微电子工艺原理与技术 第1章 引论.ppt

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? 外延层 在某些情况下,需要硅片有非常纯的与衬底有相同晶体结构(单晶)的硅表面,还要保持对杂质类型和浓度的控制。这要通过在硅表面淀积一个外延层来达到。在硅外延中,硅基片作为籽晶在硅片上面生长一薄层硅。新的外延层会复制硅片的晶体结构。由于衬底硅片是单晶,外延层也是单晶。而且,外延层可以是n型也可以是p型,这并不依赖于原始硅片的掺杂类型。外延层通常是没有沾污的。 硅中杂质 在实际集成电路制造中所需要的绝大多数半导体材料,都人为地掺入一定数量的某种原子(杂质),以便控制导电类型和导电能力。掺入的杂质主要是Ⅲ A族元素(受主元素)和Ⅴ A族元素(施主元素)。这些杂质在硅晶体中一般是替代硅原子而占椐晶格位置,并能在适当的温度下施放电子或空穴,控制和改变晶体的导电能力和导电类型(n型或p型)。 如果在硅中同时存在浅施主和浅受主两种杂质,这时它的导电类型要由杂质浓度高的那种杂质决定,它首先要补偿掉不同类型的杂质,剩余部分才对导电能力有贡献。 杂质在硅中并不能无限制的掺入,在一定的温度和平衡态下,它有一个溶解到硅中的最大浓度,这就是杂质在硅晶体中的溶解度,也称固溶度。固溶度是随着温度而变化的。 对n型掺杂,还可以用中子辐照,核反应方程是: 质量测量 主要内容: 1. 物理尺寸 2. 平整度 3. 微粗糙度 4. 氧含量 5. 晶体缺陷 6. 颗粒 7. 体电阻率 作业:P32: 3,4,6 目前,IC常用的半导体材料有哪些?它们的结构、电学性质各有什麽特点? 为什麽硅能成为IC最广泛应用的衬底? 2. 直拉法与区熔法拉制单晶各有什麽优缺点? 3. 半导体材料掺杂的目的是什麽?什麽是硅和GaAs常用的N型和P杂质? 4. 硅有哪些常见缺陷?产生原因是什麽? 5. 氧含量的大小对硅器件性能有什麽影响?在1200oC 下要多长时间的退火,能获得15ppm氧含量,20微米的脱氧层? 式中,Ev-,Ev+ 分别是-1和+1价空位的能级,Ei为本征能级,通常接近带隙中心。N、p 分别是晶体在温度T时的电子与空穴浓度,ni为本征载流子浓度, 分别为+1和-1价空位的激活能。 对带多个电荷的空位浓度,将正比于电荷密度与本征载流子浓度比值的若干次幂,幂次与电荷数相同。因此它们的空位浓度将大大降低。如-2价空位的浓度为: 2. 位错 位错是晶体中存在应力的标志,经常由于点缺陷结 团聚集而形成。通常要求3英寸Si片的位错密度小于 50个/cm2 。对大尺寸硅片要求越来越高( 0.1)。 攀移和滑移是位错两种主要的运动机制。攀移是位错线的简单延伸和收缩,滑移是位错线在不沿原来方向的移动,由剪切应力造成。 3. 层错 经常发生在晶体生长过程中,层错是一种面缺陷, 堆垛层错是重要的缺陷。在层错中原子排列在两个 方向上被中断,仅在第三个方向保持。层错要么终 止于边缘,要么终止于位错线。 位错、 点缺陷 A 空位 B 自填隙原子 C 替位杂质 D 边位错 E 位错环 层 错 层错与晶体结构有关,经常发生在晶体生长过程中。滑移就是一种层错,它沿着一个或更多的平面发生滑移 另一种层错是孪生平面,就是在一个平面上,晶体沿着两个不同的方向生长 位错的攀移和滑移 一般说来,缺陷是不受欢迎的,但可以利用远离有源区的缺陷来吸收晶体内部的杂质。例如,可以在硅片背面蒸金或离子注入Ar等方法引入缺陷来吸杂,降低器件的漏电,这在双极器件中广泛应用。 另一种有效的吸杂方式是利用硅体内的氧沉淀。点缺陷与重金属原子会被氧沉淀俘获和限制,从而降低低它们在器件有源区的浓度。它利用了硅片内部固有的氧,称为本征吸杂。 要进行本征吸杂,氧浓度应当在15-20ppm (7.8×1017 ~1×1018/cm3),浓度过小氧杂质分离过远,难以结团,不起吸杂作用;氧浓度过高,会使硅片翘曲,从而产生穿越有源区的扩展缺陷,增大器件漏电。 本征吸杂的三个步骤为:外扩散、成核和沉积 其中,外扩散必须首先完成,目的是形成近表面的脱氧层,脱氧层的厚度,当大于有源区的最深结深和器件加上工作电压后耗尽层的厚度,典型脱氧层厚度在20-30微米。脱氧的方法主要是在保护气氛中高温退火,使表面氧外释。脱氧层厚度可以由下式计算: 可以根据氧的固溶度关系与上式联合求出满足Cox15ppm, Ld20?m 的工艺条件。例如:1200oC,3小时的退火可以得

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