超大规模集成电路技术基础78.ppt

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1、7.2.2 退火退火（1）基本概念）基本概念 将半导体材料置于高温下一段时间，利用热能，将半导体材料置于高温下一段时间，利用热能，可使材料可使材料内的原子进行晶格位置重排以降低材料中缺陷，内的原子进行晶格位置重排以降低材料中缺陷，激活注入粒激活注入粒子或载流子以恢复迁移率等材料的电学参数。子或载流子以恢复迁移率等材料的电学参数。：将退火材料置于热炉管内，通过长时间高温退火来消除：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。材料损伤和激活电参数。（RTA）：使用各种能源并在极短时间内可完成的退）：使用各种能源并在极短时间内可完成的退 火工艺。火工艺。Ts 在常规退火的

2、热炉管中退火在常规退火的热炉管中退火后后的注入离子被激活的的注入离子被激活的温度。温度。（2）硼和磷的常规退火）硼和磷的常规退火图图7-9 硅衬底内硼离子注入退火分布硅衬底内硼离子注入退火分布图图7-10 硅衬底中离子注入的硅衬底中离子注入的Ts-S关系关系由于固相外延使大剂量由于固相外延使大剂量注入形成的非晶态表面注入形成的非晶态表面层在较低层在较低Ts即可全部再即可全部再结晶而激活结晶而激活（3）快速热退火及其装置）快速热退火及其装置图图7-11 常规与快速退火杂质分布比较常规与快速退火杂质分布比较图图7-12 RAT装置装置非相干宽带光源：非相干宽带光源：钨丝灯和弧光灯钨丝灯和弧光灯7.

3、3 与离子注入有关的工艺与离子注入有关的工艺7.3.1 多次注入和掩膜多次注入和掩膜（1）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。杂质分布方法。图图7-13 多次注入的叠加杂质分布多次注入的叠加杂质分布（2）掩膜）掩膜d:作为掩膜的硅化物，氮化物和光刻胶等材料层的厚度。作为掩膜的硅化物，氮化物和光刻胶等材料层的厚度。T：透过厚度透过厚度d 掩膜层的掩膜层的离子注入量离子注入量 和和总注入量总注入量S之比。之比。，（，（7-9）n T 和和d 之间的关系之间的关系【注】【注】由于由于 ，可得，可得 图图7-

4、14 T 为为 （掩膜效率为（掩膜效率为99.99%）时）时d-E关系关系注入衬底硅注入衬底硅注入衬底砷化镓注入衬底砷化镓 ：光刻胶：光刻胶：dSdSTS2SiO34Si N410exp()22PddPPxRSSdx1()22PPdRTercf7.3.2 ：减弱注入离子有效能量：减弱注入离子有效能量图图7-15 倾角离子注入：形成浅结分布倾角离子注入：形成浅结分布产生串联电阻产生串联电阻7.3.3 高能注入和大束流注入高能注入和大束流注入（1）（）无需高温下长时间扩散的深层（无需高温下长时间扩散的深层（级）掺杂级）掺杂 制备低阻埋层制备低阻埋层（2）（）扩散技术中的预沉积扩散技术中的预沉积 M

5、OS器件阈值电压的精确调节器件阈值电压的精确调节 图图7-16 阈值电压调节阈值电压调节1.5 5MeVMeVm10 20mAmA（3）（SIMOX）与）与（SOI）（注入能量：（注入能量：）图图7-17 SIMOX技术技术图图7-18 SOI 工艺工艺150 200keV 第第 8 章章 薄膜淀积薄膜淀积：热氧化膜、外延膜、电介质膜、多晶硅膜、金属膜。：热氧化膜、外延膜、电介质膜、多晶硅膜、金属膜。：在单晶半导体衬底上生长另一层单晶半导体膜层。：在单晶半导体衬底上生长另一层单晶半导体膜层。：外延层和衬底材料相同（例：外延层和衬底材料相同（例：）：外延层和衬底材料不相同（例：外延层和衬底材料不

6、相同（例：）：等绝缘材料、掩模材料、钝化材料。等绝缘材料、掩模材料、钝化材料。：栅电极材料、导电材料、接触材料。：栅电极材料、导电材料、接触材料。：低阻互连及接触材料。：低阻互连及接触材料。GaAsnSi234/SiOSi NnSi1xxAl GaAs8.1 外延生长工艺外延生长工艺：在远低于熔点温度下生长：在远低于熔点温度下生长：在不低于熔点温度下生长：在不低于熔点温度下生长8.1.1 化学气相沉积化学气相沉积CVD（气相外延（气相外延 VPE）：通过气态化合物之间化学反应形成外延层：通过气态化合物之间化学反应形成外延层：图图8-1 三种三种VPE装置装置1.硅硅CVD（1）反应原理（反应物

