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集成电路工艺原理.doc

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上传者: millikancn 2010-09-19 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《集成电路工艺原理doc》,可适用于工程科技领域,主题内容包含《集成电路制造工艺原理》《集成电路制造工艺原理》课程教学教案山东大学信息科学与工程学院电子科学与技术教研室(微电)张新课程总体介绍:.​ 课程性质及符等。

《集成电路制造工艺原理》《集成电路制造工艺原理》课程教学教案山东大学信息科学与工程学院电子科学与技术教研室(微电)张新课程总体介绍:.​ 课程性质及开课时间:本课程为电子科学与技术专业(微电子技术方向和光电子技术方向)的专业选修课。本课程是半导体集成电路、晶体管原理与设计和光集成电路等课程的前修课程。本课程开课时间暂定在第五学期。.​ 参考教材:《半导体器件工艺原理》国防工业出版社华中工学院、西北电讯工程学院合编《半导体器件工艺原理》(上、下册)国防工业出版社成都电讯工程学院编著《半导体器件工艺原理》上海科技出版社《半导体器件制造工艺》上海科技出版社《集成电路制造技术原理与实践》电子工业出版社《超大规模集成电路技术基础》电子工业出版社《超大规模集成电路工艺原理硅和砷化镓》电子工业出版社.​ 目前实际教学学时数:课内课时学时.​ 教学内容简介:本课程主要介绍了以硅外延平面工艺为基础的与微电子技术相关的器件(硅器件)、集成电路(硅集成电路)的制造工艺原理和技术介绍了与光电子技术相关的器件(发光器件和激光器件)、集成电路(光集成电路)的制造工艺原理主要介绍了最典型的化合物半导体砷化镓材料以及与光器件和光集成电路制造相关的工艺原理和技术。.​ 教学课时安排:(按学时)课程介绍及绪论学时第一章衬底材料及衬底制备学时第二章外延工艺学时第三章氧化工艺学时第四章掺杂工艺学时第五章光刻工艺学时第六章制版工艺学时第七章隔离工艺学时第八章表面钝化工艺学时第九章表面内电极与互连学时第十章器件组装学时课程教案:课程介绍及序论(学时)内容:课程介绍:教学内容与微电子技术相关的器件、集成电路的制造工艺原理与光电子技术相关的器件、集成电路的制造参考教材​ 教学课时安排​ 学习要求序论:课程内容:​ 半导体技术概况半导体器件制造技术半导体器件制造的工艺设计工艺制造工艺分析质量控制半导体器件制造的关键问题工艺改革和新工艺的应用环境条件改革和工艺条件优化注重情报和产品结构的及时调整工业化生产​ 典型硅外延平面器件管芯制造工艺流程及讨论常规npn外延平面管管芯制造工艺流程典型pn隔离集成电路管芯制造工艺流程两工艺流程的讨论有关说明两工艺流程的区别及原因课程重点:介绍了与电子科学与技术中的两个专业方向(微电子技术方向和光电子技术方向)相关的制造业指明该制造业是社会的基础工业、是现代化的基础工业是国家远景规划中置于首位发展的工业。介绍了与微电子技术方向相关的分离器件(硅器件)、集成电路(硅集成电路)的制造工艺原理的内容指明微电子技术从某种意义上是指大规模集成电路和超大规模集成电路的制造技术。由于集成电路的制造技术是由分离器件的制造技术发展起来的则从制造工艺上看两种工艺流程中绝大多数制造工艺是相通的但集成电路制造技术中包含了分离器件制造所没有的特殊工艺。介绍了与光电子技术方向相关的分离器件、集成电路的制造工艺原理的内容。指明这些器件(发光器件和激光器件)和集成电路(光集成电路)多是由化合物半导体为基础材料的最常用和最典型的是砷化镓材料本课程简单介绍了砷化镓材料及其制造器件时相关的工艺技术与原理。在课程介绍中指出了集成电路制造工艺原理的内容是随着半导体器件制造工艺技术发展而发展的、是随着电子行业对半导体器件性能不断提高的要求(小型化、微型化、集成化、以及高频特性、功率特性、放大特性的提高)而不断充实的。综观其发展历程由四十年代末的合金工艺原理到五十年代初的合金扩散工艺原理又由于硅平面工艺的出现而发展为硅平面工艺原理、继而发展为硅外延平面工艺原理硅外延平面工艺是集成电路制造的基础工艺在制造分离器件和集成电路时为提高器件和集成电路的可靠性、稳定性引入了若干有实效的保护器件表面的工艺则加入了表面钝化工艺原理的内容在制造集成电路时为实现集成电路中各元器件间的电性隔离引入了隔离墙的制造则又加入了隔离工艺原理的内容。因此集成电路工艺原理=硅外延平面工艺原理表面钝化工艺原理隔离工艺原理而大规模至甚大规模集成电路的制造工艺只不过是在掺杂技术、光刻技术(制版技术)、电极制造技术方面进行了技术改进而已。介绍了半导体技术概况指出半导体技术是由工艺设计、工艺制造、工艺分析和质量控制四部分构成。工艺设计包含工艺参数设计、工艺流程设计和工艺条件设计三部分内容其设计过程是:由器件的电学参数(分离器件电学参数和集成电路功能参数)参照工艺水平进行结构参数的设计然后进行理论验算(结构参数能否达到器件的电学参数的要求)验算合格依据工艺原理和原有工艺数据进行工艺设计。工艺制造包含工艺程序实施、工艺设备、工艺改革三部分内容。工艺分析包含原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析和工艺条件分析等四部分内容工艺分析的目的是为了工艺改进。