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时间:2020-07-01 21:51  编辑:志丹工商银行

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《集成电路制造工艺原理》

课程教学

教案

课程总体介绍:

1.课程性质及开课时间:本课程为电子科学与技术专业(微电子技术方向和光电子技术方向)的专业选修课。本课程是半导体集成电路、晶体管原理与设计和光集成电路等课程的前修课程。本课程开课时间暂定在第五学期。

2.参考教材:《半导体器件工艺原理》国防工业出版社

华中工学院、西北电讯工程学院合编

《半导体器件工艺原理》(上、下册)

国防工业出版社成都电讯工程学院编著

《半导体器件工艺原理》上海科技出版社

《半导体器件制造工艺》上海科技出版社

《集成电路制造技术-原理与实践》

电子工业出版社

《超大规模集成电路技术基础》电子工业出版社

《超大规模集成电路工艺原理-硅和砷化镓》

电子工业出版社

3.目前实际教学学时数:课内课时54学时

4.教学内容简介:本课程主要介绍了以硅外延平面工艺为基础的,与微电子技术相关的器件(硅器件)、集成电路(硅集成电路)的制造工艺原理和技术;介绍了与光电子技术相关的器件(发光器件和激光器件)、集成电路(光集成电路)的制造工艺原理,主要介绍了最典型的化合物半导体砷化镓材料以及与光器件和光集成电路制造相关的工艺原理和技术。

5.教学课时安排:(按54学时)

课程介绍及绪论2学时

第一章衬底材料及衬底制备6学时

第二章外延工艺8学时

第三章氧化工艺7学时

第四章掺杂工艺12学时

第五章光刻工艺3学时第六章制版工艺3学时

第七章隔离工艺3学时

第八章表面钝化工艺5学时

第九章表面内电极与互连3学时

第十章器件组装2学时

课程教案:

课程介绍及序论(2学时)

内容:

课程介绍:

1教学内容

1.1与微电子技术相关的器件、集成电路的制造工艺原理

1.2与光电子技术相关的器件、集成电路的制造

1.3参考教材

2教学课时安排

3学习要求

序论:

课程内容:

1半导体技术概况

1.1半导体器件制造技术

1.1.1半导体器件制造的工艺设计

1.1.2工艺制造

1.1.3工艺分析

1.1.4质量控制

1.2半导体器件制造的关键问题

1.2.1工艺改革和新工艺的应用

1.2.2环境条件改革和工艺条件优化

1.2.3注重情报和产品结构的及时调整

1.2.4工业化生产

2典型硅外延平面器件管芯制造工艺流程及讨论

2.1常规npn外延平面管管芯制造工艺流程

2.2典型pn隔离集成电路管芯制造工艺流程

2.3两工艺流程的讨论

2.3.1有关说明

2.3.2两工艺流程的区别及原因

课程重点:介绍了与电子科学与技术中的两个专业方向(微电子技术方向和光电子技术方向)相关的制造业,指明该制造业是社会的基础工业、是现代化的基础工业,是国家远景规划中置于首位发展的工业。介绍了与微电子技术方向相关的分离器件(硅器件)、集成电路(硅集成电路)的制造工艺原理的内容,指明微电子技术从某种意义上是指大规模集成电路和超大规模集成电路的制造技术。由于集成电路的制造技术是由分离器件的制造技术发展起来的,则从制造工艺上看,两种工艺流程中绝大多数制造工艺是相通的,但集成电路制造技术中包含了分离器件制造所没有的特殊工艺。介绍了与光电子技术方向相关的分离器件、集成电路的制造工艺原理的内容。指明这些器件(发光器件和激光器件)和集成电路(光集成电路)多是由化合物半导体为基础材料的,最常用和最典型的是砷化镓材料,本课程简单介绍了砷化镓材料及其制造器件时相关的工艺技术与原理。在课程介绍中,指出了集成电路制造工艺原理的内容是随着半导体器件制造工艺技术发展而发展的、是随着电子行业对半导体器件性能不断提高的要求(小型化、微型化、集成化、以及高频特性、功率特性、放大特性的提高)而不断充实的。综观其发展历程,由四十年代末的合金工艺原理到五十年代初的合金扩散工艺原理,又由于硅平面工艺的出现而发展为硅平面工艺原理、继而发展为硅外延平面工艺原理,硅外延平面工艺是集成电路制造的基础工艺;在制造分离器件和集成电路时,为提高器件和集成电路的可靠性、稳定性,引入了若干有实效的保护器件表面的工艺,则加入了表面钝化工艺原理的内容;在制造集成电路时,为实现集成电路中各元器件间的电性隔离,引入了隔离墙的制造,则又加入了隔离工艺原理的内容。因此,集成电路工艺原理=硅外延平面工艺原理+表面钝化工艺原理+隔离工艺原理,而大规模至甚大规模集成电路的制造工艺,只不过是在掺杂技术、光刻技术(制版技术)、电极制造技术方面进行了技术改进而已。

介绍了半导体技术概况,指出半导体技术是由工艺设计、工艺制造、工艺分析和质量控制四部分构成。工艺设计包含工艺参数设计、工艺流程设计和工艺条件设计三部分内容,其设计过程是:由器件的电学参数(分离器件电学参数和集成电路功能参数)参照工艺水平进行结构参数的设计;然后进行理论验算(结构参数能否达到器件的电学参数的要求);验算合格,依据工艺原理和原有工艺数据进行工艺设计。工艺制造包含工艺程序实施、工艺设备、工艺改革三部分内容。工艺分析包含原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析和工艺条件分析等四部分内容,工艺分析的目的是为了工艺改进。质量控制包含分离器件和集成电路的失效机理研究、可靠性分析和工艺参数控制自动化三部分内容。在介绍、讨论、分析的基础上,指明了半导体器件制造中要注意的几个关键问题。介绍了以典型硅外延平面工艺为基础的常规npn外延平面管管芯制造工艺流程和典型pn隔离集成电路管芯制造工艺流程,并分析了两种工艺的共同处和不同处。

课程难点:半导体器件制造的工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容;工艺流程设计包含的具体内容;工艺条件设计包含的具体内内容。工艺制造涉及的具体内容,工艺线流程与各工序操作流程的区别。半导体器件制造的工艺分析所涉及的四部分内容,进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的意义何在;如何对应器件的不合格性能参数,通过上述四项分析进行工艺改进,从而得到合格性能参数。半导体器件制造的质量控制须做哪些工作,为什么说通过质量控制,器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度。什么是工艺改革和新工艺的应用?什么是环境条件改革和工艺条件优化?为什么要注重情报和及时调整产品结构?什么是工业化大生产?这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题?为什么说半导体器件制造有冗长的工艺流程?十几步的分离器件制造工艺流程与二十几步的集成电路制造工艺流程有什么区别?集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作,各自有哪几步工艺构成?各起到什么作用?

基本概念:

1半导体器件-由半导体材料制成的分离器件和半导体集成电路。

2半导体分离器件-各种晶体三极管;各种晶体二极管;各种晶体可控硅。

3半导体集成电路-以半导体(硅)单晶为基片,以外延平面工艺为基础工艺,将构成电路的各元器件制作于同一基片上,布线连接构成的功能电路。

4晶体三极管的电学参数-指放大倍数、结的击穿电压、管子的工作电压、工作频率、工作功率、噪声系数等。

5晶体三极管的结构参数-包括所用材料、电性区各层结构参数、器件芯片尺寸、外延层结构参数和工艺片厚度等。

6硅平面工艺-指由热氧化工艺、光刻工艺和扩散工艺为基础工艺构成的近平面加工工艺。

7硅外延平面工艺-外延工艺+硅平面工艺构成的器件制造工艺。

基本要求:要求学生了解本课程的性质,知道学好集成电路制造工艺原理对学习专业课的重要性。掌握半导体器件制造技术中所涉及的四部分内容。了解工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容;工艺流程设计包含的具体内容;工艺条件设计包含的具体内内容。了解工艺制造涉及的具体内容,知道工艺线流程与各工序操作流程的区别是什么。了解半导体器件制造的工艺分析所涉及的四个分析内容,知道进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的指导意义;能够对应器件的不合格性能参数,通过上述四项分析进行工艺改进,从而得到合格性能参数。知道半导体器件制造的质量控制须做哪些工作,能清楚知道通过质量控制,器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度的原因。知道什么是工艺改革和新工艺的应用?什么是环境条件改革和工艺条件优化?为什么要注重情报和及时调整产品结构?什么是工业化大生产?清楚这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题?了解半导体器件制造有冗长的工艺流程,分离器件制造工艺至少有十几步的工艺流程,集成电路制造工艺至少有二十几步的制造工艺流程。知道集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作两大部分,知道制作隔离区的目的何在?制作埋层区的目的何在?清楚隔离制作有哪几步工艺构成?知道隔离氧化、隔离光刻和隔离扩散工艺各自达到什目的;清楚埋层制作有哪几步工艺构成?知道埋层氧化、埋层光刻和埋层扩散工艺各自达到什目的。

绪论作业:思考题:2个

第一章衬底材料及衬底制备(6学时)

§1.1衬底半导体材料3学时

课程内容:

1常用半导体材料及其特点

1.1常用半导体材料

1.1.1元素半导体材料

1.1.2化合物半导体材料

1.2硅材料的特点

1.2.1价格低、纯度高

1.2.2制成的器件能工作在较高温度下

1.2.3电阻率选择范围宽

1.2.4其特有的硅外延平面工艺

1.3砷化镓材料的特点

1.3.1载流子的低场迁移率高

1.3.2禁带宽度更大

1.3.3能带结构更接近跃迁型

2硅、砷化镓的晶体结构及单晶硅体

2.1硅的晶体结构及特点

2.1.1硅的金刚石型晶胞结构

2.1.2硅原子沿〈111〉向的排列规律

2.2砷化镓的晶体结构及特点

2.2.1砷化镓的闪锌矿型晶胞结构

2.2.2砷化镓的〈111〉向六棱柱晶胞

2.2.3砷化镓的〈111〉向特点

2.3硅、砷化镓晶体的制备方法

2.3.1硅单晶体的制备方法

2.3.2砷化镓晶体的制备方法

2.4单晶硅体

2.4.1单晶硅体呈圆柱状

2.4.2单晶硅体上具有生长晶棱

3硅衬底材料的选择

3.1硅衬底材料的结构参数

3.1.1结晶质量

3.1.2生长晶向

3.1.3缺陷密度

3.2硅衬底材料的物理参数

3.2.1电阻率

3.2.2少数载流子寿命

3.2.3杂质(载流子)补偿度

3.3硅衬底材料的电性参数

3.4其它要注意的问题

3.4.1电阻率不均匀性问题

3.4.2重金属杂质和氧、碳含量问题

课程重点:本节主要介绍了半导体器件(半导体分离器件和半导体集成电路)制造中常用的半导体材料。在硅、锗元素半导体材料中,普遍应用的是硅半导体材料;在锑化铟、磷化镓、磷化铟、砷化镓等化合物半导体材料中,最常应用的是砷化镓半导体材料。分别介绍了硅半导体材料和砷化镓半导体材料各自的特点,相应的应用场合。讨论了硅半导体材料和砷化镓半导体材料的晶体结构,从中可知,虽然硅晶体具有金刚石型晶胞结构,而砷化镓晶体具有闪锌矿型晶胞结构,但从晶胞的构成和某些性质有相似的地方,但应注意其性质上的根本区别。由硅原子沿〈111〉向的排列规律可知,在一个硅晶体的六棱柱晶胞中有七个相互平行的{111}面;而七个面构成的六个面间有两种面间距,其中一个体现面间距大的特点,另一个体现面间距小的特点;每一个{111}晶面具有相同的原子面密度;原子平面间是靠共价键连接的,而六个面间有两种面间共价键密度,在三个面间每个原子均为三键连接-体现面间价键密度大的特点,在另三个面间每个原子均为单键连接-体现面间价键密度小的特点。从结构中可知,面间价键密度小的面间同时面间距大,而面间价键密度大的面间同时面间距小,由此引入两个结论:面间价键密度小而同时面间距大的面间,极易被分割,称为硅晶体的解理面;面间价键密度大同时面间距小的面间,面间作用力极强,则被看作是不可分割的双层原子面,即当一个面看待。砷化镓晶体中原子沿〈111〉向的排列规律与硅晶体的相似,只不过砷面和镓面交替排列(四个砷面夹着三个镓面或四个镓面夹着三个砷面)而已。还讨论了硅晶体和砷化镓晶体的制备,硅单晶体通常采用直拉法或悬浮区熔法进行生长;砷化镓晶体通常采用梯度凝固生长法或液封式直拉法制备。本节还对半导体器件制造最常用的单晶硅体进行了讨论,可知单晶硅体呈圆柱状,但在单晶硅体上存在与单晶生长晶向相关的生长晶棱;因为与硅原子沿生长晶向排列有关,沿不同晶向生长的单晶硅体上晶棱数目不同,晶棱对称程度也不同。最后讨论了硅单晶的质量参数(硅衬底材料的选择),这对了解硅单晶材料的性能并进而在器件的生产中正确的选择硅衬底材料是至关重要的。

课程难点:硅单晶的晶体结构及结构分析;砷化镓晶体的晶体结构及结构分析。硅单晶的两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论;砷化镓晶体的两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论。硅单晶体的外部特征,导致硅单晶体外部特征与硅单晶体内部结构(原子排列规律)的对应关系分析讨论。硅单晶体的结构参数要求;物理参数要求和电性参数要求。

基本概念:

1元素半导体材料-完全由一种元素构成的,具有半导体性质的材料。

2化合物半导体材料-由两种或两种以上的元素构成的,具有半导体性质的材料。

3面间共价键密度-在相邻原子面间任取一平行平面,单位面积的共价键露头数。

4少子寿命-少数载流子寿命,它反映了少数载流子保持其电性的时间长短,记为τ。它与单晶体中的缺陷和重金属杂质的多少有关。

5补偿度-载流子补偿度(杂质补偿度),记为M。由于半导体中的杂质全部电离,则其反映了半导体材料中反型杂质的多少。

基本要求:了解用于半导体器件制造的半导体材料的类型,了解元素半导体材料的类型及构成,了解化合物半导体材料的类型及构成。知道半导体器件制造中最常用的硅半导体材料的特点,知道半导体光学器件制造中最常用的砷化镓半导体材料的特点。清楚硅半导体晶体和砷化镓半导体晶体的晶体结构,以及它们的结构特点;知道它们在结构上的相似处和不同处;知道由硅半导体晶体结构分析引入的两个结论,并清楚它们对半导体器件制造的指导意义。了解硅半导体单晶体是如何制备的,清楚其不同的制备工艺;知道砷化镓半导体晶体是如何制备的,及其了解各种制备工艺。清楚知道硅半导体单晶体的外部特征,知道这些外部特征与晶体内部结构之间的密切联系。知道如何进行硅衬底材料的选择,知道在硅单晶的质量参数中结构参数包括哪一些、物理参数包括哪一些、电性参数是指什么;对高要求和高性能的集成电路制造,还应注意哪些材料的质量参数。

§1.2硅单晶的定向2学时

课程内容:

1定向的方法

1.1根据晶体生长的各向异性定向

1.2根据晶体解理的各向异性定向

1.3根据晶体腐蚀的各向异性定向

1.4光图定向

1.5x光衍射定向

2光图定向的方法与原理

2.1显示晶面解理坑

2.2晶面解理坑的结构与分布

2.3光向与晶向

2.4光图定向仪

2.5光图定向

3.光图定向器件生产中的应用

3.1定向切割

3.2定向划片及定位面的制造

课程重点:本节介绍了常规集成电路制造中硅单晶体定向。粗略的可根据晶体生长的各向异性定向、根据晶体解理的各向异性定向、根据晶体腐蚀的各向异性定向;较精确的可进行光图定向;更精确的可进行x光衍射定向。本节主要介绍了常规集成电路制造中最常用的光图定向,根据光图定向的三个必备条件,进行了显示晶面解理坑的讨论;晶面解理坑的结构与分布的讨论;平行光照射晶面解理坑后,得到的反射光象与晶体晶向关系的讨论;讨论了常见的光图定向仪;并对光图定向的设备要求和光图定向步骤进行了讨论。最后,讨论了光图定向在常规集成电路制造中两种常见的应用,定向切割是在一定生长晶向的硅单晶棒上切出所需晶面的硅单晶片;而定位面的制造是为了适应器件生产中的定向划片,指出定向划片可以获得大量完整的管芯,定位面为定向划片提供了划片的参考平面。

课程难点:为什么可根据晶体生长的各向异性、晶体解理的各向异性、晶体腐蚀的各向异性进行定向,与晶体结构的关系如何。在光图定向中,显示晶面解理坑采用了电化学腐蚀,腐蚀前为什么要进行金刚砂研磨?在电化学腐蚀液中,晶格畸变区和晶格完整区各具有不同的性质,进行了什么不同的化学反应,其反应机理是什么。当在低指数晶面的晶片上制备晶面解理坑时,获得的是以平行该低指数晶面的面为底、以{111}面为侧面围成的平底锥坑,此类结构的形成机理及与晶体结构的关系。光图定向中光象与晶向之间的一一对应关系。考虑定位面划片时就能减少管芯的碎裂的理论依据。

基本概念:

1光图定向-用平行光照射单晶体上的晶面解理坑,根据反射光象判定、调正晶向的方法。

2晶面解理坑-以低指数晶面围成的、与晶面(晶向)有一定对应关系的晶面腐蚀坑。其侧面为解理面。3晶格畸变区-指晶格有损伤的或不完整的区域,该区域存在较大的晶格内应力,内能大。

4晶格完整区-指晶格结构完整或完美的区域,该区域晶格内应力低,内能小。

5反射光象-用平行光照射晶面解理坑,晶面解理坑某组平面对光的反射而得到的光图(光象)。

6定向切割-光图定向+垂直切割。

7定向划片-按规定沿解理向进行划片的方法。

基本要求:了解硅单晶体定向的目的、可采用的方法、定向原理。知道几种粗略定向方法的理论依据,较精确定向方法间的比较。清楚光图定向的方法和原理,能通过合适方法得到晶面解理坑、能通过一定手段得到反射光象、能由反射光象与晶体晶向的关系分析判定晶向、当晶向有偏离时能通过调整光图调正晶向。知道光图定向是如何在半导体器件制造中得到应用的,知道光图定向在定向切割中所起的作用、知道光图定向如何参与定位面的制作和定位面是如何在定向划片中起到作用的。

§1.3硅衬底制备工艺简介1学时

课程内容:

1硅单晶的切割

1.1工艺作用

1.2切割原理

1.3切割设备

1.4切割方法

1.5切割要求

1.5.1硅片厚度

1.5.2硅片两面平行度

1.5.3硅片厚度公差

1.6注意事项

2研磨工艺

2.1研磨的作用

2.2研磨的方法

2.2.1单面研磨

2.2.2双面研磨

2.3研磨要求

2.4影响研磨的因素

2.4.1磨料的影响

2.4.2磨盘压力的影响

3抛光工艺

3.1抛光的作用

3.2抛光的要求

3.3抛光的方法

3.3.1机械抛光工艺

3.3.1.1方法及原理

3.3.1.2优缺点

3.3.1.3适用范围

3.3.2化学抛光工艺

3.3.2.1原理

3.3.2.2方法

3.3.2.3优缺点

3.3.2.4适用范围

3.3.3化学机械抛光工艺

3.3.3.1方法及原理

3.3.3.2化学机械抛光种类

3.3.3.3抛光过程分析

课程重点:本节简单介绍了衬底制备中切片、磨片和抛光三个工艺的基本情况。关于硅单晶体的切割,讨论了该工艺的四个作用:即决定了所切出的硅单晶片的晶向、晶片厚度、晶片平行度和晶片翘度;讨论了切割原理:实际上是利用了刀片上的金刚砂刀刃对硅单晶棒进行脆性磨削,由于切割刀片的高速旋转和缓慢进刀,而使硅单晶棒变成了一片一片的硅单晶片;介绍了两种切割设备,一种是多用于硅单晶片的切割的内圆切割机,另一种是用于定位面切割的外圆切割机;最后还给出了硅单晶体的切割的要求和注意事项。关于硅单晶片的研磨,讨论了该工艺的四个作用:即去除切片造成的刀痕、调节硅单晶片的厚度、提高硅单晶片的平行度和改善硅单晶片的平整度;讨论了硅单晶片研磨的方法,根据设备的不同分为硅单晶片的单面研磨和硅单晶片的双面研磨,其研磨机理是相同的;讨论了影响硅单晶片研磨的因素,研磨质量主要取决于磨料的质量和磨盘压力的大小。关于硅单晶片的抛光,讨论了该工艺的作用,主要是去除磨片造成的与磨料粒度相当的损伤层,以获得高洁净的、无损伤的、平整光滑的硅单晶片的镜面表面;讨论了抛光工艺的三种抛光方法,即机械抛光、化学抛光和化学机械抛光方法。机械抛光是采用更细的磨料在盖有抛光布的磨盘上进行细磨,由于其工艺过程中无化学反应,则该工艺适用于化合物半导体晶片的表面抛光;化学抛光是利用化学腐蚀的方法对晶片表面进行抛光,它对待研磨片平整度要求较高,化学抛光可分为液相抛光和气相抛光两种抛光方式,由于该抛光工艺抛光速度快、效率高,则该工艺更适用于高硬度衬底表面的抛光(如蓝宝石、尖晶石等);化学机械抛光是硅单晶片抛光的常用工艺,该工艺综合了机械抛光、化学抛光两种方法的各自的优点,从方法上看,是采用了机械抛光设备而加入了化学抛光剂,化机抛光的种类可分为酸性抛光液抛光和碱性抛光液抛光两种,酸性抛光液抛光有铬离子抛光和铜离子抛光两种方式,碱性抛光液抛光为二氧化硅抛光、也分为胶体二氧化硅抛光和悬浮二氧化硅抛光两种方式。

课程难点:硅单晶切割的方法与原理;硅单晶切割的要求和注意事项。硅单晶片研磨的方法和原理;硅单晶片单面研磨方式和双面研磨方式的区别;注意磨料质量和磨盘压力是如何影响研磨质量的。硅单晶片的三种抛光方法各自的抛光原理与抛光

工艺;三种抛光方法各自的应用特点和应用范围。

基本概念:

1晶片的平行度-指某晶片的厚度不均匀的状况。

2晶片的厚度公差-晶片与晶片之间厚度的差别。

3晶片的单面研磨-晶片的单面研磨指将晶片用石蜡粘在压块上,在磨盘上加压对空面进行研磨的方法。

4晶片的双面研磨–指将晶片置于行星托片中,在上、下磨盘中加压进行双面研磨的方法。

5机械抛光-采用极细的磨料、在盖有细密抛光布的抛光盘上对衬底表面进行细磨的工艺过程。

6化学抛光-利用化学腐蚀的方法对衬底表面进行去损伤层处理的过程。

7化学机械抛光-采用机械抛光设备、加入化学抛光剂对衬底表面损伤层进行处理的过程。

基本要求:熟知半导体集成电路制造对衬底片的要求,了解衬底制备工艺是如何一步步达到以上要求的。清楚知道晶片切割工艺的方法与原理,了解晶片切割工艺过程,知道晶片切割的工艺要求和注意事项。清楚知道晶片研磨的工艺方法和工艺原理,熟悉两种研磨方法,知道研磨工艺达到的目的和要求,能分析影响研磨质量的各种因素。清楚知道晶片抛光的各种工艺方法和工艺原理,能根据不同的待抛光衬底的实际状况选择合适的抛光方式,合适的抛光方法。

第一章衬底材料及衬底制备作业

思考题3题+习题3题

第二章:外延工艺原理(8学时)

§2.1外延技术概述1.5学时

课程内容:

1外延分类

1.1由外延材料的名称不同分类

1.2由外延层材料与衬底材料相同否分类

1.2.1同质外延

1.2.2异质外延

1.3由器件作在外延层上还是衬底上分类

1.3.1正外延

1.3.2负外延(反外延)