7、：）反应原理（反应物：,）可逆反应：可逆反应：竞争反应：竞争反应：图图8-2 浓度对外延影响浓度对外延影响多晶多晶单晶单晶4SiCl22SiH Cl3SiHCl4SiH042120024CSiClHSiHCl 422SiClSiSiCl4SiCl 分子数摩尔分数气体总分子数（2）：杂质在硅表面吸附、分解并运动到生长边缘而掺入生：杂质在硅表面吸附、分解并运动到生长边缘而掺入生 长层。长层。P型掺杂剂型掺杂剂 ；N型掺杂剂型掺杂剂 和和 稀释剂稀释剂 （与掺杂剂混合以控制混合气体流量）（与掺杂剂混合以控制混合气体流量）图图8-3 硅外延生长过程硅外延生长过程 图图8-4 掺杂外延生长过程掺杂外延生

8、长过程3PH26B H2H3AsH2.砷化镓砷化镓CVD（携带气体（携带气体 ）：3.金属有机化合物金属有机化合物 CVD（MOCVD）（1）反应原理）反应原理P 型掺杂剂型掺杂剂 ：；N 型掺杂剂型掺杂剂 携带气体携带气体 （M原子易在原子易在 中析出并向薄膜生长表面输送）中析出并向薄膜生长表面输送）34246AsHAsH 2H326223HClGaGaClH oo65043285046412CCAsGaClHGaAsHCloo6003 334800()3CCGa CHAsHGaAsCH 3 3()Zn CHTMGaDEZn二乙基锌2H SeAs过压：防止过压：防止GaAs热分解热分解2H2

9、H三甲基镓：三甲基镓：（2）MOCVD装置装置图图8-5 MOCVD反应器反应器1xxAl GaAs25 3()Al C H三甲基铝三甲基铝 ：形成形成 外延层外延层 8.1.2 分子束外延（分子束外延（MBE）（1）MBE工艺工艺 在在 T超高真空条件下，由一种或几种加热原子（或分子）束，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（温度在衬底表面（温度 ）进行反应生长外延层（生长速率）进行反应生长外延层（生长速率 ）工艺。）工艺。（2）MBE装置装置图图8-6 MBE系统系统离子溅射离子溅射氮化硼氮化硼挡板挡板可旋转衬底支架可旋转衬底支架o400 900 C8100.001

10、 0.3/minm（3）晶面清洁）晶面清洁 ：分解氧化层并使其他吸附物蒸发：分解氧化层并使其他吸附物蒸发 ：低能惰性气体离子束表面测射处理及退火：低能惰性气体离子束表面测射处理及退火（4）与与 单位时间，单位面积上碰撞的分子数称为单位时间，单位面积上碰撞的分子数称为。即：。即：式中式中P和和T分别是真空压强和温度，分别是真空压强和温度，m为分子质量。而平均自由程为：为分子质量。而平均自由程为：这里这里d为分子直径。为分子直径。*1/2(2)SNPmkTt22kTPd8.2 外延层结构和缺陷外延层结构和缺陷 8.2.1 晶格匹配和应变层外延晶格匹配和应变层外延（1）外延层结构）外延层结构 ：晶格

11、匹配外延（：晶格匹配外延（，减小衬底串联电阻），减小衬底串联电阻）：晶格匹配外延（：晶格匹配外延（，差异小于，差异小于0.13%）应变层外延（应变层外延（，弹性晶格），弹性晶格）无应变外延（刚性晶格无应变外延（刚性晶格 失配造成失配造成）nSinSiGaAs1xxAl GaAsGaAs1 xxGaIn As图图8-7 异质外延层结构异质外延层结构失配层：刃型位错失配层：刃型位错（2）应变层外延）应变层外延 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。一临界厚度时，刃型位错将在应变层中形成，以释放应变能。图图8-8 临界层厚度临界层厚度 （SLS）：由不同材料以：由不同材料以10nm厚度构成厚度构成 的人造一维周期性结构。的人造一维周期性结构。：以超晶格结构形成失配：以超晶格结构形成失配 层，消除位错获得高质量单晶材料。层，消除位错获得高质量单晶材料。8.2.2 外延层中的缺陷外延层中的缺陷（1）衬底缺陷）衬底缺陷（2）界面缺陷）界面缺陷（3）沉淀物位错环（过饱和掺杂）沉淀物位错环（过饱和掺杂）（4）晶界和孪晶（失序区域界面）晶界和孪晶（失序区域界面）（5）刃型位错）刃型位错 图图8-9 由由SLS形成失配层形成失配层