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 - 50Q.cm 电阻率（Sb） n-型 0.005 -10Q.cm 电阻率（B） p-Si 0.005 -50 Q.cm 少子寿命 30 -300 以 s 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 ppb3、 硅的纯化 SiO2+2COSi（冶金级）+2CO、Si+3HCl —SiHCl3+H2、2SiHCl3（蒸馏后 的）+2HA^2Si（电子级）+6HCl4、 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 （©100mm） 掺杂 P、B、Sb、As5、 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）-->SiO23、 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——2.17umSIO25、 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、氧化层错氧化过程今产生自填隙硅原子9集中并延伸TOSF8、氧化诱生堆垛层错：扩散的基本原理 扩散方法 异散层的主要参 数及检测 离子注入的 基本原理扩散主要用于结较深(N 0.3gm)线条较粗(N 3pm)主要适用于浅结细线条图形三、扩散掺杂离注入离子注入设备 离子注入后的 损伤与退火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°C;⑶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 (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k Q It中二= q qA 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°C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)P11110、 等时退火:激活载流子、减小二次缺陷(P113) 固相外延的过程(SEP) P11211、 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：3 a <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) P1605、 接触式光刻：Resolution R < 0.5pm；掩膜板容易损坏或沾污 (P163)6、 接近式光刻P1657、 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 P18310、 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 P18411、 DQN正胶感光机理：邻叠氮萘醍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、P259湿法等 Figure of Merit:刻蚀速率、均匀性、选择比2、腐蚀选择性:$ 材料A的垂直腐蚀速率AB 材料B的垂直腐蚀速率—-Wet Etching： S受化学溶液，浓度和温度控制；RIE： S受等离子参数、气氛、气压、流量 和温度影响3、 湿法腐蚀：工艺简单、高选择比、无衬底损伤；非各向异性、工艺控制差、沾污P260 腐蚀过程：（1）反应剂传输到表面（2）化学反应（3）生成物离开表面（图如上） 常见材料的腐蚀：SiO2 的腐蚀：6:1 = HF Thermal silicon dioxide , 1200 A/minSiO2 + 6HF --3H2+ SiF6 + 2H2O ; NH4FV---3NH3 + HF P261 Si3N4 的腐蚀4、 常用的 AL 腐蚀溶液：H3PO4 + CH3COOH + HNO3 + H2O （〜30oC）; 磷酸 H3PO4— 起主要的腐蚀作用；硝酸HNO3—改善台阶性能；醋酸一降低腐蚀液表面张力；水一调 节腐蚀液浓度。
P2625、 硅的腐蚀：HF/HNO3 Si + HNO3+6HF--3H2SiF6+HNO2+H2+H2O P262KOH : IPA : H2O =23.4 : 13. 5 : 636、 化学机械抛光：互连平坦化；以KOH,或NH4OH为基体的含SiO2颗粒的磨料；颗粒 尺寸 0.03-0.14m P2657、 等离子刻蚀：容易控制、对温度不敏感、高各向异性刻蚀步骤:气体离化、离子扩散到 硅片表面、膜反应、生成物解析、抽离反应腔8、 直流辉光放电：典型压力：1Torr；极间电场：100V/cm裂解e* +AB->A+B+e；原子离 化 e* +A->A+ +e+e ；分子离化 e* +AB->AB+ +e+e；原子激发 e* +A ->A* +e；分子 激发 e* +AB->AB* +e极间高压电弧产生离子和电子；阴极产生二次电子 P250 射频放电9、 高压等离子刻蚀:高压-->平均自由程<腔体尺寸；刻蚀主要靠化学作用500 mTorr CF4对Si的腐蚀的基本思想是 Si-F代替Si-Si： C — F + Si — Si = Si — F + 17kcal/moleP267/ f \等离子打破 打破能量 130kcal/mole105kcal/mole 42.2kcal/mole10、 选择性刻蚀：H2加入减少F，形成富碳等离子厂+丑—HF P27011、 离子铣：采用的惰性气体Ar；纯粹的物理轰击:高定向性、选择比差 P275离子铣可能带来的问题：斜坡转移、不均匀刻蚀、沟槽P27712、 反应离子刻蚀（RIE）：硅片放置在功率电极上；低压工作，离子的平均自由程较大Cl对硅进行各向异性刻蚀；Cl对不掺杂的硅的腐蚀较慢；对掺杂的N-Si和polySi非常 快；衬底电子迁移效应；离子轰击加速了 Cl的穿透效应反应离子刻蚀中的损伤：衬底上残余损伤：在聚合物刻蚀中，会留下残膜；气相颗粒 淀积；衬底上可能有金属杂质。
物理损伤和杂质drive in：含C的RIE刻蚀-->30-300A 硅碳化合物和损伤；Si-H键缺陷损伤 P27813、 高密度等离子体（HDP）刻蚀：磁场的存在，电子的路径被延长了很多，碰撞几率增 大，导致离子密度和自用基的密度很大ECR系统:Si、SiO2的高选择性 ICP系统:不需外加磁场，用RF激发 P282七、化学气相淀积（CVD）1、 气相淀积具有很好的台阶覆盖特性 APCVD = Atmospheric Pressure CVD（硅片平放）; LPCVD = Low Pressure CVD（硅片竖放）;PECVD = Plasma Enhanced CVD（硅片平 放）;HDPCVD = High-Density硅片平放）2、 APCVAD：淀积速率快、系统简单、均匀性差、硅片温度240-450OC、常用淀积SiO2 . P3373、 热壁：温度分布均匀、对流效应小；冷壁系统：减低壁上淀积；低压:0.1-1.0Torr P338SiHj T Si + 2H2 5、Pg4、 LPCVD： （1）多晶硅淀。