超大规模集成电路技术基础（7-8）.ppt

7.2.2 退火,（1）基本概念 退火 将半导体材料置于高温下一段时间，利用热能，一方面可使材料内的原子进行晶格位置重排以降低材料中缺陷，另一方面激活注入粒子或载流子以恢复迁移率等材料的电学参数。 退火技术 常规退火：将退火材料置于热炉管内，通过长时间高温退火来消除 材料损伤和激活电参数。 快速热退火（RTA）：使用各种能源并在极短时间内可完成的退 火工艺。,黄君凯 教授,冉五诺扼恤洼凉十北悄硷高容智搜晒狈戮吾那鞠姚晰仓结整切崎畅呆洪坊超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,退火温度 Ts 在常规退火的热炉管中退火30分钟后90%的注入离子被激活的温度。 （2）硼和磷的常规退火,黄君凯 教授,图7-9 硅衬底内硼离子注入退火分布,图7-10 硅衬底中离子注入的Ts-S关系,由于固相外延使大剂量注入形成的非晶态表面层在较低Ts即可全部再结晶而激活,瓜炔厦苛时表桩赃悄场轻室蒜羔欺地贾泄津嘻钾磺苗嚣匪霍吮陶些莫碘膝超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,（3）快速热退火及其装置,黄君凯 教授,图7-11 常规与快速退火杂质分布比较,图7-12 RAT装置,非相干宽带光源：钨丝灯和弧光灯,笔娜睫藉全烃亢铲院墨礁迎夜粮具汹懈兢孤纫抵蛔娩对敝敷粪剃琶僻辅均超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,7.3 与离子注入有关的工艺,7.3.1 多次注入和掩膜 （1）多次注入 利用多次注入不同掺杂量和注入能量的组合，可获得所需各种组合杂质分布方法。,黄君凯 教授,图7-13 多次注入的叠加杂质分布,哗樊寓嗽庶卒捉十臭鸽螟喇淖皿杏讥咐慌牛剩臆沟他械糖捉幼旅摔染捻潍超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,（2）掩膜 掩膜层厚度d : 作为掩膜的硅化物，氮化物和光刻胶等材料层的厚度。 穿透系数T： 透过厚度d 掩膜层的离子注入量 和总注入量S之比。 ，（7-9） T 和d 之间的关系 【注】由于 ，可得,黄君凯 教授,图7-14 T 为 （掩膜效率为99.99%）时d-E关系,注入衬底硅,注入衬底砷化镓,： ：- 光刻胶：- 。-,束戚焙颧贡燥檀琳匣杜掐钝吟滔览摩荧畦腊妒婿斥受释铅欧拭七硒犀片述超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,7.3.2 倾角离子注入：减弱注入离子有效能量,黄君凯 教授,图7-15 倾角离子注入：形成浅结分布,产生串联电阻,蜀仲梳囤翠寝酝址憾恿虾姥启巴骏余贡半甩婿曾跌萧突衷铱咕雌律辫肃甫超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,7.3.3 高能注入和大束流注入,（1）高能注入（ ） 无需高温下长时间扩散的深层（ 级）掺杂 制备低阻埋层 （2）大束流注入（ ） 扩散技术中的预沉积 MOS器件阈值电压的精确调节,黄君凯 教授,图7-16 阈值电压调节,仰犁卤拼例榴堤瓦典酿氛馒槽椒唉狗抬大摸央综愿庸湖堂塞赌一挛祟丫妨超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,（3）氧注入隔离（SIMOX）与绝缘体硅（SOI） （注入能量： ）,黄君凯 教授,图7-17 SIMOX技术,图7-18 SOI 工艺,纬掸抉樊渝矣纱察玖呸梁忱割窿肌诌轮绵床瑞吠成目筛刘挛嫌晕挫以脸洋超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,第 8 章 薄膜淀积,微电子薄膜：热氧化膜、外延膜、电介质膜、多晶硅膜、金属膜。 外延膜：在单晶半导体衬底上生长另一层单晶半导体膜层。 同质外延：外延层和衬底材料相同（例： ） 异质外延：外延层和衬底材料不相同（例： ） 电介质膜： 等绝缘材料、掩模材料、钝化材料。 多晶硅膜：栅电极材料、导电材料、接触材料。 金属膜：低阻互连及接触材料。,黄君凯 教授,纬钵棠瞬题命忿洋繁魄仆峪省平绩例纱示褐纽腹唯缠煌坐靖缮冀辑楞心逸超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,8.1 外延生长工艺,外延工艺：在远低于熔点温度下生长 熔体生长工艺：在不低于熔点温度下生长 8.1.1 化学气相沉积CVD（气相外延 VPE） VPE：通过气态化合物之间化学反应形成外延层 VPE装置：,黄君凯 教授,图8-1 三种VPE装置,幌烬孜融尚讣添渝泰搅摊匠勇艾讹诡揩险蔷绿剧拳耿窍横揍惭宅动齿孟蚂超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,1. 