【正文】 銻擴散埋層 隔離 P 型硅襯底 (SiO2) P P N 型 P 型 N型 N型 P 型 N 型 隔離 銻擴散埋層 隔離 P 型 硅襯底 17 發(fā)射區(qū)擴散 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程如下 : 埋層氧化； 埋層光刻；埋層擴散；腐蝕埋氧層；汽相拋光；外延生長；隔離氧化； 隔離光刻；隔離擴散；腐蝕隔離氧化層；基區(qū)氧化；基區(qū)光刻；基區(qū)擴散；發(fā)射區(qū)光刻；發(fā)射區(qū)擴散；四次氧化諸項工序。當(dāng)然，這里所講的并非簡單意義上的掩蔽或阻擋。它相對于本征型氧化硅結(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？這是因為，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，將此行為簡單地描述為阻擋是不恰當(dāng)?shù)?，有人將此稱之為屏蔽，更是錯誤的。通過以上的敘述，我們較為簡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)膜的熱生長過程 經(jīng)實驗與分析證明：處在高溫、氧化氣氛中的硅基片氧化過程是這樣的：氧化劑首先與硅原子反應(yīng)生成初始氧化層，氧化劑擴散通過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)需要掌握的重點如下： 1． 實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）。掌握二步擴散法的基本工藝原理及二步擴散法的數(shù)學(xué)描述。 用擴散系數(shù) D 來表征特定元素這種行為的強度： D =D0EXP[Ea/TK] 21 Ea為雜質(zhì)元素的激活能； T 為當(dāng)前的擴散絕對溫度值； D0為認為溫度無窮大條件下的 D 表觀值。 讓我們繼續(xù)討論，過了時間 dt 之后，雜質(zhì)移動了 dx 的距離通過平行于擴散表面的平面 2。在濃度梯度的作用下，將引起某位置點雜質(zhì)的積累或丟失。首先對常規(guī)兩步熱擴散法進行定性的描述： 22XNDNt ????? 22 第一步：恒定表面源擴散（余誤差分布） 在一定的、盡可能低的擴 散溫度和規(guī)定的擴散時間下，被擴散的硅芯片始終處于摻雜雜質(zhì)源的飽和氣氛之中。又因為擴散雜質(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散。當(dāng)然，隨著雜 質(zhì)向體內(nèi)縱深處的擴散，雜質(zhì)的表面濃度也將由原預(yù)淀積時的固溶度值開始下降。 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，擴散時間 t內(nèi)） =O 初始條件：第二步擴散的開始時刻，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”工藝的主流方式是汽相外延生長方式。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)晶和外延生長過程中的“摻雜”行為。 2 硅汽相外延生長工藝概述 當(dāng)襯底與外延層為同種材料時，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)電阻對器件集電區(qū)體電阻率要求之間的矛盾。隨后而來的硅原子在放出潛能的同時以晶核為基點沿著特定的某一取向繼續(xù)嫁接到格點上。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 對汽相外延生長過程 中發(fā)生在待生長硅襯底基片（自然，待生長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)（對硅外延生長來講，即為處于游離狀態(tài)的硅原子）的運動與輸運、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)的視角來切入對外延生長過程中襯底基片表面反應(yīng)生成物粒子輸運狀態(tài)的研究，正是速度附面層的存在和質(zhì)量附面層的存在對外延生長過程中反應(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） 離子注入摻雜的過程是一個非平衡過程，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 以使用電場來加速離子流（實質(zhì)上就是雜質(zhì)流），并基于電場環(huán)境來全方位地調(diào)控離子束流。同時，采用對稱的高斯分布來近似體內(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： 2 學(xué)時 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 、 氧化 、 擴散 、 光刻 、 制版 等主要工序手段組成。 28 5．采。 4． 常規(guī)平面工藝擴散工序中的恒定表面源擴散過程中，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“兩個相聯(lián)的半高斯分布”數(shù)學(xué)模型來近似描述離子注 入摻雜的體內(nèi)分布行為。實驗證實，這種碰撞行為為彈性碰撞行為，彈性碰撞的特點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： 2 學(xué)時 1關(guān)于離子注入摻雜技術(shù)的特點 與高溫?zé)釘U散摻雜方式相比較： （ 1） 注入的雜質(zhì)離子是通過磁性質(zhì)量分析器選取出來的，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 汽相外延生長反應(yīng)器中的流體動量模型 在石墨加熱基座上方不遠的一定距離之內(nèi)，存在著氣體流速受到極大擾動的流體區(qū)域，這就是我們上面所提到的速度附面層。當(dāng)然，在理想的生長條件下，就其宏觀而言不會影響瞬間表面的結(jié)晶。 22XNDNt ????? 24 3 典型的硅汽相外延生長系統(tǒng)簡介 常規(guī)硅汽相外延生長水平（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 硅汽相外延生長的結(jié)晶學(xué)與熱力學(xué)描述 晶體生長研究學(xué)者們基于此提出了對硅氣相外延生長的結(jié)晶過程和熱力學(xué)過程的描 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表面的硅進行鍵合的時候，硅的金剛石倒立四面體的結(jié)構(gòu)方式告訴我們，僅一個硅原子是穩(wěn)定不下來的，必須有至少三個以上的硅原子方可構(gòu)成一個最小單位的原子嫁接體。通過以后的學(xué)習(xí)，我們可以知道，以外延生長方式和熱擴散方式形成 PN 結(jié)的本質(zhì)區(qū)別在于，“外延結(jié)”并不是通過雜質(zhì)的補償作用形成的，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低濃度的外延層，又可以在低濃度的 襯底上生長高濃度的外延層。）和慘雜的不均勻性（主要是外延生長過程中所存在的“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，第二步擴散模式常稱為有限表面源擴散（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^程（當(dāng)然不同與單純的表面氧化）。解決要達到預(yù)期的指定深度所需淀積的雜質(zhì)總量（用 Q 來表示）。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）來表示。 對應(yīng)于不同的初始條件、邊界條件，將會對擴散的動態(tài)變化有不同的描述，則會得到不同的擴散方程的解。 我們再來討論通過兩平面的 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)熱擴散一維行為的著名表達式： 費克第一定律 費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)動下，將產(chǎn)生擴散運動。 ? 該部分教學(xué)內(nèi)容的要點： 掌握二步擴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散通過初始氧化層至氧化硅與硅的界面處并繼續(xù) 與硅反應(yīng)的整個過程可知，完成這個過程必須經(jīng)過以下三個連續(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)膜中的熱運動行為 ，在此不作詳細的討論。當(dāng)然，這是有條件（在一定的溫度條件下和一定的時間條件內(nèi) ）的。也正是由于這一點，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。見下圖所示： 上圖中， ●為硅原子；○為橋聯(lián)氧原子；☉