微电子制造工艺IC工艺(暂没有三六章)

第一章综述一、概论1、集成电路的分类：1）按功能：数字集成电路、模拟集成电路、数模混合集成电路、射频/微波集成电路、功率集成电路、SoC、其它；2）按工艺（结构与功能）：半导体集成电路（双极型、MOS型、BiCMOS）、薄/厚膜集成电路、混合电路；3）按有源器件：双极型、MOS型、BiCMOS、光电集成电路、CCD集成电路、传感器/换能器集成电路4）按集成规模：小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、甚大规模（ULSI）、巨大规模（GLSI）2、Si双极npn晶体管芯片的工艺流程1、衬底制备，2、外延生长，3、一次氧化，4、一次光刻，5、基区扩散，6、二次氧化，7、二次光刻，8、发射区扩散，9、三次氧化，10、三次光刻，11、金属镀膜，12、反刻金属膜、13、背面镀膜，14、合金化3、IC的基本工艺环节：1、晶片加工2、外延生长3、介质膜生长4、图形加工5、局域掺杂6、金属合金7、封装、测试4、微电子技术的发展趋势1）集成电路：超大（单元数、芯片面积）、超微（关键尺寸）、多功能、高性能（快速、低功耗、抗干扰）、低成本、高可靠性2）工艺技术：大直径材料（8”、12”、15”、。

）光刻极限(0.35→0.13、90nm→40nm、25nm?）新结构器件（应变硅、纳电子技术、高k介质。

）超纯环境和材料（半导体材料、介质材料、试剂）、新测试和封装技术单项技术（压印光刻技术等）3）新领域：MEMS：多样化、小型化、与控制电路集成纳电子：量子线/点微结构、集成化、工作温度新材料电子器件：有机分子电路、自旋器件光子晶体：短波长、局域生长、三维材料、参数可控硅光子学：（硅光电集成系统:电子功能模块间的光互联、电信号调制下的光信号变换和传输）特征尺寸减小、芯片和晶圆尺寸增大、缺陷密度减小、内部连线水平提高、芯片成本降低二、半导体材料的性质1、常见的半导体材料Se，最早期的半导体之一，硒整流器，硒光电池、光敏硒鼓; (已经很少用）Ge, 早期的半导体， 射线探测器；（昂贵）Si, 最重要的半导体，除发光以外的所有半导体器件，（IC，分离器件，敏感器件，MEMS）a-Si（amorphous），太阳能电池，应用薄膜还有很多常用半导体材料：多孔Si，发光；C（金刚石）, 潜在的高温、高频、高压、大功率器件材料；C60；纳米碳管；GaAs，高频、微波器件、发光；InP, 高频、微波器件、发光；GaP，发光；Ge1-xSix，高频异质结材料；SiC，高温、高频、高压、大功率器件材料；GaN，ZnO, 蓝光材料和深紫外探测；AlxGa1-xAs，发光；HgCdTe、PbSnTe，长波红外探测；各种超晶格材料，（能带工程）；磁性、超导、有机半导体和生物半导体；自旋半导体(MnxGa1-xAs)半导体工业常用的其它材料：结构材料：二氧化硅、多晶硅等参杂材料（施主/受主、复合中心）：磷、硼、砷、金等接触与连线材料（肖特基接触、欧姆接触、复合接触、连线）：铝、金、镍、铜、钛、钨及其氧化物等2、半导体材料的主要物理参数1）固有物理参数：晶体结构（类型、晶格常数等）、能带结构（直接/间接、子能谷等）熔点、膨胀系数介电常数、临界电场、饱和漂移速率等迁移率（晶格散射）2）可变物理参数：导电类型与电阻率、迁移率（电离散射）、少数载流子寿命如何选材？能带结构、材料可生长性、缺陷（含界面）的可控性、可氧化性、可掺杂性。