质量控制包含分离器件和集成电路的失效机理研究、可靠性分析和工艺参数控制自动化三部分内容。在介绍、讨论、分析的基础上指明了半导体器件制造中要注意的几个关键问题。介绍了以典型硅外延平面工艺为基础的常规npn外延平面管管芯制造工艺流程和典型pn隔离集成电路管芯制造工艺流程并分析了两种工艺的共同处和不同处。课程难点:半导体器件制造的工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容工艺流程设计包含的具体内容工艺条件设计包含的具体内内容。工艺制造涉及的具体内容工艺线流程与各工序操作流程的区别。半导体器件制造的工艺分析所涉及的四部分内容进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的意义何在如何对应器件的不合格性能参数通过上述四项分析进行工艺改进从而得到合格性能参数。半导体器件制造的质量控制须做哪些工作为什么说通过质量控制器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度。什么是工艺改革和新工艺的应用?什么是环境条件改革和工艺条件优化?为什么要注重情报和及时调整产品结构?什么是工业化大生产?这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题?为什么说半导体器件制造有冗长的工艺流程?十几步的分离器件制造工艺流程与二十几步的集成电路制造工艺流程有什么区别?集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作各自有哪几步工艺构成?各起到什么作用?基本概念:半导体器件由半导体材料制成的分离器件和半导体集成电路。半导体分离器件各种晶体三极管各种晶体二极管各种晶体可控硅。半导体集成电路以半导体(硅)单晶为基片以外延平面工艺为基础工艺将构成电路的各元器件制作于同一基片上布线连接构成的功能电路。晶体三极管的电学参数指放大倍数、结的击穿电压、管子的工作电压、工作频率、工作功率、噪声系数等。晶体三极管的结构参数包括所用材料、电性区各层结构参数、器件芯片尺寸、外延层结构参数和工艺片厚度等。硅平面工艺指由热氧化工艺、光刻工艺和扩散工艺为基础工艺构成的近平面加工工艺。硅外延平面工艺外延工艺硅平面工艺构成的器件制造工艺。基本要求:要求学生了解本课程的性质知道学好集成电路制造工艺原理对学习专业课的重要性。掌握半导体器件制造技术中所涉及的四部分内容。了解工艺设计所涉及的三部分内容中工艺参数设计所包含的具体内容工艺流程设计包含的具体内容工艺条件设计包含的具体内内容。了解工艺制造涉及的具体内容知道工艺线流程与各工序操作流程的区别是什么。了解半导体器件制造的工艺分析所涉及的四个分析内容知道进行原始材料分析、外延片质量分析、各工序片子参数分析、工艺条件分析的指导意义能够对应器件的不合格性能参数通过上述四项分析进行工艺改进从而得到合格性能参数。知道半导体器件制造的质量控制须做哪些工作能清楚知道通过质量控制器件生产厂家可提高经济效益、可提高自身产品的竞争能力、可提高产品的信誉度的原因。知道什么是工艺改革和新工艺的应用?什么是环境条件改革和工艺条件优化?为什么要注重情报和及时调整产品结构?什么是工业化大生产?清楚这些问题为什么会成为半导体器件制造中的关键问题?了解半导体器件制造有冗长的工艺流程分离器件制造工艺至少有十几步的工艺流程集成电路制造工艺至少有二十几步的制造工艺流程。知道集成电路制造比分离器件制造多出了隔离制作和埋层制作两大部分知道制作隔离区的目的何在?制作埋层区的目的何在?清楚隔离制作有哪几步工艺构成?知道隔离氧化、隔离光刻和隔离扩散工艺各自达到什目的清楚埋层制作有哪几步工艺构成?知道埋层氧化、埋层光刻和埋层扩散工艺各自达到什目的。绪论作业:思考题:个第一章衬底材料及衬底制备(学时)衬底半导体材料学时课程内容:常用半导体材料及其特点​ 常用半导体材料元素半导体材料化合物半导体材料​ 硅材料的特点价格低、纯度高制成的器件能工作在较高温度下电阻率选择范围宽其特有的硅外延平面工艺​ 砷化镓材料的特点载流子的低场迁移率高禁带宽度更大能带结构更接近跃迁型硅、砷化镓的晶体结构及单晶硅体硅的晶体结构及特点硅的金刚石型晶胞结构硅原子沿〈〉向的排列规律砷化镓的晶体结构及特点砷化镓的闪锌矿型晶胞结构砷化镓的〈〉向六棱柱晶胞砷化镓的〈〉向特点硅、砷化镓晶体的制备方法硅单晶体的制备方法砷化镓晶体的制备方法单晶硅体单晶硅体呈圆柱状单晶硅体上具有生长晶棱硅衬底材料的选择硅衬底材料的结构参数结晶质量生长晶向缺陷密度硅衬底材料的物理参数电阻率少数载流子寿命杂质(载流子)补偿度硅衬底材料的电性参数其它要注意的问题电阻率不均匀性问题重金属杂质和氧、碳含量问题课程重点:本节主要介绍了半导体器件(半导体分离器件和半导体集成电路)制造中常用的半导体材料。在硅、锗元素半导体材料中普遍应用的是硅半导体材料在锑化铟、磷化镓、磷化铟、砷化镓等化合物半导体材料中最常应用的是砷化镓半导体材料。分别介绍了硅半导体材料和砷化镓半导体材料各自的特点相应的应用场合。讨论了硅半导体材料和砷化镓半导体材料的晶体结构从中可知虽然硅晶体具有金刚石型晶胞结构而砷化镓晶体具有闪锌矿型晶胞结构但从晶胞的构成和某些性质有相似的地方但应注意其性质上的根本区别。