1.4由外延生长状态分类

1.4.1液相外延

1.4.2气相外延

1.4.3分子束外延

1.5由外延生长机构分类

1.5.1直接外延

1.5.2间接外延

2外延技术简介

2.1定义

2.1.1外延技术

2.1.2外延层

2.2外延新技术

2.2.1低温外延

2.2.2变温外延

2.2.3分步外延

2.2.4分子束外延

3集成电路制造中常见的外延工艺

3.1硅外延工艺

3.1.1典型外延装置

3.1.2硅外延可进行的化学反应

3.2砷化镓外延工艺

3.2.1气相外延工艺

3.2.2液相外延工艺

课程重点:本节介绍了什么是外延?外延技术解决了哪些器件制造中的难题。介绍了外延技术的分类,由外延材料的不同可分为硅外延、砷化镓外延等等;由外延层与衬底材料相同否可分为同质外延和异质外延;由在外延层上还是在衬底上制造器件可分为正外延和负外延(反外延);由外延的生长环境状态可分为液相外延、气相外延和分子束外延;由外延过程中的生长机构可分为直接外延和间接外延。对外延技术做了简单的介绍,给出了外延技术和外延层的定义;介绍了低温外延、变温外延、分步外延和分子束外延几种较新的外延技术。对在集成电路制造中常见的外延工艺做了概述。对硅外延工艺,介绍了其典型外延装置,包括了卧式外延反应器装置、立式外延反应器装置和桶式外延反应器装置;以氢气还原四氯化硅的典型卧式外延反应器装置为例进行了设备介绍,该设备包含了气体控制装置(气体纯化装置、硅化物源〈纯硅化物源和含杂硅化物源〉、控制管道及装置等)、高(射)频加热装置(高〈射〉频感应信号炉、可通冷却水的铜感应线圈、靠产生涡流加热的石墨基座)、测温装置及石英管构成的反应器;对硅外延可进行的化学反应进行了讨论,包括氢气还原法中的四氯化硅氢气还原法、三氯氢硅氢气还原法以及热分解法中的二氯氢硅热分解法、硅烷热分解法。对砷化镓外延工艺,主要介绍了三类外延方法中常见的气相外延工艺和液相外延工艺,在气相外延工艺中,讨论了卤化物外延工艺和氢化物外延工艺;在液相外延工艺中,介绍了液相外延应注意的几个问题、介绍了液相外延生长系统(水平生长系统和垂直生长系统),由于水平生长系统较为常用,所以重点介绍了各种水平液相生长系统。

课程难点:外延的定义、外延技术的定义、外延层的定义。在外延分类中,按外延材料不同分类时所包含的种类及其定义;按器件制作的层次不同分类时所包含的种类及其定义;按外延外延层与衬底材料相同或不同分类时所包含的种类及其定义;按外延生长环境状态不同分类时所包含的种类及其定义;按外延生长机构不同分类时所包含的种类及其定义。外延技术解决了半导体集成电路制造中哪些难题?是如何解决的。对于半导体集成电路制造中常见的外延技术,关于硅外延技术的典型生长装置、装置中的主要组成部分、外延中区别两类方式(氢气还原方式、热分解方式)可进行的化学反应;关于砷化镓外延技术的两种外延类型、气相外延工艺中的两种外延方法(卤化物外延工艺、氢化物外延工艺)各自的工艺过程和化学反应状况、液相外延工艺中应注意的问题和几种实际外延系统的外延原理。

基本概念:

1外延-在一定条件下,通过一定方法获得所需原子,并使这些原子有规则地排列在衬底上;在排列时控制有关工艺条件,使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度。晶格完美的新单晶层的过程。

2硅外延-生长硅外延层的外延生长过程。

3砷化镓外延-生长砷化镓外延层的外延生长过程。

4同质外延-生长的外延层材料与衬底材料结构相同的外延生长过程。

5异质外延-生长的外延层材料与衬底材料结构不同的外延生长过程。

6正外延-在(外延/衬底)结构上制造器件时器件制造在外延层上的前期外延生长过程。

7负外延(反外延)-在(外延/衬底)结构上制造器件时器件制造在衬底上的前期外延生长过程。

8液相外延-衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层的外延生长过程。

9气相外延-在含有外延生长所需原子的化合物的气相环境中,通过一定方法获取外延生长所需原子,使其按规定要求排列而生成外延层的外延生长过程。

10分子束外延-在高真空中,外延生长所需原子(无中间化学反应过程)由源直接转移到待生长表面上,按规定要求排列生成外延层的外延生长过程。

11直接外延-整个外延层生长中无中间化学反应过程的外延生长过程。

12间接外延-外延所需的原子由含其基元的化合物经化学反应得到,然后淀积、加接形成外延层的外延生长过程。

13外延层-由原始衬底表面起始,沿其结晶轴向(垂直于衬底表面的方向)平行向外延伸所生成的新单晶层。

14外延技术-生长外延层的技术。

基本要求:了解外延技术解决了半导体分离器件和集成电路制造中存在的哪些难题?为什么说外延技术解决了器件参数对材料要求的矛盾、是什么矛盾、如何解决的?为什么说外延技术提供了集成电路隔离的一种方法、什么方法?为什么说外延技术为发光器件、光学器件的异质结形成提供了途径?要求知道外延技术是如何分类的、各种分类中的外延是如何定义的?要求能大致了解较新的外延技术。要求清楚的知道在集成电路制造中常用的硅外延工艺的典型外延装置和外延过程中的所有可能的化学反应;要求清楚的知道在集成电路制造中常用于砷化镓外延工艺中的液相外延的注意事项及液相外延反应系统、气相外延的两种外延工艺及其外延过程中的所有化学反应。

§2.2四氯化硅氢气还原法外延原理4.5学时

课程内容:

§2.2.1四氯化硅的氢气还原法外延生长过程

1化学原理

1.1四氯化硅的氢气还原机理

1.1.1为吸热反应

1.1.2伴有有害副反应

1.1.3整个反应过程分两步进行

1.2反应步骤分析

1.2.1四氯化硅质量转移到生长层表面

1.2.2四氯化硅在生长层表面被吸附

1.2.3在生长层表面上四氯化硅与氢气反应

1.2.4副产物的排除

1.2.5硅原子在生长层表面的加接

2{111}面硅外延生长的结晶学原理

2.1晶核的形成

2.1.1结晶学核化理论

2.1.2共价键理论

2.2结晶体的形成

2.2.1晶核沿六个[110]向和六个[112]向扩展

2.2.2(111)面上的结晶体是六棱形的

2.2.3(111)面上的六棱形结晶体是非对称的

2.3生长面的平坦扩展

§2.2.2外延系统及外延生长速率

1外延系统的形态

1.1外延系统的流体形态

1.1.1流体的连续性

1.1.2流体的粘滞性

1.2流体的两种流动形态

1.2.1流体的紊流态

1.2.2流体的层流态

1.3流体形态判据及外延系统中的流体流形

1.3.1平板雷诺数

1.3.2流体流形判定

1.3.3外延系统中的流体形态

2外延系统中的附面层概念

2.1速度附面层

2.1.1实际外延系统近似

2.1.2速度附面层定义

2.1.3速度附面层的厚度表达式

2.2质量附面层

2.2.1质量附面层定义

2.2.2质量附面的厚度表达式

3外延生长速率

3.1外延生长模型的建立

3.2外延生长速率

3.2.1外延生长速率的表达式

3.2.2两种极限条件下的外延生长速率

4影响外延生长速率的诸因素

4.1与温度的关系

4.1.1化学反应速率常数与温度的关系

4.1.2气相质量转移系数与温度的关系

4.1.3实际外延温度的选择

4.2与反应剂浓度的关系

4.3与气体流量的关系

4.4与衬底片位置量的关系

5改善外延生长前后不均匀的工艺措施

5.1适当增大混合气体的流量

5.2使基座相对气流倾斜一小角度

课程重点:本节以四氯化硅的氢气还原法外延生长作为重点,讨论了在{111}面上进行硅外延的所有化学反应机理和结晶生长原理。根据分析可知:整个外延过程实际上是外延生长的化学反应过程与外延生长的结晶过程的连续地、不断地、重复进行的综合过程。本节讨论了外延生长的化学反应原理。由化学反应方程式分析可知:四氯化硅的氢气还原反应是一个吸热反应,只有当外延生长温度大于一千度时,才有明显的化学反应速率,才不影响外延生长的进行;四氯化硅的氢气还原反应伴有若干副反应,这些副反应是指反应剂四氯化硅和反应副产物氯化氢对生长层(衬底)的腐蚀反应,副反应的存在和加强显然会影响和严重影响外延生长速率,本节介绍了这些影响、并对保正外延向正方向进行提出了调控措施;由对化学反应模式分析可知:外延生长的化学反应过程是由两步完成的,其基于化学反应的分子碰撞理论。本节对化学反应的反应步骤进行了分析,它包含了反应剂四氯化硅由气相向生长层表面的质量转移、反应剂四氯化硅在生长层表面被吸附、在生长层表面反应剂四氯化硅与还原剂氢气反应、反应生成的副产物的排出和反应生成的高能、游离态硅原子的淀积、加接等若干过程,而高能、游离态硅原子的如何淀积、加接是外延生长的结晶学原理。本节介绍了外延生长的结晶学过程和结晶学原理,其结晶学过程是由化学反应获得的高能、游离态硅原子→淀积于衬底表面上→在表面上移动希望按衬底晶格加接→首先形成若干分立的(具有原子〈双层原子面-不可分割〉厚度的)晶核→随其它硅原子在晶核上加接、晶核扩大→形成若干分立(非对称六棱形的)结晶体→随其它硅原子在结晶体上加接、结晶体扩大→若干分立的结晶体连成一片→形成一层(具有原子厚度的)新单晶层→再在新单晶层形成若干分立的(具有原子厚度的)晶核→再晶核扩大→…→形成一定厚度的外延新单晶层;基于上述外延生长的结晶学过程本节就为什么首先形成晶核、形成的晶核为什么是分立的、形成晶核的理论、如何由晶核形成结晶体、结晶体形成受到的结晶学上的限制、为什么在{111}面上的结晶体是非对称六棱形的等等结晶学问题和原理进行了讨论。本节还对外延系统及外延生长速率进行了介绍和讨论。关于外延生长系统,对典型的卧式外延生长反应器系统进行了形态讨论,指出外延生长反应系统是一个流体系统、介绍了流体的两个性质、给出了流体的两种流动形态、流体形态判据和判定、以及对实际外延系统中的流体形态进行了讨论,在本部分讨论中涉及了部分流体力学的内容。为了更好的讨论外延生长速率,本节还给出了附面层的概念,由于流体的粘滞性而导致外延基座上方的流体流速存在变速的区域,由此引入了速度附面层的概念,同时给出了速度附面层的厚度表达式;由于速度附面层的存在,导致外延基座上方的极小区域内存在反应剂浓度的变化,由此引入了质量附面层的概念,同时给出了质量附面层的厚度表达式。在外延生长速率的讨论中,建立了外延生长模型、由模型讨论得到了外延生长速率的表达式、对外延生长速率的表达式进行了极限分析;讨论了影响外延生长速率的温度因素、反应剂浓度因素、混合气体流量因素、以及在外延生长系统中,衬底片位置量的变化外延生长速率的影响;为了改善外延生长前后不均匀的现象,本节给出了两个工艺措施。

课程难点:首先要对外延生长过程有一个整体的概念。在{111}面上进行四氯化硅的氢气还原外延生长的化学反应原理,其反应过程、反应中的状态、反应中的步骤、化学反应的正反应和副反应(包含逆反应)。四氯化硅的氢气还原外延生长的结晶学原理,其外延生长的结晶过程、结晶学的成核理论(结晶学理论和共价键理论)、晶核扩展理论、结晶体的形成、结晶体扩展理论、以及外延层的厚度长成和平坦扩展理论。实际卧式外延反应系统的分析,为流体系统、具有流体的两个特性、流体的两种流动形态、流体流形的判据和判定、实际外延系统的流体流形。外延生长系统中两个附面层的定义、表达式及对外延生长的指导意义。外延模型的建立、理解和分析;外延模型对推导外延生长速率的指导意义;应用外延生长速率简化表达式的极限条件分析;影响外延生长速率的各种因素讨论及分析。

基本概念:

1外延生长过程-外延化学反应过程与外延结晶过程的连续、不断、重复进行的全过程。

2歧化特性-指一种物质在同一个反应中既起氧化剂的作用又起还原剂作用的性质。

3歧化反应-符合歧化特性的化学反应。

4表面吸附-指固体表面对气相物质的吸引、固定。

5流体的粘滞性-当流体饶流固体表面时,由于分子(原子)间的作用力(吸引力),使原来等速流进的流体在固体表面上方出现非等速流进的的现象,称为粘滞现象;流体的这种性质称为粘滞性。

6流体的连续性-指流体是由无数连续运动的微团构成,在自然界无间断点的性质。

7流体的紊流态-指流体中连续运动的微团运动处于杂乱无章的状态,也称湍流态。

8流体的层流态-指流体中连续运动的微团运动有序,形成彼此互不干扰的流线(流层)的状态。

9速度附面层-由于流体的粘滞作用,而使外延平板基座上方流体流速分布受到干扰的区域。由于该区域中的流体流速滞慢于层外,也称为滞流层。

10质量附面层-外延平板基座上方、速度附面层内,反应剂浓度(质量)有较大变化的区域。

11反应剂的气相质量转移系数-单位时间内,由气相到达单位面积表面的反应剂粒子数。

12自掺杂效应——指在外延过程中,气氛对衬底表面的腐蚀而使主气流中杂质浓度起变化,从而造成前、后硅片的掺杂浓度不同的现象。

基本要求:熟知外延生长过程的定义,知道外延生长过程是由外延化学反应过程与外延结晶过程的连续、不断、重复进行构成的。知道在{111}面上进行四氯化硅的氢气还原外延生长的化学反应原理,其反应过程、反应中的状态、反应中的步骤、化学反应的正反应和副反应(包含逆反应);知道化学反应的副反应(包含逆反应)对外延生长的不利影响,以及是如何影响的;清楚为什么该外延生长的化学反应不能一步进行,而两步进行的可能性更大;清楚最可能的第二步反应是歧化反应,歧化反应是如何定义的;清楚的知道外延生长的化学反应步骤,知道每一步的具体内容;清楚副产物不能及时排出系统对外延带来得弊端。知道四氯化硅的氢气还原外延生长的结晶学原理,了解其外延生长的结晶过程,是如何由化学反应得到的高能、游离态硅原子通过加接而形成一层外延层完美表面的,而一定厚度的外延层是如何获得的;知道结晶学的成核理论,从结晶学理论是如何根据原子团半径来决定成核条件的、从共价键理论又是如何表明单原子直接加接和双原子同时加接不能形成稳定晶核的,而形成稳定晶核至少需要三个或三个以上的原子同时加接;清楚晶核扩展理论,知道为什么在晶核上单原子直接加接和双原子同时加接均能形成稳定的加接,而使晶核得到扩展;知道结晶体的形成、结晶体扩展理论,清楚为什么由于原子在晶核上加接、沿六个[110]向和六个[112]向扩展的结果是形成六棱结晶体,而且该六棱结晶体还是非对称的;知道外延层的平坦扩展理论和厚度长成理论,即知道为什么不会在没长平的外延层表面上形成新的晶核,知道外延生长结晶过程重复不断进行即可获得所要求厚度的外延层。知道外延生长的动力学原理,即由此进行外延系统分析和外延模型的建立、分析,从而得到外延生长速率表达式。关于外延系统分析,知道为什么实际外延生长系统是一个流体系统,流体具有的粘滞性和连续性的具体含义及对外延过程的指导意义;知道流体可能存在的两种流动形态,清楚哪一种流动形态是外延工艺所希望的,而实际外延系统中的流动形态是怎样的;关于外延系统中的附面层概念,知道为什么要引入速度附面层概念,速度附面层是如何定义的,速度附面层的厚度表达式;知道为什么要引入质量附面层概念,质量附面层是如何定义的,为什么说是质量附面层是由于速度附面层的存在而出现的,质量附面层的厚度表达式,为什么说是质量附面层厚度是速度附面层厚度的函数。关于外延模型的建立、分析和外延生长速率,能够根据实际外延生长系统建立可用的外延生长模型,其中有可分析的外延层次关系,能够通过分析讨论得到外延生长速率表达式;清楚在什么极限条件下可采用不同的简化外延生长速率表达式;知道影响外延生长速率的各种工艺因素,以及它们是如何对外延生长速率造成影响的;对外延生长的前后不均匀性,能够采取适当工艺措施克服之。

§2.3外延辅助工艺1学时

课程内容:

1氯化氢抛光工艺

1.1抛光目的

1.2氯化氢抛光工艺

1.2.1氯化氢抛光方法

1.2.2氯化氢抛光步骤

1.3腐蚀反应和腐蚀速率

1.3.1腐蚀反应

1.3.2有关腐蚀速率

1.4讨论

1.4.1腐蚀速率与氯化氢气体分压有关

1.4.2腐蚀速率与温度关系不明显

1.4.3在一定温度下,应用氯化氢气体分压有最大值限制

1.4.4有关其它抛光工艺

2外延掺杂工艺

2.1掺杂工艺原理

2.1.1外延掺杂是与外延同时进行的

2.1.2掺杂动力学原理

2.2外延层中的掺杂浓度

2.3掺杂方法

2.3.1液相掺杂

2.3.2气相掺杂

课程重点:本节介绍了外延辅助工艺,包括外延生长前的对衬底表面常用的氯化氢抛光工艺和为了保证外延层所要求的电性能而进行的外延掺杂工艺。关于氯化氢抛光工艺,主要介绍了对衬底表面进行抛光处理的必要性以及抛光达到的目的;重点讨论了工艺,其中涉及了氯化氢抛光的方法和氯化氢抛光的工艺步骤;对氯化氢抛光的腐蚀反应和腐蚀速率进行了较详细的分析;最后,对氯化氢抛光的腐蚀速率与各种因素的关系进行了讨论;还强调指出氯化氢抛光工艺是一种气相化学抛光,除了氯化氢气氛外,其它如溴化氢、碘化氢、三氯乙烯、六氟化硫及溴气等也可以作为抛光气氛-这就形成了其它抛光工艺。关于外延掺杂工艺,首先介绍了半导体集成电路制造对外延层的电性要求;介绍了外延掺杂原理;重点讨论了外延层中的掺杂浓度,讨论中,首先建立了掺杂模型,根据对模型的分析,得到了与反应剂气体分压和掺杂剂气体分压有关的掺杂浓度表达式;介绍了液相掺杂和气相掺杂两种掺杂方法,并指出了它们各自的控制掺杂手段。

课程难点:氯化氢抛光工艺中,通过抛光是如何可以达到高洁净的、无损伤的、新鲜的待生长表面的;氯化氢抛光步骤中各步的工艺控制条件;化学气相抛光的温度控制特点;抛光腐蚀速率表达式用外延生长速率表达式表达时,式中各因子的含义发生了什么变化;腐蚀速率在低蚀率和高蚀率时的极限分析及在中等蚀率时的表达式分析;实际工艺中,氯化氢气体分压的选择。在外延掺杂工艺中,注意其掺杂原理与一般的合金掺杂和扩散掺杂有不同处,杂质是在外延过程中加入到外延层晶格点阵上的;由于掺杂与外延同时进行,则掺杂动力学原理与外延动力学原理极其相似,只不过杂质在加入到外延层晶格点阵上后,有一个离化的事实;外延掺杂模型的建立和分析,注意单位时间内,由于掺杂而导致的掺杂剂粒子流密度的消耗既与外延层中的掺杂浓度有关、又与外延生长速率有关;有关液相掺杂和气相掺杂两种掺杂方法的对比、各自对掺杂浓度工艺控制等。

基本要求:了解由抛光工艺和外延掺杂工艺构成的外延辅助工艺。对氯化氢抛光工艺,要求清楚的知道采用抛光工艺的目的;氯化氢抛光工艺的工艺方法,掌握氯化氢抛光的工艺步骤,知道氯化氢抛光工艺与外延工艺是在一个反应系统中、并且氯化氢抛光工艺与外延生长工艺可连续不间断进行;了解氯化氢抛光是化学气相抛光,掌握其腐蚀反应控制条件;应知道氯化氢抛光工艺中的化学反应实际上是外延生长反应的逆反应,因此,抛光腐蚀速率表达式可用外延生长速率表达式描述,但应清楚同一个式子表达的意思是完全不同的;了解在低蚀率和高蚀率时的极限条件下,抛光腐蚀速率与氯化氢气体分压的不同关系;应掌握实际氯化氢抛光工艺的氯化氢气体分压的选择。对于外延掺杂工艺,应知道半导体集成电路制造对外延层的电性要求,即具有准确的导电类型、具有精确的电阻率;知道如何选择外延掺杂的掺杂剂;清楚外延掺杂原理,从动力学原理能分析掺杂与外延的相同处和不同处;能建立起外延掺杂模型,并对该模型进行正确的分析讨论,从而得到外延掺杂浓度表达式;能清楚的知道液相掺杂和气相掺杂两种掺杂方法各自的特点,当使用它们掺杂时,各自对掺杂浓度的工艺控制。

§2.4外延层质量参数及检测简介0.5学时

课程内容:

1外延层质量参数

1.1外延层电阻率ρepi

1.2外延层的杂质浓度分布

1.3外延层厚度

1.4少数载流子寿命

1.5外延层中的缺陷

1.5.1表面缺陷

1.5.2体内缺陷

2外延层质量参数的检验

2.1ρepi的检验

2.1.1三探针法测ρepi-对(外延层/衬底)导电类型相同者

2.1.2四探针法测ρepi-对(外延层/衬底)导电类型相异者

2.2用电容-电压法测外延层中的杂质浓度分布

2.3外延层厚度检验

2.3.1可用的方法

2.3.2用层错法测量外延层厚度

2.4外延层中的缺陷检验

2.4.1采用显微观测法检验表面缺陷

2.4.2采用先化学腐蚀、后显微观测法检验体内缺陷

课程重点:本节简单介绍了外延层质量参数及外延层质量参数的检验。关于外延层质量参数介绍了外延层电阻率、外延层中的杂质浓度分布、外延层厚度、外延层中的少数载流子寿命、外延层中的缺陷五类;关于外延层质量参数的检验,给出了除少数载流子寿命检验之外的四类、八种检测方法。

课程难点:注意外延层电阻率ρepi以及与外延层中掺入杂质总量的关系,在何条件下可认为与杂质浓度有关;注意外延层中的杂质浓度分布,以及理想时其分布应为常量分布,而实际上在两个界面附近应为变化分布的特点;注意外延层厚度,以及厚度的选择决定于制造不同晶体管和集成电路外延层厚度的要求;注意外延层中少数载流子寿命,以及它与外延层中非需要杂质含量的关系;注意外延层中的缺陷、以及缺陷的类型,特别是体内缺陷(结构缺陷)位错和层错的特点。关于各类质量参数的测量方法,以及它们的专一性和对应性。

基本要求:要求熟知外延层的质量参数,包括外延层电阻率

ρepi,以及与外延层中掺入杂质总量的关系,在认为外延层中掺杂浓度恒定条件下,可认为与掺入杂质浓度有关;要求了解外延层中的杂质浓度分布,知道一般把界面看作是理想界面时,认为外延层中的杂质浓度分布为恒定值,而实际上在界面附近由于存在杂质的流入或流出,使界面附近的杂质浓度分布不为恒定值;要求知道在选择外延层厚度时,如何考虑不同的晶体管制造和不同的集成电路制造对这一参数的要求;了解外延层中少数载流子寿命,以及它与外延层中非需要杂质含量的关系;熟知外延层中的缺陷类型,知道外延层表面缺陷的种类、知道外延层体内缺陷的种类,知道外延层体内缺陷位错和层错各自的生长或生成环境。要求熟知外延层的质量参数的检测,要求会使用适当的方法去检验各种外延层的质量参数。

§2.5有关外延层层错0.5学时

课程内容:

