧化机理n氧化工艺n氧化设备nRTO快速热氧化热氧化热氧化Xianying Dai72简介n硅与O2直接反应可得；nSiO2性能稳定；n氧化工艺在 IC制造中广泛
28、使用Si+O2 SiO2氧化层简介氧化层简介Xianying Dai73 SiO2薄膜的结构无定形（非晶形）结构：密度2.15-2.25g/cm3n结构特点：（由无规则排列的Si-O4四面体组成的三维网络结构),即短程有序，长程无序；nSi-O4四面体:在顶角处通过氧（O)相互联结,构成三维网络结构。Xianying Dai74SiO2的性质密度：表征致密度，约2.2g/cm3，与制备方法有关。折射率:表征光学性质的参数，5500下约为1.46，与制备方法有关。电阻率：与制备方法及杂质数量有关，如干氧在 1016cm。介电强度：表征耐压能力，106-107 V/cm。介电常数:表征电容性能，S
29、iO2=3.9。熔点：无固定熔点，1700。Xianying Dai75Oxidation氧化层简介氧化层简介Silicon氧化机制Xianying Dai76氧化膜的应用n掺杂阻挡层n表面钝化(保护)n隔离层n栅氧化层nMOS电容的介质材料氧化层应用氧化层应用Xianying Dai77掺杂阻挡氧化层nMuch lower B and P diffusion rates in SiO2 than that in SinSiO2 can be used as diffusion mask氧化层应用氧化层应用Xianying Dai78表面钝化(保护)氧化层nPad Oxide衬垫（缓冲）氧化层
30、,Screen Oxide屏蔽氧化层 Sacrificial Oxide牺牲氧化层,Barrier Oxide阻挡氧化层nNormally thin oxide layer(150)to protect silicon defects from contamination and over-stress.氧化层应用氧化层应用Xianying Dai79Screen Oxide氧化层应用氧化层应用Xianying Dai80Pad and Barrier Oxides in STI Process氧化层应用氧化层应用USG:Undoped Silicate Glass未掺杂硅酸盐玻璃Xianyi
31、ng Dai81Application,Pad OxidenRelieve strong tensile stress of the nitridenPrevent stress induced silicon defects氧化层应用氧化层应用Xianying Dai82Application,Sacrificial OxidenDefects removal from silicon surface氧化层应用氧化层应用Xianying Dai83器件隔离氧化层nElectronic isolation of neighboring devicesnBlanket field oxide（场
32、氧）nLocal oxidation of silicon(LOCOS，局部氧化)nThick oxide,usually 3,000 to 10,000 氧化层应用氧化层应用Xianying Dai84Blanket Field Oxide Isolation氧化层应用氧化层应用Xianying Dai85LOCOS Process氧化层应用氧化层应用Xianying Dai煮沸器（Boiler System）键长 Bond length in single crystal Si可降低氧化温度:压力增大1 amt，温度可降低30 C键长 Bond length in single cryst
33、al SiStrong oxidants remove organic residues.Local oxidation of silicon(LOCOS，局部氧化)石英砂（SiO2)冶金级硅(MGS)硅片装架的接触位置。钛（Ti）PVD氧化速率更高（比常压）常见的物理现象，物质从高浓度区向低浓度区移动气泡发生器（Bubbler System）氧化机制-干（氧）氧化温度升高会引起更大的氧化速率升高 HCl与MGS粉反应形成TCS（trichlorosilane：氯硅烷）86LOCOSnCompare with blanket field oxide Better isolation更好的隔离
34、Lower step height更低台阶高度 Less steep sidewall侧墙不很陡峭nDisadvantage缺点 rough surface topography粗糙的表面形貌 Birds beak鸟嘴nReplacing by shallow trench isolation(STI)氧化层应用氧化层应用Xianying Dai87栅氧化层nGate oxide:thinnest and most critical layernCapacitor dielectric氧化层应用氧化层应用Xianying Dai88氧化膜(层)应用名称名称应用应用厚度厚度说明说明自然氧化层自然