3、与器件工艺有关的化学特性Si:常温下：1) 一般不溶于各种酸2) Si+2NaOH+H2O = Na2SiO3+H2，Si+4HNO3 +6HF = H2[SiF6]+ 4NO2 + 4H2O3）与Cu+2, Cr+2等金属离子发生置换反应（用于抛光工艺）高温下：1）Si+2Cl2=====SiCl4Si+HCl4 SiCl4+SiHCl3+SiH2Cl2+…+SiH42) Si+O2========SiO23) Si+H2O========SiO2+H2GaAs:1）GaAs ==== Ga+As2) 在室温下一般不与HCl、H2SO4、HF3）与热HCl、H2SO4反应与浓HNO3反应H2SO4+H2O2是常用的GaAs腐蚀液4) 与卤素Cl2、Br2或I2（在甲醇等有机溶剂中）反应通常关心的化学性质:1）热稳定性（thermal stability)（物理过程）2) 腐蚀液? （无机、有机）For cleaning and etching!（腐蚀和抗腐蚀工艺中浓度和缓冲剂的重要性）（腐蚀过程中对晶向和缺陷的选择性）需要所有要用的材料的化学性质（腐蚀、抗腐蚀）和热稳定性（组分稳定、扩散、热膨胀）！4、半导体材料的晶体结构2.2.1.Si, GaAs, SiC 的晶体结构Si ：金刚石结构GaAs ：闪锌矿zinc-blende，立方硫化锌SiC ：200余种同质多构体——SiC、3C- SiC、纤锌矿（六角硫化锌）晶面、晶向及测定方法：x-ray 衍射；激光定向一些物理、化学性质的各向异性：解理、腐蚀、氧化、生长、扩散、表面态、迁移率（应用到解理、划片中：最佳解理面{111}最佳划片方向〈110〉）5、半导体中的缺陷和杂质1）施、受主杂质Si：O、C杂质GaAs：施主S 、Te等（As-site）受主Zn等（Ga-site）Si As-site和Ga-siteSiC：施主N（C-site）、P （Si-site）受主B 、Al 等（Si-site ）2）杂质浓度和电阻率测量方法：Hall-effect 、四探针法、单探针（扩展电阻）法3）杂质：O （1017~1018cm-3）总量控制——增加机械强度、杂质吸除效应、氧施主 page24~26C （1016~1017cm-3）减小机械强度Fe （<1011cm-3）少子寿命、吸附 体缺陷Au 、Pt （1015~1016cm-3）控制少子寿命4）固溶度（P.12）1、替位式固溶体2、间隙式固溶体3、常用测量方法：Photo Spectrum半导体材料对光的吸收机理？1、原子吸收2、晶格吸收3、能带吸收第一章小结：常见半导体材料及参数与器件的关系常见半导体材料的结构，晶向与器件的关系施、受主，缺陷，杂质及测量熟悉名词和物理机制第二章 半导体衬底本章集中于讨论 相图，高纯多晶硅的制备，单晶硅、砷化镓的生长，晶片的加工，晶片的杂质吸出工艺等问题。

1相图—相变、固溶度与分凝2.1.1相图基本性质 （中文书9页）1）杠杆法则其中W S W L 固态中某合金成分质量分数C S C L C M 固、液、混合态中某合金成分的浓度这个式子与力学中的杠杆定律相似, 因而也称杠杆定律。

由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的相对质量（即质量分数）。

2）相律P+F=C+2 其中P:系统中的相数 F:自由度 C:组元数例2.1计算各50%原子百分数的Ge-Si 材料在1150°C 熔化掉的Si 占多大比例（中文书10页）解：合金总Si 含量为0.5，在1150°C 液相中Si 含量x ，则固相中Si 含量1-x 。

查图2.1得1150°C 时，纯液态百分比0.22、纯固态百分比0.58、混合态0.2则合金中含Si 的总量 = 纯液态百分比*液相Si + 纯固态百分比*固相Si 含量0.5=0..22*x+0.58*(1-x) 得x=0.22无限互溶、多相共存（F 2.1、F2.3）2.1.2最大固溶度：固溶体中杂质的最大含量，也就是杂质在其中的极限溶解度。

