【正文】 銻擴(kuò)散埋層 隔離 P 型硅襯底 (SiO2) P P N 型 P 型 N型 N型 P 型 N 型 隔離 銻擴(kuò)散埋層 隔離 P 型 硅襯底 17 發(fā)射區(qū)擴(kuò)散 DIFFUSION FOR EMITTER 表面鈍化 FIRST PASSIVATION ON THE SURFACE 常規(guī)氧化工藝 綜上所述 , 典型的雙極性 (常規(guī)晶體管 )集成電路管芯加工過(guò)程如下 : 埋層氧化； 埋層光刻；埋層擴(kuò)散；腐蝕埋氧層；汽相拋光；外延生長(zhǎng)；隔離氧化； 隔離光刻；隔離擴(kuò)散；腐蝕隔離氧化層；基區(qū)氧化；基區(qū)光刻；基區(qū)擴(kuò)散；發(fā)射區(qū)光刻；發(fā)射區(qū)擴(kuò)散；四次氧化諸項(xiàng)工序。當(dāng)然，這里所講的并非簡(jiǎn)單意義上的掩蔽或阻擋。它相對(duì)于本征型氧化硅結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模式，區(qū)別在于后者不存在圖（ b）所示的含有一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)形成劑元素及網(wǎng)絡(luò)改變劑元素，這說(shuō)明本征型氧化硅結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模式是理想化了的。為什么硼、磷、砷、銻等三、五價(jià)化學(xué)元素在氧化硅介質(zhì)膜中以網(wǎng)絡(luò)形成劑的結(jié)構(gòu)模式存在呢？這是因?yàn)?，這些 ☉ ☉ ○氧原子 ☉ ● ◎ ☉ ◎ ▼ ☉ ◎ ○ ▼ ◎ ○ ◎ ◎ ◎ ○ ● ◎ Si● ○氧原子 ☉ ○ ○ ● ☉ ○ ☉ 氧原子○ ● ◎ ▼ ○ ◎ ◎ ▼ ○氧原子 ☉ ☉ ◎ ☉ （ a）硅氧四面體單元結(jié)構(gòu) （ b）非本征硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 圖示 氧化硅介質(zhì)膜的硅氧四面體及其組合的二維描述 19 雜質(zhì)離子的離子半徑較小且接近于硅的原子半徑，而十分容易取代或填充硅原子的位置以替位的方式結(jié)構(gòu)成四面體網(wǎng)絡(luò)。由此看來(lái)，將此行為簡(jiǎn)單地描述為阻擋是不恰當(dāng)?shù)?，有人將此稱之為屏蔽，更是錯(cuò)誤的。通過(guò)以上的敘述，我們較為簡(jiǎn)要地闡述了氧化硅介質(zhì)膜可明顯地抑制硼、磷、砷、銻等三、五價(jià)化學(xué)元素在其體內(nèi)的熱遷移行為。 3 氧化硅介質(zhì)膜的熱生長(zhǎng)過(guò)程 經(jīng)實(shí)驗(yàn)與分析證明：處在高溫、氧化氣氛中的硅基片氧化過(guò)程是這樣的：氧化劑首先與硅原子反應(yīng)生成初始氧化層，氧化劑擴(kuò)散通過(guò)初始氧化層至氧化硅與硅的界面處并繼續(xù)與硅反應(yīng)。 3． 氧化劑分子到達(dá)初始氧化層與硅的界面處與硅繼續(xù)反應(yīng)。本章節(jié)需要掌握的重點(diǎn)如下： 1． 實(shí)施光刻工藝所涉及的三要素：光刻掩膜版 +光刻膠 +待刻蝕基片 2． 關(guān)于光刻掩膜版： 光刻掩膜版是由光學(xué)玻璃之上覆蓋著與集成電路管芯相對(duì)應(yīng)的黑色或近似黑色的表層遮光膜（鉻膜、乳膠膜或氧化鐵膜）而構(gòu)成的。負(fù)性光刻膠的光化學(xué)特性顯示為：原膠易溶，感光后難溶（光致抗蝕）；正性光刻膠的光化學(xué)特性顯示為：原膠難溶，感光后 易溶（光致不抗蝕）。掌握二步擴(kuò)散法的基本工藝原理及二步擴(kuò)散法的數(shù)學(xué)描述。 用擴(kuò)散系數(shù) D 來(lái)表征特定元素這種行為的強(qiáng)度： D =D0EXP[Ea/TK] 21 Ea為雜質(zhì)元素的激活能； T 為當(dāng)前的擴(kuò)散絕對(duì)溫度值； D0為認(rèn)為溫度無(wú)窮大條件下的 D 表觀值。 