04-第四章-半导体器件制备工艺

分子束外延（MBE） Molecule Beam Epitaxy
MOCVD Metalorganic Chemical Vapor Deposition （金属有机化学气相淀积）
•晶体质量高 •重复性好 •稳定性好 •工艺灵活 •易于规模化生产
AsH3 or NH3
13
MOCVD系统组成
AlGaInN材料的外延生长 ---有机金属气相沉淀(MOCVD)
1 1 2 4 2 2a a
4 14 2 9 . 59 10 atom / cm 2a 2
（111）
1 1 2 2 4 2 3 a 2a 2
4 2 3a
第四章 器件制备技术初步
一．半导体材料的制备技术
二．器件制备工艺举例
三．器件工艺技术总览
四．器件工艺的环境要求
p-sub
NMOS制备流程
刻蚀氧化层
氧化层通常留下一个薄层，以减小离子注入对Si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 应。
Photoresist Poly silicon SiO2
p-sub
NMOS制备流程
去除光刻胶
Poly silicon SiO2
p-sub
NMOS制备流程
源漏掺杂 （离子注入）
Poly silicon SiO2 N-Well N-Well
p-sub
NMOS制备流程
淀积钝化层
Passivation Layer Poly silicon SiO2 N-Well N-Well
p-sub
NMOS制备流程
刻蚀接触孔
Poly silicon SiO2 N-Well N-Well
N+
S
P-substrate
D
D
N-well
S
（三）CMOS工艺
第四章 器件制备技术初步
一．半导体材料的制备技术
二．器件制备工艺举例
三．器件工艺技术总览
四．器件工艺的环境要求
三、器件工艺技术总览
1. 光刻
2. 镀膜
绝缘介质膜：热氧化、CVD 金属膜：溅射、电子束蒸发、热蒸发
3. 掺杂（离子注入、热扩散）
二、器件制备工艺举例
（一）PN结的制备方法
（二） MOSFET的制备工艺 （三） CMOS工艺
（一）pn 结的制作方法
合金法 扩散法 离子注入法 外延生长法
方法1. 合金法
固态Al
熔融 Al
固态Al
p
n-Si 常温
n 高温
n 常温
方法2. 扩散法
光刻胶
SiO 2
N Si
N+
N Si
N+
图1.3 面心立方结构单元
4. 晶面和晶向
图1.4 常用的密勒指数示意图（a）晶面 （b）晶向
半导体的晶格结构和结合性质 二、半导体的晶格结构
1、半导体材料的原子组成
半导体的晶格结构和结合性质
2.金 刚 石 晶 体 结 构和共价键 （ Si：a=5.43A; Ge:a=5.66A ; -SiC:a=4.35A， 金刚石 a=3.567A等）
Clothing in a Cleanroom
Air Shower （风淋）
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
3. Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体结构
半导体的晶格结构和结合性质
一、 晶格结构的基本概念 1、三维立方晶格-简单立方
图1.1 简单立方堆积
简单立方结构单元
半导体的晶格结构和结合性质
2、三维立方晶格-体心立方
图1.2 体心立方堆积
体心立方结构单元
半导体的晶格结构和结合性质
3、三维立方晶格-面心立方
p-sub
NMOS制备流程
淀积金属
Poly silicon SiO2 N-Well N-Well
p-sub
NMOS制备流程
刻蚀金属
Source
Gate Poly silicon SiO2
Drain
N-Well
N-Well
p-sub
（三）CMOS工艺
GND
Vin
Vout
V
DD
P+
N+
N+
P+
P+
非外延生长
外延生长
衬底 (substrate)
外延的种类
液相外延（LPE） Liquid Phase Epitaxy 分子束外延（MBE） Molecule Beam Epitaxy 化学气相淀积（CVD） Chemical Vapor Deposition MOCVD （金属有机化学气相淀积）
液相外延（LPE） Liquid Phase Epitaxy
4. 刻蚀（干法、湿法）
第四章 器件制备技术初步
一．半导体材料的制备技术
二．器件制备工艺举例
三．器件工艺技术总揽
四．器件工艺的环境要求
4.1 工艺间(Cleanroom)
What is 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, are controlled as necessary.
