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微纳制造技术 秦明 东南大学MEMS教育部重点实验室 Tel:025ext.8809 Email:mqin@seu.edu.cn 教材与参考书 教材 微电子制造科学原理与工程技术(第二版) Stephen A. Campbell, 电子工业出版社 参考书 微加工导论 Sami Franssila,电子工业出版社 硅微机械加工技术 黄庆安, 科学出版社 概述 半导体衬底 热氧化 扩散 离子注入 光刻 刻蚀 化学气相淀积 物理淀积 外延 工艺集成 CMOS 双极工艺 BiCMOS MEMS加工 半导体加工概述 上世纪40年代发明的晶体管及随后发明的集成电路，完全改变了人类生活。 微电子的发展 半导体加工概述 Moore定律 “Component counts per unit area doubles every two years” 半导体加工概述 半导体加工概述 半导体加工概述 概述 半导体衬底 热氧化 扩散 离子注入 光刻 刻蚀 化学气相淀积 物理淀积 外延 工艺集成 CMOS 双极工艺 BiCMOS MEMS加工 半导体衬底 硅是目前半导体中用的最多的一种衬底材料 每年生产约1.5亿片，总面积约3~4km2 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 - 50 ?.cm 电阻率(Sb) n-型0.005 -10?.cm 电阻率(B) p-Si 0.005 -50 ?.cm 少子寿命 30 -300 μs 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 ppb 硅的晶体生长 硅的纯化 SiO2+2C?Si(冶金级）+2CO Si+3HCl?SiHCl3+H2 2SiHCl3(蒸馏后的)+2H2?2Si(电子级)+6HCl 直拉法单晶生长 区熔法晶体生长 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。 电阻率高 无杂质沾污 机械强度小，尺寸小 大直径硅片的优点 晶体结构 基本术语 晶面 硅切片工艺 单晶生长 芯片制造的生产环境 每一个硅片表面有许多个微芯片，每一个芯片又由数以百万计的器件和互连线组成 随着芯片的特征尺寸缩小，对沾污变得越来越敏感，对沾污的控制越来越重要 具估计80%芯片的电学失效是由沾污带来的缺陷引起的，电学失效引起成品率下降，导致芯片成本增加。 为控制芯片制造过程中不受沾污，芯片制造都是在净化间中完成。 净化间本质上是一个净化过的空间，它以超净的空气把芯片制造与外界沾污环境隔离开来，包括化学品、人员和常规工作环境。 芯片制造的生产环境1 净化间沾污类型 颗粒 金属杂质 有机物沾污 自然氧化层 静电释放（ESD） 芯片制造的生产环境2 净化间剪影 概述 半导体衬底 热氧化 扩散 离子注入 光刻 刻蚀 化学气相淀积 物理淀积 外延 工艺集成 CMOS 双极工艺 BiCMOS 热氧化 SiO2的基本特性 热SiO2是无定形的 密度 = 2.2 gm/cm3 分子密度 = 2.3E22 molecules / cm3 晶体 SiO2[Quartz] = 2.65 gm/cm3 良好的电绝缘材料 Resistivity 1E20 ohm-cm 带隙 Energy Gap ~ 9 eV 高击穿电场 10MV/cm 热氧化 SiO2的基本特性 稳定和可重复的Si/SiO2界面 硅表面的生长基本是保形的 热氧化 SiO2的基本特性 杂质阻挡特性好 硅和SiO2的腐蚀选择特性好 热氧化原理 反应方程： Si(固体)+O2(气体)?SiO2 Deal-Grove 模型 Deal-Grove 模型 Deal-Grove 模型 利用Henry定律 Co=H ? Ps =H ? (kT ? Cs) Deal-Grove 模型 Linear and Parabolic Rate Coefficients 热氧化 热氧化 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 Cl对氧化速率的影响 初始阶段的氧化 氧化中消耗硅的厚度 硅表面形貌对Xi的影响 热氧化的影响因素 温度 气氛（干氧、水汽、HCl） 压力 晶向 掺杂 高压氧化 对给定的氧化速率，压力增加，温度可降