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1、黄君凯 教授,超大规模集成电路技术基础（7-8）,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,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,图7-9 硅衬底内硼离子注入退火
2、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,黄君凯 教授,超大规模集成电路技术基础（7-8）,（3）快速热退火及其装置,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,黄君凯 教授,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。,图7-13 多次注入的叠加杂质分布,黄君凯 教授,超大规模集成电路技术基础（7-8）,（2）掩膜 掩膜层厚
3、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,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：- 。-,黄君凯 教授,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,图7-15 倾角离子注入：形成浅结分布,产生串联电阻,黄君凯 教授,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
4、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,图7-16 阈值电压调节,黄君凯 教授,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： ）,图7-17 SIMOX技术,图7-18 SOI 工艺,黄君凯 教授,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。
5、 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,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：,图8-1 三种VPE装置,黄君凯 教授,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：,图8-2 浓度对外延影响,多晶,单晶,黄君凯 教授,超大规模集成电路技术基础（7-8）,（2）掺杂外延：杂质在
6、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）,图8-3 硅外延生长过程,图8-4 掺杂外延生长过程,黄君凯 教授,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）,As过压：防止GaAs热分解,三甲基镓：,黄君凯 教授,超大规模集成电路技术基础（7-8）,（2）MOCVD装置,图8-5 MOCVD反应器,三甲基铝
7、： 形成 外延层,黄君凯 教授,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,图8-6 MBE系统,离子溅射,氮化硼,挡板,可旋转衬底支架,黄君凯 教授,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
8、。而平均自由程为： 这里d为分子直径。,黄君凯 教授,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）,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,黄君凯 教授,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。,图8-8 临界层厚度,黄君凯 教授,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,图8-9 由SLS形成失配层,