半导体加工工艺(复习整理)

一、半导体衬底

1、硅是目前半导体中用的最多的一种衬底材料

2、硅的性能：屈服强度7x109 N/m2 弹性模量 1.9x1011 N/m2 密度2.3 g/cm3

热导率 1.57 Wcm-1°C-1 热膨胀系数2.33x10-6 °C-1 电阻率(P) n-型 1 - 50 Ω.cm 电阻率(Sb) n-型0.005 -10Ω.cm 电阻率(B) p-Si 0.005 -50 Ω.cm 少子寿命30 -300 μs 氧5 -25 ppm 碳 1 - 5 ppm 缺陷<500 cm-2 直径Up to 200 mm 重金属杂质< 1 ppb

3、硅的纯化SiO2+2C◊Si(冶金级）+2CO、Si+3HCl SiHCl3+H2、2SiHCl3(蒸馏后

的)+2H2 2Si(电子级)+6HCl

4、直拉法单晶生长（p19）：多晶硅放在坩埚中，加热到1420oC将硅熔化，将已知晶向的

籽晶插入熔化硅中然后拔出。硅锭旋转速度20r/min 坩埚旋转速度10r/min 提升速度：1.4mm/min (φ100mm) 掺杂P、B、Sb、As

5、芯片直径增大, 均匀性问题越来越突出

6、区熔法晶体生长（p28）：主要用于制备高纯度硅或无氧硅。生长方法：多晶硅锭放

置在一个单晶籽晶上，多晶硅锭由一个外部的射频线圈加热，使得硅锭局部熔化，随着线圈和熔融区的上移，单晶籽晶上就会往上生长单晶。特点：电阻率高、无杂质沾污、机械强度小，尺寸小。

7、

二、热氧化

1、SiO2的基本特性：热SiO2是无定形的、良好的电绝缘材料、高击穿电场、稳定和可重复的Si/SiO2界面、硅表面的生长基本是保形的、杂质阻挡特性好、硅和SiO2的腐蚀选择特性好。

2、热氧化原理：反应方程：Si(固体)+O2(气体)-->SiO2

3、含Cl氧化：氧化过程中加入少量的HCl 或TCE(三氯乙烯):减少金属沾污、改进Si/SiO2界面性能（P70）

4、氧化中消耗硅的厚度：1umSI被氧化——>2.17umSIO2

5、热氧化的影响因素：温度、气氛（干氧、水汽、HCl）、压力、晶向、掺杂

6、高压氧化：对给定的氧化速率，压力增加，温度可降低；温度不变的情况下，氧化时间可缩短

7、氧化层的缺陷：表面缺陷：斑点、白雾、发花、裂纹体内缺陷：针孔、氧化层错

8、氧化诱生堆垛层错：

三、扩散

1、掺杂在半导体生产中的作用：形成PN结；形成电阻；形成欧姆接触；形成双极形的基区、发射区、集电区，MOS管的源、漏区和对多晶硅掺杂；形成电桥作互连线

2、扩散的定义：在高温下，杂质在浓度梯度的驱使下渗透进半导体材料，并形成一定的杂质分布，从而改变导电类型或杂质浓度。

3、填隙扩散机制：硅原子挤走杂质，杂质再填隙

4、替位式杂质又称慢扩散杂质，间隙式杂质又称快扩散杂质，工艺中作为掺杂一般选择慢扩散杂质，工艺容易控制

5、基区陷落效应(也叫发射区推进效应): 现象：发射区下的基区推进深度较发射区外的基区推进深度大。产生原因：在扩散层中又掺入第二种高浓度的杂质，由于两种杂质原子与硅原子的晶格不匹配，造成晶格畸变从而使结面部份陷落改进措施：采用原子半径与硅原子半径相接近的杂质

