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1、微微 电电 子子 工工 艺艺 0绪论、1硅衬底 1 1.1.引言引言 2.2.微电子工艺发展历程微电子工艺发展历程 3.3.微电子工艺特点与用途微电子工艺特点与用途 4.4.本课程内容本课程内容 2 早在1830年，科学家已于实验室展开 对半导体的研究。 1874年，电报机、电话和无线电相继 发明等早期电子仪器亦造就了一项新兴 的工业电子业的诞生。 3 分立元件阶段（19051959） 真空电子管、半导体晶体管 集成电路阶段（1959） SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI、ASIC 4 集成电路从小规模集成电路迅速发展到大规 模集成电路和超大规模集成电路，从而使电 子产品向着高效能、低
2、消耗、高精度、高稳 定、智能化的方向发展。 微电子工艺，是指用半导体材料制作微电 子产品的方法、原理、技术。 不同产品的制作工艺不同，但可将制作工 艺分解为多个基本相同的小单元（工序） ，称为单项工艺。 不同产品的制作就是将单项工艺按需要顺 序排列组合来实现的。 5 目的、 方法 6 前工序 后工序 7 举例 n+ n p n+ eb c 返回 超净 环境、操作者、工艺三方面的超净，如超净 室，ULSI在100级超净室制作，超净台达10级。 超纯 指所用材料方面，如衬底材料，功能性电子 材料、水、气，工艺材料等； Si、Ge单晶纯度达11个9。 高技术含量 设备先进，技术先进。 高精度 光刻图
3、形的最小线条尺寸在深亚微米量级 ，制备的介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在 上述尺度之上。 大批量，低成本 图形转移技术使之得以实现。 8 超净室结构和运行原理示意图 10 11 返回 制作微电子分立器件和集成电路 微机电系统 (microelectromechanicol System, MEMS)的所依托的微加工技术 纳米技术，如光刻图形复制转移工艺， MBE等 12 集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SoC)- SoC是一个通过IP设计复用达到高生产率的软/ 硬件协同设计过程 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和 新的学科，例如MEMS、DNA芯片等-其核心 是将电子信息系统中
4、的信息获取、信息执行与信 息处理等主要功能集成在一个芯片上，而完成信 息处理处理功能。 13 拓展新的应用领域 返回 重点介绍单项工艺-原理、主要方法，及 其所依托的基础科学。 简单介绍典型产品的工艺流程，芯片的封 装、测试，以及新工艺、新技术、工艺技 术的发展趋势。 14 15 第一单元 硅衬底 1 单晶硅 结构 2 硅锭及 圆片制备 3 外延 基本单项 工艺 第二单元 氧化与掺 杂 第三单元 薄膜制备 第四单元 光刻技术 4 氧化5 扩散 6 离子 注入 7 CVD8 PVD9 光刻 10 现代光 刻技术 11 刻蚀 第五单元 工艺集成和 测试封装 12 金属化 与多层互连 13 工艺 集
5、成 14 测试 封装 课程 内容 框架图 王蔚 等集成电路制造技术-原理与工 艺(修订版）电子工业出版社 2013 关旭东 硅集成电路工艺基础北京大 学出版 2003 Stephen A. C.微电子制造科学原理与 工程技术电子工业出版社，2003 清华大学集成电路工艺多媒体教学 课件 2001 16 第一单元 硅 衬 底 第1章 单晶硅特性 第2章 硅片的制备 第3章 外延 17 1.1 硅晶体的结构特点 1.2 硅晶体缺陷 1.3 硅晶体中杂质 18 硅是微电子工业中应 用最广泛的半导体材 料，占整个电子材料 的95左右，人们对 它的研究最为深入， 工艺也最成熟，在集 成电路中基本上都是