由硅原子沿〈〉向的排列规律可知在一个硅晶体的六棱柱晶胞中有七个相互平行的{}面而七个面构成的六个面间有两种面间距其中一个体现面间距大的特点另一个体现面间距小的特点每一个{}晶面具有相同的原子面密度原子平面间是靠共价键连接的而六个面间有两种面间共价键密度在三个面间每个原子均为三键连接体现面间价键密度大的特点在另三个面间每个原子均为单键连接体现面间价键密度小的特点。从结构中可知面间价键密度小的面间同时面间距大而面间价键密度大的面间同时面间距小由此引入两个结论:面间价键密度小而同时面间距大的面间极易被分割称为硅晶体的解理面面间价键密度大同时面间距小的面间面间作用力极强则被看作是不可分割的双层原子面即当一个面看待。砷化镓晶体中原子沿〈〉向的排列规律与硅晶体的相似只不过砷面和镓面交替排列(四个砷面夹着三个镓面或四个镓面夹着三个砷面)而已。还讨论了硅晶体和砷化镓晶体的制备硅单晶体通常采用直拉法或悬浮区熔法进行生长砷化镓晶体通常采用梯度凝固生长法或液封式直拉法制备。本节还对半导体器件制造最常用的单晶硅体进行了讨论可知单晶硅体呈圆柱状但在单晶硅体上存在与单晶生长晶向相关的生长晶棱因为与硅原子沿生长晶向排列有关沿不同晶向生长的单晶硅体上晶棱数目不同晶棱对称程度也不同。最后讨论了硅单晶的质量参数(硅衬底材料的选择)这对了解硅单晶材料的性能并进而在器件的生产中正确的选择硅衬底材料是至关重要的。课程难点:硅单晶的晶体结构及结构分析砷化镓晶体的晶体结构及结构分析。硅单晶的两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论砷化镓晶体的两种制备工艺及其工艺分析、工艺过程讨论。硅单晶体的外部特征导致硅单晶体外部特征与硅单晶体内部结构(原子排列规律)的对应关系分析讨论。硅单晶体的结构参数要求物理参数要求和电性参数要求。基本概念:元素半导体材料完全由一种元素构成的具有半导体性质的材料。化合物半导体材料由两种或两种以上的元素构成的具有半导体性质的材料。面间共价键密度在相邻原子面间任取一平行平面单位面积的共价键露头数。少子寿命少数载流子寿命它反映了少数载流子保持其电性的时间长短记为τ。它与单晶体中的缺陷和重金属杂质的多少有关。补偿度载流子补偿度(杂质补偿度)记为M。由于半导体中的杂质全部电离则其反映了半导体材料中反型杂质的多少。基本要求:了解用于半导体器件制造的半导体材料的类型了解元素半导体材料的类型及构成了解化合物半导体材料的类型及构成。知道半导体器件制造中最常用的硅半导体材料的特点知道半导体光学器件制造中最常用的砷化镓半导体材料的特点。清楚硅半导体晶体和砷化镓半导体晶体的晶体结构以及它们的结构特点知道它们在结构上的相似处和不同处知道由硅半导体晶体结构分析引入的两个结论并清楚它们对半导体器件制造的指导意义。了解硅半导体单晶体是如何制备的清楚其不同的制备工艺知道砷化镓半导体晶体是如何制备的及其了解各种制备工艺。清楚知道硅半导体单晶体的外部特征知道这些外部特征与晶体内部结构之间的密切联系。知道如何进行硅衬底材料的选择知道在硅单晶的质量参数中结构参数包括哪一些、物理参数包括哪一些、电性参数是指什么对高要求和高性能的集成电路制造还应注意哪些材料的质量参数。硅单晶的定向学时课程内容:定向的方法根据晶体生长的各向异性定向根据晶体解理的各向异性定向根据晶体腐蚀的各向异性定向光图定向x光衍射定向光图定向的方法与原理显示晶面解理坑晶面解理坑的结构与分布光向与晶向光图定向仪光图定向光图定向器件生产中的应用定向切割定向划片及定位面的制造课程重点:本节介绍了常规集成电路制造中硅单晶体定向。粗略的可根据晶体生长的各向异性定向、根据晶体解理的各向异性定向、根据晶体腐蚀的各向异性定向较精确的可进行光图定向更精确的可进行x光衍射定向。本节主要介绍了常规集成电路制造中最常用的光图定向根据光图定向的三个必备条件进行了显示晶面解理坑的讨论晶面解理坑的结构与分布的讨论平行光照射晶面解理坑后得到的反射光象与晶体晶向关系的讨论讨论了常见的光图定向仪并对光图定向的设备要求和光图定向步骤进行了讨论。最后讨论了光图定向在常规集成电路制造中两种常见的应用定向切割是在一定生长晶向的硅单晶棒上切出所需晶面的硅单晶片而定位面的制造是为了适应器件生产中的定向划片指出定向划片可以获得大量完整的管芯定位面为定向划片提供了划片的参考平面。课程难点:为什么可根据晶体生长的各向异性、晶体解理的各向异性、晶体腐蚀的各向异性进行定向与晶体结构的关系如何。在光图定向中显示晶面解理坑采用了电化学腐蚀腐蚀前为什么要进行金刚砂研磨?在电化学腐蚀液中晶格畸变区和晶格完整区各具有不同的性质进行了什么不同的化学反应其反应机理是什么。当在低指数晶面的晶片上制备晶面解理坑时获得的是以平行该低指数晶面的面为底、以{}面为侧面围成的平底锥坑此类结构的形成机理及与晶体结构的关系。光图定向中光象与晶向之间的一一对应关系。考虑定位面划片时就能减少管芯的碎裂的理论依据。基本概念:光图定向用平行光照射单晶体上的晶面解理坑根据反射光象判定、调正晶向的方法。晶面解理坑以低指数晶面围成的、与晶面(晶向)有一定对应关系的晶面腐蚀坑。其侧面为解理面。晶格畸变区指晶格有损伤的或不完整的区域该区域存在较大的晶格内应力内能大。晶格完整区指晶格结构完整或完美的区域该区域晶格内应力低内能小。