6、扩散分布的测试分析(1)浓度的测量:四探针测量方块电阻;范德堡法；(2)结深的测量:磨球法染色

四、离子注入

1、离子注入的定义：先使待掺杂的原子或分子电离，再加速到一定的能量，使之注入到晶体中，然后经过退火使杂质激活

2、离子注入的优点：(1)精确控制剂量和深度:从1010到1017个/cm2,误差+/- 2%之间; (2)低温:小于125℃;(3)掩膜材料多样:photoresist, oxide, poly-Si, metal; (4)表面要求低(5)横向均匀性好(< 1% for 8”wafer)

3、离子注入系统:离子源(BF3, AsH3, PH3);加速管;终端台(P98)

4、质量分析器: 选择所需要的杂质离子，筛选掉其他的杂质离子(P99)

5、加速器: 利用强电场使离子加速获得足够的能量能够穿跃整个系统并注入靶中 (注入深度取决于加速管的电场能量)

6、靶室：接受注入离子并计算出注入剂量

I: 束流强度 A ：硅片面积 t: 注入时间

7、库仑散射与离子能量损失机理(P103)

8、离子注入损伤与退火: 退火的作用：(1)消除晶格损伤 (2)激活杂质; 退火的方法：

(1)高温热退火：用高温炉把硅片加热至800-1000℃ 并保持30分钟。特点：方法简单，设

备兼容，但高温长时间易导致杂质的再扩散。

9、注入损伤(P110): 入射离子与晶格碰撞产生原子移位,形成损伤。 热处理可以消除

损伤和激活杂质。 晶体中的缺陷：一次缺陷、二次缺陷(点缺陷重新组合并扩展

形成的，如位错环) P111

10、等时退火:激活载流子、减小二次缺陷(P113) 固相外延的过程(SEP) P112

11、Rapid Thermal Processing:减小了杂质再分布、工艺简单、硅化物的形成、热塑应力

五、光刻

1、光刻:将掩模版上的图形转移到硅片上

2、光刻系统的设备需要:甩胶机、烘箱或热板、对准与暴光机。

对准机Aligner-3个性能标准：分辨率: 3σ<10%线宽、对准、产量

3、光刻分辨率：对准机和光刻胶的分辨率是爆光波长的函数；波长越短, 分辨率越高；短

波长能量高，爆光时间可以更短、散射更小。

4、光源：Hg Arc lamps 436(G-line), 405(H-line), 365(I-line) nm ； Excimer lasers: KrF

(248nm) and ArF (193nm) P160

5、接触式光刻：Resolution R < 0.5µm ； 掩膜板容易损坏或沾污 （P163）

6、接近式光刻 P165

7、投影式光刻:增加数值孔径NA ，最小特征尺寸减小，但聚焦深度也减小，必须折中考虑。

8、光刻胶:负胶---爆光区域保留;正胶---爆光区域去除 P181

灵敏度---发生化学变化所需的光能量 分辨率---在光刻胶上再现的最小尺寸

9、聚合物：聚合物是由许多小的重复单元连接而成的。 结构：串联、分支、交联

对于光刻胶： 爆光产生断链是正胶；爆光产生交联是负胶 P183

10、DQN 正胶：PAC 的氮分子键很弱，光照会使其脱离； Wolff 重组，形成乙烯酮；

初始材料不溶于基本溶液 ； PAC 为抑制剂。 P184

11、DQN 正胶感光机理：邻叠氮萘醌类化合物经紫外光照射后，分解释放出氮气，同时分

子结构进行重排，产生环的收缩作用，再经水解生成茚羧酸衍生物，成为能溶于碱性溶液的

物质，从而显示图形。

12、先进光刻技术：浸入光刻(优点:分辨率与n 成正比;聚焦深度增加)； 电子束光刻(缺点:

束流大, 10’s mA;产量低, 10wafers/hr.) ; 离子束光刻 ; 纳米压印光刻

六、刻蚀

1、刻蚀的定义：硅片表面形成光刻胶图形后，通过刻蚀将图形转移到wafer 上。 干法、

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