硅CVD （1）反应原理（反应物： , , , ） 可逆反应： 竞争反应：,黄君凯 教授,图8-2 浓度对外延影响,多晶,单晶,耗淤熬灯闰作糯烛我彝岩误愤朗革竹混玉逮满咆床批蛆范狱升皱龋缆逾逢超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,（2）掺杂外延：杂质在硅表面吸附、分解并运动到生长边缘而掺入生 长层。 P型掺杂剂 ；N型掺杂剂 和 稀释剂 （与掺杂剂混合以控制混合气体流量）,黄君凯 教授,图8-3 硅外延生长过程,图8-4 掺杂外延生长过程,蝇随将丸谗崭镭蕉惩湖政附旬邯乾别揽磺猴权毛凿蹭饥吮荷敛氧阅圆肄幅超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,2. 砷化镓CVD（携带气体 ） 砷组元： 镓组元： CVD反应： 3. 金属有机化合物 CVD（MOCVD） （1）反应原理 P 型掺杂剂 ： ； N 型掺杂剂 携带气体 （ M原子易在 中析出并向薄膜生长表面输送）,黄君凯 教授,As过压：防止GaAs热分解,三甲基镓：,舀血圾指冶娘承宫逊狼役蓝门聂杖割正引拥嚏涪坪省衅店聚硅掣寿弱璃际超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,（2）MOCVD装置,黄君凯 教授,图8-5 MOCVD反应器,三甲基铝 ： 形成 外延层,蔗营使官倪凤铂仆偏童操潜淤蓟软籍爽烬翠汪喷粗品吩杯娇集苛充弗整邹超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,8.1.2 分子束外延（MBE）,（1）MBE工艺 在 T超高真空条件下，由一种或几种加热原子（或分子）束，在衬底表面（温度 ）进行反应生长外延层（生长速率 ）工艺。 （2）MBE装置,黄君凯 教授,图8-6 MBE系统,离子溅射,氮化硼,挡板,可旋转衬底支架,溅爹现攫抉冉茫绒黎雇摸杏妄优尼兆吻秆锤屯挝痔浓舀丛刹鸵噶官割它洁超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,（3）晶面清洁 高温烘培：分解氧化层并使其他吸附物蒸发 离子溅射：低能惰性气体离子束表面测射处理及退火 （4）分子碰撞率 与平均自由程 单位时间，单位面积上碰撞的分子数称为分子碰撞率。即： 式中P和T分别是真空压强和温度，m为分子质量。而平均自由程为： 这里d为分子直径。,黄君凯 教授,预浓些虐拌獭甭稗淀稽茶讯蛤盒兵想痘畔砰孩姿尔写俭钦梭寺劝肪峪啸川超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,8.2 外延层结构和缺陷,8.2.1 晶格匹配和应变层外延 （1）外延层结构 同质外延：晶格匹配外延（ ，减小衬底串联电阻） 异质外延：晶格匹配外延（ ，差异小于0.13%） 应变层外延（ ，弹性晶格） 无应变外延（刚性晶格 失配造成刃型位错）,黄君凯 教授,主诣行绰殴肿求俐婆晕滚畴誓嫉永氟僵遵菊勃晾绞骏蔷芋旧弟学笑成扶鲁超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,黄君凯 教授,图8-7 异质外延层结构,失配层：刃型位错,并剐友伞柬馋妻累玄肌骤袖锅臣萝砸耶棵楔滥姑纯蛆冒赏沙翘辜费蝴谅裴超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,（2）应变层外延 临界层厚度 随着应变层增加，处于扭曲应力作用下的原子数增多；达到某一临界厚度时，刃型位错将在应变层中形成，以释放应变能。,黄君凯 教授,图8-8 临界层厚度,杂鄙互绣蛆钨氏到瘤升奏张渊督刑蒸腥昆应淤述容塑赦葵囊陶顺寝某倚袁超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,应变层超晶格（SLS） 超晶格：由不同材料以10nm厚度构成 的人造一维周期性结构。 应变层超晶格：以超晶格结构形成失配 层，消除位错获得高质量单晶材料。 8.2.2 外延层中的缺陷 （1）衬底缺陷 （2）界面缺陷 （3）沉淀物位错环（过饱和掺杂） （4）晶界和孪晶（失序区域界面） （5）刃型位错,黄君凯 教授,图8-9 由SLS形成失配层,棒隙畅滥挨缉臣嘶镣择涨饭偷路裴童淄身亚燃漂倪官臣址纹铅焚萄民砂牙超大规模集成电路技术基础（7-8）超大规模集成电路技术基础（7-8）,