半导体的掺杂—离子注入
半导体的掺杂
36
离子注入前
Lattice Atoms
离子注入后
Lattice Atoms
Dopant Atom
热退火
Lattice Atoms
Dopant Atoms
方法4. 外延生长法
P electrode p+ cap layer p n n+ Substrate N electrode
淀积多晶硅
Poly silicon SiO2
p-sub
NMOS制备流程
旋涂光刻胶
Photoresist Poly silicon SiO2
p-sub
NMOS制备流程
显影
Photoresist Poly silicon SiO2
p-sub
NMOS制备流程
刻蚀多晶硅
Photoresist Poly silicon SiO2
第四章 器件制备技术初步
一．半导体材料的制备技术
二．器件制备工艺举例
三．器件工艺技术总览
四．器件工艺的环境要求
一、半导体材料的制备技术
单晶提拉法 外延生长法
单晶提拉法
Si晶片的制造过程
外延生长法
外延生长—— Epitaxy 磊晶 （台湾称谓）
epi：在…之上 （on, upon）
taxis：规则地安置排列 (orderly arrangement)
气体与MO源 GMS cabinet
真空与反应室 Load/Lock 加热器 Heater
反应室 reactor 控制柜 Control bcabinet 真空与排气 Vacuum & Exhaust
衬底 substrate
半导体的晶格结构和结合性质
一. 晶格结构的基本概念 1. 三维立方晶格-简单立方 2. 三维立方晶格-体心立方 3. 三维立方晶格-面心立方 4. 晶面和晶向 二. 半导体的晶格结构 1.半导体材料的原子组成 2. 金 刚 石 晶 体 结 构和共价键
3、计算硅<100>, <110> 和〈111〉晶向上单位长度内
的原子数，即原子线密度
1.1 半导体的晶格结构和结合性质 • 练习题1
8 8 22 2 5 . 25 10 atom / cm Si: 3 a (5.43 108 )3
Ge: 8 3
a
8 22 2 4 . 4 10 atom / cm (5.66 108 )3
N+
(a)抛光处理后的型硅晶片
(b)采用干法或湿法氧化 工艺的晶片氧化层制作
(c)光刻胶层匀胶及坚膜
紫外光
掩模板
光刻胶 SiO 2
N Si
N+
（d)图形掩膜、曝光
(e) 曝光后去掉扩散窗口膜的 晶片
（f)腐蚀SiO2后的晶片
半导体的掺杂—热扩散
半导体的掺杂
方法3. 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
100000
10000
• Class 10 is defined as less than 10 particles with diameter larger than 0.5 mm per cubic foot. • Class 1 is defined as less than 1 such particles per cubic foot. • 0.18 mm device require higher than Class 1 grade clean room.
Particle s on Mask Stump on 正型胶 Film Substrat e Film Substrat e
Hole on 负 型胶
Ion Beam
Dopant in PR
Particle Photoresist
Screen Oxide
Partially Implanted Junctions
半导体的晶格结构和结合性质
练习题2
（100），（110）和（111）晶面上的原子分布
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
（100）
1 4 a2 2 4 1 2 14 2 4 2 6 . 78 10 atom / cm a 2 (5.43 10 8 ) 2
（110）
4
外延生长法不仅可以制作同质材料pn结，而且可以制作异质材料pn结
（二）n沟MOSFET制备工艺
P型Si衬底的制备 热氧化SiO2 淀积多晶硅 光刻 腐蚀开窗口 掺杂 钝化保护 电极的形成
NMOS制备流程
P型衬底的制备
p-sub
NMOS制备流程
热氧化SiO2层
Βιβλιοθήκη Baidu
SiO2
p-sub
NMOS制备流程
1000 Number of particles / ft3
100
10
1
0.1
0.1
1.0
Particle size in micron
10
Why 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 particles (>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 – Cann’t be handle by high-pressure airflow – An air blower add more particles
共价键
金刚石结构
半导体的晶格结构和结合性质
练习题 ：
1、在室温下Si的晶格常数a=5.43A; Ge的晶格常数 a=5.66A，分别计算每立方厘米内硅、锗的原子个数 2、分别计算Si（100），（110），（111）面每平方厘 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）