反射光象用平行光照射晶面解理坑晶面解理坑某组平面对光的反射而得到的光图(光象)。定向切割光图定向垂直切割。定向划片按规定沿解理向进行划片的方法。基本要求:了解硅单晶体定向的目的、可采用的方法、定向原理。知道几种粗略定向方法的理论依据较精确定向方法间的比较。清楚光图定向的方法和原理能通过合适方法得到晶面解理坑、能通过一定手段得到反射光象、能由反射光象与晶体晶向的关系分析判定晶向、当晶向有偏离时能通过调整光图调正晶向。知道光图定向是如何在半导体器件制造中得到应用的知道光图定向在定向切割中所起的作用、知道光图定向如何参与定位面的制作和定位面是如何在定向划片中起到作用的。硅衬底制备工艺简介学时课程内容:硅单晶的切割工艺作用切割原理切割设备切割方法切割要求硅片厚度硅片两面平行度硅片厚度公差注意事项研磨工艺研磨的作用研磨的方法单面研磨双面研磨研磨要求影响研磨的因素磨料的影响磨盘压力的影响抛光工艺抛光的作用抛光的要求抛光的方法机械抛光工艺方法及原理优缺点适用范围化学抛光工艺原理方法优缺点适用范围化学机械抛光工艺方法及原理化学机械抛光种类抛光过程分析课程重点:本节简单介绍了衬底制备中切片、磨片和抛光三个工艺的基本情况。关于硅单晶体的切割讨论了该工艺的四个作用:即决定了所切出的硅单晶片的晶向、晶片厚度、晶片平行度和晶片翘度讨论了切割原理:实际上是利用了刀片上的金刚砂刀刃对硅单晶棒进行脆性磨削由于切割刀片的高速旋转和缓慢进刀而使硅单晶棒变成了一片一片的硅单晶片介绍了两种切割设备一种是多用于硅单晶片的切割的内圆切割机另一种是用于定位面切割的外圆切割机最后还给出了硅单晶体的切割的要求和注意事项。关于硅单晶片的研磨讨论了该工艺的四个作用:即去除切片造成的刀痕、调节硅单晶片的厚度、提高硅单晶片的平行度和改善硅单晶片的平整度讨论了硅单晶片研磨的方法根据设备的不同分为硅单晶片的单面研磨和硅单晶片的双面研磨其研磨机理是相同的讨论了影响硅单晶片研磨的因素研磨质量主要取决于磨料的质量和磨盘压力的大小。关于硅单晶片的抛光讨论了该工艺的作用主要是去除磨片造成的与磨料粒度相当的损伤层以获得高洁净的、无损伤的、平整光滑的硅单晶片的镜面表面讨论了抛光工艺的三种抛光方法即机械抛光、化学抛光和化学机械抛光方法。机械抛光是采用更细的磨料在盖有抛光布的磨盘上进行细磨由于其工艺过程中无化学反应则该工艺适用于化合物半导体晶片的表面抛光化学抛光是利用化学腐蚀的方法对晶片表面进行抛光它对待研磨片平整度要求较高化学抛光可分为液相抛光和气相抛光两种抛光方式由于该抛光工艺抛光速度快、效率高则该工艺更适用于高硬度衬底表面的抛光(如蓝宝石、尖晶石等)化学机械抛光是硅单晶片抛光的常用工艺该工艺综合了机械抛光、化学抛光两种方法的各自的优点从方法上看是采用了机械抛光设备而加入了化学抛光剂化机抛光的种类可分为酸性抛光液抛光和碱性抛光液抛光两种酸性抛光液抛光有铬离子抛光和铜离子抛光两种方式碱性抛光液抛光为二氧化硅抛光、也分为胶体二氧化硅抛光和悬浮二氧化硅抛光两种方式。课程难点:硅单晶切割的方法与原理硅单晶切割的要求和注意事项。硅单晶片研磨的方法和原理硅单晶片单面研磨方式和双面研磨方式的区别注意磨料质量和磨盘压力是如何影响研磨质量的。硅单晶片的三种抛光方法各自的抛光原理与抛光工艺三种抛光方法各自的应用特点和应用范围。基本概念:晶片的平行度指某晶片的厚度不均匀的状况。晶片的厚度公差晶片与晶片之间厚度的差别。晶片的单面研磨晶片的单面研磨指将晶片用石蜡粘在压块上在磨盘上加压对空面进行研磨的方法。晶片的双面研磨–指将晶片置于行星托片中在上、下磨盘中加压进行双面研磨的方法。机械抛光采用极细的磨料、在盖有细密抛光布的抛光盘上对衬底表面进行细磨的工艺过程。化学抛光利用化学腐蚀的方法对衬底表面进行去损伤层处理的过程。化学机械抛光采用机械抛光设备、加入化学抛光剂对衬底表面损伤层进行处理的过程。基本要求:熟知半导体集成电路制造对衬底片的要求了解衬底制备工艺是如何一步步达到以上要求的。清楚知道晶片切割工艺的方法与原理了解晶片切割工艺过程知道晶片切割的工艺要求和注意事项。清楚知道晶片研磨的工艺方法和工艺原理熟悉两种研磨方法知道研磨工艺达到的目的和要求能分析影响研磨质量的各种因素。清楚知道晶片抛光的各种工艺方法和工艺原理能根据不同的待抛光衬底的实际状况选择合适的抛光方式合适的抛光方法。第一章衬底材料及衬底制备作业思考题题习题题第二章:外延工艺原理(学时)外延技术概述学时课程内容:外延分类由外延材料的名称不同分类由外延层材料与衬底材料相同否分类同质外延异质外延由器件作在外延层上还是衬底上分类正外延负外延(反外延)由外延生长状态分类液相外延气相外延分子束外延由外延生长机构分类直接外延间接外延外延技术简介定义外延技术外延层外延新技术低温外延变温外延分步外延分子束外延集成电路制造中常见的外延工艺硅外延工艺典型外延装置硅外延可进行的化学反应砷化镓外延工艺气相外延工艺液相外延工艺课程重点:本节介绍了什么是外延?外延技术解决了哪些器件制造中的难题。介绍了外延技术的分类由外延材料的不同可分为硅外延、砷化镓外延等等由外延层与衬底材料相同否可分为同质外延和异质外延由在外延层上还是在衬底上制造器件可分为正外延和负外延(反外延)由外延的生长环境状态可分为液相外延、气相外延和分子束外延由外延过程中的生长机构可分为直接外延和间接外延。