当混合高于最大固溶度时，杂质将移动出晶格并形成淀积。

淬火：如果冷却的足够迅速，那么淀积是无法形成的。

于是可以使比最大固溶度更高的杂质被冻结在硅晶格之中。

称此过程为淬火。

2.1.3分凝系数（中文书23页）ClCs k =(Cs 、Cl 是固液分界面两侧的杂质浓度) 2. 高纯多晶硅的制备简单流程M S L M L S C C C C W W --=地壳中元素Si总质量仅次于O，其化合物是石英砂（SiO2），与焦碳混合，在电炉中还原（1600~1800°C）可以获得95~99%的工业粗硅（冶金级硅）。

MGS（冶金硅）SiO2+2C=Si+2CO↑1、硅粉的酸洗HCl、王水、（HF+H2SO4）、蒸馏水2、中间化合物的精馏提纯与高纯多晶硅的还原1）常用的两种方法（1）三氯氢硅法（SiHCl3）：①Si+3HCl←→SiHCl3+H2 ②氢还原SiHCl3+H2—1100~1200C→Si+3SiCl4+2H2（通过控制温度、气压等，抑制SiCl4、SiH2Cl2、SiH3Cl、SiH4 的产生，经过冷凝器、回流管、出料口。

还原过程中的各种不完全反应、尾气化合物将影响纯度。

）（2）硅烷法（SiH4）①合成法：SiCl4+4LiH→SiH4↑+4LiCl②硅化镁分解法：2Mg+Si →Mg2Si，Mg2Si+4NH4Cl—液NH3→SiH4↑+2MgCl+4NH3，硅烷热分解SiH4—900C→Si+2H22）优点：三氯氢硅法较经济；效率高；９Ｎ（纯度小数点后9个9）；硅烷法成本高，但纯度较三氯氢硅法更高。

3）缺点：都有基硼的残留3单晶硅的生长2.3.1直拉法单晶生长（Cz-Si）1、原理：在适当的温度梯度、气压下，熔融的硅在高度完美的籽晶（Seed）的旋转牵引下可控地生长。

2、具体工艺：（19-25页）1）工艺控制：（1）缩颈：使其零位错生长（2）温度场的分布：缺陷、杂质、二次热缺陷（3）旋转速率：温度场的均匀、杂质均匀（4）提升速率：直径、缺陷、应力（5）弯月面的控制：生长测控的特征面（6）气场的控制：缺陷、杂质2）杂质分布的控制：高浓度杂质掺入Si可以使电阻率ρ=0.001~100 Ωcm分凝：掺杂时，固态与液态中容纳的杂质量不尽相同，即杂质在固-液界面处有分凝现象。

（中文书23页） 分凝系数：l C Cs k =Cs 、C l ：固液分界面两侧的杂质浓度 固态中杂志浓度：Cs=kC 0(x-1) k-1 x ：熔料中纯固态的比例，C 0 熔料中杂质的初始浓度 3) O 、C 杂质含量的控制（1）检测：傅里叶变换红外光谱 (FTIR)（2）改善：MCz （P23~25）通常：O ：~1018 cm -3 C ：<1017 cm -34)直拉法单晶生长用途:（1)绝大多数分离器件(ρ=1~10 Ωcm)（2）集成电路衬底2.3.2 悬浮区熔法（Fz-Si ）1、目的：获得低O 、C 含量的Si2、步骤：较多见中文书28页3、特点：ρ>100Ωcm ；p 型（掺硼）材料均匀性较好；n 型材料常以NTD 方式获得（可得10 Ωcm ）的材料）；用于大功率器件和探测器优点：O 、C 含量低于1016cm -3；Fz 的纵向均匀性比Cz 好些；可以多次区熔提纯获得探测器级单晶硅。