35、氧化层不希望的不希望的15-20A15-20A屏蔽氧化层屏蔽氧化层注入隔离，减小损伤注入隔离，减小损伤200A200A热生长热生长掺杂阻挡层掺杂阻挡层掺杂掩蔽掺杂掩蔽400-1200A400-1200A选择性扩散选择性扩散场氧化层和场氧化层和LOCOSLOCOS器件隔离器件隔离3000-5000A3000-5000A湿氧氧化湿氧氧化衬垫氧化层衬垫氧化层为为Si3N4Si3N4提供应力减小提供应力减小100-200A100-200A热生长很薄热生长很薄牺牲氧化层牺牲氧化层去除缺陷去除缺陷1000A1000A热氧化热氧化栅氧化层栅氧化层用作用作MOSMOS管栅介质管栅介质30-120A30-120
36、A干氧氧化干氧氧化阻挡氧化层阻挡氧化层防止防止STISTI工艺中的污染工艺中的污染100-200A100-200A氧化层应用氧化层应用Xianying Dai89表面未清洗硅片的热氧化层n热氧化生长的SiO2层是无定形的nSiO2分子间趋于交联形成晶体n未清洗硅片表面的缺陷和微粒会成为SiO2的成核点n这种SiO2层的阻挡作用很差n氧化前需要清洗硅片表面氧化前需要清洗硅片表面Silicon Dioxide Grown on Improperly Cleaned Silicon SurfaceXianying Dai90氧化前圆片清洗Pre-oxidation Wafer Clean n颗粒n有
37、机粘污n无机粘污n本征氧化层Xianying Dai91RCA清洗nDeveloped by Kern and Puotinen in 1960 at RCAnMost commonly used clean processes in IC fabsnSC-1NH4OH:H2O2:H2O with 1:1:5 to 1:2:7 ratio at 70 to 80 to remove organic contaminants.(1号液)nSC-2-HCl:H2O2:H2Owith 1:1:6 to 1:2:8 ratio at 70 to 80 to remove inorganic conta
38、minates.(2号液)nDI water rinsenHF dip or HF vapor etch to remove native oxide.Xianying Dai92Pre-oxidation Wafer Clean Particulate RemovalnHigh purity deionized(DI)water or H2SO4:H2O2 followed by DI H2O rinse.nHigh pressure scrub or immersion in heated dunk tank followed by rinse,spin dry and/or dry ba
39、ke(100 to 125 C).Xianying Dai93Pre-oxidation Wafer Clean Organic RemovalnStrong oxidants remove organic residues.nH2SO4:H2O2 or NH3OH:H2O2 followed by DI H2O rinse.nHigh pressure scrub or immersion in heated dunk tank followed by rinse,spin dry and/or dry bake(100 to 125 C).Xianying Dai94Pre-oxidati
40、on Wafer Clean Inorganic RemovalnHCl:H2OnImmersion in dunk tank followed by rinse,spin dry and/or dry bake(100 to 125)Xianying Dai95Pre-oxidation Wafer Clean Native Oxide RemovalnHF:H2OnImmersion in dunk tank or single wafer vapor etcher followed by rinse,spin dry and/or dry bake(100 to 125)Xianying
41、 Dai96氧化机制-干（氧）氧化n氧化剂：干燥的O2nSi+O2SiO2nO来源于提供的氧气；Si来源于衬底硅圆片nO2通过表面已有的氧化层向内扩散并与Si反应生长SiO2n氧化膜越厚，生长速率越低n干氧化速率最低Xianying Dai97氧化机制-水汽氧化n氧化剂：H2OnSi+2H2O SiO2+2H2n高温下，H2O易于分解为H和H-OnH-O在 SiO2中的扩散系数高于O2的扩散系数n水汽氧化的生长速率最高Xianying Dai98氧化机制-湿（氧）氧化n氧化剂：O2携带H2OnSi+O2SiO2nSi+2H2O SiO2+2H2n湿氧化的生长速率介于水汽氧化与干氧化之间n实际氧
42、化工艺：干氧+湿氧+干氧？Xianying Dai99氧化速率分布Xianying Dai100 硅干氧化和湿氧化比较干氧氧化湿氧氧化Xianying Dai101影响氧化速率的因素n温度n湿氧化或干氧化n厚度n压力n硅片晶向(或)n硅中杂质Xianying Dai102氧化速率与温度n氧化速率对温度很敏感，指数规律n温度升高会引起更大的氧化速率升高n物理机理：温度越高，O2与Si的化学 反应速率越高；温度越高，O2在SiO2中的 扩散速率越高。Xianying Dai103氧化速率与圆片晶向n表面的氧化速率 高于表面n原因：表面的Si 原子密度高Xianying Dai104氧化速率与杂质浓