讓我們繼續(xù)討論，過(guò)了時(shí)間 dt 之后，雜質(zhì)移動(dòng)了 dx 的距離通過(guò)平行于擴(kuò)散表面的平面 2。在濃度梯度的作用下，將引起某位置點(diǎn)雜質(zhì)的積累或丟失。首先對(duì)常規(guī)兩步熱擴(kuò)散法進(jìn)行定性的描述： 22XNDNt ????? 22 第一步：恒定表面源擴(kuò)散（余誤差分布） 在一定的、盡可能低的擴(kuò) 散溫度和規(guī)定的擴(kuò)散時(shí)間下，被擴(kuò)散的硅芯片始終處于摻雜雜質(zhì)源的飽和氣氛之中。又因?yàn)閿U(kuò)散雜質(zhì)在該狀態(tài)下的分布可以用余誤差函數(shù)很好地近似，故還常稱其為余誤差擴(kuò)散。當(dāng)然，隨著雜 質(zhì)向體內(nèi)縱深處的擴(kuò)散，雜質(zhì)的表面濃度也將由原預(yù)淀積時(shí)的固溶度值開(kāi)始下降。 邊界條件 1： tN?? =0（位于 X=O 處） 邊界條件 2： N（垂直于表面的∞深處，擴(kuò)散時(shí)間 t內(nèi)） =O 初始條件：第二步擴(kuò)散的開(kāi)始時(shí)刻，雜質(zhì)僅僅被包含在極為有限的 OXε（ε 0）區(qū)域內(nèi)，而且已知其總量為 Q。 “外延生長(zhǎng)”工藝的主流方式是汽相外延生長(zhǎng)方式。而在汽相反應(yīng)裝置中，又有著較為復(fù)雜的流體系統(tǒng)影響著晶層表面的結(jié)晶和外延生長(zhǎng)過(guò)程中的“摻雜”行為。 2 硅汽相外延生長(zhǎng)工藝概述 當(dāng)襯底與外延層為同種材料時(shí)，則稱其為同質(zhì)外延?？梢钥吹某觯鳛橐环N基本模式的外延生長(zhǎng)方法，有著極為豐富的內(nèi)在涵義和構(gòu)造晶體結(jié)構(gòu)模式的靈活性。外延生長(zhǎng)技術(shù)還可以用于解決高頻功率器件的集電結(jié)擊穿電壓與集電極串聯(lián)電阻對(duì)器件集電區(qū)體電阻率要求之間的矛盾。隨后而來(lái)的硅原子在放出潛能的同時(shí)以晶核為基點(diǎn)沿著特定的某一取向繼續(xù)嫁接到格點(diǎn)上。研究者發(fā)現(xiàn)，“氣體附面層”的存在， 硅襯底圓片 高頻感應(yīng)線圈 ☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉ 反應(yīng)氣體 反應(yīng)尾氣 ☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉☉ 石墨基座 石英支架 石英反應(yīng)腔 25 對(duì)汽相外延生長(zhǎng)過(guò)程 中發(fā)生在待生長(zhǎng)硅襯底基片（自然，待生長(zhǎng)硅襯底基片是緊緊地依附在石墨加熱基座表面之上的）表面反應(yīng)生成物質(zhì)（對(duì)硅外延生長(zhǎng)來(lái)講，即為處于游離狀態(tài)的硅原子）的運(yùn)動(dòng)與輸運(yùn)、又常稱之為“質(zhì)量轉(zhuǎn)移”影響是相當(dāng)大的。越是靠近石墨加熱基座，流體速度越是緩慢。我們之所以要從流體力學(xué)的視角來(lái)切入對(duì)外延生長(zhǎng)過(guò)程中襯底基片表面反應(yīng)生成物粒子輸運(yùn)狀態(tài)的研究，正是速度附面層的存在和質(zhì)量附面層的存在對(duì)外延生長(zhǎng)過(guò)程中反應(yīng)生成物質(zhì)量轉(zhuǎn)移的影響是極大的。 （ 2） 通常，離子注入摻雜的劑量可以任意調(diào)節(jié)。 （ 5） 離子注入摻雜的過(guò)程是一個(gè)非平衡過(guò)程，它不受某雜質(zhì)在襯底材料中的溶解度的限制。 2 關(guān)于離子注入摻雜技術(shù)的基本原理 原子的離子態(tài)是經(jīng)過(guò)離化之后的分子或原子所處的狀態(tài)，原子的離子態(tài)是帶有電荷的。而在離子注入摻雜的設(shè)備中，電離雜質(zhì)氣氛產(chǎn)生帶電的離子束流，目的是可 以使用電場(chǎng)來(lái)加速離子流（實(shí)質(zhì)上就是雜質(zhì)流），并基于電場(chǎng)環(huán)境來(lái)全方位地調(diào)控離子束流。