1外延层层错

1.1外延层层错的形成模式

1.2外延层层错的结构

1.3外延层层错的腐蚀形貌

1.3.1外延层层错是面缺陷

1.3.2腐蚀时在缺陷处体现优先腐蚀

1.4几点说明

1.4.1层错的腐蚀形貌并非一定是完整图形

1.4.2层错的腐蚀形貌图形可能大小不一

1.4.3不同器件制造对层错密度的要求

2外延层层错产生的原因及对器件性能的影响

2.1外延层层错产生原因

2.1.1衬底的表面质量

2.1.2外延用的气体纯度

2.1.3外延工艺条件控制

2.1.4外延系统的清洁度

2.2外延层层错对器件制造及参数的影响

2.2.1杂质沿层错有增强扩散的作用

2.2.2层错处易吸附杂质

2.2.3外延层层错影响器件制造的稳定性和工艺质量的稳定性

课程重点:本节介绍了〈111〉向硅外延过程中形成的外延层层错,指出其形成模式为硅原子按层排列的次序发生错乱而导致的缺陷;对所讨论的外延层层错的结构,指出是以{111}面围成的四面体结构;由于外延层层错是面缺陷,其晶格键的失配仅发生在所围成的三个面上(四面体内是完美结构、四面体外也是完美结构),而化学腐蚀时在缺陷处导致优先腐蚀,则对所讨论的外延层层错的表面腐蚀形貌为三条槽沟围城的正三角形;对外延层层错的表面腐蚀形貌作了两点说明,其一是由于外延生长时生长速率可能不均匀,而导致某些层错面被淹没,则腐蚀后的外延层层错的表面图形形貌可能有不完整的,其二是外延层层错不一定都起始于衬底表面,则腐蚀后的外延层层错的表面图形可能大小不一,但起始于衬底表面的外延层层错的表面图形最大(如上一节介绍,利用该图形进行外延层厚度的测量);给出了分离器件制造和集成电路制造对层错密度的要求。本节介绍了外延层层错产生的原因及外延层层错的存在对器件性能的影响,指出凡是能产生一个错排原子的因素都是外延层层错产生的原因,诸如衬底表面的质量不合格、外延用的气体纯度不合格、外延时工艺条件控制出现失当以及外延系统的清洁度达不到器件生产要求等,都将导致外延层的层错产生;对于外延层层错的存在对器件性能的影响,指出由于杂质沿层错有增强扩散的作用,对外延层层错穿过结的情况,将导致结的伏安特性曲线变软、导致浅结器件的集电区与发射区的穿通,指出由于层错处易吸附杂质的作用而导致电阻率的局部降落,还指出由于外延层层错存在的随机性,将导致影响器件制造的稳定性和工艺质量的稳定性。

课程难点:〈111〉向硅外延过程中形成的外延层层错,其形成模式与硅原子按层排列的次序发生错乱的关系;所讨论的外延层层错的结构与以{111}面围成的四面体结构有如何的对应关系;外延层层错的表面形貌与化学腐蚀时在外延层层错面的缺陷处导致优先腐蚀的对应关系;为什么外延生长时的生长速率的不均匀,可导致某些层错面被淹没,而使外延层层错的表面图形形貌出现不完整的图形形貌,这些不完整的外延层层错的图形形貌也是层错;为什么外延层层错不一定都起始于衬底表面可导致腐蚀后的外延层层错的表面图形出现大小不一的状况,如何理解起始于衬底表面的外延层层错的表面图形最大这一事实;为什么分离器件制造和集成电路制造对层错密度的要求不同。关于外延层层错产生的原因及外延层层错的存在对器件性能的影响。指为什么凡是能产生一个错排原子的因素都是外延层层错产生的原因,在器件生产工艺中都有哪些因素;外延层层错的存在如何对器件性能造成影响,器件性能与杂质沿层错有增强扩散的作用以及层错处易吸附杂质的作用有什么关系;为什么说由于外延层层错存在将影响器件制造的稳定性和工艺质量的稳定性。

基本要求:要求了解〈111〉向硅外延过程中形成的外延层层错,清楚其形成模式为硅原子按层排列的次序发生错乱时而导致的缺陷;对所讨论的外延层层错的结构,清楚的知道是以{111}面围成的四面体结构;了解外延层层错是面缺陷,其晶格键的失配仅发生在所围成的三个面上(四面体内是完美结构、四面体外也是完美结构),而化学腐蚀时在缺陷处导致优先腐蚀,则知道对所讨论的外延层层错的表面形貌为三条槽沟围城的正三角形;了解对外延层层错的表面腐蚀形貌作的两点说明,知道由于外延生长时生长速率可能不均匀,而导致某些层错面被淹没,则腐蚀后的外延层层错的表面图形形貌可能有不完整的,还知道外延层层错不一定都起始于衬底表面,则腐蚀后的外延层层错的表面图形可能大小不一,但起始于衬底表面的外延层层错的表面图形最大,会利用该图形进行外延层厚度的测定;清楚的知道分离器件制造和集成电路制造对层错密度的要求有什么不同,而为什么集成电路制造对层错密度的要求更高。清楚外延层层错产生的原因及外延层层错的存在对器件性能的影响。知道凡是能产生一个错排原子的因素都是外延层层错产生的原因,能够列举导致外延层层错产生的所有因素,比如衬底表面的质量不合格、外延用的气体纯度不合格、外延时工艺条件控制出现失当以及外延系统的清洁度达不到器件生产要求等引起的外延层的层错产生;知道外延层层错的存在对器件性能的影响,了解外延层层错在工艺制造中可能产生影响原因,诸如杂质沿层错有增强扩散的作用,这对外延层层错穿过结的情况,将导致结的伏安特性曲线变软、导致浅结器件的集电区与发射区的穿通;了解由于层错处易吸附杂质的作用而导致电阻率的局部降落的原因;还必须知道由于外延层层错存在的随机性,将导致影响器件制造的稳定性和工艺质量的稳定性的事实与原因。

第二章外延工艺原理作业:

思考题5个,习题5个

第三章:氧化工艺(7学时)

§3.1二氧化硅膜的结构及其性质3学时

课程内容:

§3.1.1二氧化硅膜的结构

1二氧化硅膜的基本结构单元

2基本结构单元的连接形式

3二氧化硅的结构形式分类

3.1结晶形二氧化硅

3.2无定形二氧化硅

§3.1.2无定形二氧化硅的结构及特征

1无定形二氧化硅的结构

1.1结构松散、存在不均匀不规则的结构空隙

1.2无定形二氧化硅中存在大量非桥联氧原子

2无定形二氧化硅的特征

2.1无定形二氧化硅的密度小

2.2无定形二氧化硅无固定熔点

2.3无定形二氧化硅的网络结合强度弱

2.4无定形二氧化硅中极易引入杂质

2.4.1本征无定形二氧化硅

2.4.2非本征无定形二氧化硅

3杂质在二氧化硅中的作用

3.1两类杂质的定义

3.1.1网络形成剂

3.1.2网络改变剂

3.2网络改变剂在二氧化硅中的作用

3.2.1使非桥联氧原子数目增加

3.2.2影响器件电性能的可靠性及稳定性

3.3网络形成剂在二氧化硅中的作用

3.3.1网络形成剂硼在二氧化硅中的作用

3.3.2网络形成剂磷在二氧化硅中的作用

§3.1.3二氧化硅膜的性质

1二氧化硅膜的物理性质

1.1为无色透明的固体

1.2热膨胀系数小

1.3软化温度为1500度

1.4电阻率随制备方法不同而异

1.5介电强度大

1.6折射率为1.46

1.7密度为(2.0-2.3)g/立方厘米

1.8杂质扩散系数随杂质不同而不同、随温度变化而变化

2杂质在二氧化硅中的扩散

2.1在杂质进入的区域形成玻璃相

2.2混合玻璃相的作用

3二氧化硅膜的化学性质

3.1化学稳定性好

3.2氢氟酸对二氧化硅有腐蚀反应

3.3二氧化硅有不良反应

4二氧化硅-硅界面特性

4.1二氧化硅生成时对界面杂质再分布的影响

4.1.1杂质在界面的分凝效应

4.1.2分凝效应的描述

4.1.3分凝效应在工艺中的应用

4.2二氧化硅生成后对p型硅表面的反型效应

4.2.1实际器件中出现的反型结构

4.2.2器件结构中出现p型硅表面的反型的条件

4.2.3器件表面的反型对器件性能的影响

4.2.4控制反型沟道形成的措施

课程重点:本节前强调了氧化过程是制备二氧化硅膜的过程;氧化工艺是制备二氧化硅膜的工艺;从工艺看,有热生长氧化工艺、低温淀积氧化工艺以及其它氧化工艺;不同的氧化工艺方法所制备的二氧化硅膜的质量不同,而二氧化硅膜的质量将影响其掩蔽扩散的能力、将影响器件的可靠性和稳定性、将影响器件的电性能、将对器件的制造工艺有影响。为清楚二氧化硅膜的质量,本节介绍了二氧化硅膜的结构及二氧化硅膜的物理性质、二氧化硅膜的化学性质、二氧化硅膜掩蔽杂质扩散的性质、二氧化硅-硅界面的性质。关于二氧化硅膜的结构,主要介绍了二氧化硅膜的基本结构单元;由二氧化硅膜的基本结构单元间连接构成的二氧化硅网络,其中由于基本单元连接的不同,二氧化硅网络又分为结晶形二氧化硅和无定形二氧化硅。对用于半导体器件制造中的无定形二氧化硅进行了分析和特性分析,其中,对于无定形二氧化硅结构指出:该二氧化硅结构松散、存在不均匀不规则的结构空隙、且存在大量非桥联氧原子;对于无定形二氧化硅特性分析指出:无定形二氧化硅密度小、无定形二氧化硅无固定熔点、无定形二氧化硅网络结合强度弱和在无定形二氧化硅中极易引入杂质;由含杂和不含杂,把无定形二氧化硅又分为本征无定形二氧化硅(不含杂的无定形二氧化硅)和非本征无定形二氧化硅(含杂的无定形二氧化硅)两种。对于非本征无定形二氧化硅,首先指明杂质是以杂质氧化物的形式进入二氧化硅中的,杂质在二氧化硅中都是电离的,然后根据杂质在二氧化硅中位置的不同定义了两类杂质并讨论了它们的作用。对于两类杂质的定义指出:杂质离子在二氧化硅中能取代硅离子位置的称为网络形成剂,杂质离子在二氧化硅中仅占据网络空隙的称为网络改变剂。对于两类杂质在二氧化硅中的作用指出:网络改变剂多为金属离子,它们在二氧化硅中的作用是使网络中非桥联氧原子数目增加、网络强度变弱、金属离子的可动性使得器件的电性能不可靠和不稳定;网络形成剂多为三、五族的掺杂杂质,它们在二氧化硅中的作用恰恰相反,即三族杂质(硼)在二氧化硅中取代硅离子位置后,使非桥联氧原子数目减少、网络强度变强、同时引入了负电离中心,而五族杂质(磷)在二氧化硅中取代硅离子位置后,使非桥联氧原子数目增加、网络强度变弱、同时引入了正电离中心。本节还介绍了二氧化硅膜的性质。在物理性质介绍中给出了二氧化硅膜的外部形态、热膨胀性质、软化温度、电阻率与制备工艺的关系、介电强度状况、折射率、密度及杂质在二氧化硅中的扩散系数等八条性质;在化学性质介绍中,讨论了二氧化硅膜化学稳定性质(不与绝大部分酸、碱起反应)、二氧化硅膜的可加工性质(仅氢氟酸能很好的腐蚀二氧化硅)和二氧化硅膜与金属电极的不良反应(在较高温度下)。为了清楚二氧化硅掩蔽扩散的作用,讨论了杂质在二氧化硅中的行为,指出:在有杂质氧化物进入的二氧化硅区域中形成混合玻璃相、由于混合玻璃相与二氧化硅边界极其清晰-认为是混合玻璃相限制了杂质在二氧化硅中的运动速度(有屏蔽杂质的能力)。结合实际工艺中的问题讨论了二氧化硅-硅界面特性,其中包括杂质在二氧化硅-硅界面的分凝效应和二氧化硅中的电荷引起的p型硅表面的反型效应。关于杂质在二氧化硅-硅界面的分凝效应,首先给出了分凝效应的定义,进而讨论了如何描述分凝效应,最后对分凝效应在器件制造中的应用作了介绍;关于二氧化硅中的电荷引起的p型硅表面的反型效应,首先指出在二氧化硅-硅界面的二氧化硅中存在大量正电荷,这必然对p型硅表面具有削弱、耗尽和反型的作用,然后讨论了实际器件中可能出现反型的结构(包括npn和pnp两种结构),进而给出了p型硅表面的反型条件(不满足条件不反型),讨论了器件的p型硅表面反型对性能带来的影响,提出了控制使p型硅表面不反型的几个工艺措施。

课程难点:二氧化硅膜的质量对哪些器件制造工艺及器件电性能有影响,与二氧化硅膜制备工艺有什么关系。二氧化硅膜的质量是如何与二氧化硅膜结构、二氧化硅膜性质密切相关的。从二氧化硅膜结构看,二氧化硅基本单元的基本结构结构形式、基本单元之间是如何连接的、连接组合状态的如何不同使二氧硅分为结晶形二氧化硅和无定形二氧化硅。从器件制造中所用的无定形二氧化硅膜结构看,其具有的特点;这些特点使无定形二氧化硅具有了的某些特征,而这些特征如何使无定形二氧化硅分为本征无定形二氧化硅和非本征无定形二氧化硅。非本征无定形二氧化硅定义,杂质在二氧化硅中的作用、、网络改变剂的定义、网络改变剂在二氧化硅中的作用、不同的网络形成剂在二氧化硅中的不同作用。二氧化硅膜性质中,其物理性质包含的内容,与掩蔽扩散有关的杂质在二氧化硅中扩散系数的性质;二氧化硅能掩蔽杂质扩散的实质是什么,杂质进入的二氧化硅区域形成的混合玻璃相、混合玻璃相的作用、能掩蔽某种杂质扩散的最小膜厚度的求取公式;其化学性质包含的内容,二氧化硅的化学稳定性和工艺可操作性如何对器件制造工艺有好处;其二氧化硅-硅界面的界面效应,分凝效应的定义、分凝效应的描述、分凝效应的工艺应用和二氧化硅中的电荷引起的p型硅表面的反型效应原因、理论分析、实际器件中出现的反型结构、能导致p型硅表面的反型的条件、p型硅表面的反型对器件性能造成的影响以及控制表面反型沟道的各种工艺措施。

基本概念:

1氧化-在衬底(硅片)表面制备一层二氧化硅膜的过程(热生长、反应淀积、阳极氧化等等)。

2氧化工艺-能够在衬底(硅片)表面制备一层二氧化硅膜的工艺方法。

3结晶形二氧化硅-由硅氧四面体基本单元整齐的、规则的、周期性的、重复延伸排列而成的二氧化硅。

4无定形二氧化硅-由硅氧四面体基本单元无序排列而成的二氧化硅。

5桥联氧原子-属于两个硅氧四面体(硅原子)所有的氧原子。

6非桥联氧原子-仅属于一个硅氧四面体(硅原子)所有的氧原子。

7本征无定形二氧化硅-无杂质引入的无定形二氧化硅。

8非本征无定形二氧化硅-有杂质引入的无定形二氧化硅。

9网络形成剂-其杂质离子在二氧化硅网络中能取代硅离子的位置而形成玻璃结构的杂质类。

10网络改变剂-其杂质离子在二氧化硅网络中仅占据网络空隙(孔洞)的杂质类。

11硼硅玻璃-有掺杂剂三氧化二硼掺入的二氧化硅区域中的混合玻璃结构。

12磷硅玻璃-有掺杂剂五氧化二磷掺入的二氧化硅区域中的混合玻璃结构。

13分凝效应-由于杂质在硅和二氧化硅中的溶解度不同、扩散系数不同等原因,而使得在二氧化硅的生长过程中影响了二氧化硅-硅界面两侧杂质再分布的现象。

14表面反型效应-由于衬底外表面的电性原因,造成的衬底表面导电类型与原导电类型相反的现象。

基本要求:要求知道氧化和氧化工艺的定义,知道二氧化硅膜的质量对器件制造工艺和器件性能有什么影响。要求清楚二氧化硅膜的质量不同决定于二氧化硅的不同结构和性质,因此要求知道,构成二氧化硅网络的基本单元结构、基本单元的连接形式、由于基本单元的连接组合状态不同可构成的结晶形二氧化硅和无定形二氧化硅、结晶形二氧化硅和无定形二氧化硅各自的定义;要求知道器件制造中常用的、器件制造中制备的二氧化硅均为无定形二氧化硅;要求清楚无定形二氧化硅结构特点以及带入的基本特征,知道由基本特征导致的本征无定形二氧化硅和非本征无定形二氧化硅的定义及分类;清楚杂质在二氧化硅中的作用,知道网络形成剂的定义、网络形成剂的构成、不同网络形成剂在二氧化硅中的不同作用、及知道网络改变剂的定义、网络改变剂的构成、网络改变剂在二氧化硅中的作用;知道器件制造中常用的、器件制造中制备的二氧化硅均为非本征无定形二氧化硅。要求清楚的知道非本征无定形二氧化硅膜的各种性质,了解二氧化硅膜的八条物理性质、特别要注意其中与制备二氧化硅工艺有关的几条性质(电阻率随制备方法不同而异、介电强度随制造工艺不同而不同、杂质在二氧化硅中的扩散系数随杂质不同而不同且随温度变化而变化);了解二氧化硅膜的三条化学性质、特别了解二氧化硅化学性能的稳定性与可工艺加工性的结合对器件制造带来得好处、了解二氧化硅与铝电极的不良反应可能带来得问题及发生不良反应的条件;要求清楚的知道二氧化硅对某些杂质能起到掩蔽扩散作用的实质,清楚混合玻璃相结构的定义及其如何使二氧化硅对某些杂质能起到掩蔽扩散作用的;知道在二氧化硅-硅界面存在的界面效应,清楚分凝效应的定义、分凝效应的描述、分凝效应的工艺应用和二氧化硅中的电荷引起的p型硅表面反型效应的原因、理论分析、实际器件中出现的反型结构、能导致p型硅表面反型的条件、p型硅表面的反型对器件性能造成的影响以及控制表面反型沟道的各种工艺措施;知道硅表面的反型效应的定义及为什么一般不能造成n型表面反型的原因。

§3.2常见的氧化方法及原理2学时

课程内容:

1热生长氧化法

1.1热生长氧化方法

1.1.1干氧氧化法

1.1.2水汽氧化法

1.1.3湿氧氧化法

1.2各种氧化方法的特点

1.2.1干氧氧化法的特点

1.2.2水汽氧化法的特点

1.2.3湿氧氧化法的特点

1.3热生长氧化机理

1.3.1干氧氧化的氧化机理

1.3.2水汽氧化的氧化机理

1.3.3湿氧氧化的氧化机理

1.4热生长氧化规律

2热分解淀积法

2.1热分解淀积氧化的基本方法

2.2含氧硅化物热分解淀积法

2.3硅烷热分解氧化解淀积法

2.4低温热分解淀积法二氧化硅的生长规律

2.5热分解淀积法的特点

2.5.1优点

2.5.2缺点及改进

课程重点:本节介绍了各种氧化方法,重点介绍了常见的热生长氧化(热氧化)法和热分解淀积氧化(低温淀积、低温氧化)法。对热生长氧化,介绍了热生长氧化(干氧氧化、水汽氧化、湿氧氧化)的各种工艺方法;介绍了各种热生长氧化(干氧氧化、水汽氧化、湿氧氧化)的氧化速率特点和生成的二氧化硅膜质量的特点;介绍了热生长氧化的氧化机理(不管何种热生长氧化在整个热生长氧化过程中均存在初始氧化和加厚氧化两个过程);介绍了热生长氧化的氧化规律(在高温和长时间氧化条件下,符合抛物线规律)。对热分解淀积氧化,介绍了热分解淀积氧化的基本方法(含氧硅化物热分解淀积法和硅烷热分解氧化淀积法);介绍了含氧硅化物热分解淀积法的含氧硅化物源、介绍了其中四乙烷氧基硅烷的热分解机理、四乙烷氧基硅烷的热分解淀积的设备及使用条件、介绍了硅烷热分解氧化淀积法(分解、氧化)生成二氧化硅的机理、介绍了硅烷热分解氧化淀积法的优缺点、对低温热分解淀积法二氧化硅的生长规律进行了讨论并给出了生长规律表达式、介绍了硅烷热分解氧化淀积法的优缺点。

课程难点:热生长氧化的各种工艺方法分类及特点。各种热生长氧化工艺生成的二氧化硅膜的区别及对器件制造的指导意义,各种热生长氧化工艺生成二氧化硅膜速度的区别及对器件制造的指导意义。热生长氧化的氧化机理,干氧氧化在整个热生长氧化过程中存在的初始氧化(氧化反应和过程),加厚氧化过程又分为哪两步(氧气在二氧化硅中的扩散理论和在二氧化硅-硅界面的反应理论);水汽氧化在整个热生长氧化过程中存在的初始氧化(氧化反应和过程),加厚氧化过程又分为哪两步(水汽在二氧化硅中的扩散理论和在二氧化硅-硅界面的反应理论)。热生长氧化的生成膜厚度与氧化时间符合抛物线关系规律的条件,该热生长规律与理论的对应。热分解淀积氧化的两种基本方法;含氧硅化物热分解淀积二氧化硅的基本理论;硅烷热分解氧化淀积二氧化硅的基本理论;热分解淀积氧化的生长规律及对应理论;分解淀积氧化的优缺点、优点在器件制造中可得到的应用、对缺点可采取的改善措施。

基本概念:

1干氧氧化-氧化气氛为干燥、纯净的氧气的制备二氧化硅的热生长氧化过程。

2水汽氧化-氧化气氛为纯净水蒸汽的制备二氧化硅的热生长氧化过程。

3湿氧氧化-氧化气氛为既有纯净水蒸汽又有纯净氧气的制备二氧化硅的热生长氧化过程。

4热分解氧化-在分解温度下,利用化合物分解和重新组合生成二氧化硅,然后使二氧化硅淀积在衬底表面上形成一定厚度的二氧化硅层的方法。

基本要求:要求知道热生长氧化可分为哪几种工艺方法。各种工艺的工艺特点是什么,有什么区别;各种工艺生成二氧化硅膜的结构特点是什么,有什么区别;各种工艺生成二氧化硅膜时的速度特点是什么,有什么区别。要求掌握各种热生长氧化的氧化机理,其中了解干氧氧化的两步氧化机理与水汽氧化的两步氧化机理有什么相同处和不同处。要求知道热生长氧化的生长规律,清楚热生长氧化的生成膜厚度与氧化时间符合抛物线关系规律的条件及原因。要求熟悉热分解淀积氧化的两种较典型的制备二氧化硅膜的方法,知道它们的工艺机理,了解两种工艺方法的生长规律,能够知道在什么条件下可采用热分解淀积氧化法制备二氧化硅膜,能够采取适当措施对热分解淀积氧化法制备的二氧化硅膜松散的缺点进行改善。

§3.3热氧化工艺及生长原理讨论3学时

课程内容:

1热氧化工艺

1.1实际热氧化工艺选择

1.1.1对热氧化工艺的要求

1.1.2实际热氧化工艺

1.2典型工艺条件

1.3典型工艺设备和工艺流程

1.3.1典型工艺设备

1.3.2典型工艺流程

2热氧化的动力学分析

2.1动力学模型的建立

2.1.1氧化剂由气相输运到气相-二氧化硅界面

2.1.2氧化剂进入二氧化硅中,穿透二氧化硅层到达二氧化硅-硅界面

2.1.3氧化剂在二氧化硅-硅界面上与硅反应生成新的二氧化硅

2.2各过程的物理分析及其表达式

2.2.1对过程1的分析

2.2.2对过程2的分析

2.2.3对过程3的分析

2.3氧化过程的平衡状态分析

2.3.1各过程的联系

2.3.2平衡状态分析

2.3.3讨论

3热氧化生长速率及二氧化硅厚度表达式

3.1热氧化生长速率及一般生长规律表达式

3.1.1热氧化生长速率

3.1.2一般生长规律表达式

3.1.3讨论

3.2氧化层厚度表达式及讨论

3.2.1氧化层厚度表达式

3.2.2极限条件下氧化层厚度表达式简化及讨论

课程重点:本节介绍了热氧化工艺和热氧化生长二氧化硅的原理。在热氧化工艺讨论中,实际热氧化工艺的选择是根据前述讨论的各种热氧化方法的结构特点和工艺特点,对应矛盾的热氧化工艺要求,即要求有较高的氧化速率(水汽或湿氧氧化速率高、但生成的二氧化硅膜结构疏松且表面呈亲水性)又要求生成干燥致密的呈疏水性的二氧化硅表面(干氧氧化生成的二氧化硅膜符合该要求,但其氧化速率最低),选择了干氧-湿氧-干氧的实际热氧化工艺;介绍了典型热氧化工艺条件,热氧化自动满足高温的条件,一般热氧化时间超过三十分钟;还介绍了典型工艺设备和工艺流程。在热氧化生长二氧化硅的原理讨论中,首先建立了热氧化模型,该模型是一个具有指导意义的一般模型,这是一个处于氧化气氛中的表面上带有厚度为Xo二氧化硅膜的硅片,氧化剂要与硅反应生成新二氧化硅则必须经历气相输运、扩散穿透原有二氧化硅层、与硅反应三个过程;通过各过程的分析、建立关系式、过程平衡分析得到了与氧化速率有关的处于二氧化硅-硅界面上的氧化剂浓度表达式,还对该式进行了极限分析;介绍了热氧化生长速率的求取,介绍了一般生长规律表达式求取;由一般生长规律表达式,通过数学运算求得氧化层厚度表达通式;根据极限条件,进行了对氧化层厚度表达通式的简化。

课程难点:实际热氧化工艺要求的矛盾,实际热氧化工艺选择如何解决该矛盾。热氧化动力学模型的二维分析,构成动力学模型的三个过程,各个过程的物理分析,各个过程的数学分析,各个过程的平衡态内在联系分析。热氧化生长速率表达式的求取;一般生长规律表达式求取;在一般生长规律表达式中原硅片表面上带有的厚度为Xo二氧化硅是如何转化为时间量的,这对实际干氧-湿氧-干氧的氧化工艺有什么指导意义。氧化层厚度表达通式的求取,氧化层厚度表达通式简化的极限条件及对实际热氧化工艺的指导意义。

基本要求:要求了解热氧化工艺要求与实际热氧化工艺选择的关系,知道实际干氧-湿氧-干氧的氧化工艺如何解决了热氧化工艺要求的矛盾。要求了解典型热氧化工艺条件,清楚对热氧化指导意义。了解热氧化的典型工艺设备和工艺流程,能知道基本工作原理。要求熟悉热氧化动力学模型,能对动力学模型的三个过程进行物理分析和数学分析,能进行三个过程的平衡态内在联系分析。能清楚热氧化生长速率表达式和一般生长规律表达式是如何求得的,式中各项的物理意义。能应用氧化层厚度表达通式求取某热氧化生长中和热氧化生长后的氧化层厚度,能根据极限条件分析选用简化式。

第三章:氧化工艺作业

思考题3题+习题5题

第四章:掺杂工艺及原理(12学时)

§4.1掺杂工艺概述1学时

课程内容:

1掺杂方法

1.1合金掺杂法

1.2扩散掺杂法

1.2.1气-固扩散掺杂法

1.2.1.1液态源掺杂

1.2.1.2气态源掺杂

1.2.1.3固态源掺杂

1.2.2固-固扩散掺杂法

1.3离子注入掺杂法

2扩散技术

2.1扩散工艺对器件参数的可控性

2.1.1可控制器件各区导电类型及电阻率大小

2.1.2可控制获得平坦的pn结结面

2.1.3可任意控制pn结结深和基区宽度

2.1.4可控制和改善外引电性区的接触特性

2.2扩散工艺的特点

2.2.1控制因素多

2.2.2与氧化、光刻配合可容易的实现定域扩散

2.2.3工艺重复性好

2.2.4工艺均匀性好

2.2.5可大批量连续生产

3有关半导体砷化镓中的掺杂

3.1砷化镓的扩散系统及要解决的问题

3.1.1砷化镓的扩散系统

3.1.2砷化镓的扩散要解决的问题

3.2可行的扩散工艺

3.2.1闭管扩散工艺

3.2.2开管扩散工艺

3.3砷化镓中定域扩散的掩蔽膜选取

3.3.1二氧化硅膜及其问题

3.3.2磷硅玻璃膜及其问题

3.3.3氮化硅膜及其问题

课程重点:本节介绍了掺杂工艺的最基本、最普遍的内容。首先介绍了掺杂方法,其中包括常用于锗器件生产的合金掺杂法;常用于锗器件、硅器件、砷化镓器件生产的扩散掺杂法;常用于硅器件器件生产的离子注入掺杂法。在扩散掺杂法中,介绍了气-固扩散掺杂法和固-固扩散掺杂法;气-固扩散掺杂法中介绍了常用的液态源扩散掺杂、气态源扩散掺杂、固态源扩散掺杂方法。对扩散技术作了说明,指出:通过扩散工艺可控制器件电性区导电类型和导电类型的改变,可控制器件电性区电阻率的大小;通过扩散工艺可获得平坦的pn结结面,以得到良好的单结特性;通过扩散工艺可任意控制pn结结深和基区宽度,可获得所要求的(不同的)器件放大特性、器件频率特性、器件功率特性等器件双结特性;通过扩散工艺可控制和改善外引电性区的接触特性,主要指n区金-半间实现欧姆接触。介绍了扩散工艺的特点,通过扩散工艺五个特点的讨论,可深切体会到扩散工艺的确是一种器件生产中重要的、不可或缺的、功能十分良好的工艺。本节还对砷化镓半导体中的掺杂做了介绍,对于砷化镓半导体的扩散系统认为可采用与硅半导体掺杂近似的系统,只不过为了防止砷化镓的分解和砷的挥发要对系统采取一些措施;介绍了几种可行的工艺,首先指出在砷化镓中进行p型掺杂的常用杂质是锌杂质、进行n型掺杂的常用杂质是硫杂质或锡杂质,而后对闭管扩散工艺和开管扩散工艺中的p型掺杂和n型掺杂进行了讨论;最后对砷化镓半导体的扩散系统中掩蔽扩散的掩蔽膜进行了讨论。

课程难点:锗器件生产中的合金掺杂法的常见工艺及掺杂原理。常用于锗器件、硅器件、砷化镓器件生产中的扩散掺杂法的分类;有关气-固扩散掺杂法中的液态源扩散常见的硅器件生产中的p型和n型杂质扩散、气态源扩散常见的硅器件生产中的p型和n型杂质扩散、固态源扩散常见的硅器件生产中的p型和n型杂质扩散;有关固-固扩散掺杂法中的各种扩散方法。关于离子注入掺杂法的基本内容。有关扩散技术的讨论,通过扩散工艺实施可达到的工艺目的;扩散工艺的工艺特点以及其对器件制造的实际意义。关于在砷化镓半导体中掺杂的讨论,常用的掺杂杂质;常用的闭管扩散工艺及其系统讨论;常用的开管扩散工艺及其系统讨论;有关砷化镓半导体的扩散系统中掩蔽扩散的掩蔽膜的讨论。

基本概念:

1掺杂-将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中的规定区域,以达到改变材料导电类型或电学性质的过程。

2合金掺杂-通过杂质材料与半导体材料合金的方法实现掺杂的过程。

3扩散掺杂-依赖杂质的浓度梯度形成扩散掺杂的过程。

4离子注入掺杂-杂质通过离化、加速形成高能离子流,靠能量打入半导体材料的规定区域、活化形成杂质分布的过程。

基本要求:要求了解何谓掺杂,何谓合金掺杂,何谓扩散掺杂和何谓离子注入掺杂。要求了解扩散掺杂工艺中的气-固扩散掺杂方法,知道什么是气-固扩散的液态源扩散;知道什么是气-固扩散的气态源扩散;知道什么是气-固扩散的固态源扩散;了解什么是固-固扩散掺杂工艺;要求了解离子注入掺杂的工艺方法和定义。要求知道扩散技术的工艺作用和工艺特点,知道通过扩散工艺可达到的工艺目的和可改善的工艺参数;了解有哪些扩散技术的工艺特点使得扩散工艺成为引起人们注重的、器件制造的重点工艺。清楚在砷化镓半导体中的掺杂,知道其掺杂系统及必须对系统采取措施的原因;了解其可行的闭管扩散工艺及其系统讨论;了解其可行的开管扩散工艺及其系统讨论;清楚其在砷化镓半导体中掺杂的常用的掺杂杂质;知道在砷化镓半导体的扩散系统中掩蔽扩散的各种掩蔽膜的性质及如何选择掩蔽扩散的掩蔽膜。

§4.2扩散原理1学时

课程内容:

1扩散的实质

2扩散系数D及讨论

2.1扩散系数D与温度有关

2.2扩散系数D与扩散杂质种类及扩散机构有关

2.3当Ns>ni时,扩散系数D与表面杂质浓度Ns,与衬底杂质浓度NB有关

2.4扩散系数D与衬底晶格完美性有关

2.5扩散系数D与衬底取向有关

3杂质扩散机构

3.1间隙式扩散

3.2替位式扩散

3.3两种扩散机构的比较

3.3.1两种扩散机构均遵从菲克第一定律

3.3.2两种扩散机构的扩散系数D内涵不同

3.3.3两种扩散机构的扩散系数D比较

3.4金杂质的扩散机构

3.4.1晶格不完美,而金的杂质浓度较低

3.4.2晶格完美,而金的杂质浓度趋于饱和

3.4.3一般情况

课程重点:本节介绍了扩散的实质,认为从热力学中总结出了扩散的描述,即由于杂质浓度不均匀而产生的杂质定向运动和由于温度分布不均匀而产生的热传导均可认为属于扩散;介绍了杂质在半导体中扩散的定义;对菲克第一定律表达的的扩散方程,说明是应用了热传导方程作为研究杂质在固体中扩散的基础而推出的。本节介绍了扩散系数D的意义及表达式,讨论了表达式中各项的含义;说明了扩散系数D与温度存在的关系、说明了扩散系数D与扩散杂质种类及扩散机构存在的关系、说明了在特定条件下扩散系数D与表面杂质浓度Ns及与衬底杂质浓度NB存在的关系、说明了扩散系数D与衬底晶格完美性存在的关系、还说明了扩散系数D与衬底取向存在的关系。本节介绍了杂质扩散的扩散机构,指明什么是间隙式扩散,间隙式扩散的特点、间隙式扩散的杂质、进行了间隙式扩散的扩散流表达式与菲克第一定律表达式的对比;指明什么是替位式扩散,替位式扩散的特点、替位式扩散的杂质、进行了替位式扩散的扩散流表达式与菲克第一定律表达式的对比;进行了两种扩散机构的比较,进行了两种扩散机构的扩散系数D的比较,清晰的比较结果判定了何种类型杂质为快扩散杂质、何种类型杂质为慢扩散杂质。本节介绍了金杂质的扩散机构,指出金杂质的扩散机构中既有间隙式扩散又有替位式扩散;两种扩散机构的比重分配,既取决于衬底晶格的完美程度又取决于金杂质在扩散系统中的浓度;说明了为什么一般认为金杂质是快扩散杂质的原因。

课程难点:杂质由于浓度不均匀而在半导体中的扩散与温度不均匀而引起的热传导之间的内在关系分析。菲克第一定律物理意义及菲克第一定律物表达式的三维形式和一维形式。扩散系数D的物理意义及数学表达式;扩散系数D与各种因素的关系及其分析。杂质在半导体中的两种扩散机构;间隙式扩散的定义,间隙式扩散的特点、间隙式扩散的杂质、及如何进行间隙式扩散的扩散流表达式与菲克第一定律表达式的对比;替位式扩散的定义,替位式扩散的特点、替位式扩散的杂质、及如何进行替位式扩散的扩散流表达式与菲克第一定律表达式的对比;两种扩散机构相同点的比较,两种扩散机构的表达式相同而内涵不同的扩散系数D的比较分析。金杂质的扩散机构分析和讨论。

基本概念;

1扩散-由于物体内部的杂质浓度或温度不均匀(物体中两相的化学势不相等)而产生的一种使浓度或温度趋于均匀的定向运动。

2杂质在半导体中的扩散-由杂质浓度梯度引起的一种使杂质浓度趋于均匀的杂质定向运动。

3间隙式扩散-杂质进入晶体后,仅占据晶格间隙,在浓度梯度作用下,从一个原子间隙到另一个相邻的原子间隙逐次跳跃前进。每前进一个晶格间距,均必须克服一定的势垒能量。

4替位式扩散-杂质进入晶体后,占据晶格原子的原子空位(空格点),在浓度梯度作用下,向邻近原子空位逐次跳跃前进。每前进一步,均必须克服一定的势垒能量。

基本要求:要求知道扩散的实质是由热力学中总结出来的,由于杂质浓度不均匀而产生的杂质定向运动和由于温度分布不均匀而产生的热传导均可认为属于扩散;要求清楚杂质在半导体中扩散的定义;要求了解菲克第一定律推出的扩散方程,是应用了热传导方程作为研究杂质在固体中扩散的基础而推出的。要求熟悉扩散系数D的意义及表达式,知道表达式中各项的含义;要求知道扩散系数D与温度的关系、要求知道扩散系数D与扩散杂质种类及扩散机构的关系、要求知道在特定条件下扩散系数D与表面杂质浓度Ns及与衬底杂质浓度NB的关系、要求知道扩散系数D与衬底晶格完美性的关系、要求知道扩散系数D与衬底取向的关系。要求熟知杂质扩散的扩散机构,知道什么是间隙式扩散,间隙式扩散的特点、间隙式扩散的杂质、间隙式扩散的扩散流表达式与菲克第一定律的对比;知道什么是替位式扩散,替位式扩散的特点、替位式扩散的杂质、替位式扩散的扩散流表达式与菲克第一定律的对比;要求清楚两种扩散机构的比较,要求清楚两种扩散机构的扩散系数D的比较,要求能由比较结果判定何种类型为快扩散杂质、何种类型为慢扩散杂质。应清楚金杂质的扩散机构中既有间隙式扩散又有替位式扩散;两种扩散机构的比重分配,既取决于衬底晶格的完美程度又取决于金杂质的在扩散系统中的浓度;清楚一般认为金杂质是快扩散杂质的原因。

§4.3扩散方程及扩散杂质分布2学时

课程内容:

1扩散方程

1.1平面器件扩散状态近似

1.2扩散方程的建立

2两步扩散工艺及其特点

2.1两步扩散工艺

2.1.1预淀积扩散

2.1.2再分布扩散

2.2两步扩散工艺各自的特点及相应的初始、边界条件

2.2.1预淀积扩散的工艺特点及相应的初始、边界条件

2.2.2再分布扩散的工艺特点及相应的初始、边界条件

3恒定表面源扩散的杂质分布

3.1杂质分布表达式

3.2余误差分布的讨论

3.2.1扩入硅体内的杂质总量

3.2.2杂质在硅中的固溶度

4有限表面源扩散的杂质分布

4.1杂质分布表达式

4.2高斯分布的讨论

5实际分布与理论分布的差异

5.1工艺因素的影响

5.1.1扩散温度波动的影响

5.1.2扩散时间波动的影响

5.1.3衬底质量的影响

5.2理论近似与实际状态的差异

5.2.1推导余误差分布时的近似

5.2.2推导高斯分布时的近似

5.3体内效应对扩散分布的影响

5.3.1杂质分凝效应的影响

5.3.2场助效应的影响

5.3.3其它体内效应的影响

课程重点:本节介绍了扩散方程的求取,首先进行了平面器件一维扩散状态的近似;通过对一块正在扩散中的半导体的分析,利用原子守恒定率建立了扩散方程,给出了扩散方程的物理意义。介绍了两步扩散工艺及两步扩散工艺各自的特点,两步扩散工艺分为预淀积扩散和再分布扩散两个独立的扩散过程;由预淀积扩散的工艺特点(始终处于饱和杂质气氛中、在较低的扩散温度下),分析给出了预淀积扩散的初始条件和边界条件;由再分布扩散的工艺特点(扩散中无外来杂质气氛、在氧化气氛中进行、在较高的扩散温度下),分析给出了再分布扩散的初始条件和边界条件。用预淀积扩散的初始条件和边界条件求解扩散方程,得到了预淀积扩散(由于整个扩散过程中,其表面杂质浓度不变,则称为恒定表面源扩散)的扩散杂质分布表达式;由于该表达式遵从余误差关系-称为余误差分布;对余误差分布的几个工艺参量进行了讨论。用再分布扩散的初始条件和边界条件求解扩散方程,得到了再分布扩散(由于整个扩散过程中,其表面杂质浓度随时间变化,则称为有限表面源扩散)的扩散杂质分布表达式;由于该表达式遵从高斯函数-称为高斯分布;对高斯分布的几个工艺参量进行了讨论。本节对实际分布与理论分布的差异从原因到影响进行了分析讨论,介绍了各种工艺因素(温度波动、时间波动、衬底质量)对造成实际分布与理论分布差异的影响;介绍了理论推导时认为合理的近似造成的实际分布与理论分布的差异;还介绍了各种体内效应造成的实际分布与理论分布的差异。

课程难点:扩散模型的建立、模型分析及扩散方程的求取;扩散方程的文字描述,扩散方程的物理意义。两步扩散工艺的构成,预淀积扩散的工艺目的,再分布扩散的工艺目的;预淀积扩散的工艺特点、特点分析及其对应的初始条件和边界条件,再分布扩散的工艺特点、特点分析及其对应的初始条件和边界条件。恒定表面源扩散的定解方程及其扩散杂质分布表达式;关于对余误差分布的几个工艺参量进行的讨论,预淀积扩散后扩入硅体内的杂质总量的表达式求取及分析、关于杂质在硅中固溶度的含义及其对工艺应用的指导意义。有限表面源扩散的定解方程及其扩散杂质分布表达式;关于对高斯分布工艺参量进行的讨论,再分布扩散后的表面杂质浓度表达式、该浓度既与预淀积扩散工艺条件有关又与再分布扩散工艺条件有关的分析;要获得满足器件制造要求的再分布扩散后表面杂质浓度,应采取的工艺参量和工艺条件的选取措施。现实存在的实际分布与理论分布有差异的原因分析,各种工艺因素(温度波动、时间波动、衬底质量)对造成实际分布与理论分布差异的影响及其分析;理论推导时认为合理的近似对造成实际分布与理论分布差异的影响及其分析;各种体内效应对造成实际分布与理论分布差异的影响及其分析,杂质分凝效应是如何对再分布扩散后的杂质分布造成影响的、场助效应在扩散过程中的体现及该效应对扩散系数的影响、存在的其它体内效应及其可能对造成实际分布与理论分布出现差异的影响场合。

基本概念:

1两步扩散工艺-整个扩散过程分两步(两个过程)进行的工艺或要求的扩散参数由两个扩散过程达到的扩散工艺。

2杂质在硅中的固溶度-在一定温度下,某杂质能溶入固体硅中的最大溶解度的值。

3场助效应-当具有不同迁移率的正、负荷电粒子同时向某方向定向运动时,由于运动速度的不同产生间隔电场(自建电场),该电场有助于运动慢的荷电粒子加速运动的现象。

基本要求:了解在推导扩散方程时进行的扩散方向的一维近似,一维近似条件;能够建立扩散模型,进行扩散分析,建立量的关系,得到扩散方程;清楚扩散方程的含义及其物理意义;熟悉什么是两步扩散工艺,构成两步扩散工艺的预淀积扩散的工艺目的、再分布扩散的工艺目的;知道对应所要求的工艺目的,预淀积扩散应具备什么工艺条件、有什么工艺特点,与这些工艺特点相对应可分析出哪些边界条件和初始条件;知道对应所要求的工艺目的,再分布扩散应具备什么工艺条件、有什么工艺特点,与这些工艺特点相对应可分析出哪些边界条件和初始条件。知道根据预淀积扩散的边界条件和初始条件求解扩散方程可得到的扩散杂质分布的表达式,清楚其分布形式的特点,能够对相应的工艺参量进行讨论。知道使用再分布扩散的边界条件和初始条件求解扩散方程可得到的扩散杂质分布的表达式,清楚其分布形式的特点,能够对相应的工艺参量进行讨论。知道造成实际分布与理论分布出现差异的各种因素(工艺因素、理论近似因素、体内效应因素),知道各种因素各自造成什么影响,清楚这些差异在何条件下是可以容许的而在何条件下是不可以容许必须修正的。

§4.4扩散方法2学时

课程内容:

1液态源磷扩散

1.1三氯氧磷的性质

1.2扩散反应机理

1.2.1分解反应

1.2.2扩散反应

1.2.3系统中加入氧气可促进源的分解反应

1.3扩散工艺系统和典型工艺

1.3.1扩散工艺系统

1.3.2扩散典型工艺

1.4磷扩散的工艺要求

1.4.1系统密闭性好、通风好

1.4.2保持源温恒定

1.4.3系统保持干燥

2固态氮化硼源扩散

2.1固态氮化硼源扩散的优点

2.1.1操作方便

2.1.2装置简单

2.1.3生产效率高

2.1.4扩散参数均匀性好

2.1.5扩散参数重复性好

2.2氮化硼源的扩散工艺

2.2.1箱式扩散装置的扩散工艺

2.2.2直插列式装置的扩散工艺

2.3固态氮化硼源扩散的扩散机理

2.3.1烧源

2.3.2装片

2.3.3扩散

2.4关于其它片状源扩散

2.4.1片状三氧化二硼源扩散

2.4.2片状磷源扩散

3固-固扩散

3.1常见的固-固扩散

3.1.1金扩散

3.1.2涂源扩散

3.1.3低温淀积氧化物源扩散

3.2扩散过程和扩散机理

3.2.1扩散过程

3.2.2扩散机理

3.2.3固-固扩散与一般扩散工艺比较

3.3扩散的杂质分布

3.3.1表面杂质浓度

3.3.2扩散杂质分布讨论

3.3.3扩散结深

3.4固-固扩散的优点

3.4.1扩散过程中产生的晶格缺陷少

3.4.2扩散后表面状态好

3.4.3扩散均匀性、重复性好

3.4.4表面浓度的可调范围宽

课程重点:本节介绍了硅器件和硅集成电路制造中的各种扩散工艺方法。以三氯氧磷源扩散为例讨论了液态源扩散,讨论了该扩散的扩散工艺系统;扩散典型工艺条件;扩散的反应机理和工艺要求。以粉末状和片状氮化硼源的扩散为例讨论了固态氮化硼源扩散,讨论了固态源扩散的优点;两种固态源扩散的工艺;固态源扩散的扩散反应机理等。讨论了固-固扩散工艺,介绍了几种常见的固-固扩散工艺;介绍了固-固扩散的扩散过程和对应的扩散反应机理、给出了固-固扩散与一般扩散工艺比较;讨论了扩散的杂质分布及其工艺参量;介绍了固-固扩散工艺的优点。

课程难点:三氯氧磷源磷扩散中三氯氧磷源的性质、应注意的事项;三氯氧磷源在扩散中的扩散反应机理;三氯氧磷源磷扩散的扩散工艺系统及扩散工艺要求。有关固态氮化硼源扩散的粉末状氮化硼源和片状氮化硼源两种扩散方法;两种固态源扩散的工艺方法、工艺方法对比;粉末状氮化硼源和片状氮化硼源两种扩散的实施工艺及其特点分析。有关固-固扩散工艺的几种常见的实施工艺;固-固扩散的扩散过程及其对应的反应机理;固-固扩散的扩散杂质分布与气-固扩散相比有什么特点;固-固扩散与气-固扩散相比工艺特点和工艺参数形成特点;固-固扩散的优点理论分析。

基本概念:

1气态源扩散-杂质源为气态,稀释后挥发进入扩散系统的扩散掺杂过程。

2液态源扩散-杂质源为液态,由保护性气体携带进入扩散系统的扩散掺杂过程。

3固态源扩散-杂质源为固态,通入保护性气体,在扩散系统中完成杂质由源到硅片表面的气相输运的扩散掺杂过程。

4p型杂质源-为受主型杂质源,杂质进入硅晶体中取代硅位置后提供负电离中心和空穴。

5n型杂质源-为施主型杂质源,杂质进入硅晶体中取代硅位置后提供正电离中心和电子。

6固-固扩散-在硅片表面制备一层固态杂质源,通过加热处理使杂质由固态杂质源直接向固体硅中扩散掺杂的过程。

基本要求:知道杂质源的各种组态,了解气态源扩散的定义,气态源扩散的扩散工艺特点,气态源扩散的扩散反应机理;了解液态源扩散的定义,液态源扩散的扩散工艺特点,液态源扩散的扩散反应机理;了解固态源的气-固扩散的定义,固态源扩散两种方式的各自的扩散工艺特点,固态源扩散的扩散反应机理;了解固-固扩散扩散的定义,固-固扩散的扩散工艺特点,固-固扩散的扩散反应机理,固-固扩散的扩散杂质分布与气-固扩散相比有什么不同、对实际扩散工艺的实施有什么指导意义。

§4.5扩散层质量参数及扩散工艺条件选择3学时

课程内容:

§4.5.1扩散层质量参数

1扩散结深Xj

1.1余误差分布的扩散结深Xj

1.2高斯分布的扩散结深Xj

1.3关于扩散结深Xj讨论

1.3.1扩散结深Xj与表面杂质浓度和衬底杂质浓度的关系

1.3.2扩散结深Xj与扩散时间的关系

1.3.3扩散结深Xj与扩散温度的关系

1.4基区和发射区扩散后的杂质分布曲线及载流子分布曲线

1.5扩散结深Xj的测定

2扩散薄层电阻RS(方块电阻)

2.1扩散层方块电阻的定义

2.2扩散薄层电阻的物理意义

2.3扩散薄层电阻的测定

3扩散表面杂质浓度Ns

3.1Ns与Xj和扩散杂质总量Q共同决定一个杂质分布

3.2Ns与Xj、Q间的关系

4电性参数

4.1基区扩散后的电性参数

4.2发射区扩散后的电性参数

§4.5.2扩散工艺条件选择

1掌握扩散工艺条件选择的重要性

1.1新器件的研制需要选择工艺条件

1.2对器件性能的改进需重新选择工艺条件

2Xj和RS修正

2.1修正的原因

2.1.1分凝效应的存在影响了Q-必须修正RS

2.1.2再分布伴随二氧化硅生长,消耗掉一部分硅层-必须修正Xj

2.2扩散结深Xj的修正

2.3再分布后RS与Q的关系修正

3预淀积扩散工艺条件选择

3.1工艺条件选择

3.1.1温度T1的选择

3.1.2计算求出t1

3.2预淀积扩散工艺条件选择时注意的问题

3.2.1T1不能选的太高

3.2.2T1不能选的太低

3.2.3选择T1要考虑扩散的重复性

4再分布扩散工艺条件选择

4.1扩散工艺条件的确定

4.2氧化时间的确定

5仍然存在的问题

5.1基区扩散后需泡除的硼硅玻璃薄层-Q的变化

5.2再分布过程中的杂质外扩散-Q的变化

课程重点:本节介绍了扩散层质量参数及扩散工艺条件选择。有关扩散层质量参数,介绍了扩散结深Xj和扩散薄层电阻RS,以及扩散表面杂质浓度Ns。对于扩散结深Xj,给出了扩散结深Xj定义,指明了计算Xj的特征关系式;对余误差分布的扩散结深Xj进行了推导;对高斯分布的扩散结深Xj进行了推导;对扩散结深Xj进行了讨论,指明了Xj与Ns和NB的关系,指明了Xj与扩散时间的关系,指明了Xj与扩散温度的关系;给出了基区和发射区扩散后的杂质分布曲线及载流子分布曲线,该曲线指明杂质分布在硅体内任一点处为迭加关系、而载流子浓度由于电子空穴的复合为相减的关系,在结处呈现载流子耗尽、载流子浓度为零;简单介绍了扩散结深Xj测定。对于扩散薄层电阻RS,给出了扩散薄层电阻RS定义,由基本电阻公式推导出薄层电阻RS的表达式;通过对表达式的分析,讨论了了薄层电阻RS的物理意义。对于扩散表面杂质浓度Ns,分析了Ns与Q的关系,分析了Ns与Xj的关系,指明Ns与Xj和Q共同决定一个扩散杂质分布。最后简单介绍了扩散后的电性参数。在扩散工艺条件选择中,指出了掌握扩散工艺条件选择的重要性,它是工艺实施前建立的工艺实施依据,当然工艺条件不同工艺结果必然不同。为了更精确的制定工艺条件,进行了前述参数的修正、以力争去除实际分布与理论分布出现的差异;如前所述,由于在再分布扩散时伴随二氧化硅的生长,消耗掉了部分硅层,以此对扩散结深Xj进行修正;同理,预淀积扩散后含杂的部分硅层变成了二氧化硅层,这使预淀积扩散在硅体内造成的杂质总量起了变化,以此对扩散杂质总量Q进行修正。由修正后的参量,进行了预淀积扩散工艺条件T1和t1的选择,进行了再分布扩散工艺条件T2和t2的选择(选择时应注意t2必须满足等于t干1+t湿+t干2)。最后指出了仍然存在的问题,并说明这些问题除在浅结器件中考虑外,一般可不考虑。

课程难点:扩散结深Xj的定义、推导参照关系式、余误差分布的扩散结深Xj公式的推导、高斯分布的扩散结深Xj公式的推导,扩散结深Xj与各种因素的关系分析。扩散薄层电阻RS(方块电阻)的定义,推导出的与扩散薄层相关的扩散薄层电阻RS的公式、扩散薄层电阻RS的物理意义。扩散表面杂质浓度Ns的定义、Ns与Q的关系分析、Ns与Xj的关系分析、Ns与Xj和Q共同决定一个扩散杂质分布的分析。为什么在扩散工艺条件选择前进行了对以前给出参数的修正,根据什么修正和如何修正,修正后的参数发生的变化。根据什么参数进行了预淀积扩散工艺条件T1和t1的选择,如何选择,选择中应注意的问题。根据什么参数进行了再分布扩散工艺条件T2和t2的选择,如何选择,选择中如何满足t2等于t干1+t湿+t干2,选择中应注意的问题。

基本概念:

1扩散结深-扩散形成的pn结的深度。

2扩散薄层电阻RS(方块电阻)-表面为正方形的扩散薄层,在电流平行于该正方形的某一边流过时所呈现出的电阻值。

3扩散表面杂质浓度Ns-指再分布扩散后的表面杂质浓度,即为Ns2。

基本要求:要求了解器件制造中扩散工艺形成的扩散层的所有质量参数。包括知道扩散结深Xj的定义,推导扩散结深Xj公式时的参照关系式(pn结的重要性质);能够进行余误差分布的扩散结深Xj公式的推导;能够进行高斯分布的扩散结深Xj公式的推导;会进行扩散结深Xj与各种因素的关系分析。包括知道扩散薄层电阻RS(方块电阻)的定义,能够推导出的与扩散薄层相关的扩散薄层电阻RS的公式,清楚扩散薄层电阻RS的物理意义。包括知道扩散表面杂质浓度Ns的定义,要求能在Xj一定时进行Ns与Q的关系分析,要求能在Q一定时进行Ns与Xj的关系分析,能清楚的知道为什么Ns与Xj和Q共同决定一个扩散杂质分布、并能进行分析。要求能清楚的知道基区和发射区扩散后的杂质分布曲线及载流子分布曲线,知道为什么两条曲线从形态上是不同的,其含义是什么。要求知道在扩散工艺条件选择前为什么对以前给出的参数进行修正,能知道如何进行修正。能根据修正后的扩散参数进行预淀积扩散工艺条件T1和t1的选择;能根据修正后的扩散参数进行再分布扩散工艺条件T2和t2的选择,清楚选择中如何满足t2等于t干1+t湿+t干2,知道在不满足时如何进行调整以得到满意的工艺条件。

§4.6扩散引起的外延层-衬底界面的杂质再分布1.5学时

课程内容:

1外延层-衬底界面的杂质再分布

1.1界面的杂质再分布的条件

1.1.1界面两侧存在杂质的浓度梯度

1.1.2存在高温处理环境

1.2界面杂质再分布的结果

1.2.1同型外延结构

1.2.2异型外延结构

2常规器件结构中外延层-衬底界面的杂质分布

2.1N/N(P/P)结构中外延层-衬底杂质分布

2.2常规集成电路中N/P外延层-衬底界面的杂质分布

3常规集成电路制造中外延层-衬底界面的杂质互扩散

3.1外延层向衬底的推移

3.1.1杂质分布的近似表达式

3.1.2外延层向衬底的推移表达式及推移深度

3.1.3工艺应用的意义

3.2埋层的反扩散

3.2.1扩散的近似分析

3.2.2埋层上反扩散的杂质分布表达式

3.2.3埋层上反扩散的深度表达式

3.2.4在工艺中的应用

课程重点:本节介绍了由于杂质互扩散而使外延层-衬底界面两侧的杂质出现重新再分布的事实,这改变了第二章给出的外延层中杂质浓度恒定的说法,界面两侧杂质出现的重新再分布,将导致外延层靠近外延层-衬底界面附近杂质浓度是变化的。讨论了外延层-衬底界面的出现杂质再分布的条件。对必要的条件指出:其一是界面两侧存在杂质的浓度梯度,其二是存在高温处理环境。对应实际器件制造工艺的分析可知:不管是同型外延还是异型外延它们的外延层-衬底界面两侧均存在杂质的浓度梯度;而存在高温环境更是很多的,诸如外延过程中的高温环境、隔离制造的高温环境(隔离氧化的高温、隔离预淀积扩散的高温、隔离再分布扩散的高温)、器件基区制造的高温环境(基区制造氧化的高温、基区制造预淀积扩散的高温、基区制造再分布扩散的高温)、器件发射区制造的高温环境(发射区制造预淀积扩散的高温、发射区制造再分布扩散的高温);这使得杂质互扩散而使外延层-衬底界面两侧的杂质出现重新再分布是必然的。讨论了界面杂质再分布的结果,指出结果总是使低杂质浓度一侧的杂质浓度(同型)和性质(异型)起变化。介绍了常规器件结构中外延层-衬底界面的杂质分布,包括常见的分离器件的N/N(P/P)结构中外延层-衬底杂质再分布、常规集成电路中N/P外延层-衬底界面的杂质再分布、常规集成电路制造中外延层-衬底界面的杂质互扩散(外延层向衬底的推移、埋层的反扩散)。

课程难点:外延层-衬底界面的杂质再分布是由扩散引起的;在什么条件下才能出现外延层-衬底界面的杂质再分布的现象;界面杂质再分布的结果分析;常见的分离器件的N/N(P/P)结构中外延层-衬底界面的杂质再分布的形式及其杂质再分布的结果分析;常规集成电路中N/P外延层-衬底界面的杂质再分布的形式及其杂质再分布的结果分析;常规集成电路制造中外延层-埋层-衬底界面的埋层的反扩散的扩散形式、埋层上反扩散分析、埋层下反扩散分析及埋层上反扩散时的表达式及其分析。

基本要求:要求知道为什么外延层-衬底界面的杂质再分布是由扩散引起的。知道外延层-衬底界面的杂质再分布在什么条件下才会发生,而这些条件与扩散所要求的条件是否一致。要求清楚的知道外延层-衬底界面的杂质再分布的结果,知道在什么条件下会使低杂质浓度一侧的杂质浓度起变化、如何起变化;知道在什么条件下会使低杂质浓度一侧的性质起变化、起怎样的变化。要求熟悉常规器件结构中各种外延层-衬底界面的杂质的再分布,知道它们的杂质分布形式有什么不同;各种杂质分布形式的杂质分布表达式;能够进行各种杂质分布表达式的分析;能够知道各种杂质分布形式在实际器件制造中的应用。

§4.7离子注入简介1.5学时

课程内容:

1离子注入及其原理

1.1离子注入掺杂

1.2离子注入设备及工作原理

1.2.1离子源

1.2.2初聚系统

1.2.3磁分析器

1.2.4加速器

1.2.5扫描器

1.2.6偏束板

1.2.7靶室

1.3离子注入的杂质分布曲线

1.3.1离子注入杂质分布的峰值在体内

1.3.2峰值以内的杂质分布为高斯分布

2晶格损伤及处理

2.1晶格损伤

2.1.1损伤原因

2.1.2影响晶格畸变的因素

2.1.3晶格损伤对器件性能的影响

2.2晶格损伤的处理-退火工艺

2.2.1退火的目的

2.2.2退火的结果

2.2.3退火的方法

3离子注入优缺点

3.1离子注入优点

3.2离子注入缺点

4离子注入的应用

第四章:掺杂工艺与原理作业

作业1:思考题4个+习题4个

作业2:思考题2个+习题5个

第五章光刻工艺及原理(3学时)

§5.1光致抗蚀剂1学时

课程内容:

1光致抗蚀剂的特性

1.1是一种有机高分子化合物

1.2光致抗蚀剂的两种结构类型

1.2.1线型结构

1.2.2体型结构

1.3光致抗蚀剂的性质

1.3.1具有不同的溶解性

1.3.2具有溶解性的转变性

1.3.3具有耐酸碱性

2光刻胶

2.1光刻胶的组成

2.2光刻工艺对光刻胶的要求

2.2.1涂敷方便

2.2.2粘附性好

2.2.3具有较高的分辨率

2.2.4具有较高的感光度

2.2.5显影质量好

2.2.6抗蚀性能好

2.2.7胶的稳定性好

3光刻胶的配制

3.1各组分的作用

3.1.1感光树脂的作用

3.1.2增感剂的作用

3.1.3溶剂的作用及要求

3.1.4稳定剂的作用及要求

3.2配制方法

3.3配制原则

3.3.1选择适当的抗蚀剂、溶剂和增感剂

3.3.2选择适当的配方

3.3.3增感剂要适量

4光刻胶的质量参数讨论

4.1光刻胶的感光度

4.2光刻胶的分辨率

4.3光刻胶的粘附性

4.4光刻胶的抗蚀性

5负性光致抗蚀剂

5.1负性光致抗蚀剂的特点

5.2负性光致抗蚀剂的光化反应

5.3负性胶的种类

5.3.1聚肉桂酸酯类

5.3.2聚烃类

5.3.3聚酯类

5.4负性光刻胶的工艺应用

5.4.1各类胶的显影

5.4.2各类胶的去胶

6正性光致抗蚀剂

6.1正性光致抗蚀剂的特点

6.2正性光致抗蚀剂的光化反应

6.3正性胶的种类

6.4正性光刻胶的工艺应用

6.4.1胶的显影

6.4.2胶的去胶

课程重点:本节介绍了在光刻工艺中起到重要作用的光刻胶。首先介绍了光刻胶中起敏感的光化反应和抗蚀作用的光致抗蚀剂,讨论了光致抗蚀剂的特性,指出:它是一种有机高分子化合物;它具有线型结构和体型结构的两种结构类型;光致抗蚀剂的性质为具有不同的溶解性、溶解性的转变性和耐酸碱性。本节重点介绍了在器件制造过程中的光刻工艺中起到重要作用的光刻胶,包括光刻胶的组成(由感光树脂+溶剂+增感剂+辅助剂构成);光刻工艺对光刻胶的要求(七项要求)。本节讨论了光刻胶的配制,包括在光刻胶中构成光刻胶的各组分的作用(感光树脂的作用、增感剂的作用、溶剂的作用、稳定剂〈辅助剂〉的作用);讨论了光刻胶的配制方法;讨论了光刻胶的配制原则(选择适当的抗蚀剂、溶剂和增感剂;选择适当的配方和注意增感剂的加入要适量)。对光刻胶的各种质量参数进行了讨论,包括光刻胶的感光度的说明、定义式、定义式的讨论、加入增感剂后的增感过程及原理;讨论了光刻胶的分辨率,包括分辨率的定义、分辨率的定义式、分辨率定义式的的讨论、分辨率求取的例子;讨论了光刻胶的粘附性,给出了光刻胶的粘附性说明、指出了与光刻胶的粘附性相关的各种因素;讨论了光刻胶的抗蚀性,给出了光刻胶的抗蚀性说明、指出了与光刻胶的抗蚀性相关的各种因素。介绍了与器件制造应用密切相关的负性光致抗蚀剂,包括负性光致抗蚀剂的特点(化学光敏性的特点);负性光致抗蚀剂的光化反应(可溶性胶光化反应后变为不溶性胶);负性胶的种类(聚肉桂酸酯类、聚烃类和聚酯类三大类);介绍了负性光刻胶的工艺应用,包括各类负性光刻胶的的显影(不同类胶的不同显影液的应用),各类负性光刻胶的的去胶(对于涂于不同衬底上的胶采用不同的去胶方法)。介绍了与器件制造应用密切相关的正性光致抗蚀剂,包括正性光致抗蚀剂的特点(化学光敏性的特点);正性光致抗蚀剂的光化反应(不溶性胶光化反应后变为可溶性胶);正性胶的种类(邻叠氮醌类);介绍了正性光刻胶的工艺应用,包括各类正性光刻胶的的显影(弱碱性显影液的应用),各类正性光刻胶的去胶(对于涂于不同衬底上的胶采用不同的去胶方法)。

课程难点:与光刻工艺相关的各种名词的定义,光刻工艺在器件制造中的重要性。有关光致抗蚀剂的说明;线型光致抗蚀剂的构成与说明,体型光致抗蚀剂的构成与说明;光致抗蚀剂的三个性质,及其是如何应用于器件制造中的。器件生产中所用的光刻胶,光刻胶是如何由感光树脂、溶剂、增感剂和辅助剂构成的,不同的感光树脂需配以不同的溶剂和增感剂,而这些不同的配合构成不同的光刻胶;关于光刻工艺对光刻胶的七项要求,对于光刻胶这些要求在器件生产中有什么实际意义。有关光刻胶的配制,对四类构成材料各有什么要求;四类构成材料各起到什么作用;光刻胶的配制方法和步骤;在光刻胶的配制时应注意的问题。关于光刻胶的各种质量参数进行的讨论,有关感光度的说明、定义式、定义式的讨论、加入增感剂后的增感过程及增感原理;有关分辨率,包括分辨率的定义、分辨率的定义式、分辨率定义式的的讨论;有关光刻胶的粘附性,给出的光刻胶的粘附性说明、及其与光刻胶的粘附性相关的各种因素;有关光刻胶的抗蚀性,给出光刻胶的抗蚀性说明,及其与光刻胶的抗蚀性相关的各种因素。与器件制造的应用密切相关的负性光致抗蚀剂内容,包括负性光致抗蚀剂的特点(化学光敏性的特点);负性光致抗蚀剂的光化反应(可溶性胶光化反应后变为不溶性胶);负性胶的种类(聚肉桂酸酯类、聚烃类和聚酯类三大类);有关负性光刻胶的工艺应用,包括各类负性光刻胶的的显影(不同类胶的不同显影液的应用),各类负性光刻胶的的去胶(对于涂于不同衬底上的胶采用不同的去胶方法)。与器件制造的应用密切相关的正性光致抗蚀剂,包括正性光致抗蚀剂的特点(化学光敏性的特点);正性光致抗蚀剂的光化反应(不溶性胶光化反应后变为可溶性胶);正性胶的种类(邻叠氮醌类);有关正性光刻胶的工艺应用,包括各类正性光刻胶的的显影(弱碱性显影液的应用),各类正性光刻胶的去胶(对于涂于不同衬底上的胶采用不同的去胶方法)。

基本概念:

1光刻-利用光致抗蚀剂的光敏性和抗蚀性,配合光掩模版对光透射的选择性,使用光学和化学的方法完成特定区域刻蚀的过程(光刻=图形复印+定域刻蚀)。

2光致抗蚀剂-对光敏感的具有抗蚀能力的高分子化合物。

3光掩模版-在光照时覆盖于光刻胶膜上,除特定区域外均对光有掩蔽作用的图版。俗称光掩模或光刻版。

4图形复印-以光刻版为模特经曝光、显影在衬底表面胶膜上得到的与光刻版相应图形的过程。

5定域刻蚀-以光刻胶膜为掩模,在一定的刻蚀条件下对无掩模区域薄膜进行刻蚀以得到与胶膜图形相同薄膜图形的过程。

6感光度-表征光刻胶对光敏感的指标,记为。其与胶膜发生溶变反应的最小曝光量成反比。

7分辨率-每毫米宽度内最多可容纳的光刻出的可分辨线条数。

基本要求:要求知道与光刻工艺相关的各种名词的定义,以及光刻工艺在器件制造中的重要性。清楚有关光致抗蚀剂的说明,其中包括线型光致抗蚀剂的构成与说明和体型光致抗蚀剂的构成与说明。了解光致抗蚀剂的三个性质,及三个性质是如何应用于器件制造中的。熟悉器件生产中所用的光刻胶,清楚光刻胶是如何由感光树脂、溶剂、增感剂和辅助剂构成的,知道不同的感光树脂需配以不同的溶剂和增感剂,而这些不同的配合构成不同的光刻胶,这些不同的光刻胶在器件制造中有不同的应用。了解关于光刻工艺对光刻胶的七项要求,知道光刻胶这些要求在器件生产中有什么实际意义。要求熟悉有关光刻胶的配制,知道四类构成光刻胶的材料各有什么要求和各起到什么作用,知道光刻胶的配制方法和步骤,清楚在光刻胶的配制时应注意的问题。熟悉所讨论的光刻胶的各种质量参数;知道有关感光度的说明、定义式、定义式的讨论和加入增感剂后的增感过程及增感原理;知道有关分辨率,包括分辨率的定义、分辨率的定义式、分辨率定义式的的讨论;知道有关光刻胶的粘附性,熟悉给出的光刻胶的粘附性说明、及其与光刻胶的粘附性相关的各种因素;知道有关光刻胶的抗蚀性,熟悉给出光刻胶的抗蚀性说明,清楚与光刻胶的抗蚀性相关的各种因素。要求知道与器件制造的应用密切相关的负性光致抗蚀剂所有的内容,包括负性光致抗蚀剂化学光敏性的特点;负性光致抗蚀剂的可溶性胶光化反应后变为不溶性胶的溶变现象;负性胶的种类(聚肉桂酸酯类、聚烃类和聚酯类三大类);清楚负性光刻胶的工艺应用特点,包括各类负性光刻胶的的显影(不同类胶的不同显影液的应用),各类负性光刻胶的的去胶(对于涂于不同衬底上的胶采用不同的去胶方法)。要求知道与器件制造应用密切相关的正性光致抗蚀剂,包括正性光致抗蚀剂化学光敏性的特点的特点;正性光致抗蚀剂的不溶性胶光化反应后变为可溶性胶的溶变现象;正性胶的种类(邻叠氮醌类);清楚正性光刻胶的工艺应用,包括各类正性光刻胶的的显影(弱碱性显影液的应用),各类正性光刻胶的去胶(对于涂于不同衬底上的胶采用不同的去胶方法)。

§5.2光刻工艺及其工艺要求0.5学时

课程内容:

1光刻前的准备工作

1.1准备要求

1.2准备方法

1.2.1光刻前待光刻片子置于干燥塔中

1.2.2氧化片出炉后可立即送光刻工序涂胶

1.2.3对氧化片可在涂胶前重吹段时间干氧(氧化温度)