对外延技术做了简单的介绍给出了外延技术和外延层的定义介绍了低温外延、变温外延、分步外延和分子束外延几种较新的外延技术。对在集成电路制造中常见的外延工艺做了概述。对硅外延工艺介绍了其典型外延装置包括了卧式外延反应器装置、立式外延反应器装置和桶式外延反应器装置以氢气还原四氯化硅的典型卧式外延反应器装置为例进行了设备介绍该设备包含了气体控制装置(气体纯化装置、硅化物源〈纯硅化物源和含杂硅化物源〉、控制管道及装置等)、高(射)频加热装置(高〈射〉频感应信号炉、可通冷却水的铜感应线圈、靠产生涡流加热的石墨基座)、测温装置及石英管构成的反应器对硅外延可进行的化学反应进行了讨论包括氢气还原法中的四氯化硅氢气还原法、三氯氢硅氢气还原法以及热分解法中的二氯氢硅热分解法、硅烷热分解法。对砷化镓外延工艺主要介绍了三类外延方法中常见的气相外延工艺和液相外延工艺在气相外延工艺中讨论了卤化物外延工艺和氢化物外延工艺在液相外延工艺中介绍了液相外延应注意的几个问题、介绍了液相外延生长系统(水平生长系统和垂直生长系统)由于水平生长系统较为常用所以重点介绍了各种水平液相生长系统。课程难点:外延的定义、外延技术的定义、外延层的定义。在外延分类中按外延材料不同分类时所包含的种类及其定义按器件制作的层次不同分类时所包含的种类及其定义按外延外延层与衬底材料相同或不同分类时所包含的种类及其定义按外延生长环境状态不同分类时所包含的种类及其定义按外延生长机构不同分类时所包含的种类及其定义。外延技术解决了半导体集成电路制造中哪些难题?是如何解决的。对于半导体集成电路制造中常见的外延技术关于硅外延技术的典型生长装置、装置中的主要组成部分、外延中区别两类方式(氢气还原方式、热分解方式)可进行的化学反应关于砷化镓外延技术的两种外延类型、气相外延工艺中的两种外延方法(卤化物外延工艺、氢化物外延工艺)各自的工艺过程和化学反应状况、液相外延工艺中应注意的问题和几种实际外延系统的外延原理。基本概念:外延在一定条件下通过一定方法获得所需原子并使这些原子有规则地排列在衬底上在排列时控制有关工艺条件使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度。晶格完美的新单晶层的过程。硅外延生长硅外延层的外延生长过程。砷化镓外延生长砷化镓外延层的外延生长过程。同质外延生长的外延层材料与衬底材料结构相同的外延生长过程。异质外延生长的外延层材料与衬底材料结构不同的外延生长过程。正外延在(外延衬底)结构上制造器件时器件制造在外延层上的前期外延生长过程。负外延(反外延)在(外延衬底)结构上制造器件时器件制造在衬底上的前期外延生长过程。液相外延衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层的外延生长过程。气相外延在含有外延生长所需原子的化合物的气相环境中通过一定方法获取外延生长所需原子使其按规定要求排列而生成外延层的外延生长过程。分子束外延在高真空中外延生长所需原子(无中间化学反应过程)由源直接转移到待生长表面上按规定要求排列生成外延层的外延生长过程。直接外延整个外延层生长中无中间化学反应过程的外延生长过程。间接外延外延所需的原子由含其基元的化合物经化学反应得到然后淀积、加接形成外延层的外延生长过程。外延层由原始衬底表面起始沿其结晶轴向(垂直于衬底表面的方向)平行向外延伸所生成的新单晶层。外延技术生长外延层的技术。基本要求:了解外延技术解决了半导体分离器件和集成电路制造中存在的哪些难题?为什么说外延技术解决了器件参数对材料要求的矛盾、是什么矛盾、如何解决的?为什么说外延技术提供了集成电路隔离的一种方法、什么方法?为什么说外延技术为发光器件、光学器件的异质结形成提供了途径?要求知道外延技术是如何分类的、各种分类中的外延是如何定义的?要求能大致了解较新的外延技术。要求清楚的知道在集成电路制造中常用的硅外延工艺的典型外延装置和外延过程中的所有可能的化学反应要求清楚的知道在集成电路制造中常用于砷化镓外延工艺中的液相外延的注意事项及液相外延反应系统、气相外延的两种外延工艺及其外延过程中的所有化学反应。四氯化硅氢气还原法外延原理学时课程内容:四氯化硅的氢气还原法外延生长过程化学原理​ 四氯化硅的氢气还原机理为吸热反应伴有有害副反应整个反应过程分两步进行反应步骤分析四氯化硅质量转移到生长层表面四氯化硅在生长层表面被吸附在生长层表面上四氯化硅与氢气反应副产物的排除硅原子在生长层表面的加接{}面硅外延生长的结晶学原理晶核的形成结晶学核化理论共价键理论结晶体的形成晶核沿六个向和六个向扩展()面上的结晶体是六棱形的()面上的六棱形结晶体是非对称的生长面的平坦扩展外延系统及外延生长速率​ 外延系统的形态外延系统的流体形态流体的连续性流体的粘滞性流体的两种流动形态流体的紊流态流体的层流态流体形态判据及外延系统中的流体流形平板雷诺数流体流形判定外延系统中的流体形态外延系统中的附面层概念速度附面层实际外延系统近似速度附面层定义速度附面层的厚度表达式质量附面层质量附面层定义质量附面的厚度表达式外延生长速率外延生长模型的建立外延生长速率外延生长速率的表达式两种极限条件下的外延生长速率影响外延生长速率的诸因素与温度的关系化学反应速率常数与温度的关系气相质量转移系数与温度的关系实际外延温度的选择与反应剂浓度的关系与气体流量的关系与衬底片位置量的关系改善外延生长前后不均匀的工艺措施适当增大混合气体的流量使基座相对气流倾斜一小角度课程重点:本节以四氯化硅的氢气还原法外延生长作为重点讨论了在{}面上进行硅外延的所有化学反应机理和结晶生长原理。