同時(shí)，采用對(duì)稱的高斯分布來(lái)近似體內(nèi)的注入分布。 (12) 課件原理篇 制版工藝原理教學(xué)內(nèi)容輔導(dǎo)教案 ? 學(xué)習(xí)該部分教學(xué)內(nèi)容的學(xué)時(shí)： 2 學(xué)時(shí) 1 關(guān)于集成電路的掩膜版制備 我們已經(jīng)知道，常規(guī)集成電路制造工藝中，光刻工藝是關(guān)鍵工序之一。 2．常規(guī)的硅集成電路平面制造工藝主要由 外延生長(zhǎng) 、 氧化 、 擴(kuò)散 、 光刻 、 制版 等主要工序手段組成。 28 5．采。 4． 常規(guī)平面工藝擴(kuò)散工序中的恒定表面源擴(kuò)散過(guò)程中，雜質(zhì)在硅體內(nèi)的分布近似 余誤差 函數(shù)分布。 集成電路制造工藝中的光刻掩模版制備工藝是關(guān)系到集成電路的質(zhì)量和集成度的重要工序。還有人提出了“兩個(gè)相聯(lián)的半高斯分布”數(shù)學(xué)模型來(lái)近似描述離子注 入摻雜的體內(nèi)分布行為。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種碰撞行為為彈性碰撞行為，彈性碰撞的特點(diǎn)是伴隨著能量的交換且穩(wěn)定狀態(tài)良好。在微電子工藝裝置中也采用反應(yīng)氣氛的等離子化，用來(lái)降低反應(yīng)溫度。 （ 7） 離子注入摻雜也適合于化合物基片靶的注入摻雜，這是因 為化合物半導(dǎo)體通常是基于兩種或更多種元素定組分定方式構(gòu)成的，遇高溫條件會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)異變。 （ 4） 離子注入摻雜的注入深度是隨離子能量的增加而增加的。 ? 學(xué)習(xí)該部分教學(xué)內(nèi)容的學(xué)時(shí)： 2 學(xué)時(shí) 1關(guān)于離子注入摻雜技術(shù)的特點(diǎn) 與高溫?zé)釘U(kuò)散摻雜方式相比較： （ 1） 注入的雜質(zhì)離子是通過(guò)磁性質(zhì)量分析器選取出來(lái)的，故在元素的屬性和能量選擇等方面具有極高的精度，從而保障了離子源的高純度和轟擊能量的單一穩(wěn)定和能量分布的集中。質(zhì)量附面層的存在是因速度附面層的存在而存在的。 5 汽相外延生長(zhǎng)反應(yīng)器中的流體動(dòng)量模型 在石墨加熱基座上方不遠(yuǎn)的一定距離之內(nèi)，存在著氣體流速受到極大擾動(dòng)的流體區(qū)域，這就是我們上面所提到的速度附面層。當(dāng)然，在理想的生長(zhǎng)條件下，就其宏觀而言不會(huì)影響瞬間表面的結(jié)晶。 22XNDNt ????? 24 3 典型的硅汽相外延生長(zhǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 常規(guī)硅汽相外延生長(zhǎng)水平（臥式）反應(yīng)器 射頻感應(yīng)加熱方式的工藝特征： 使反應(yīng)器腔體壁溫度較低，硅均“擇溫淀積”在硅襯底基片上 4 硅汽相外延生長(zhǎng)的結(jié)晶學(xué)與熱力學(xué)描述 晶體生長(zhǎng)研究學(xué)者們基于此提出了對(duì)硅氣相外延生長(zhǎng)的結(jié)晶過(guò)程和熱力學(xué)過(guò)程的描 述：反應(yīng)生成的處于熱游離狀態(tài)的硅原子在高溫下攜帶著足夠的熱能，在與裸露著的待生長(zhǎng)表面的硅進(jìn)行鍵合的時(shí)候，硅的金剛石倒立四面體的結(jié)構(gòu)方式告訴我們，僅一個(gè)硅原子是穩(wěn)定不下來(lái)的，必須有至少三個(gè)以上的硅原子方可構(gòu)成一個(gè)最小單位的原子嫁接體。通過(guò)以后的學(xué)習(xí)，我們可以知道，以外延生長(zhǎng)方式和熱擴(kuò)散方式形成 PN 結(jié)的本質(zhì)區(qū)別在于，“外延結(jié)”并不是通過(guò)雜質(zhì)的補(bǔ)償作用形成的，因而其耗盡區(qū)兩側(cè)的雜質(zhì)分布接近理想的“突變結(jié)”。 