1.2.4涂胶前片子置于80度烘箱中烘30分钟

2涂胶

2.1涂胶的要求

2.2涂胶的方法

2.2.1旋转涂胶法

2.2.2喷涂法

2.2.3浸涂法

3前烘

3.1前烘要求

3.2前烘的方法

3.2.1在80度烘箱中烘15分钟-20分钟

3.2.2在红外烘箱中烘3分钟-5分钟

4曝光

4.1曝光的要求

4.2曝光的方法

5显影

5.1显影的要求

5.2显影的方法

6坚膜

6.1坚膜的要求

6.2坚膜的方法

6.2.1置于恒温箱中,在180度烘30分钟左右

6.2.2置于红外烘箱中烘10分钟左右

7腐蚀

7.1腐蚀的要求

7.2腐蚀的方法

7.2.1腐蚀二氧化硅的方法

7.2.2腐蚀铝电极的方法

8去胶

8.1去胶的要求

8.2去胶的方法

课程重点:本节介绍了光刻工艺及对各光刻工艺步骤的要求。指出光刻工艺步骤可分为八步,每一步均有各自的工艺要求。第一步为光刻前的准备工作,该工艺步骤要求达到的目的是使衬底片表面具有干燥、疏水特性,并给出了各种待光刻衬底片的表面处理方法。第二步为涂胶工艺,该工艺步骤要求达到的目的是在衬底片表面涂敷一层粘附性良好的、厚度均匀的、致密的连续性胶膜,介绍了三种涂胶工艺的方法。第三步为前烘工艺,该工艺步骤要求达到的目的是使胶膜中的溶剂全部挥发、胶膜保持干燥、以利于光化反应时反应充分,并给出了两种前烘的工艺方法。第四步为曝光工艺,该工艺步骤要求达到的目的是使感光区的胶膜发生光化反应、在显影时发生溶变,介绍了常见的紫外光光刻机及其所进行的接触式、选择性、紫外光曝光工艺方法。第五步为显影工艺,该工艺步骤要求达到的目的是在显影液中、溶除要求去掉的胶膜部分(对负性光刻胶溶除未曝光部分,对正性光刻胶溶除已曝光部分),各类胶的显影在本章第一节已作了介绍。第六步为坚膜工艺,该工艺步骤要求达到的目的是去除在显影过程中进入胶膜中的水分(显影液)、使保留的胶膜与衬底表面牢固的粘附,介绍了两种坚膜工艺方法。第七步为腐蚀工艺,该工艺步骤要求达到的目的是去除衬底表面无胶膜保护的薄膜层,给出了腐蚀常见的两种薄膜层的方法、腐蚀二氧化硅时采用氢氟酸缓冲液进行腐蚀(腐蚀条件是:在温度30度-40度下,时间适当)、腐蚀铝时采用热磷酸进行腐蚀(腐蚀条件是:在温度80度下,时间适当)。第八步为去胶工艺,该工艺步骤要求达到的目的是去除腐蚀时起保护作用的胶膜,去胶工艺在本章第一节已作了介绍。

课程难点:无

基本概念:无

基本要求:要求对光刻工艺及对各光刻工艺步骤的要求非常清楚。清楚光刻前的准备工作的目的和要求,知道能使衬底片表面具有干燥、疏水特性的各种方法,了解这些方法中的优劣状况,能采用适当方法对衬底片表面进行处理。清楚涂胶工艺的目的和要求,知道能在衬底片表面涂敷一层粘附性良好的、厚度均匀的、致密的连续性胶膜的各种方法,能在工艺制造中选择适当的方法。清楚前烘工艺的目的和要求,知道能使胶膜中的溶剂全部挥发、胶膜保持干燥、以利于光化反应时反应充分的各种方法,能在工艺制造中选择适当的方法。清楚曝光工艺的目的和要求,知道能使感光区的胶膜发生光化反应、在显影时发生溶变的方法,知道曝光工艺的工艺设备、常见的用紫外光光刻机进行的接触式、选择性、紫外光曝光工艺方法。清楚显影工艺的目的和要求,知道能对各种胶膜进行显影的不同方法,能在工艺制造中选择适当的方法。清楚坚膜工艺的目的和要求,知道能去除在显影过程中进入胶膜中的水分(显影液)、使保留的胶膜与衬底表面牢固的粘附各种方法,能在工艺制造中选择适当的方法。清楚腐蚀工艺的目的和要求,知道能去除衬底表面无胶膜保护的薄膜层各种方法(对不同的衬底表面薄膜层的腐蚀,采用不同的腐蚀液和不同的腐蚀工艺),能在工艺制造中对不同的衬底表面薄膜层选择适当的腐蚀方法。清楚去胶工艺的目的和要求,知道能去除腐蚀时起保护作用的胶膜各种工艺方法,能在工艺制造中对应不同衬底表面薄膜层的性质选择适当的去胶方法。

§6.3光刻缺陷及影响0.25学时

课程内容:

1光刻工艺的质量要求

1.1图形完整、尺寸准确、边缘整齐、陡直

1.2图形内无针孔

1.3图形外无小岛

1.4套合精确、无污染

2光刻缺陷的影响及形成原因

2.1光刻缺陷及影响

2.1.1浮胶及影响

2.1.2毛刺、钻蚀及影响

2.1.3针孔及影响

2.1.4小岛及影响

2.2光刻缺陷形成的原因

2.2.1与衬底表面状况有关

2.2.2与光刻胶的质量有关

2.2.3与光刻版的质量有关

2.2.4与光刻工艺条件控制有关

课程重点:本节介绍了光刻缺陷及光刻缺陷的影响,讨论了光刻缺陷的形成原因。对于光刻缺陷本节给出了四种由光刻工艺产生的缺陷,即浮胶、毛刺与钻蚀、针孔及小岛,并对四种由光刻工艺产生的缺陷的存在对期间制造工艺及性能的影响进行了讨论。本节讨论了光刻缺陷的形成原因,指出衬底表面状况好坏、光刻胶的质量好坏、光刻版的质量好坏和光刻工艺条件控制的适当否均会成为导致光刻缺陷的形成的原因。

课程难点:光刻缺陷的形成与哪些衬底表面状况的好坏有关系,什么关系。光刻缺陷的形成与哪些光刻胶质量的好坏有关系,什么关系。光刻缺陷的形成与哪些光刻版质量的好坏有关系,什么关系。光刻缺陷的形成与哪些光刻工艺条件控制的适当否有关系,什么关系。

基本要求:要求了解光刻工艺实施的质量要求。要求了解在光刻工艺实施过程中有哪些光刻缺陷的形成;知道什么是针孔、知道什么是小岛、知道什么是浮胶、知道什么是毛刺与钻蚀。知道浮胶、毛刺与钻蚀、针孔及小岛这些光刻缺陷与哪些光刻工艺实施的因素有关。

§6.4其它光刻技术简介0.25学时

课程内容:

1常规光刻技术存在的问题

1.1常规曝光技术存在的问题

1.2常规腐蚀技术存在的问题

2其它曝光技术

2.1投影曝光技术

2.2电子束曝光技术

2.3x射线曝光技术

2.4共模复印曝光技术

3其它刻蚀技术

3.1圆桶型等离子体刻蚀

3.2平板型等离子体刻蚀技术

课程重点:本节介绍了其它光刻技术。首先讨论了上述几节介绍的常规光刻技术存在的问题,如常规曝光技术存在的分辨率不高、以及设备和接触变形问题;又如常规腐蚀技术存在的由于湿法腐蚀引起的侧向腐蚀严重问题、钻蚀严重问题和手二氧化硅质量影响大问题等,这些问题对规模较大的集成电路制造或要求分辨率较高的分离器件制造的成品率有非常大的影响。本节介绍了解决上述问题的其它光刻工艺技术。为克服常规曝光技术存在的问题,给出了投影曝光技术、电子束曝光技术、x射线曝光技术和共模复印曝光技术,这些曝光技术都很好的解决了常规曝光技术存在的各种问题。本节介绍了解决上述问题的其它刻蚀技术,变湿法腐蚀为干法腐蚀,所述的两种等离子体刻蚀技术均很好的克服了湿法腐蚀存在的各种问题。

课程难点:常规曝光技术存在的各种问题及其对器件制造的成品率影响,相对应介绍的其它曝光技术如何很好的解决了常规曝光技术存在的各种问题。常规腐蚀技术存在的各种问题及其对器件制造的成品率影响,相对应介绍的其它腐蚀技术如何很好的解决了湿法腐蚀技术存在的各种问题。

基本概念:无

基本要求:要求清楚的知道常规光刻技术存在的问题,要求知道:常规曝光技术存在一些什么问题,这些问题如何影响着规模较大的集成电路制造或要求分辨率较高的分离器件制造的成品率,所介绍的其它曝光技术如何很好的解决了常规曝光技术存在的各种问题;要求知道:常规湿法腐蚀技术存在一些什么问题,这些问题如何影响着规模较大的集成电路制造或要求分辨率较高的分离器件制造的成品率,所介绍的其它腐蚀技术如何很好的解决了常规曝光技术存在的各种问题;要求能根据实际器件制造的要求,选择合适的曝光技术和腐蚀技术。

第五章:光刻工艺及原理作业

思考题2题+习题2题

第六章制版工艺及原理(3学时)

§6.1光刻工艺对光刻版的质量要求1学时

课程内容:

1版的图形尺寸精确

2版的套准误差小

3版的黑白反差高

4图形边缘光滑陡直无毛刺、过渡区小

4.1过渡区定义和特点

4.2过渡区产生的原因

4.3过渡区造成的影响

5版面光洁无针孔、小岛及划痕

5.1版面缺陷

5.2版面缺陷的影响

6版面耐磨、坚固、不变形

课程重点:本节前介绍了光刻版的质量在器件制造中的作用,指出:对最简单的三极管制造至少需要四块光刻版,而常规集成电路制造至少需要六块光刻版;每一块光刻版的质量均对器件制造成品率有着很大的影响,而整套光刻版对器件制造成品率的综合影响,是每一块光刻版对器件制造成品率影响的“与”关系。本节介绍了光刻工艺对光刻版的质量要求。光刻工艺对光刻版的质量六条要求之间也是“与”关系。

课程难点:光刻版的缺陷造成的器件的光刻成品率的含义及其关系式,整套光刻版对器件制造成的光刻成品率的综合影响。要求器件的图形质量与光刻版图形质量的关系;光刻套合精度与光刻版套合精度的关系;版的黑白反差的定义、含义及其要求;光刻版图形的过渡区定义和特点、过渡区产生的原因、过渡区对器件制造造成的影响;光刻版图形的缺陷有哪一些,它们对器件制造造成的影响。

基本概念:

1版的黑白反差-指版上的黑区与白区的光密度差。

2版的过渡区-指版上的图形由充分黑到充分白或由充分白到充分黑的过渡宽度。

3版面针孔-指版面黑区上的一微米以上的白点。

4版面小岛-指版面白区上的一微米以上的黑点。

5版面划痕-指版面黑区上的严重的白色划道或挫伤。

基本要求:要求清楚光刻版上的的缺陷如何造成了器件的光刻成品率的降低,知道光刻成品率与每一块光刻版缺陷密度的关系式,若干次光刻总成品率与整套光刻版的每一块光刻版缺陷密度的综合关系式。能够知道器件的图形质量参数一定,则应对光刻版图形质量提出什么要求。能清楚的知道光刻套合精度与光刻版套合精度的关系;知道版的黑白反差的定义、含义及其要求;知道光刻版图形的过渡区定义和特点、过渡区产生的原因、过渡区对器件制造造成的影响;知道光刻版图形的缺陷种类,了解它们对器件制造造成的影响。

§6.2常规制版工艺0.5学时

课程内容:

1常规制版工艺流程

2制版工艺简介

2.1原图绘制

2.1.1总图绘制

2.1.2原图刻制

2.2初缩

2.3精缩兼分步重复

2.4生产版的复印

课程重点:本节介绍了常规制版工艺。介绍了常规制版工艺的工艺流程,包括草图绘制、总图绘制(包含了按一定比例放大的整套光刻版的所有图形)、原图刻制(分刻每一块光刻版的版图-也称为分图刻制)、初缩(将版图缩至中等尺寸)、精缩兼分步重复(与生产版完全相同尺寸)、生产版的复印(为了得到长寿命的光刻版)。对常规制版工艺中几个重要部分诸如原图绘制、初缩、精缩兼分步重复和生产版的复印做了较详细的介绍。

课程难点:常规制版工艺流程及其分析;总图绘制的定义及其所要做的工作;原图刻制的定义及其所要做的工作;初缩的定义及其所要做的工作;精缩定义及其所要做的工作;分步重复的定义及其所要做的工作;生产版的复印的定义及其所要做的工作。

基本概念:

1总图绘制-将设计图选择适当的放大比例(100-1000倍)画在标准方格坐标纸上(包含各次光刻版的所有图形)。

2原图刻制-从总图上描刻出各次光刻版的原图红膜(与实际光刻版图相比放大了适当的放大倍率)。

3初缩-初步缩小。以各次光刻版的原图红膜为物,将原图缩至中等尺寸。

4精缩-精确缩小。以初缩版为物,进行进一步缩小照相,将版图缩至生产用刻版图的尺寸。

5分步重复-在一块版上制备出成千上万个相同光刻图形的过程(要求版上有图形的面积大于衬底片面积)。

6生产版的复印-采用精缩版为光掩模,在铬底版或氧化铁底版上制备图形与精缩版相同的生产版的过程。

基本要求:掌握常规制版工艺流程,能够对制版工艺流程进行分析。知道总图绘制是如何定义的,清楚总图绘制所要做的工作。知道原图刻制是如何定义,,清楚原图刻制所要做的工作。知道初缩是如何定义,,清楚初缩所要做的工作。知道精缩是如何定义,,清楚精缩所要做的工作。知道分步重复是如何定义,,清楚分步重复所要做的工作和分步重复后对版的图形要求。知道生产版的复印是如何定义,,清楚生产版的复印所要做的工作。

§6.3光刻底版及其制备1.5学时

课程内容:

1超微粒干版(乳胶版)

1.1乳胶的成分与作用

1.1.1乳化剂的成分与作用

1.1.2分散介质的成分与作用

1.1.3辅助剂的成分与作用

1.2超微粒干版的制备工艺

1.2.1制备工艺流程

1.2.2工艺流程中的几点说明

2铬版制备与复印

2.1铬版的制备

2.1.1蒸发制备铬版的条件

2.1.2蒸发制备铬版的要求

2.2铬版的复印

2.2.1复印前的准备工作

2.2.2复印工艺

2.3铬版的优点

2.3.1使用寿命长

2.3.2分辨率大、反差大

2.3.3化学稳定性好

3氧化铁版的制备与复印

3.1氧化铁版的优点

3.1.1生产设备简单、操作方便

3.1.2具有更高的分辨率

3.1.3膜的结构比铬版更致密

3.1.4耐磨性更强

3.1.5可见光范围透明、紫外光范围不透明

3.1.6为自动制版提供了途径

3.2氧化铁版的制备

3.2.1化学气相淀积法

3.2.2涂敷分解淀积法

3.3氧化铁版的复印

课程重点:本节介绍了用于制版工艺的三种光刻底版的定义和具体的内容。关于超微粒干版的构成指出:是由玻璃基片加乳胶涂敷构成的;介绍了构成的乳胶成分与作用,其中介绍了乳化剂的成分与作用,指出:乳化剂是由硝酸银和卤化物组成、常用的卤化物是溴化钾,而其作用是作为感光后发生光化反应的主体存在;介绍了分散介质的成分与作用,指出:分散介质是由明胶构成的,而其作用是在超微粒干版的制造过程中和制造完成后始终起到分散、均匀乳化剂的作用;介绍了辅助剂的成分与作用,指出:辅助剂是为改进超微粒干版性能而引入的,根据要求改进超微粒干版的性能不同分为多种,诸如增感剂、防灰雾剂、坚膜剂等等,不同成分则作用不同。关于超微粒干版的制备工艺,给出了制备工艺流程并对制备工艺流程中的几个重要部分给出了说明,诸如玻璃基片选择的重要性、如何防止卤化银颗粒长大、有关流程中的两次冷冻工艺、切条水洗的作用以及抽滤的作用等。本节介绍了铬版制备与复印;对于铬版的制备,指出是由玻璃基片加铬膜构成的,而铬膜制备通常是由蒸发工艺完成的,讨论了蒸发制备铬版的条件(诸如铬源的纯度要求、蒸发时真空度要求、蒸发时玻璃基片要求),讨论了蒸发制备的铬版的要求;对于铬版的复印,介绍了复印前的准备工作(划版、铬版的净化处理、烘干处理等),讨论了铬版复印的工艺流程(涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀、去胶类似于光刻的工艺流程,只是曝光是在复印机上完成的);对于为什么采用铬版作为生产版,给出了铬版的两条优点。本节介绍了氧化铁版的制备与复印,首先介绍了氧化铁版的优点,给出了诸如生产设备简单操作方便、具有更高的分辨率、膜的结构比铬版更致密、耐磨性更强、可见光范围透明而紫外光范围不透明、为自动制版提供了途径六条优点,其中具有更高的分辨率、可见光范围透明而紫外光范围不透明、为自动制版提供了途径等优点为其在大规模集成电路制造中的应用奠定了基础;介绍了氧化铁版的制备工艺,在可用的几种方法中,讨论了常用的化学气相淀积法和涂敷分解淀积法制备氧化铁版的工艺;讨论了氧化铁版的复印,指出:除其腐蚀方法不同于铬版复印外,工艺过程与铬版复印完全相同。

课程难点:用于制版工艺的三种光刻底版的定义、区别及其对于各自应用于制版工艺的特殊意义。超微粒干版的构成;构成超微粒干版中乳胶的各种成分;乳化剂在乳胶中起什么作用,乳化剂的成分构成,各种成分在乳化剂中各起什么作用,作用原理是什么;分散介质在乳胶中起什么作用,分散介质的成分构成,明胶在乳胶中如何在超微粒干版的制造过程中和制造完成后始终起到分散、均匀乳化剂的作用的,作用原理是什么;辅助剂在乳胶中起什么作用,辅助剂的构成与超微粒干版的待改善性能的关系如何,其中增感剂的成分、作用及作用原理、防灰雾剂的成分、作用及作用原理、坚膜剂的成分、作用及作用原理以及需提高分辨率时可加入的辅助剂;超微粒干版的制备工艺流程,工艺流程中各步骤的作用,各步骤的作用原理。铬版的构成,构成铬版的铬膜的制备工艺、制备工艺条件及其对制备出的铬膜的质量要求;有关铬版的复印工艺及要求。氧化铁版的优点、哪些优点使其在大规模集成电路制造中得到良好的应用,氧化铁版的构成,构成氧化铁版的三氧化二铁膜的各种制备工艺、常用的不同制备工艺条件及其对制备出的三氧化二铁膜的质量要求;有关氧化铁版的复印工艺及要求。

基本概念:

1超微粒干版-由乳化剂、分散介质和辅助剂构成的乳胶涂布而成的感光性底版。其主要成分为明胶,则也称为明胶版。

2铬版-由铬金属膜构成的非感光性底版。为金属膜版。

3氧化铁版-由三氧化二铁膜构成的选择性感光性底版。为金属氧化物膜版。

4明胶-天然高分子化合物,分子量在一万到五万之间,能溶于热水,溶化后为呈一定粘度的胶体。

5划版-按光刻版的大小要求划开底版。

基本要求:要求清楚的知道用于制版工艺的三种光刻底版的定义、区别及其对于各自应用于制版工艺的特殊意义。清楚知道超微粒干版的构成,知道构成超微粒干版中乳胶的各种成分。清楚知道乳化剂在乳胶中起什么作用,了解乳化剂的成分构成,知道各种成分在乳化剂中各起什么作用,作用原理是什么。清楚知道分散介质在乳胶中起什么作用,了解分散介质的成分构成,知道明胶在乳胶中如何起到在超微粒干版的制造过程中和制造完成后始终分散、均匀乳化剂的作用的,作用原理是什么。清楚知道辅助剂在乳胶中起什么作用,知道辅助剂的构成与超微粒干版的待改善性能的有什么关系,知道其中增感剂的成分、作用及作用原理;知道防灰雾剂的成分、作用及作用原理;知道坚膜剂的成分、作用及作用原理;以及知道需要提高分辨率时可加入什么辅助剂。清楚超微粒干版的制备工艺流程,知道工艺流程中各步骤的作用以及各步骤的作用原理。了解铬版是如何构成的,知道构成铬版的铬膜的制备工艺、制备工艺条件及其对制备出的铬膜的质量要求。熟悉有关铬版的复印工艺及复印工艺要求。清楚氧化铁版的优点、知道哪些优点使其在大规模集成电路制造中得到了良好的应用。知道氧化铁版的构成,了解生成构成氧化铁版的三氧化二铁膜的各种制备工艺、知道常用的各种制备工艺、制备工艺条件及其对制备出的三氧化二铁膜膜的质量要求;清楚有关氧化铁版的复印工艺及要求。

第六章制版工艺与原理作业

思考题:3题

第七章隔离工艺与原理(3学时)

§7.1隔离1学时

课程内容:

1隔离

1.1隔离的必要性-集成电路的构成特点

1.1.1各元器件制作于同一芯片上

1.1.2若干元器件通过布线连接构成电路性能

1.1.3电路性能要求各元器件不处于同一电性状态

1.2考虑电性隔离的集成电路制造步骤

1.2.1用绝缘物作隔离墙分割出隔离岛

1.2.2在各隔离岛内制造响应的元器件

1.2.3通过布线连接达到电路功能

1.3隔离要求

1.3.1隔离性能要好

1.3.2工艺上具有可能性、简易性和相容性

1.3.3隔离墙占有的实际面积要小

2隔离种类

2.1pn结隔离

2.2介质隔离

2.2.1SiO2介质隔离

2.2.1V型槽介质隔离

2.3pn结-介质混合隔离

2.3.1等平面混合隔离

2.3.2多孔硅氧化混合隔离

2.3.3V型槽混合隔离

3隔离质量的影响

3.1隔离质量是保证集成电路性能的关键因素

3.1.1各隔离墙必须同时起到隔离作用

3.1.2所有隔离墙必须均具有高稳定和高可靠

3.2隔离是提高集成度的关键因素

3.2.1pn结隔离工艺中隔离墙占有的实际面积分析

3.2.2介质隔离工艺中隔离墙占有的实际面积分析

课程重点:本节介绍了隔离的有关基本知识。首先介绍了什么是隔离,指出了隔离制造在集成电路制造中的必要性,由集成电路的构成的三个特点(各元器件制作于同一芯片上、若干元器件通过布线连接构成电路性能、电路性能要求各元器件不处于同一电性状态),则必须进行隔离制造。叙述了考虑电性隔离的集成电路制造步骤,指出:由于考虑了各元器件间电性隔离,则在元器件布局时,必须考虑元器件间电性能是否相同,然后用绝缘物作隔离墙分割出大小不一的隔离岛;再在各个隔离岛内排布元器件(同态可同岛、异态必异岛);布线连接各元器件达到电路功能。讨论了隔离要求,提出了三个要求并进行了讨论;其一是隔离性能要好,主要指隔离墙的漏电流要小、击穿电压要高、带入的电容效应要小;其二是工艺上具有可能性、简易性和相容性,可能性是指能用一定的工艺手段完成,是指工艺上的简单易操作,相容性是指与现行的工艺(如硅外延平面工艺)能相容合;其三是隔离墙占有的实际面积要小,这是提高集成度的要求。介绍了隔离种类,总共介绍了pn结隔离、介质隔离(SiO2介质隔离、V型槽介质隔离)和pn结-介质混合隔离(等平面混合隔离、多孔硅氧化混合隔离、V型槽混合隔离)三类六种隔离方式,并对各种方式进行了讨论。本节还介绍了隔离质量对集成电路制造的影响,指出:隔离质量是保证集成电路性能的关键因素,这是指集成电路中各隔离墙必须同时起到隔离作用、所有隔离墙必须均具有高稳定和高可靠;隔离是提高集成度的关键因素,这是指集成电路制造中不同的隔离工艺隔离墙占有的实际面积不同、则对集成度影响不同,对pn结隔离工艺中隔离墙占有的实际面积和介质隔离工艺中隔离墙占有的实际面积进行了对比分析。

课程难点:什么是隔离、隔离制造在集成电路制造中的必要性、如何进行考虑电性隔离的集成电路制造步骤的安排、隔离制造有什么性能要求。隔离方法有几种、常用的又有几种。隔离制造的质量是如何影响集成电路制造和性能的。基本概念:

1隔离-指集成电路制造中使在电性能上需要隔离的元器件实现绝缘隔离的过程。

2隔离墙-指集成电路制造中制造的使元器件在电性能上实现绝缘隔离的绝缘物。

3隔离岛-指集成电路制造中被绝缘物隔离开来的用于制造器件的电性区。

4pn结隔离-利用反向pn结的大电阻特性作为绝缘物实现的电性区之间的电性隔离过程。

5介质隔离-用绝缘介质作为绝缘物实现的电性区之间的电性隔离过程。

6SiO2介质隔离-用绝缘SiO2介质作为绝缘物实现的电性区之间的电性隔离过程。

7pn结-介质混合隔离-实现的电性区之间的电性隔离的绝缘物既有反向pn结又有绝缘介质的隔离过程。

基本要求:要求知道什么是隔离的定义、含义。清楚隔离制造在集成电路制造中的必要性,为什么说不解决隔离问题集成电路制造就是一句空话。能够进行考虑电性隔离的集成电路制造步骤的安排,知道如何进行电性区的划分、如何在各个电性区内合理安排元器件、如何通过布线构成集成电路的功能。清楚的了解隔离制造有什么性能要求,对隔离墙的性能要求有哪些、对制造隔离墙的制造工艺要求有哪些。清楚隔离方法有几类多少种,熟悉常用的有几种。清楚的知道隔离制造的质量是如何影响集成电路制造和性能的,知道隔离墙的质量是如何影响集成电路制造和性能的、清楚为何说隔离是提高集成度的关键因素。

§7.2隔离工艺2学时

课程内容:

1pn结隔离工艺

1.1pn结隔离原理

1.1.1采用了p型衬底

1.1.2采用了n型外延层

1.1.3采用了高浓度p型隔离墙

1.2pn结隔离工艺流程

1.3pn结隔离工艺的几点说明

1.3.1有关隔离扩散深度

1.3.2对是否扩穿外延层的测定

1.3.3隔离墙击穿电压及隔离特性判定

1.4pn结隔离的优缺点

1.4.1pn结隔离的优点

1.4.2pn结隔离的缺点

2SiO2介质隔离工艺

2.1SiO2介质隔离原理

2.2SiO2介质隔离工艺流程

2.3SiO2介质隔离工艺的几点说明

2.3.1隔离氧化前需对硅片进行严格的厚度分档

2.3.2原始硅片两面必须严格平行

2.3.3刻槽深度考虑

2.3.4刻槽采用的双层掩蔽膜工艺

3V型槽介质隔离工艺简介

3.1隔构结构

3.2V型槽介质隔离工艺流程

3.3V型槽介质隔离工艺特点

课程重点:本节介绍了几种常见的隔离工艺、隔离原理及它们的隔离特点。介绍了pn结隔离工艺,讨论了采用反向pn结隔离的原理,其工艺特点是采用了p型衬底、采用了n型外延层、采用了高浓度p型隔离墙。介绍了pn结工艺流程,由工艺流程可以看出隔离制造采用了隔离氧化、隔离光课和隔离扩散三步工艺。对pn结隔离工艺作了几点说明,指出有关扩穿外延层的隔离扩散深度,必须考虑外延层向衬底的推移深度;有关对是否扩穿外延层的测定,是分别在衬底-隔离墙之间加正负和负正电压、测其电阻值来判定的;有关隔离墙击穿电压及隔离特性判定,则是在相邻的两隔离岛上加电压进行测量的。介绍了pn结隔离的优缺点,给出了三条优点、四条缺点。介绍了SiO2介质隔离工艺,讨论了采用绝缘介质SiO2进行隔离的原理。介绍了SiO2介质隔离工艺流程,由工艺流程可以看出隔离制造采用了与平面工艺基本不相容的工艺技术来形成隔离墙的,在工艺流程中出现了象刻槽、多晶硅生长、两次不同的研磨等特殊工艺。对SiO2介质隔离工艺作了几点说明,指出由于要进行两次研磨则要求隔离氧化前需对硅片进行严格的厚度分档、以使各片研磨效果相同;同理,要求原始硅片两面必须严格平行、以使各片本身各图形的的研磨效果相同;有关刻槽深度,给出了四个影响因素;由于刻槽深度较大,指出需采用二氧化硅和铝膜双层掩蔽膜工艺进行掩蔽刻槽。介绍了SiO2介质隔离的优缺点,给出了四条优点、五条缺点。对V型槽介质隔离工艺进行了简单介绍,从结构和工艺流程看均与SiO2介质隔离相似,不同的是由于用(100)面晶片取代了(111)面晶片,其结构由U型槽介质隔离变为V型槽介质隔离,是隔离墙实际占据面积减小,集成度得到提高。

课程难点:采用反向pn结实现隔离的原理,原理分析。从pn结隔离工艺工艺结构分析,为什么其工艺特点是采用了p型衬底、采用了n型外延层和采用了高浓度p型隔离墙。在pn结隔离工艺中为什么要求隔离扩散扩穿外延层,其隔离扩散深度是如何考虑的。对隔离扩散是否扩穿外延层的测量及其原理。对隔离性能的测量及其原理。采用绝缘介质SiO2进行隔离的原理,原理分析。其工艺与pn结隔离工艺相比有什么不同,这导致了在优缺点对比上有什么不同。对SiO2介质隔离工艺作了几点说明中,为什么要求隔离氧化前需对硅片进行严格的厚度分档,为什么要求原始硅片两面必须严格平行,有关刻槽深度给出的四个影响因素是如何决定刻槽深度的,为什么采用二氧化硅和铝膜双层掩蔽膜工艺进行掩蔽刻槽。V型槽介质隔离工艺与SiO2介质隔离工艺性能的对比,显现各自的特点。

基本概念:无

基本要求:清楚的知道采用反向pn结实现隔离的原理,能够进行能原理分析。从pn结隔离工艺工艺结构分析入手,知道为什么其工艺特点是采用了p型衬底、采用了n型外延层和采用了高浓度p型隔离墙。清楚了解在pn结隔离工艺中为什么要求隔离扩散扩穿外延层,知道其隔离扩散深度是如何考虑的。知道对隔离扩散是否扩穿外延层是如何测量的,了解其测量的原理。知道对隔离性能是如何测量的,了解其测量的原理。清楚的知道采用绝缘介质SiO2进行隔离的原理,能够进行原理分析。清楚SiO2介质隔离工艺与pn结隔离工艺相比有什么不同,知道这导致了在优缺点对比上有哪些不同。知道对SiO2介质隔离工艺作的几点说明,了解为什么要求隔离氧化前需对硅片进行严格的厚度分档,了解为什么要求原始硅片两面必须严格平行,知道有关刻槽深度给出的四个影响因素是如何决定刻槽深度的,清楚为什么采用二氧化硅和铝膜双层掩蔽膜工艺进行掩蔽刻槽。了解V型槽介质隔离工艺与SiO2介质隔离工艺性能的对比,知道对比中如何显现各自的特点。

第七章隔离工艺与原理作业

思考题3题

第八章表面钝化工艺及原理(5学时)

§8.1概述0.5学时

课程内容:

1器件进行表面钝化的必要性

1.1早期制造的器件电性能的劣化现象

1.1.1劣化现象

1.1.2导致器件失效的主要参数

1.2器件电性能劣化的原因在器件表面

2表面钝化及其发展

2.1表面钝化及表面钝化工艺

2.2表面钝化的发展

2.2.1表面钝化工艺的发展

2.2.2表面钝化理论的发展

课程重点:本节讨论了表面钝化、表面钝化工艺、表面钝化理论。首先介绍了在器件制造的早期,器件的性能劣化现象十分严重,电老化后的失效率高达百分之六十以上;而导致失效的主要参数是漏电流变大、电流放大系数变低、击穿电压蠕变。对器件的结构分析和对失效参数的分析可知,器件电性能劣化的原因在器件表面;在器件制造的早期,表面无强劲的保护措施,器件表面极易受到周围气氛的影响、极易受到周围杂质气氛的沾污、极易与周围化学气氛发生反应;这些导致了器件表面能态发生变化、导致了器件电学性能发生变化、导致了器件电性能稳定性和可靠性都很差。本节介绍了表面钝化及其发展。介绍了表面钝化和表面钝化工艺的定义,指出实施表面钝化工艺对器件电性能的影响;介绍了表面钝化的发展,指出表面钝化的发展包含表面钝化工艺的发展和表面钝化理论的发展;而正是表面钝化工艺的发展促进了表面钝化理论的发展;使表面钝化理论发展为器件表面分析理论和表面钝化工艺的工艺钝化理论两个分支

课程难点:器件电性能劣化的现象,器件电性能劣化现象与器件表面状态的关系。表面钝化的发展含义及内容。

基本概念:

1钝化-使化学性能迟钝、不易发生化学反应。

2活化-使化学性能活泼、易于发生化学反应。

3器件表面钝化-使器件表面不受外界影响的实施过程。

4表面钝化工艺-去除表面缺陷、改善表面特性、形成器件表面保护膜的工艺。

基本要求:要求知道器件电性能劣化的现象,清楚导致道器件电性能劣化的各种电参数,了解器件电性能劣化现象与器件表面状态的关系;要求知道钝化、器件表面钝化、表面钝化工艺的定义,清楚器件表面钝化实施对期间电性能带来好处。要求清楚表面钝化的发展含义及内容;知道表面钝化工艺的发展经历了哪些过程、现实状况如何;知道表面钝化理论的发展经历了哪些过程、现实状况如何;清楚的知道表面钝化理论的发展与表面钝化工艺发展的关系。

§8.2二氧化硅-硅系统中的电荷1.5学时

课程内容:

1电荷综述

1.1可动离子电荷

1.1.1可动离子电荷的性质

1.1.2可动离子电荷的来源

1.1.3可动离子电荷在二氧化硅中的分布

1.2固定氧化物电荷

1.2.1固定氧化物电荷的分布

1.2.2固定氧化物电荷的来源

1.2.3固定氧化物电荷的性质

1.3界面陷阱电荷

1.3.1界面陷阱电荷的分布

1.3.2界面陷阱电荷的来源

1.3.3界面陷阱电荷的性质

1.4氧化物外表面电荷

1.4.1氧化物外表面电荷的分布

1.4.2氧化物外表面电荷的来源

1.4.3氧化物外表面电荷的性质

1.5氧化物陷阱电荷

1.5.1氧化物陷阱电荷的分布

1.5.2氧化物陷阱电荷的来源

1.5.3氧化物陷阱电荷的密度

2二氧化硅中的电荷对器件性能的影响

2.1具有使硅表面向N型转化的趋势

2.2对MOS管和MOSIC性能的影响

2.3对双极晶体管和双极IC性能的影响

2.4对二氧化硅本身性质的影响

3预防措施

3.1加强工艺卫生防止钠离子沾污

3.1.1对操作人员严格要求

3.1.2采用无钠工具和无钠工艺

3.2采取工艺措施去除钠离子

3.2.1氧化后将二氧化硅腐蚀掉一百埃到二百埃

3.2.2采用磷硅玻璃层提取钠离子

3.2.3采用掺氯氧化工艺

3.3制造MOS器件或规模较大的集成电路时选用(100)面晶片

课程重点:本节详尽讨论了二氧化硅-硅系统中的电荷,详尽讨论了二氧化硅中的电荷对器件电性能的影响,以及如何采取措施消除二氧化硅中的电荷对器件电性能的影响。本节首先给出了二氧化硅中各种电荷的命名,对多种命名方法进行了归类讨论。进行了电荷综述,对二氧化硅中五种电荷进行了详尽的讨论;关于可动离子电荷,指出:可动离子电荷绝大多数为金属正离子电荷;由于多种原因最重要的可动离子电荷是钠离子;可动钠离子的来源是非常广泛的(器件制造中的设备沾污;所用气体、化学试剂、器皿、去离子水的纯度;操作人员的沾污等);而可动钠离子电荷在二氧化硅中的分布,是在二氧化硅-硅界面二氧化硅一侧。关于固定氧化物电荷,指出:固定氧化物电荷的分布,是在二氧化硅-硅界面二氧化硅一侧距界面一百埃到二百埃的范围内;固定氧化物电荷的来源是二氧化硅中过剩的硅离子(氧空位);固定氧化物电荷最重要的性质是其为固定正电荷性质。关于界面陷阱电荷,指出:界面陷阱电荷的分布,是在二氧化硅-硅界面上;界面陷阱电荷的来源,是二氧化硅与硅结构的交界处硅的剩余悬挂键;界面陷阱电荷最重要的性质是其为固定电荷,且常表现为正电荷。关于氧化物外表面电荷,指出:氧化物外表面电荷的分布,是在二氧化硅的外表面上;氧化物外表面电荷的来源,是加工过程中的各种杂质沾污;氧化物外表面电荷性质是,正离子沾污和负离子沾污具有同等几率,不加外电场时基本无影响。关于氧化物陷阱电荷,指出:氧化物陷阱电荷的分布,在无外电场时是在二氧化硅中随机分布的;氧化物陷阱电荷的来源,是由于高能电子、离子、电磁辐射或其它辐射扫过带有二氧化硅的硅表面时产生的;氧化物陷阱电荷的性质是,辐射电荷成对产生、其密度视其作用方式和作用能量大小而定。介绍了二氧化硅中的电荷对器件电性能的影响,指出:二氧化硅中的电荷的综合作用,具有使硅表面向N型转化的趋势;能对MOS管和MOSIC性能造成很大的影响;能对双极晶体管和双极IC性能造成很大的影响;能对二氧化硅本身性质造成影响,使其介电强度下降,导致二氧化硅较低压下击穿。介绍了防止二氧化硅中的电荷对器件电性能影响的措施,提出了加强工艺卫生防止钠离子沾污、采取工艺措施去除钠离子和制造MOS器件或规模较大的集成电路时选用(100)面晶片三大项措施。

课程难点:二氧化硅-硅系统中的电荷存在种类,二氧化硅-硅系统中的电荷的命名。关于可动离子电荷的性质、来源及其在二氧化硅中的分布。关于固定氧化物电荷的性质、来源及其在二氧化硅中的分布。关于界面陷阱电荷的性质、来源及其在二氧化硅中的分布。关于氧化物外表面电荷的性质、来源及其在二氧化硅中的分布。关于氧化物陷阱电荷的性质、来源及其在二氧化硅中的分布。二氧化硅-硅系统中的电荷存在,影响哪些器件制造和器件的性质,是如何造成影响的。如何采取和采取什么样的措施去除二氧化硅-硅系统中的电荷对器件制造和器件的性质造成的影响。

基本概念:

1可动离子电荷-指二氧化硅中可动的电离正离子电荷。绝大多数为金属离子电荷和氢正离子。

2固定氧化物电荷-指二氧化硅中过剩的硅离子或称为氧空位。为固定正电荷。

3界面陷阱电荷-指二氧化硅中二氧化硅与硅结构的交界处硅的剩余悬挂键。表现为电荷性质,常表现为正电荷性质。

4氧化物外表面电荷-是指加工过程中的各种杂质沾污电离后形成的电荷。正电荷和负电荷存在几率相同。

5氧化物陷阱电荷-是由于高能电子、离子、电磁辐射或其它辐射扫过带有二氧化硅的硅表面时,在二氧化硅中产生的电荷。

基本要求:要求熟悉二氧化硅-硅系统中的电荷存在的种类,知道二氧化硅-硅系统中的电荷的命名、以及不同命名的对应关系。清楚可动离子电荷的性质,知道可动离子电荷的构成,知道为什么可动离子电荷多指钠离子;知道可动钠离子电荷的来源,清楚可动钠离子的来源是非常广泛的,诸如器件制造中的设备沾污,所用气体、化学试剂、器皿、去离子水的纯度不够造成的沾污,操作人员的操作过程沾污等;清楚的了解可动钠离子在二氧化硅中的分布,及其“可动”这一性质带来的不良影响。清楚关于固定氧化物电荷的性质;知道固定氧化物电荷的来源,了解固定氧化物电荷的形成机理;清楚的了解固定氧化物电荷在二氧化硅中的分布。清楚关于界面陷阱电荷的性质;清楚的了解界面陷阱电荷的来源,了解界面陷阱电荷的形成机理;清楚的知道界面陷阱电荷在二氧化硅中的分布。清楚关于氧化物外表面电荷的性质;清楚的了解氧化物外表面电荷的来源,知道氧化物外表面电荷的形成机理,了解氧化物外表面电荷对器件电性能造成影响的条件;知道氧化物外表面电荷在二氧化硅外表面上的分布。清楚关于氧化物陷阱电荷的性质;知道氧化物陷阱电荷的来源,了解氧化物陷阱电荷的形成机理;清楚氧化物陷阱电荷在二氧化硅中的分布,知道起密度与什么因素有关。知道二氧化硅-硅系统中的电荷存在形式,能够影响哪些器件制造和器件的性质,了解是如何造成影响的。能够知道如何采取措施和采取什么样的措施,以去除二氧化硅-硅系统中的电荷对器件制造和器件的性质造成的影响,知道防止钠离子沾污的各种措施、知道如何提取钠离子以防止沾污的各种措施、知道为什么制造MOS器件或规模较大的集成电路时应选用(100)面晶片。

§8.3表面钝化工艺3学时

课程内容:

§8.3.1氯化氢氧化法

1氯化氢氧化工艺

1.1盐酸鼓泡法

1.2氯化氢渗透法

1.3硫酸脱水法

1.4分子筛吸附法

1.4.1分子筛饱和吸附氯化氢

1.4.2氮气流通分子筛携氯化氢进入反应器

2实际工艺过程及钝化机理

2.1实际工艺过程

2.1.1钝化系统

2.1.2钝化硅表面

2.2钝化机理

2.2.1系统钝化机理

2.2.2二氧化硅-硅系统钝化

2.3氯化氢氧化应注意的问题

2.3.1钝化作用与氧化时氯化氢的浓度有关

2.3.2氯化氢氧化膜生成后,不易再进行长时间的非含氯氧化

2.3.3该方法适用于干氧氧化

3其它掺氯氧化工艺

3.0有关其它掺氯氧化工艺

3.1三氯乙烯氧化工艺

3.1.1三氯乙烯氧化设备

3.1.2三氯乙烯氧化工艺

3.2三氯乙烯氧化的优点

3.2.1无腐蚀性

3.2.2易于工艺控制

3.2.3设备简单

3.2.4钝化效果优于氯化氢氧化

§8.3.2磷硅玻璃钝化法

1磷硅玻璃结构及其钝化机理

1.1磷硅玻璃的结构

1.2磷硅玻璃的钝化机理

1.2.1对钠离子有阻挡作用

1.2.2对钠离子有固定作用

1.2.3对钠离子有提取作用

2磷硅玻璃的制备工艺

2.1磷蒸汽合金法

2.1.1方法

2.1.2反应过程

2.1.3工艺特点

2.2磷处理法

2.2.1方法

2.2.2典型设备

2.2.3典型工艺

2.2.4生成的磷硅玻璃膜厚要求

2.3化学气相淀积法

2.3.1化学气相淀积原理

2.3.2化学气相淀积设备-冷壁立式旋转反应炉

2.3.3典型工艺条件

2.3.4工艺特点

3磷硅玻璃钝化的优缺点

3.1磷硅玻璃钝化的优点(五条)

3.2磷硅玻璃钝化的缺点(三条)

4采用多层介质结构

§8.3.3氮化硅钝化法

1氮化硅制备工艺

1.1化学气相淀积法(CVD)制备氮化硅

1.1.1常压化学气相淀积法-APCVD

1.1.2低压化学气相淀积法-LPCVD

1.1.3等离子体化学气相淀积法-PCVD

1.2CVD制备氮化硅的原理

1.2.1常用反应物

1.2.2化学反应原理

1.3注意事项

1.3.1携带、保护气体有选择性

1.3.2工艺过程中严防氧化气氛进入

2氮化硅的性质

2.1结构致密、表面呈疏水性

2.2掩蔽能力强、应用场合广泛、工艺效果好

2.3抗钠离子能力强

2.3.1有很强的阻挡钠离子的能力

2.3.2有提取钠离子的能力

2.4化学稳定性好

2.5介电性能好

2.6高温性能好

2.7氮化硅-硅界面性质不好

3器件工艺中采用双层介质结构

§8.3.4三氧化二铝钝化法

1三氧化二铝的性质

1.1抗辐射能力强

1.2具有负电荷效应

1.3结构致密、抗钠离子能力较强

1.4化学稳定性好

2三氧化二铝膜的制备

2.1可用方法

2.1.1三氯化铝水解法

2.1.2铝的有机化合物的热分解法-采用异丙氧基铝

2.1.3反应溅射法(直流反应溅射法、高频反应溅射法)

2.1.4真空电子束蒸发法

2.1.5阳极氧化法

2.2有关三氯化铝水解法

2.2.1设备及典型工艺条件

2.2.2反应原理

2.3有关阳极氧化法

2.3.1阳极氧化方法

2.3.2工艺应用

3应注意的问题

3.1作为钝化膜使用时须采用双层介质结构

3.2三氧化二铝膜对钠离子无固定和提取的作用

§8.3.5表面保护的几种有机涂料

1有机硅树脂

1.1有机硅树脂的优点

1.1.1耐高温

1.1.2绝缘性好

1.1.3憎水防潮化学稳定性好

1.2有机硅树脂的种类

1.3工艺应用

1.3.1毛笔涂敷

1.3.2有机硅树脂膜的阴干

1.3.3有机硅树脂膜的温烘

2硅橡胶

2.1硅橡胶的优点

2.1.1可耐高、低温

2.1.2粘附性好

2.2硅橡胶的种类

2.3工艺应用

2.3.1毛笔涂敷

2.3.2硅橡胶的阴干

2.3.3硅橡胶的温烘

3聚酰亚铵膜(PI)

3.1聚酰亚铵膜的优点

3.1.1热稳定性好,可耐高、低温

3.1.2热膨胀系数小

3.1.3具有负电荷效应

3.1.4有较强的抗辐射能力

3.1.5电绝缘性好

3.1.6物理、化学性能稳定

3.1.7较适于批量生产

3.2工艺应用

3.2.1涂敷聚酰胺酸

3.2.2涂敷聚酰胺酸膜烘干

3.2.3亚铵化

课程重点:本节介绍了表面钝化工艺,指出表面钝化工艺有:掺氯氧化法、磷硅玻璃钝化法、氮化硅钝化法、三氧化二铝钝化法、半绝缘多晶硅钝化法、低压化学气相淀积钝化法、金属氧化物钝化法、有机聚合物钝化法、玻璃钝化法等数十种钝化方法,而本节介绍了其中几种卓有成效的钝化方法。有关氯化氢氧化法,介绍了氯化氢氧化工艺,指出:根据氯化氢发生器的不同分为盐酸鼓泡法、氯化氢渗透法、硫酸脱水法和分子筛吸附法四种方法;对实际工艺过程及钝化机理进行了讨论,指出实际工艺过程是由钝化系统和钝化硅表面两部分组成,因此钝化机理也分为系统钝化机理和二氧化硅-硅系统钝化机理两部分;本节还指出了氯化氢氧化应注意的问题,为实际工艺应用打好了基础;本节还介绍了其它掺氯氧化工艺,并对生成膜更加优良的三氯乙烯氧化工艺进行了讨论。有关磷硅玻璃钝化法,介绍了磷硅玻璃结构及其钝化机理,指出:磷硅玻璃中的负离子结构对对钠离子有阻挡作用、对钠离子有固定作用,磷硅玻璃比二氧化硅高的多的对钠离子的溶解度(高100倍以上),使其有能从二氧化硅中提取钠离子的能力;讨论了磷硅玻璃的制备工艺,介绍了常用的磷蒸汽合金法、磷处理法和化学气相淀积法(CVD),并表明三种方法各有利弊;最后讨论了磷硅玻璃钝化的优缺点,给出了五条优点和三条缺点,为克服其缺点,建议采用多层介质结构。有关氮化硅钝化法,介绍了氮化硅制备工艺,给出了几种可行的化学气相淀积法(CVD)制备氮化硅方法,包括常压化学气相淀积法(APCVD)、低压化学气相淀积法(LPCVD)和等离子体化学气相淀积法(PCVD);介绍了CVD法制备氮化硅的常用硅化物和氮化剂,讨论了氮化硅制备的反应原理;讨论了氮化硅的性质,指出:氮化硅具有结构致密、表面呈疏水性;掩蔽能力强、应用场合广泛、工艺效果好;抗钠离子能力强(有很强的阻挡钠离子的能力、有提取钠离子的能力);化学稳定性好;介电性能好;高温性能好六条较好的性质,也存在氮化硅-硅界面性质不好的特点,因此建议当使用氮化硅膜作为钝化膜时,应采用氮化硅-二氧化硅的双层介质结构。有关三氧化二铝钝化法,首先介绍了三氧化二铝的性质,指出:三氧化二铝膜具有上述钝化膜所不具备的抗辐射能力强和具有负电荷效应两个特点,同时具有结构致密、抗钠离子能力较强和化学稳定性好的优点,着使其在许多特殊器件制造中的到应用;讨论了三氧化二铝膜的制备,在可用方法中介绍了三氯化铝水解法、铝的有机化合物的热分解法、反应溅射法(直流反应溅射法、高频反应溅射法)、真空电子束蒸发法和阳极氧化法五种方法;重点讨论了有关三氯化铝水解法的工艺内容,讨论了三氯化铝水解法制备三氧化二铝膜的设备及典型工艺条件、讨论了三氯化铝水解法制备三氧化二铝膜的化学反应原理;重点讨论了有关阳极氧化法的工艺内容,介绍了阳极氧化法制备三氧化二铝膜的工艺方法,讨论了阳极氧化法制备三氧化二铝膜的工艺应用;最后指出:由于三氧化二铝-硅界面有载流子的交换,则在应用三氧化二铝膜作为钝化膜使用时须采用双层介质结构(三氧化二铝-二氧化硅);三氧化二铝膜对钠离子无固定和提取的作用,则在制备三氧化二铝膜之前应对衬底进行除钠处理。有关器件制造中常用于表面保护的几种有机涂料,介绍了有机硅树脂、硅橡胶和聚酰亚铵膜(PI)的应用,其中有机硅树脂和硅橡胶膜从工艺制备和性能上都差不多,硅橡胶工艺更简单一点;聚酰亚铵膜(PI)的应用性能更好,对其优点指出:除具有热稳定性好、耐高低温(应用温度从-200˚C至400˚C);热膨胀系数小;电绝缘性好;物理、化学性能稳定;较适于批量生产外,还具有负电荷效应和较强的抗辐射能力等仅有三氧化二铝膜才具有的特性,这拓宽了聚酰亚铵膜(PI)的应用范围。

