半导体物理与器件 教学课件 作者 裴素华 第5章 半导体器件.ppt

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1、第五章半导体器件制备技术5.1晶体生长和外延5.1.1晶体基本生长技术Si的制备过程一般为:SiC（固体）+SiO2（固体）→Si（固体）+SiO（气体）+CO（气体）Si（固体）+3HCl（气体）→SiHCl3（气体）+H2（气体）SiHCl3（气体）+H2（气体）→Si（固体）+3HCl（气体）柴可拉斯基式拉晶仪的简示图5.1.2晶体外延生长技术外延是一种采取化学反应法进行晶体生长的另一种技术。在一定条件下，以衬底晶片作为晶体籽晶，让原子（如硅原子）有规则地排列在单晶衬底上，形成一层具有一定导电类型、电

2、阻率、厚度及完整晶格结构的单晶层，由于这个新的单晶层是在原来衬底晶面向外延伸的结果，所以称其为外延生长，这个新生长的单晶层叫外延层。最常见的外延生长技术为化学气相淀积（CVD）和分子束外延生长（MBE）。外延生长的基本原理氢还原四氯化硅外延生长原理示意图硅的CVD外延化学气相淀积是指通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程。APCVD反应器的结构示意图LPCVD反应器的结构示意图平板型PECVD反应器的结构示意图分子束外延分子束外延（MBE）是在超高真空条件下一个或多个热原子或热分子束蒸发到衬底

3、表面上形成外延层的方法。砷化镓相关的Ⅲ-Ⅴ族化合物的MBE系统示意图5.2硅的热氧化5.2.1SiO2的结构、性质与作用SiO2的结构和物理性质二氧化硅从结构上可分为结晶型和非结晶型二氧化硅两种SiO2网络结构示意图（a）SiO2的基本结构单元（b）结晶型SiO2（c）无定型SiO2SiO2的化学性质室温下二氧化硅只与氢氟酸反应SiO2+6HF→H2（SiF6）+2H2OSiO2的作用5.2.2硅热氧化形成SiO2的机理对硅半导体器件而言，大部分的SiO2层都是用热氧化方法生长的，常用的热氧化方法有三种：干

4、氧、湿氧和水汽氧化。Si在氧气或水汽的环境下，进行热氧化的化学反应式为：Si（固体）+O2（气体）→SiO2（固体）Si（固体）+2H2O（气体）→SiO2（固体）+2H2（气体）SiO2生长过程示意图5.2.3SiO2的制备方法干氧氧化干氧氧化是指在1000℃以上的高温下，直接通入氧气进行氧化的方法。水汽氧化水汽氧化指的是在高温下，硅片与高温水蒸气发生反应生成SiO2的方法。湿氧氧化湿氧氧化一般是指氧化携带95℃左右的水气与硅片一起发生反应生成SiO2的方法。冷水自然滴法氧化与上述常规湿氧氧化的唯一不同的

5、地方是，是氧气携带着室温下的冷水一起进入石英管道。氢氧合成氧化该方法是指在常压下，将高纯氢气和氧气通入氧化炉内，使之在一定温度下燃烧生成水，水在高温下汽化，然后水汽与硅反应生成SiO2。干湿干方法氧化炉装置示意图冷水自然滴法氧化装置示意图5.2.4SiO2质量的宏观检验为了确认SiO2的质量，可采用宏观方法进行检验。其一，检查SiO2层的表面状态，其二是用比色法判定其厚度。SiO2层的宏观缺陷是指眼睛可以直接看得到的缺陷：如氧化层厚度是否均匀、表面有无斑点、氧化层是否存有针孔等5.3光刻与刻蚀技术5.3.1

6、光刻过程简介光刻所需要的三要素为：光刻胶、掩膜版和光刻机。常规的光刻过程主要包括：涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、腐蚀和去胶。首先将光刻胶利用高速旋转的方法涂敷在硅片上，然后前烘使其牢固地附着在硅片上成为一层固态薄膜。利用光刻机曝光之后，再采用特定的溶剂进行显影，使其部分区域的光刻胶被溶解掉，这样便将掩膜版上的图形转移到光刻胶上，然后再经过后烘以及刻蚀、离子注入等工序，将光刻胶的图形转移到硅片上，最后再去胶就完成了整个光刻过程。光刻工艺流程示意图5.3.2新一代图形曝光技术甚远紫外线曝光甚远紫外线曝光系统装置

7、简图X射线曝光（XRL）X射线曝光原理简图电子束曝光电子束曝光是利用聚焦后的电子束在感光膜上准确地扫描出图案的方法。离子束曝光5.3.3刻蚀技术湿法化学腐蚀湿法腐蚀是指利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法。干法刻蚀干法刻蚀是指利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基（处于激发态的分子、原子及各种原子基团等）与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。5.4半导体中的杂质掺杂杂质掺杂是将可控数量的杂质掺入半导体内，以达到改变半导体电学特性，形成PN结、电阻、欧姆接触等各种结构之目的。

8、扩散和离子注入是半导体掺杂的两种主要方式。扩散与离子注入方法掺杂示意图（a）扩散（b）离子注入5.4.1杂质扩散机理与方法1．扩散机理2．两种表面源的扩散分布（1）恒定表面源扩散（2）限定源扩散3．恒定表面源扩散方法（1）固态源扩散（2）液态源扩散4．扩散结果的测量（1）薄层电阻的测量（2）结深的估算和测量（3）扩散分布测量5.4.2离子注入原理与系统离子注入机系统离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底的