根据分析可知:整个外延过程实际上是外延生长的化学反应过程与外延生长的结晶过程的连续地、不断地、重复进行的综合过程。本节讨论了外延生长的化学反应原理。由化学反应方程式分析可知:四氯化硅的氢气还原反应是一个吸热反应只有当外延生长温度大于一千度时才有明显的化学反应速率才不影响外延生长的进行四氯化硅的氢气还原反应伴有若干副反应这些副反应是指反应剂四氯化硅和反应副产物氯化氢对生长层(衬底)的腐蚀反应副反应的存在和加强显然会影响和严重影响外延生长速率本节介绍了这些影响、并对保正外延向正方向进行提出了调控措施由对化学反应模式分析可知:外延生长的化学反应过程是由两步完成的其基于化学反应的分子碰撞理论。本节对化学反应的反应步骤进行了分析它包含了反应剂四氯化硅由气相向生长层表面的质量转移、反应剂四氯化硅在生长层表面被吸附、在生长层表面反应剂四氯化硅与还原剂氢气反应、反应生成的副产物的排出和反应生成的高能、游离态硅原子的淀积、加接等若干过程而高能、游离态硅原子的如何淀积、加接是外延生长的结晶学原理。本节介绍了外延生长的结晶学过程和结晶学原理其结晶学过程是由化学反应获得的高能、游离态硅原子淀积于衬底表面上在表面上移动希望按衬底晶格加接首先形成若干分立的(具有原子〈双层原子面不可分割〉厚度的)晶核随其它硅原子在晶核上加接、晶核扩大形成若干分立(非对称六棱形的)结晶体随其它硅原子在结晶体上加接、结晶体扩大若干分立的结晶体连成一片形成一层(具有原子厚度的)新单晶层再在新单晶层形成若干分立的(具有原子厚度的)晶核再晶核扩大…形成一定厚度的外延新单晶层基于上述外延生长的结晶学过程本节就为什么首先形成晶核、形成的晶核为什么是分立的、形成晶核的理论、如何由晶核形成结晶体、结晶体形成受到的结晶学上的限制、为什么在{}面上的结晶体是非对称六棱形的等等结晶学问题和原理进行了讨论。本节还对外延系统及外延生长速率进行了介绍和讨论。关于外延生长系统对典型的卧式外延生长反应器系统进行了形态讨论指出外延生长反应系统是一个流体系统、介绍了流体的两个性质、给出了流体的两种流动形态、流体形态判据和判定、以及对实际外延系统中的流体形态进行了讨论在本部分讨论中涉及了部分流体力学的内容。为了更好的讨论外延生长速率本节还给出了附面层的概念由于流体的粘滞性而导致外延基座上方的流体流速存在变速的区域由此引入了速度附面层的概念同时给出了速度附面层的厚度表达式由于速度附面层的存在导致外延基座上方的极小区域内存在反应剂浓度的变化由此引入了质量附面层的概念同时给出了质量附面层的厚度表达式。在外延生长速率的讨论中建立了外延生长模型、由模型讨论得到了外延生长速率的表达式、对外延生长速率的表达式进行了极限分析讨论了影响外延生长速率的温度因素、反应剂浓度因素、混合气体流量因素、以及在外延生长系统中衬底片位置量的变化外延生长速率的影响为了改善外延生长前后不均匀的现象本节给出了两个工艺措施。课程难点:首先要对外延生长过程有一个整体的概念。在{}面上进行四氯化硅的氢气还原外延生长的化学反应原理其反应过程、反应中的状态、反应中的步骤、化学反应的正反应和副反应(包含逆反应)。四氯化硅的氢气还原外延生长的结晶学原理其外延生长的结晶过程、结晶学的成核理论(结晶学理论和共价键理论)、晶核扩展理论、结晶体的形成、结晶体扩展理论、以及外延层的厚度长成和平坦扩展理论。实际卧式外延反应系统的分析为流体系统、具有流体的两个特性、流体的两种流动形态、流体流形的判据和判定、实际外延系统的流体流形。外延生长系统中两个附面层的定义、表达式及对外延生长的指导意义。外延模型的建立、理解和分析外延模型对推导外延生长速率的指导意义应用外延生长速率简化表达式的极限条件分析影响外延生长速率的各种因素讨论及分析。基本概念:外延生长过程外延化学反应过程与外延结晶过程的连续、不断、重复进行的全过程。歧化特性指一种物质在同一个反应中既起氧化剂的作用又起还原剂作用的性质。歧化反应符合歧化特性的化学反应。表面吸附指固体表面对气相物质的吸引、固定。流体的粘滞性当流体饶流固体表面时由于分子(原子)间的作用力(吸引力)使原来等速流进的流体在固体表面上方出现非等速流进的的现象称为粘滞现象流体的这种性质称为粘滞性。流体的连续性指流体是由无数连续运动的微团构成在自然界无间断点的性质。流体的紊流态指流体中连续运动的微团运动处于杂乱无章的状态也称湍流态。流体的层流态指流体中连续运动的微团运动有序形成彼此互不干扰的流线(流层)的状态。速度附面层由于流体的粘滞作用而使外延平板基座上方流体流速分布受到干扰的区域。由于该区域中的流体流速滞慢于层外也称为滞流层。质量附面层外延平板基座上方、速度附面层内反应剂浓度(质量)有较大变化的区域。反应剂的气相质量转移系数单位时间内由气相到达单位面积表面的反应剂粒子数。自掺杂效应指在外延过程中气氛对衬底表面的腐蚀而使主气流中杂质浓度起变化从而造成前、后硅片的掺杂浓度不同的现象。基本要求:熟知外延生长过程的定义知道外延生长过程是由外延化学反应过程与外延结晶过程的连续、不断、重复进行构成的。