6、使用硅材料。 19 硅四面体结构 键角：10928 20 性性质质质质SiSiGeGeGaAsGaAs 禁带宽 度（eV）1.120.671.43 禁带类 型间接间接直接 晶格电子迁移率（ cm2/Vs） 135039008600 晶格空穴迁移率（ cm2/Vs） 4801900250 本征载流子浓度 （cm-3） 1.4510102.410189.0106 本征电阻率（ cm） 2.310547108 锗应用的最早，现只有一些分立器件采用； GaAs是目前应用最多的化合物半导体，主要 是中等集成度的高速IC，及超过GHz的模拟IC 使用，以及光电器件 从电学特性看硅并无多少优势,但在其它方面
7、 有许多优越性能。 21 原料充分； 硅晶体表面易于生长稳定的氧化层，这对于保 护硅表面器件或电路的结构、性质很重要； 重量轻，密度只有2.33g/cm3； 热学特性好，线热膨胀系数小，2.5*10-6/ ， 热导率高，1.50W/cm； 单晶圆片的缺陷少，直径大，工艺性能好； 机械性能良好。 22 晶格常数： =5.4305 原子密度： 8/a3=5*1022 cm-3 原子半径： rSi=3a/8=1.17 空间利用率： 24 硅的几种常用晶向的原子分布图 晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的 平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记 晶列方向用晶向指数, 记为m1m2m3 。 用表示等价
8、的晶向. 1/a 1.41/a 1.15/a 1、晶向 c a b 110 111 100 001 立方晶格的晶向指数 100 110 a 111 R=m1x+m2y+m3z 2 2、晶面、晶面 晶体中所有原子看作处于彼此平行的平面系上，这种平面系叫晶面。 用晶面指数(h1h2 h3)标记。如（100）晶面（又称密勒指数）。等价晶 面表示为100 立方晶系的100晶向和(100)面是垂直的。 25 立方晶系 的几种主 要晶面 26 硅常用晶面上原子分布 Si面密度: (100) 2/a2 (110) 2.83/a2 (111) 2.3/a2 27 在111晶向是立方密积，(111)面是密排面
9、硅单晶由两套面心立方结构套构而 成，有双层密排面AABBCC 双层密排面：原子距离最近，结合 最为牢固，能量最低，腐蚀困难， 容易暴露在表面，在晶体生长中有 表面成为111晶面的趋势。 两层双层密排面之间：原子距离最 远，结合脆弱，晶格缺陷容易在这 里形成和扩展，在外力作用下，很 容易沿着111晶面劈裂，这种易劈 裂的晶面称为晶体的解理面。 28 （111）面为解理面，即为天然易破裂面。实际 上由硅片破裂形状也能判断出硅面的晶向。 （100）面与（111）面相交成矩形，（100）面硅片 破裂时裂纹是呈矩形的； （111）面和其它（111）面相交呈三角形，因此（ 111）面硅片破裂时裂纹也是呈三
10、角形，呈60角。 硅晶体不同晶面、晶向性质有所差异，因此，微 电子工艺是基于不同产品特性，采用不同晶面的 硅片作为衬底材料。 29 微电子工艺的主要特点? 硅成为IC最主要的衬底材料的原因？ 在微电子工艺中常采用的硅晶向（面）？ 硅的双层密排面是指哪个面？它的结构特点及 主要特性？ 30 1 在高度完整的单晶硅片中，实际也存在缺 陷。有： 零维-点缺陷、 一维-线缺陷、 二、三维-面缺陷和体缺陷 晶体缺陷对微电子工艺有多方面的影响。 31 本征缺陷 空位 A，A+、A - 、A 2- 自间（填）隙原子B 弗伦克尔缺陷 肖特基缺陷 杂质缺陷 替位杂质C 填隙杂质D 32 杂质缺陷是非本征点缺陷，
