第5章 半導(dǎo)體器件器件制備技術(shù)-1

1微電子學(xué)基礎(chǔ)理論第五章半導(dǎo)體器件制備技術(shù)信息工程學(xué)院姜梅5.1晶體生長和外延

5.1.1晶體基本生長技術(shù)

Si的制備過程一般為:SiC（固體）+SiO2（固體）→Si（固體）+SiO（氣體）+CO（氣體）

Si（固體）+3HCl（氣體）→SiHCl3（氣體）+H2（氣體）SiHCl3（氣體）+H2（氣體）→Si（固體）+3HCl（氣體）柴可拉斯基式拉晶儀的簡示圖5.1.2晶體外延生長技術(shù)

外延是一種采取化學(xué)反應(yīng)法進(jìn)行晶體生長的另一種技術(shù)。在一定條件下，以襯底晶片作為晶體籽晶，讓原子（如硅原子）有規(guī)則地排列在單晶襯底上，形成一層具有一定導(dǎo)電類型、電阻率、厚度及完整晶格結(jié)構(gòu)的單晶層，由于這個(gè)新的單晶層是在原來襯底晶面向外延伸的結(jié)果，所以稱其為外延生長，這個(gè)新生長的單晶層叫外延層。最常見的外延生長技術(shù)為化學(xué)氣相淀積（CVD）和分子束外延生長（MBE）。外延生長的基本原理氫還原四氯化硅外延生長原理示意圖硅的CVD外延

化學(xué)氣相淀積是指通過氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在襯底上淀積一層薄膜材料的過程。APCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖LPCVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖平板型PECVD反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖分子束外延 分子束外延（MBE）是在超高真空條件下一個(gè)或多個(gè)熱原子或熱分子束蒸發(fā)到襯底表面上形成外延層的方法。砷化鎵相關(guān)的Ⅲ-Ⅴ族化合物的MBE系統(tǒng)示意圖5.2硅的熱氧化

5.2.1SiO2的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與作用SiO2的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)二氧化硅從結(jié)構(gòu)上可分為結(jié)晶型和非結(jié)晶型二氧化硅兩種SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖（a）SiO2的基本結(jié)構(gòu)單元（b）結(jié)晶型SiO2

（c）無定型SiO2SiO2的化學(xué)性質(zhì)室溫下二氧化硅只與氫氟酸反應(yīng)SiO2+6HF→H2（SiF6）+2H2OSiO2的作用5.2.2硅熱氧化形成SiO2的機(jī)理對硅半導(dǎo)體器件而言，大部分的SiO2層都是用熱氧化方法生長的，常用的熱氧化方法有三種：干氧、濕氧和水汽氧化。Si在氧氣或水汽的環(huán)境下，進(jìn)行熱氧化的化學(xué)反應(yīng)式為：Si（固體）+O2（氣體）→SiO2（固體）Si（固體）+2H2O（氣體）→SiO2（固體）+2H2（氣體）SiO2生長過程示意圖5.2.3SiO2的制備方法干氧氧化 干氧氧化是指在1000℃以上的高溫下，直接通入氧氣進(jìn)行氧化的方法。水汽氧化 水汽氧化指的是在高溫下，硅片與高溫水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成SiO2的方法。濕氧氧化 濕氧氧化一般是指氧化攜帶95℃左右的水氣與硅片一起發(fā)生反應(yīng)生成SiO2的方法。冷水自然滴法氧化 與上述常規(guī)濕氧氧化的唯一不同的地方是，是氧氣攜帶著室溫下的冷水一起進(jìn)入石英管道。氫氧合成氧化 該方法是指在常壓下，將高純氫氣和氧氣通入氧化爐內(nèi)，使之在一定溫度下燃燒生成水，水在高溫下汽化，然后水汽與硅反應(yīng)生成SiO2。干濕干方法氧化爐裝置示意圖冷水自然滴法氧化裝置示意圖5.2.4SiO2質(zhì)量的宏觀檢驗(yàn)

為了確認(rèn)SiO2的質(zhì)量，可采用宏觀方法進(jìn)行檢驗(yàn)。其一，檢查SiO2層的表面狀態(tài)，其二是用比色法判定其厚度。

SiO2層的宏觀缺陷是指眼睛可以直接看得到的缺陷：如氧化層厚度是否均勻、表面有無斑點(diǎn)、氧化層是否存有針孔等5.3光刻與刻蝕技術(shù)

5.3.1光刻過程簡介

光刻所需要的三要素為：光刻膠、掩膜版和光刻機(jī)。常規(guī)的光刻過程主要包括：涂膠、前烘、曝光、顯影、后烘、腐蝕和去膠。首先將光刻膠利用高速旋轉(zhuǎn)的方法涂敷在硅片上，然后前烘使其牢固地附著在硅片上成為一層固態(tài)薄膜。利用光刻機(jī)曝光之后，再采用特定的溶劑進(jìn)行顯影，使其部分區(qū)域的光刻膠被溶解掉，這樣便將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上，然后再經(jīng)過后烘以及刻蝕、離子注入等工序，將光刻膠的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，最后再去膠就完成了整個(gè)光刻過程。光刻工藝流程示意圖5.3.2新一代圖形曝光技術(shù)甚遠(yuǎn)紫外線曝光甚遠(yuǎn)紫外線曝光系統(tǒng)裝置簡圖X射線曝光（XRL）X射線曝光原理簡圖電子束曝光 電子束曝光是利用聚焦后的電子束在感光膜上準(zhǔn)確地掃描出圖案的方法。離子束曝光

5.3.3刻蝕技術(shù)濕法化學(xué)腐蝕 濕法腐蝕是指利用液態(tài)化學(xué)試劑或