知道在{}面上进行四氯化硅的氢气还原外延生长的化学反应原理其反应过程、反应中的状态、反应中的步骤、化学反应的正反应和副反应(包含逆反应)知道化学反应的副反应(包含逆反应)对外延生长的不利影响以及是如何影响的清楚为什么该外延生长的化学反应不能一步进行而两步进行的可能性更大清楚最可能的第二步反应是歧化反应歧化反应是如何定义的清楚的知道外延生长的化学反应步骤知道每一步的具体内容清楚副产物不能及时排出系统对外延带来得弊端。知道四氯化硅的氢气还原外延生长的结晶学原理了解其外延生长的结晶过程是如何由化学反应得到的高能、游离态硅原子通过加接而形成一层外延层完美表面的而一定厚度的外延层是如何获得的知道结晶学的成核理论从结晶学理论是如何根据原子团半径来决定成核条件的、从共价键理论又是如何表明单原子直接加接和双原子同时加接不能形成稳定晶核的而形成稳定晶核至少需要三个或三个以上的原子同时加接清楚晶核扩展理论知道为什么在晶核上单原子直接加接和双原子同时加接均能形成稳定的加接而使晶核得到扩展知道结晶体的形成、结晶体扩展理论清楚为什么由于原子在晶核上加接、沿六个向和六个向扩展的结果是形成六棱结晶体而且该六棱结晶体还是非对称的知道外延层的平坦扩展理论和厚度长成理论即知道为什么不会在没长平的外延层表面上形成新的晶核知道外延生长结晶过程重复不断进行即可获得所要求厚度的外延层。知道外延生长的动力学原理即由此进行外延系统分析和外延模型的建立、分析从而得到外延生长速率表达式。关于外延系统分析知道为什么实际外延生长系统是一个流体系统流体具有的粘滞性和连续性的具体含义及对外延过程的指导意义知道流体可能存在的两种流动形态清楚哪一种流动形态是外延工艺所希望的而实际外延系统中的流动形态是怎样的关于外延系统中的附面层概念知道为什么要引入速度附面层概念速度附面层是如何定义的速度附面层的厚度表达式知道为什么要引入质量附面层概念质量附面层是如何定义的为什么说是质量附面层是由于速度附面层的存在而出现的质量附面层的厚度表达式为什么说是质量附面层厚度是速度附面层厚度的函数。关于外延模型的建立、分析和外延生长速率能够根据实际外延生长系统建立可用的外延生长模型其中有可分析的外延层次关系能够通过分析讨论得到外延生长速率表达式清楚在什么极限条件下可采用不同的简化外延生长速率表达式知道影响外延生长速率的各种工艺因素以及它们是如何对外延生长速率造成影响的对外延生长的前后不均匀性能够采取适当工艺措施克服之。外延辅助工艺学时课程内容:氯化氢抛光工艺​ 抛光目的​ 氯化氢抛光工艺氯化氢抛光方法氯化氢抛光步骤腐蚀反应和腐蚀速率腐蚀反应有关腐蚀速率讨论腐蚀速率与氯化氢气体分压有关腐蚀速率与温度关系不明显在一定温度下应用氯化氢气体分压有最大值限制有关其它抛光工艺外延掺杂工艺掺杂工艺原理外延掺杂是与外延同时进行的掺杂动力学原理外延层中的掺杂浓度掺杂方法液相掺杂气相掺杂课程重点:本节介绍了外延辅助工艺包括外延生长前的对衬底表面常用的氯化氢抛光工艺和为了保证外延层所要求的电性能而进行的外延掺杂工艺。关于氯化氢抛光工艺主要介绍了对衬底表面进行抛光处理的必要性以及抛光达到的目的重点讨论了工艺其中涉及了氯化氢抛光的方法和氯化氢抛光的工艺步骤对氯化氢抛光的腐蚀反应和腐蚀速率进行了较详细的分析最后对氯化氢抛光的腐蚀速率与各种因素的关系进行了讨论还强调指出氯化氢抛光工艺是一种气相化学抛光除了氯化氢气氛外其它如溴化氢、碘化氢、三氯乙烯、六氟化硫及溴气等也可以作为抛光气氛这就形成了其它抛光工艺。关于外延掺杂工艺首先介绍了半导体集成电路制造对外延层的电性要求介绍了外延掺杂原理重点讨论了外延层中的掺杂浓度讨论中首先建立了掺杂模型根据对模型的分析得到了与反应剂气体分压和掺杂剂气体分压有关的掺杂浓度表达式介绍了液相掺杂和气相掺杂两种掺杂方法并指出了它们各自的控制掺杂手段。课程难点:氯化氢抛光工艺中通过抛光是如何可以达到高洁净的、无损伤的、新鲜的待生长表面的氯化氢抛光步骤中各步的工艺控制条件化学气相抛光的温度控制特点抛光腐蚀速率表达式用外延生长速率表达式表达时式中各因子的含义发生了什么变化腐蚀速率在低蚀率和高蚀率时的极限分析及在中等蚀率时的表达式分析实际工艺中氯化氢气体分压的选择。在外延掺杂工艺中注意其掺杂原理与一般的合金掺杂和扩散掺杂有不同处杂质是在外延过程中加入到外延层晶格点阵上的由于掺杂与外延同时进行则掺杂动力学原理与外延动力学原理极其相似只不过杂质在加入到外延层晶格点阵上后有一个离化的事实外延掺杂模型的建立和分析注意单位时间内由于掺杂而导致的掺杂剂粒子流密度的消耗既与外延层中的掺杂浓度有关、又与外延生长速率有关有关液相掺杂和气相掺杂两种掺杂方法的对比、各自对掺杂浓度工艺控制等。基本要求:了解由抛光工艺和外延掺杂工艺构成的外延辅助工艺。对氯化氢抛光工艺要求清楚的知道采用抛光工艺的目的氯化氢抛光工艺的工艺方法掌握氯化氢抛光的工艺步骤知道氯化氢抛光工艺与外延工艺是在一个反应系统中、并且氯化氢抛光工艺与外延生长工艺可连续不间断进行了解氯化氢抛光是化学气相抛光掌握其腐蚀反应控制条件应知道氯化氢抛光工艺中的化学反应实际上是外延生长反应的逆反应因此抛光腐蚀速率表达式可用外延生长速率表达式描述但应清楚同一个式子表达的意思是完全不同的了解在低蚀率和高蚀率时的极限条件下抛光腐蚀速率与氯化氢气体分压的不同关系应掌握实际氯化氢抛光工艺的氯化氢气体分压的选择。