11、是指硅晶体 中的外来原子。 填隙杂质应尽量避免，它破坏了晶格的完 整性，引起点阵的畸变，但对半导体晶体的 电学性质影响不大； 替位杂质通常是有意掺入的杂质。例如， 硅晶体中掺入、族替位杂质，目的是调 节硅晶体的电导率；掺入贵金属Au等，目 的是在硅晶体中添加载流子复合中心，缩短 载流子寿命。 33 线缺陷最常见的就是 位错。位错附近，原 子排列偏离了严格的 周期性，相对位置发 生了错乱。 位错可看成由滑移形 成，滑移后两部分晶 体重新吻合。在交界 处形成位错。用滑移 矢量表征滑移量大小 和方向。 34 1 2 3 B A 缺陷附近共价键被 压缩1、拉长2、悬 挂3，存在应力 位错主要有刃位错和
12、螺位 错：位错线与滑移矢量垂 直称刃位错；位错线与滑 移矢量平行，称为螺位错 。 硅晶体的双层密排面间原 子价键密度最小，结合最 弱，滑移常沿111面发生 ，位错线也就常在111晶 面之间。该面称为滑移面 。 35 36 攀移 滑移 面缺陷主要是 由于原子堆积 排列次序发生 错乱，称为堆 垛层错，简称 层错。 体缺陷是杂质 在晶体中沉积 形成；晶体中 的空隙也是一 种体缺陷。 37 缺陷是存在应力的标志，微电子工艺过程中能够 诱导缺陷的应力主要有三种： 存在大的温度梯度，发生非均匀膨胀，在晶体内形成 热塑性应力，诱生位错； 晶体中存在高浓度的替位杂质，而这些杂质和硅原子 大小不同，形成内部应力
13、诱生缺陷； 硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击 （离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。 结团现象 高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更 高维缺陷，释放能量。 38 缺陷在器件的有源区影应响其性能，必 须设法使之减少。 单晶生长时的工艺控制； 非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来 吸杂； 本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧 沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。 39 1 半导体材料多以掺杂混合物状态出现 ，杂质有故意掺入的和无意掺入的。 故意掺入Si中的杂质，如、V族具 有电活性的杂质,或Au等能改变硅晶 体的某种特性的杂质。 无意掺入Si中的杂质有氧，碳等。 40 间隙式
14、杂质 主要是族元素，有：Na、K、Li、H等 ，它们通常无电活性，在硅中以间隙方式扩散，扩散速 率快。 替位式杂质 主要是和族元素，具有电活性，在硅 中有较高的固浓度。以替位方式扩散为主，也存在间隙- 替位式扩散，扩散速率慢，称为慢扩散杂质。 间隙替位式杂质 大多数过渡元素：Au、Fe、Cu、 Pt、Ni、Ag等。都以间隙-替位方式扩散，约比替位扩 散快五六个数量级，最终位于间隙和替位这两种位置， 位于间隙的杂质无电活性，位于替位的杂质具有电活性 。 41 、V族电活性 杂质主要有：硼 、磷、砷，锑等 浅能级杂质 金等杂质在室温 时难以电离，多 数无电活性，是 复合中心，具有 降低硅中载流子
15、寿命的作用，是 深能级杂质 42 束缚电子 自由电子 P+P 施主电离能 空穴 BB受主电离能 43 不同类型杂质对导电 能力相互抵消的现象 叫杂质补偿。 硅中同时存在磷和硼 ，若磷的浓度高于硼 ，那么这就是N型硅 。 不过导带中的电子浓 度并不等于磷杂质浓 度，因为电离的电子 首先要填充受主，余 下的才能发送到导带 。 一种元素B(溶质)引入到另一种元素A(溶剂 )晶体中时，在达到一定浓度之前，不会有 新相产生，仍保持原A晶体结构，这样的晶 体称为固溶体。 一定温度，杂质在晶体中具有最大平衡浓 度，这一平衡浓度就称为该杂质B在晶体A 中的固溶度。 45 固溶体主要可分为两类： 替位式固溶体和间隙式固溶体。 Si中、V族杂质形成替位式有限固溶体。 替位式固溶体溶剂和溶质应满足必要条件 ： 原子半径相差小于15，称“有利几何因素” r ：Si ：1.17, B ：0.89, P ：1.10 ； 原子外