课程难点:较成熟的各种表面钝化工艺的定义及含义。氯化氢氧化法中的氯化氢氧化工艺,氯化氢氧化工艺的四种工艺方法;氯化氢氧化工艺的实际工艺过程、工艺条件及工艺要求;氯化氢对系统进行处理和氯化氢氧化生成的含氯二氧化硅膜的钝化机理(系统钝化机理和二氧化硅-硅系统钝化机理);有关其它掺氯氧化工艺,特别是生成膜更加优良的三氯乙烯氧化工艺的方法与原理。磷硅玻璃钝化法中的磷硅玻璃膜的制备工艺,常用的磷蒸汽合金法和磷处理法工艺过程、工艺条件、工艺要求和工艺的利弊,有关化学气相淀积法(CVD)制备磷硅玻璃膜的的工艺过程、工艺条件、工艺要求和工艺的利弊;磷硅玻璃的结构及该结构的钝化机理,磷硅玻璃中的负离子结构对钠离子有阻挡作用的原理,磷硅玻璃中的负离子结构对钠离子有固定作用的原理,磷硅玻璃具有能从二氧化硅中提取钠离子的能力的原理;磷硅玻璃钝化的优缺点;为什么建议采用多层介质结构,多层介质结构的构成原理。氮化硅钝化法中的氮化硅膜制备工艺,几种可行的化学气相淀积法(CVD)制备氮化硅膜方法[包括常压化学气相淀积法(APCVD)、低压化学气相淀积法(LPCVD)和等离子体化学气相淀积法(PCVD)]各自的工艺特点;CVD制备氮化硅膜的化学反应原理;有关氮化硅的性质;为什么建议当使用氮化硅膜作为钝化膜时,应采用氮化硅-二氧化硅的双层介质结构。三氧化二铝钝化法中三氧化二铝膜的制备的工艺,有关三氯化铝水解法、铝的有机化合物的热分解法、反应溅射法(直流反应溅射法、高频反应溅射法)、真空电子束蒸发法和阳极氧化法五种方法的各自的工艺特点;有关三氯化铝水解法制备三氧化二铝膜的设备及典型工艺条件、三氯化铝水解法制备三氧化二铝膜的化学反应原理;有关阳极氧化法制备三氧化二铝膜的工艺方法,阳极氧化法制备三氧化二铝膜的工艺应用,为什么阳极氧化法可取代铝反刻工艺。对于三氧化二铝的性质,有关三氧化二铝膜具有上述钝化膜所不具备的抗辐射能力强和具有负电荷效应两个特点,这两个特点在器件制造中带来的好处;为什么在应用中把三氧化二铝膜作为钝化膜使用时须采用双层介质结构(三氧化二铝-二氧化硅);为什么在制备三氧化二铝膜之前应对衬底进行除钠处理。对常用于表面保护的几种有机涂料,有关有机硅树脂和硅橡胶膜的工艺制备过程、工艺条件、工艺要求和两工艺的性能特点及区别;对于聚酰亚铵膜(PI)的应用,聚酰亚铵膜(PI)的工艺制备过程、工艺条件、工艺要求,其膜的优点具有热稳定性好、耐高低温(应用温度从-200˚C至400˚C);热膨胀系数小;电绝缘性好;物理、化学性能稳定;较适于批量生产外,还具有负电荷效应和较强的抗辐射能力等仅有三氧化二铝膜才具有的特性。

基本概念:

1掺氯氧化-热氧化时,在干氧氧化气氛中掺入一定比例的含氯物质,进行二氧化硅生长的过程。

2氯化氢氧化-热氧化时,在干氧氧化气氛中掺入一定比例的氯化氢,进行二氧化硅生长的过程。

3氯化氢氧化层-掺氯化氢进行热氧化生成的二氧化硅膜。

4磷蒸汽合金法-在器件制备工艺中的铝合金过程中加入磷的气氛,在合金的同时生成磷硅玻璃层的方法。

5磷处理法-指在器件的发射区扩散完成后,再在表面二氧化硅层上淀积五氧化二磷,以形成磷硅玻璃层的方法。

基本要求:要求熟悉较成熟的各种表面钝化工艺的定义及含义。要求清楚氯化氢氧化法中的氯化氢氧化工艺,熟悉氯化氢氧化工艺的四种工艺方法,知道氯化氢氧化工艺的实际工艺过程、工艺条件及工艺要求。知道氯化氢对系统进行处理的钝化机理,清楚的知道氯化氢氧化生成的含氯二氧化硅膜的钝化机理。了解有关其它掺氯氧化工艺,特别是对生成膜更加优良的三氯乙烯氧化工艺的方法、工艺原理及生成膜的性质更加熟悉。要求清楚磷硅玻璃钝化法中的磷硅玻璃膜的制备工艺,熟悉常用的磷蒸汽合金法和磷处理法工艺过程、工艺条件、工艺要求和工艺的利弊,知道有关化学气相淀积法(CVD)制备磷硅玻璃膜的的工艺过程、工艺条件、工艺要求和工艺的利弊,能够根据要求选择适当的工艺。清楚的知道磷硅玻璃的结构及该结构的钝化机理,知道磷硅玻璃中的负离子结构对钠离子有阻挡作用的原理,知道磷硅玻璃中的负离子结构对钠离子有固定作用的原理,知道磷硅玻璃为什么具有能从二氧化硅中提取钠离子的能力。了解磷硅玻璃钝化的优缺点,知道为什么在将磷硅玻璃膜作为钝化膜使用时,建议采用多层介质结构,知道多层介质结构的构成原理,多层介质结构中各层所起的作用。要求知道氮化硅钝化法中的氮化硅膜制备工艺,熟悉几种可行的化学气相淀积法(CVD)制备氮化硅膜方法,知道各种方法各自的工艺特点,了解CVD制备氮化硅膜的化学反应原理。清楚有关氮化硅的性质,知道为什么说氮化硅膜是掩蔽杂质能力最强的钝化膜,当用氮化硅膜作为大规模以上集成电路制作的扩散掩蔽膜时会带来什么好处,知道为什么建议当使用氮化硅膜作为钝化膜时,应采用氮化硅-二氧化硅的双层介质结构。熟悉三氧化二铝钝化法中三氧化二铝膜的制备的工艺,知道有关三氯化铝水解法、铝的有机化合物的热分解法、反应溅射法(直流反应溅射法、高频反应溅射法)、真空电子束蒸发法和阳极氧化法五种方法的各自的工艺特点;清楚有关三氯化铝水解法制备三氧化二铝膜的设备及典型工艺条件、三氯化铝水解法制备三氧化二铝膜的化学反应原理;清楚有关阳极氧化法制备三氧化二铝膜的工艺方法,了解阳极氧化法制备三氧化二铝膜的工艺应用,知道为什么阳极氧化法可取代铝反刻工艺。了解三氧化二铝的性质,知道有关三氧化二铝膜具有其它钝化膜所不具备的抗辐射能力强和具有负电荷效应两个特点,清楚这两个特点在器件制造中带来的好处;知道为什么在应用中把三氧化二铝膜作为钝化膜使用时须采用双层介质结构(三氧化二铝-二氧化硅);知道为什么在制备三氧化二铝膜之前应对衬底进行除钠处理的原因。要求了解常用于表面保护的几种有机涂料,知道有关有机硅树脂膜和硅橡胶膜的工艺制备过程、工艺条件、工艺要求,清楚有机硅树脂膜和硅橡胶膜的工艺的性能特点及区别。知道聚酰亚铵膜(PI)的应用,了解聚酰亚铵膜(PI)的工艺制备过程、工艺条件、工艺要求。知道PI膜的优点,包括具有热稳定性好、耐高低温(应用温度从-200˚C至400˚C);热膨胀系数小;电绝缘性好;物理、化学性能稳定;较适于批量生产等优点,知道PI膜具有的负电荷效应和较强的抗辐射能力等仅有三氧化二铝膜才具有的特性。

第八章表面钝化工艺与原理作业

思考题4题

第九章表面内电极接触与互连(3学时)

课程内容:

1电极接触及表面内电极的制备要求

1.1电极接触

1.1.1表面内电极接触

1.1.2表面内电极与外电极接触

1.1.3管芯背面与管座的接触

1.2表面内电极的制备要求

1.2.1工艺应用性好

1.2.2电极与电性区接触为欧姆接触

1.2.3电极材料的电阻率低

1.2.4电极材料与管芯表面粘附性好

1.2.5表面电极完整性好

1.2.6表面电极物理、化学稳定性好

1.2.7电极材料的热、电稳定性好

2表面内电极与电性区间的欧姆接触

2.1欧姆接触的基本原理

2.2金-半的欧姆接触方式

2.2.1低势垒欧姆接触

2.2.2高复合欧姆接触

2.2.3重掺杂欧姆接触

3表面内电极的制备

3.1电阻丝加热真空蒸发

3.1.1蒸发设备

3.1.1.1真空蒸发室

3.1.1.2抽真空设备

3.1.1.3电阻丝加热器

3.1.1.4衬底加热器

3.1.1.5测真空设备

3.1.2有关蒸发质量的讨论

3.1.2.1蒸发需在较高真空下进行

3.1.2.2真空度与蒸发金属膜的关系

3.1.2.3蒸发金属膜厚度及测定

3.1.2.4真空蒸发存在的问题

3.2电子束蒸发

3.2.1电子束蒸发设备

3.2.1.1蒸发源

3.2.1.2置片底盘

3.2.2电子束蒸发的优点

3.2.2.1蒸发获得的金属膜纯度高

3.2.2.2蒸发获得的金属膜厚度均匀性好

3.2.2.3工作效率高

3.3磁控溅射

3.3.1磁控溅射设备

3.3.1.1设备工作原理

3.3.1.2设备特点

3.3.2磁控溅射的优点

3.3.2.1可获得比例精确的合金膜

3.3.2.2可获得多层金属膜

3.3.2.3可淀积难熔金属

3.3.2.4淀积膜均匀性、重复性及台阶覆盖率好

4多层电极

4.1铝电极易失效的原因

4.1.1与铝本身的性质有关

4.1.2铝的电迁移(电徙动)

4.1.3铝与硅、二氧化硅的不良化学反应

4.2解决电极失效的方法-采用多层电极

4.2.1多层电极的结构

4.2.2多层电极的材料要求

5多层布线

5.1集成电路对布线的要求

5.1.1互连线尽量短

5.1.2互连线电阻尽量低

5.1.3互连线不能交叉

5.1.4避免经过过薄的氧化层

5.1.5内引线键合点分布均匀、合理

5.2满足要求的方法-多层布线

5.2.1多层布线

5.2.2多层布线的优点

5.3多层布线的介质和金属

5.3.1常用介质

5.3.2常用金属

5.4影响多层布线的因素

5.4.1要求互连孔刻透而不过蚀

5.4.2要求层间绝缘性好

5.4.3要求台阶覆盖率好

课程重点:本章介绍了表面内电极接触与互连中的有关表面内电极与电性区的欧姆接触、电极接触制备、表面内电极的制备工艺、多层电极和有关多层布线等方面的问题。介绍了电极接触及表面内电极的制备要求,对于电极接触指出:器件制造中管芯电极及与外部构件的连接有两类接触,一类为电极性接触(欧姆接触)、另一类为非电极性接触;器件制造所有的接触均归属于这两类接触;其中表面内电极接触,不管分离器件还是集成电路均为电极性接触;而表面内电极与外电极(管脚)接触,不管分离器件还是集成电路均为电极性接触;管芯背面与管座的接触,对分离器件要求为电极性接触,对集成电路可为非电极性接触。介绍了表面内电极的制备要求,给出了七个要求,综合这些要求认为铝是最符合要求的金属。讨论了欧姆接触的基本原理及表面内电极与电性区间的欧姆接触的实现方式,给出了欧姆接触的定义,讨论了其表达方式及欧姆接触的基本原理;对表面内电极与电性区间的欧姆接触指出:这属于金-半的欧姆接触,实现的方式有三种,一种是低势垒欧姆接触、另一种是高复合欧姆接触、还有一种是重掺杂欧姆接触。介绍了三种表面内电极的制备工艺,第一种是电阻丝加热真空蒸发,介绍了其真空蒸发设备、对蒸发的质量进行了讨论、还讨论了真空蒸发存在的问题,由此引入了后两种制备工艺;第二种是电子束蒸发,介绍了电子束蒸发设备、讨论了电子束蒸发的优点;第三种是磁控溅射,介绍了磁控溅射设备、讨论了磁控溅射的优点。介绍了有关多层电极,其中先介绍了铝电极易失效的原因、指出采用单质金属是不能起到根本改善作用的、只有采用多层电极;介绍了多层电极的结构、多层电极的每一层材料要求。介绍了有关多层布线,指出多层布线是规模较大的集成电路的特有工艺;讨论了多层布线的优点;介绍了常用于多层布线的介质和金属;讨论了影响多层布线质量的因素。

课程难点:管芯电极及与外部构件的连接有哪两类接触、电极性接触是什么性质的接触、非电极性接触是什么性质的接触;器件制造所有的接触均归属于这两类接触;关于表面内电极接触,为什么不管分离器件还是集成电路均为电极性接触;而对表面内电极与外电极(管脚)接触,为什么也是不管分离器件还是集成电路均为电极性接触;有关管芯背面与管座的接触,为什么对分离器件要求为电极性接触,而对集成电路可为非电极性接触。有关表面内电极的制备要求,为什么说铝是最符合要求的金属。有关欧姆接触的基本原理、欧姆接触的定义、欧姆接触的描述方式。有关表面内电极与电性区间的欧姆接触的实现方式,为什么说这属于金-半的欧姆接触,实现的方式有哪三种,什么是低势垒欧姆接触、什么是高复合欧姆接触、什么是重掺杂欧姆接触。有关三种表面内电极的制备工艺,什么是电阻丝加热真空蒸发,关于其真空蒸发设备、对蒸发的质量进行了讨论、还有真空蒸发存在的问题;什么是电子束蒸发,关于电子束蒸发设备、电子束蒸发具有什么优点;什么是磁控溅射,有关磁控溅射设备、磁控溅射具有什么优点。有关多层电极,铝电极易失效的原因是什么、为什么采用单质金属是不能起到根本改善作用的、采用的多层电极具有什么形式;对于多层电极的结构,多层电极的每一层材料有什么要求。有关多层布线,为什么说多层布线是规模较大的集成电路的特有工艺;多层布线具有什么优点;常用于多层布线的介质和金属有哪些;影响多层布线质量的因素有哪些,它们是如何对多层布线质量造成影响的。

基本概念:

1欧姆接触-具有线性和对称的伏安特性,且接触电阻远小于材料体电阻的一类接触。

2比接触电阻-零偏压下,与接触面积有关的电阻值。定义为零偏压下,电流密度对电压偏微商的倒数。

3低势垒金-半欧姆接触-指由于金-半功函数的差异,在金属与半导体接触时使界面耗尽层中势垒高度降低的一类接触。

4高复合金-半欧姆接触-指由于在金-半欧姆接触界面上人为造成结构损伤,相当与在界面耗尽层中提供了大量产生复合中心,该中心成为控制电流主机构的一类接触。

5重掺杂金-半欧姆接触-指采取重掺杂措施使界面耗尽层中势垒宽度变窄,使载流子具有穿越势垒能量的一类接触。

基本要求:要求知道管芯电极及与外部构件的连接有哪两类接触,清楚电极性接触是什么性质的接触,清楚非电极性接触是什么性质的接触;能够知道器件制造所有的接触均归属于这两类接触;了解什么是表面内电极接触,清楚为什么不管分离器件还是集成电路均为电极性接触;了解什么是表面内电极与外电极(管脚)接触,清楚为什么不管分离器件还是集成电路也是均为电极性接触;清楚的了解管芯背面与管座的接触,知道为什么对分离器件要求为电极性接触、而对集成电路可为非电极性接触的原因。知道表面内电极的制备要求,了解为什么说铝是最符合要求的金属。知道欧姆接触的基本原理、欧姆接触的定义、欧姆接触的描述方式。清楚的知道表面内电极与电性区间的欧姆接触的实现方式,清楚为什么说这属于金-半的欧姆接触,知道实现的方式有哪三种,知道什么是低势垒欧姆接触、知道什么是高复合欧姆接触、知道什么是重掺杂欧姆接触。清楚的了解三种表面内电极的制备工艺,知道什么是电阻丝加热真空蒸发,了解关于其真空蒸发设备、能够对蒸发的质量进行了讨论、还要求知道真空蒸发存在的问题;知道什么是电子束蒸发,了解关于电子束蒸发设备、知道电子束蒸发具有什么优点;知道什么是磁控溅射,了解有关磁控溅射设备、知道磁控溅射具有什么优点。了解有关多层电极的内容,知道铝电极易失效的原因是什么、清楚为什么采用单质金属是不能起到根本改善作用的、知道采用的多层电极具有什么形式;了解多层电极的结构,知道多层电极的每一层材料有什么要求。清楚的了解多层布线的内容,知道为什么说多层布线是规模较大的集成电路的特有工艺;了解多层布线具有什么优点;知道常用于多层布线的介质和金属有哪些;清楚影响多层布线质量的因素有哪些,知道它们是如何对多层布线质量造成影响的。

第九章表面内电极接触与互连作业

思考题4题

第十章器件组装2学时

课程内容:

1器件组装综述

1.1管芯的组装

1.1.1管芯背面与管座的装配

1.1.2管芯表面内电极与外电极的连接

1.2器件的封装

2烧结与键合

2.1烧结工艺

2.1.1合金烧结法

2.1.2银桨烧结法

2.1.3聚合物粘接法

2.2键合工艺

2.2.1键合引线材料

2.2.2键合工艺方法

3器件的封装

3.1各类器件的封装

3.1.1晶体二极管的封装

3.1.2晶体三极管的封装

3.1.3集成电路的封装

3.2封装工艺要点

3.2.1封装的气密性要求

3.2.2封装的散热性要求

课程重点:本章介绍了器件管芯制造完成后的后部组装工艺。介绍了管芯的装配,其中包括管芯背面与管座的装配和管芯表面内电极与外电极的连接两个部分,关于管芯背面与管座的装配指出:对分离器件要求电极性接触;对集成电路即可电极性接触又可非电极性接触,该装配是由烧结工艺完成的;关于管芯表面内电极与外电极的连接指出:不管分离器件还是集成电路均为电极性接触,该连接是由键合工艺(压焊)完成的。介绍了器件的封装工艺,指出:封装工艺是将带有芯片的管座用管帽密封起来,要求管芯与外界隔绝、为器件提供合适的外引线、提高器件的机械强度。介绍了烧结工艺,指出了烧结的作用,给出了合金烧结法、银桨烧结法和聚合物粘接法三种烧结方法并对各工艺方法、步骤、条件进行了讨论。介绍了键合工艺方法,指出:常见的键合工艺大致有热压键合、超声键合、金丝球焊键合三种,并对三种键合工艺方法、步骤、条件进行了讨论。介绍了各类器件的封装形式,指出:晶体二极管的封装可采用玻璃封装、陶瓷封装、金属封装和塑料封装多种形式;晶体三极管的封装可采用玻璃封装、金属封装和塑料封装多种形式;集成电路的封装可采用金属封装、塑料封装、金属-玻璃封装、金属-陶瓷封装和多层陶瓷封装等多种形式。介绍了器件封装工艺的工艺要求,指出:为保证器件性能的可靠和稳定,要求封装的气密性好(密封),散热性要好(热阻小)。

课程难点:什么是器件的组装,器件的组装包括了哪些工艺部分,各部分的作用及工艺目的。什么是管芯的组装,管芯的组装由哪些工艺部分构成,各部分的作用及工艺目的。什么是器件的封装,器件的封装由什么工艺构成,有什么工艺要求。什么是烧结,在烧结工艺中常见的烧结方法有哪几种,各自的工艺过程、工艺条件和工艺要求是什么。什么是键合,在键合工艺中常见的键合方法有哪几种,各自的工艺过程、工艺条件和工艺要求是什么。什么是器件的封装,在器件的封装工艺中采用什么方法进行封装的,对应不同的器件制造如何采用不同的封装方式,在器件封装的工艺要点是什么,如何检测器件封装的气密性,器件的散热性能与热阻有什么关系。

基本概念:

1器件组装-指管芯制造完成后(初测化片后)的一系列器件的成型工艺,其构成部分为管芯组装+器件的封装。

2烧结-采用一定的工艺手段将器件的管芯背面与管座粘接在一起的工艺过程。

3键合-使用金属丝将器件的表面内电极与器件的外电极连接的工艺过程。

4器件的封装-采用一定的工艺手段将带有管芯的管座用管帽(壳)密封起来的工艺过程。

基本要求:要求清楚的知道什么是器件的组装,知道器件的组装包括了哪些工艺部分,了解各部分的作用及工艺目的。要求清楚的知道什么是管芯的组装,知道管芯的组装由哪些工艺部分构成,了解各部分的作用及工艺目的。要求清楚的知道什么是器件的封装,知道器件的封装由什么工艺构成,了解器件的封装有什么工艺要求。要求清楚什么是烧结,知道在烧结工艺中常见的烧结方法有哪几种,清楚的知道各自的工艺过程、工艺条件和工艺要求是什么。要求清楚什么是键合,知道在键合工艺中常见的键合方法有哪几种,清楚的知道各自的工艺过程、工艺条件和工艺要求是什么。要求清楚什么是器件的封装,知道在器件的封装工艺中采用什么方法进行封装的,能够知道对应不同的器件制造如何采用不同的封装方式,清楚了解在器件封装的工艺要点是什么,知道如何检测器件封装的气密性,知道器件的散热性能与热阻有什么关系。

第一十章器件组装作业

思考题3题

-结束

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