半导体器件物理【3】半导体与IC工艺

前言

半导体器件物理课的绪论，以下内容被忽略：半导体的历史、地位、集成电路的发展趋势和前景等。

前言
半导体
- 什么是半导体
- 半导体的分类
- 半导体的特性
- 半导体的发展
- DRAM集成都与工艺进展
IC工艺
外延
- CMOS闩锁效应
- Si的气相外延VPE
- - 外延工艺常用的Si
氧化
- SiO2薄膜
- SiO2的性质
- SiO2的用途
Si的热氧化
- 热氧化方法
- 热氧化工艺
光刻
- 掩膜板
- 光刻胶
刻蚀
- 湿法刻蚀（腐蚀）
- 干法刻蚀
- - 物理刻蚀
  - 化学刻蚀
  - 物理化学刻蚀（RIE刻蚀）
掺杂
- 扩散
- 离子注入
薄膜制备工艺
- 化学气相淀积（CVD）
- 物理气相淀积（PVD）
- - 真空蒸镀
  - 溅射

半导体

什么是半导体

固体的分类：超导体、导体、半导体、绝缘体

半导体的电阻率ρ\rhoρ介于导体和绝缘体之间，并且有负的电阻温度系数

绝缘体的电阻率：ρ>108Ωcm\rho > 10^{8} \Omega cmρ>108Ωcm

导体的电阻率：ρ<10−4Ωcm\rho < 10^{-4} \Omega cmρ<10−4Ωcm

半导体的电阻率：10−4Ωcm<ρ<108Ωcm10^{-4} \Omega cm< \rho < 10^8 \Omega cm10−4Ωcm<ρ<108Ωcm

半导体的分类

功能区分：微电子半导体、光电半导体、热电半导体、微波半导体、气敏半导体

组成区分：无机半导体（元素、化合物）、有机半导体

结构区分：晶体、非晶体

半导体的特性

温度升高，导电能力增强，电阻率下降
微量杂质可以显著改变导电能力
适当波长的光照可以改变导电能力
适当的电场、磁场可以改变导电能力

半导体的发展

分子束外延MBE 和 金属有机化学汽相沉积MOCVD 发展到半导体超晶格、量子阱材料

杂质工程 结合 半导体超晶格、量子阱材料 发展到能带工程

电学特性和光学特性可裁剪 发展到能带工程

DRAM集成都与工艺进展

IC工艺

集成电路工艺，指用半导体材料制作微电子产品的方法、原理、技术。

单项工艺：基本相同的小工序

不同产品的制作是单项工艺的排列组合

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NPN-Si双极型（三极管）晶体管芯片工艺流程

（Si外延平面工艺）

外延

材料区分：同质外延和异质外延

工艺区分：气相外延VPE，液相外延LVP，固相外延SPE，分子束外延MBE

温度区分：高温外延（>1000°C），低温外延（<1000°C），变温外延（先低温成核，再高温生长外延层）

电阻率高低区分：正外延（低阻衬底外延高阻层），反外延（高阻衬底外延低阻层）

外延层结构区分：普通外延，选择外延，多层外延

（还有用结构区分、用外延层厚度区分等）

CMOS闩锁效应

闩锁效应，指NMOS的源区、P衬底、N阱、PMOS的源区，构成的N-P-N-P结构产生的。当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁！

闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，可能导致电路的失效，烧毁芯片

避免闩锁的方法，减少衬底和N阱的寄生电阻，使寄生的三极管不会处于正偏状态

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微波器件的芯片制作，需要有突变杂质分布的复杂多层结构衬底材料，可以采用多层外延工艺来制备这类衬底材料

异质外延的SOS/CMOS电路，能够有效防止元件间的漏电流，抗辐照闩锁。提高CMOS电路的集成度

Si的气相外延VPE

硅的气相外延VPE，指含硅的外延层材料的物质，以气相形式运输到衬底，在高温下分解或发生化学反应，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶

硅的气相外延VPE，与化学汽相淀积CVD类似，是广义的CVD工艺

外延工艺常用的Si

四氯化硅SiCl4SiCl_4SiCl4 是最广泛的

三氯化硅SiHCl3(TCS)和SiCl4SiHCl_3 \;\;(TCS) 和SiCl_4SiHCl3(TCS)和SiCl4类似，但是温度较低，是常规外延生长

二氯硅烷SiH2Cl2(DCS)SiH_2Cl_2\;\;(DCS)SiH2Cl2(DCS)，更低温度，是选择外延

硅烷SiH4SiH_4SiH4，更适应薄外延层和低温生长

二硅烷Si2H6Si_2H_6Si2H6，低温外延

氧化

SiO2薄膜

SiO2与SiSiO_2与SiSiO2与Si之间的界面特性特别好

SiO2SiO_2SiO2是微电子工艺中采用最多的介质薄膜

SiO2SiO_2SiO2的制备方法有

热氧化（最常用的氧化方法，需要消耗硅衬底，是一种本征氧化法）
化学气相淀积
物理法淀积
阳极氧化

SiO2SiO_2SiO2

热氧化的SiO2SiO_2SiO2是非晶态，是四面体网格状结构

两个四面体之间的氧原子，称为桥联氧原子

只与一个四面体连接的氧原子，称为非桥联氧原子

SiO2SiO_2SiO2原子密度2.2×1022/cm32.2\times 10^{22} /cm^32.2×1022/cm3

SiO2的性质

密度：密度大，致密度高，2−2.2g/cm32-2.2g/cm^32−2.2g/cm3

熔点：石英晶体1732°C，非晶体的SiO2SiO_2SiO2无熔点，软化点1500°C

电阻率：与制备方法所含杂质有关，高温干氧可达到1016Ωcm10^{16}\Omega cm1016Ωcm，一般是107−1015Ωcm10^7-10^{15}\Omega cm107−1015Ωcm

介电：介电常数3.9，介电强度100−1000V/μm100-1000V/\mu m100−1000V/μm

折射率：1.33-1.37

腐蚀性：适合HF反应，与强碱反应缓慢

水溶性：不溶于水，不和水反应

SiO2的用途

电隔离模
元件组成部分
掩摸、保护膜
互连层间的绝缘介质

Si的热氧化

高温+氧化物质（氧气或水汽），在清洁的硅面上生长出二氧化硅

热氧化在硅、二氧化硅的界面上进行，通过扩散和化学反应实现。

氧气或水，在生成的二氧化硅内扩散，到了硅，二氧化硅界面后再与硅反应

硅被消耗，硅层变薄，氧化层增厚！

生长1μm1\mu m1μm二氧化硅，消耗0.44μm0.44\mu m0.44μm硅

热氧化方法

干氧氧化：氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表明干燥，适合光刻，但是生长速度最慢、容易龟裂

O2+Si⟹900−1200°CSiO2O_2 + Si \stackrel{900-1200°C}{\Longrightarrow} SiO_2 O2+Si⟹900−1200°CSiO2

水蒸气氧化：致密性最差，针孔密度最大，薄膜表面潮湿，光刻难，浮胶，但是生长速度最快

(H2+O2)+Si⟹900−1200°CSiO2+H2(H_2 + O_2) + Si \stackrel{900-1200°C}{\Longrightarrow} SiO_2 + H_2(H2+O2)+Si⟹900−1200°CSiO2+H2

湿氧氧化：氧化膜一般般干，针孔密度大，表面含水汽。光刻性能不如干氧，容易浮胶。湿氧与干氧比越高，水温越高，水汽越多，二氧化硅生长速度越快

H2O(O2)+Si⟹900−1200°CSiO2+H2H_2O(O_2) + Si \stackrel{900-1200°C}{\Longrightarrow} SiO_2 + H_2H2O(O2)+Si⟹900−1200°CSiO2+H2

热氧化工艺

1.厚层氧化/掩摸氧化（干氧-湿氧-干氧）

表面致密、针孔密度小、表面干燥、适合光刻
提高氧化速度，缩短氧化时间
流程是洗片，升温，生长，取片

2.薄层氧化（MOS栅）

干氧
掺氯氧化
流程是洗片，升温，生长，取片

光刻

掩膜板

光刻胶

刻蚀

湿法刻蚀（腐蚀）

干法刻蚀

物理刻蚀

化学刻蚀

物理化学刻蚀（RIE刻蚀）

掺杂

扩散

离子注入

薄膜制备工艺

化学气相淀积（CVD）

物理气相淀积（PVD）

真空蒸镀

溅射