43、度n杂质元素和浓度n高掺磷的硅有更高的氧化层生长速率，更低密度的氧化层薄膜和更高的刻蚀速率n通常，掺杂浓度越高，氧化层生长速率越高；在氧化过程的线性区(氧化层较薄时)更为显著。Xianying Dai105氧化：杂质堆积和耗尽效应nN型杂质(P、As、Sb)在Si中的溶解度高于在SiO2中的溶解度，当SiO2生长时，杂质向Si中移动（分凝），这引起杂质堆积或滚雪球效应nP型杂质B倾向于向SiO2中运动，这引起杂质耗尽效应Xianying Dai106杂质耗尽和杂质堆积Xianying Dai107氧化速率与加氯氧化nCl 可以减少氧化层中的可动离子（如Na+）nMOS栅极氧化中广泛采用n氧化速
44、率提高（15）nCl来源：氯气，氯化氢，三氯乙烯(TCE)，氯仿(TCA)从安全和方便角度，TCA(CHCl3)为比较好的氯源。Xianying Dai108氧化速率与不均匀氧化n氧化层越厚，氧化速率越小；n氧化层越厚，O需要更长的扩散路程才能与衬底硅发生反应Xianying Dai109氧化工艺应用n干氧化，薄氧化层（干氧化，薄氧化层（1000A）MOS栅氧化层（30120A）衬垫氧化层（100200A），屏蔽氧化层（200A），牺牲氧化层（1000A），等等n湿氧化，厚氧化层湿氧化，厚氧化层 场氧化层（30005000A）扩散掩膜氧化层（4001200A）Xianying Dai110干氧
45、化系统质量流量控制器调压器控制阀Xianying Dai111干氧化n主气体：干氧O2 nHCl 去除栅氧化的可动离子n高纯 N2：工艺吹扫气体n低纯度 N2：空闲吹扫气体Xianying Dai112悬挂键 和 界面电荷界面态电荷（正）悬挂键Xianying Dai113湿氧化n速率高n厚氧化层,如 LOCOSn干氧化质量更高8nm/min80nm/minXianying Dai114水汽来源n煮沸器n气泡发生器nFlushn热反应Xianying Dai115煮沸器（Boiler System）Xianying Dai116气泡发生器（Bubbler System）Xianying Dai
46、117Flush SystemXianying Dai118热反应（Pyrogenic Steam System）Xianying Dai119热反应n优点 全气态 源气流精确可控n缺点 H2易燃，易爆n典型H2:O2 比：（1.8:1）（1.9:1）Xianying Dai120快速热氧化（Rapid Thermal Oxide）n深亚微米栅氧化n氧化膜极薄：30 n需要对温度均匀性精确控制Xianying Dai121高压氧化n氧化速率更高（比常压）n可降低氧化温度:压力增大1 amt，温度可降低30 Cn更高的介电强度（比常压）n缺点:设备复杂，存在安全问题Xianying Dai122
47、氧化小结nSiO2的应用：掺杂阻挡层、器件隔离层、栅氧化层、MOS电容的介质材料、表面钝化(保护)层n表面钝化(保护)：衬垫氧化层，掺杂阻挡层，牺牲氧化层，阻挡氧化层，注入屏蔽氧化层n氧化前圆片清洗：RCA清洗n氧化类型与机制：干氧、水汽及湿氧n干氧化和湿氧化，（RTO，高压氧化）Xianying Dai123Xianying Dai124扩散的基本概念n常见的物理现象，物质从高浓度区向低浓度区移动n扩散：最常用的半导体掺杂技术之一n扩散掩膜：二氧化硅n设备：扩散炉Xianying Dai125扩散掺杂举例Xianying Dai126扩散形成PN结Xianying Dai127结深的定义背景
48、载流子浓度杂质浓度结深Xianying Dai128扩散掺杂过程n硬掩膜：氧化硅n淀积杂质氧化物 B2H6+2 O2 B2O3+3 H2O 4POCl3+3O2=2P2O5+3Cl2n帽层氧化 防止杂质向气相中扩散 2 B2O3+3 Si=3 SiO2+4 B 2 H2O+Si=SiO2+2 H2 2P2O5+5Si=5SiO2+4Pn杂质推进:B或P 向硅衬底扩散Xianying Dai129磷扩散系统1301 1）硅片清洗）硅片清洗2 2）表面氧化）表面氧化3 3）掺杂区图形制作）掺杂区图形制作4 4）刻蚀氧化硅）刻蚀氧化硅5 5）去除光刻胶）去除光刻胶6 6）清洗）清洗扩散掺杂工艺示意扩
49、散掺杂工艺示意1317 7）掺杂氧化物淀积）掺杂氧化物淀积 -预淀积预淀积扩散掺杂工艺示意扩散掺杂工艺示意8 8）帽层氧化）帽层氧化9 9）杂质推）杂质推-再分布再分布1010）去除氧化物）去除氧化物,进入下一步工艺进入下一步工艺Xianying Dai132应用与局限性n扩散是各向同性的，掩膜下方也会有杂质横向扩散n不能独立控制结深和掺杂浓度n主要用在阱注入后的推进工艺横向扩散Xianying Dai133阱注入与推进Xianying Dai134RTP（Rapid Thermal Processing）Xianying Dai135注入后退火n高能离子损伤晶体结构n非晶硅有很高的电阻率n需
50、要外部能量如热使其恢复单晶结构n只有在单晶结构中杂质才能被激活Xianying Dai136注入后退火n单晶结构势能最低n原子倾向于停留在格点上n热提供原子快速运动的能量n原子将找到并落入格点，此处有最低势能n更高温度,更快退火Xianying Dai137离子注入前Xianying DaiSi-O4四面体:在顶角处通过氧（O)相互联结,构成三维网络结构。从安全和方便角度，TCA(CHCl3)为比较好的氯源。O2通过表面已有的氧化层向内扩散并与Si反应生长SiO2低纯度 N2：空闲吹扫气体 Better isolation更好的隔离氧化层越厚，O需要更长的扩散路程才能与衬底硅发生反应与制备方法