对于外延掺杂工艺应知道半导体集成电路制造对外延层的电性要求即具有准确的导电类型、具有精确的电阻率知道如何选择外延掺杂的掺杂剂清楚外延掺杂原理从动力学原理能分析掺杂与外延的相同处和不同处能建立起外延掺杂模型并对该模型进行正确的分析讨论从而得到外延掺杂浓度表达式能清楚的知道液相掺杂和气相掺杂两种掺杂方法各自的特点当使用它们掺杂时各自对掺杂浓度的工艺控制。外延层质量参数及检测简介学时课程内容:外延层质量参数外延层电阻率ρepi外延层的杂质浓度分布外延层厚度少数载流子寿命外延层中的缺陷表面缺陷体内缺陷外延层质量参数的检验ρepi的检验三探针法测ρepi对(外延层衬底)导电类型相同者四探针法测ρepi对(外延层衬底)导电类型相异者用电容电压法测外延层中的杂质浓度分布外延层厚度检验可用的方法用层错法测量外延层厚度外延层中的缺陷检验采用显微观测法检验表面缺陷采用先化学腐蚀、后显微观测法检验体内缺陷课程重点:本节简单介绍了外延层质量参数及外延层质量参数的检验。关于外延层质量参数介绍了外延层电阻率、外延层中的杂质浓度分布、外延层厚度、外延层中的少数载流子寿命、外延层中的缺陷五类关于外延层质量参数的检验给出了除少数载流子寿命检验之外的四类、八种检测方法。课程难点:注意外延层电阻率ρepi以及与外延层中掺入杂质总量的关系在何条件下可认为与杂质浓度有关注意外延层中的杂质浓度分布以及理想时其分布应为常量分布而实际上在两个界面附近应为变化分布的特点注意外延层厚度以及厚度的选择决定于制造不同晶体管和集成电路外延层厚度的要求注意外延层中少数载流子寿命以及它与外延层中非需要杂质含量的关系注意外延层中的缺陷、以及缺陷的类型特别是体内缺陷(结构缺陷)位错和层错的特点。关于各类质量参数的测量方法以及它们的专一性和对应性。基本要求:要求熟知外延层的质量参数包括外延层电阻率ρepi以及与外延层中掺入杂质总量的关系在认为外延层中掺杂浓度恒定条件下可认为与掺入杂质浓度有关要求了解外延层中的杂质浓度分布知道一般把界面看作是理想界面时认为外延层中的杂质浓度分布为恒定值而实际上在界面附近由于存在杂质的流入或流出使界面附近的杂质浓度分布不为恒定值要求知道在选择外延层厚度时如何考虑不同的晶体管制造和不同的集成电路制造对这一参数的要求了解外延层中少数载流子寿命以及它与外延层中非需要杂质含量的关系熟知外延层中的缺陷类型知道外延层表面缺陷的种类、知道外延层体内缺陷的种类知道外延层体内缺陷位错和层错各自的生长或生成环境。要求熟知外延层的质量参数的检测要求会使用适当的方法去检验各种外延层的质量参数。有关外延层层错学时课程内容:外延层层错​ 外延层层错的形成模式​ 外延层层错的结构​ 外延层层错的腐蚀形貌外延层层错是面缺陷腐蚀时在缺陷处体现优先腐蚀几点说明层错的腐蚀形貌并非一定是完整图形层错的腐蚀形貌图形可能大小不一不同器件制造对层错密度的要求外延层层错产生的原因及对器件性能的影响外延层层错产生原因衬底的表面质量外延用的气体纯度外延工艺条件控制外延系统的清洁度外延层层错对器件制造及参数的影响杂质沿层错有增强扩散的作用层错处易吸附杂质外延层层错影响器件制造的稳定性和工艺质量的稳定性课程重点:本节介绍了〈〉向硅外延过程中形成的外延层层错指出其形成模式为硅原子按层排列的次序发生错乱而导致的缺陷对所讨论的外延层层错的结构指出是以{}面围成的四面体结构由于外延层层错是面缺陷其晶格键的失配仅发生在所围成的三个面上(四面体内是完美结构、四面体外也是完美结构)而化学腐蚀时在缺陷处导致优先腐蚀则对所讨论的外延层层错的表面腐蚀形貌为三条槽沟围城的正三角形对外延层层错的表面腐蚀形貌作了两点说明其一是由于外延生长时生长速率可能不均匀而导致某些层错面被淹没则腐蚀后的外延层层错的表面图形形貌可能有不完整的其二是外延层层错不一定都起始于衬底表面则腐蚀后的外延层层错的表面图形可能大小不一但起始于衬底表面的外延层层错的表面图形最大(如上一节介绍利用该图形进行外延层厚度的测量)给出了分离器件制造和集成电路制造对层错密度的要求。本节介绍了外延层层错产生的原因及外延层层错的存在对器件性能的影响指出凡是能产生一个错排原子的因素都是外延层层错产生的原因诸如衬底表面的质量不合格、外延用的气体纯度不合格、外延时工艺条件控制出现失当以及外延系统的清洁度达不到器件生产要求等都将导致外延层的层错产生对于外延层层错的存在对器件性能的影响指出由于杂质沿层错有增强扩散的作用对外延层层错穿过结的情况将导致结的伏安特性曲线变软、导致浅结器件的集电区与发射区的穿通指出由于层错处易吸附杂质的作用而导致电阻率的局部降落还指出由于外延层层错存在的随机性将导致影响器件制造的稳定性和工艺质量的稳定性。课程难点:〈〉向硅外延过程中形成的外延层层错其形成模式与硅原子按层排列的次序发生错乱的关系所讨论的外延层层错的结构与以{}面围成的四面体结构有如何的对应关系外延层层错的表面形貌与化学腐蚀时在外延层层错面的缺陷处导致优先腐蚀的对应关系为什么外延生长时的生长速率的不均匀可导致某些层错面被淹没而使外延层层错的表面图形形貌出现不完整的图形形貌这些不完整的外延层层错的图形形貌也是层错为什么外延层层错不一定都起始于衬底表面可导致腐蚀后的外延层层错的表面图形出现大小不一的状况如何理解起始于衬底表面的外延层层错的表面图形最大这一事实为什么分离器件制造和集成电路制造对层错密度的要求不同。关于外延层层错产生的原因及外延层

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