當(dāng)然：既可以在高濃度的襯底上生長(zhǎng)低濃度的外延層，又可以在低濃度的 襯底上生長(zhǎng)高濃度的外延層。）和慘雜的不均勻性（主要是外延生長(zhǎng)過(guò)程中所存在的“自慘雜”效應(yīng)的影響。但是，現(xiàn)在它已經(jīng)作為決定器件或電路的結(jié)構(gòu)模式和電性層之間結(jié)構(gòu)關(guān)系的主要手段了。得到雜質(zhì)在特定條件下的分布狀態(tài)和分布行為。 所以，第二步擴(kuò)散模式常稱為有限表面源擴(kuò)散（因此刻不再向系統(tǒng)內(nèi)提供雜質(zhì)源氣氛）或雜質(zhì)再分布，或?qū)⑵淇醋魇且淮窝趸^(guò)程（當(dāng)然不同與單純的表面氧化）。解決要達(dá)到預(yù)期的指定深度所需淀積的雜質(zhì)總量（用 Q 來(lái)表示）。此刻，硅體表面的最大表面濃度將恒定在當(dāng)前狀態(tài)下的特定雜質(zhì)在體內(nèi)的最大溶解度值 固體溶解度值上（用 NS）來(lái)表示。 對(duì)應(yīng)于不同的初始條件、邊界條件，將會(huì)對(duì)擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)變化有不同的描述，則會(huì)得到不同的擴(kuò)散方程的解。 我們?cè)賮?lái)討論通過(guò)兩平面的 J的變化數(shù)： 應(yīng)是： J（ J+（ dJ / dX ） dX = ( dJ / dX ） dX 將菲克第一定律： J= D（ dN/Dx）帶入上式： 有結(jié)果：22dXNdD （ 2 式） 根據(jù)原子數(shù)守恒定律，若僅考慮一維的描述，（ 1 式）和（ 2 式）是相等的。 J（ X ， t） = D（ dN/Dx） 上式為描述雜質(zhì)熱擴(kuò)散一維行為的著名表達(dá)式： 費(fèi)克第一定律 費(fèi)克第一定律的物理意義： 在溫度梯度和濃度梯度的共同驅(qū)動(dòng)下，將產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。 ? 該部分教學(xué)內(nèi)容的要點(diǎn)： 掌握二步擴(kuò)散法邊界條件及初始條件的描述。 4． 關(guān)于光刻工藝：光刻工藝的內(nèi)在技術(shù)支持包括：光刻掩模版的質(zhì)量和水平、 光致抗蝕劑塗敷設(shè)備、光刻環(huán)節(jié)中所使用的感光設(shè)備以及相關(guān)的各類化學(xué)試劑（與各類化學(xué)試劑的化學(xué)純度密切相關(guān)）。 3． 關(guān)于光刻膠：光刻膠又被稱其為光致抗蝕劑。 ? 對(duì)該部分教學(xué)內(nèi)容的基本要求： 較深刻地把握住光致抗蝕劑在微電子集成電路制造工藝中的應(yīng)用?？疾煅趸瘎┓肿訑U(kuò)散通過(guò)初始氧化層至氧化硅與硅的界面處并繼續(xù) 與硅反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程可知，完成這個(gè)過(guò)程必須經(jīng)過(guò)以下三個(gè)連續(xù)的步驟： 1． 氧化劑分子由汽相內(nèi)部遷移到汽相與氧化介質(zhì)膜界面處。 至于某些網(wǎng)絡(luò)改變劑元素（有的專著中就將網(wǎng)絡(luò)改變劑稱為網(wǎng)絡(luò)改變者）在氧化硅介質(zhì)膜中的熱運(yùn)動(dòng)行為 ，在此不作詳細(xì)的討論。當(dāng)然，這是有條件（在一定的溫度條件下和一定的時(shí)間條件內(nèi) ）的。也正是由于這一點(diǎn)，恰恰成為氧化硅介質(zhì)膜可極為明顯地限制硼、磷、砷、銻等三、五價(jià)化學(xué)元素在氧化硅介質(zhì)膜中的遷移速度。顯然，忽略或不考慮氧化硅介質(zhì)膜中含有以網(wǎng)絡(luò)形 成劑元素及網(wǎng)絡(luò)改變劑元素為代表的各類雜質(zhì)，是不存在的。見(jiàn)下圖所示： 上圖中， ●為硅原子；○為橋聯(lián)氧原子；☉