微納電子材料與工藝2

1、微納電子材料與工藝（2）周航 6硅片粗選7酸洗、堿洗、清洗9抽樣觀察絨面效果10石英舟裝載11擴(kuò)散爐12邊緣刻蝕13石墨舟轉(zhuǎn)載14PECVD鍍減反膜18硅薄膜工藝化學(xué)氣相沉積 (CVD) 根據(jù)氣壓等級(jí)分類 1Torr=133Pa常壓化學(xué)氣相沉積 （APCVD, 760 Torr）次大氣壓化學(xué)氣相沉積 （SACVD, 10760Torr）低壓化學(xué)氣相沉積 （LPCVD, 0.110 Torr)超低壓化學(xué)氣相沉積 （ULPCVD, 0.1 Torr)19化學(xué)氣相沉積 (CVD) 根據(jù)能量供給方式分類熱激活式化學(xué)氣相沉積 （TACVD）等離子體增強(qiáng)CVD （PECVD, RF-,MW-.DC, EC

2、R-PECVD, Remote Plasma, et al)光輔助式化學(xué)氣相沉積 （Photo-assisted CVD)20CVD G21CVD外延生長(zhǎng)的規(guī)律質(zhì)量運(yùn)輸控制區(qū)生長(zhǎng)速率與反應(yīng)氣體的質(zhì)量輸速率成正比；不受晶相影響。表面反應(yīng)控制區(qū)生長(zhǎng)速率與溫度成指數(shù)關(guān)系，且和反應(yīng)物濃度成正比；受表面影響。22外延硅膜外延硅膜是指在襯底上長(zhǎng)出單晶硅膜。主要應(yīng)用在含高濃度摻雜的硅襯底上，如n+，長(zhǎng)一層低濃度摻雜的硅層。常應(yīng)用于CMOS和Bipolar器件中。23非晶硅太陽(yáng)能電池24非晶硅的優(yōu)點(diǎn)1、非晶硅具有較高的光吸收系數(shù)。特別是在0.3-0.75m的可見光波段，它的吸收系數(shù)比單晶硅要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。因

3、而它比單晶硅對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（約1 m厚）就能吸收90%有用的太陽(yáng)能。這是非晶硅材料最重要的特點(diǎn)，也是它能夠成為低價(jià)格太陽(yáng)能電池的最主要因素。2、非晶硅的禁帶寬度比單晶硅大，隨制備條件的不同約在1.5-2.0eV的范圍內(nèi)變化，這樣制成的非晶硅太陽(yáng)能電池的開路電壓高。3、制備非晶硅的工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，淀積溫度低，時(shí)間短，適于大批生產(chǎn)。4、由于非晶硅沒有晶體所要求的周期性原子排列，可以不考慮制備晶體所必須考慮的材料與襯底間的晶格失配問題。因而它幾乎可以淀積在任何襯底上，包括廉價(jià)的玻璃襯底，并且易于實(shí)現(xiàn)大面積化。25非晶態(tài)半導(dǎo)體與晶體材料相比，非晶態(tài)半導(dǎo)體材料的原自

4、在空間排列上失去了長(zhǎng)程有序性。由于受到共價(jià)鍵的約束，在幾個(gè)原子的微小范圍內(nèi)，可以看到與晶體類似的結(jié)構(gòu)特征。長(zhǎng)程無序，短程有序26非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)用來描述非晶硅的結(jié)構(gòu)模型很多，右圖給出了其中的一種，即連續(xù)無規(guī)網(wǎng)絡(luò)模型的示意圖?？梢钥闯?，在任一原子周圍，仍有四個(gè)原子與其鍵合，只是鍵角和鍵長(zhǎng)發(fā)生了變化，因此在較大范圍內(nèi)，非晶硅就不存在原子的周期性。27非晶硅的缺陷在非晶硅材料中，還包含有大量的懸掛鍵、空位等缺陷，因而其有很高的缺陷態(tài)密度，它們提供了電子和空穴復(fù)合的場(chǎng)所，所以，一般說，非晶硅是不適于做電子器件的。28Anderson晶格勢(shì)井的深度和分布區(qū)域不規(guī)則29非晶硅的能帶晶體非晶體30非晶硅的遷移率

5、邊緣當(dāng)電子態(tài)密度增加到一定數(shù)量的時(shí)候，局域態(tài)會(huì)質(zhì)變成擴(kuò)展態(tài)，電子便能自由的在非晶硅里遷移，電子遷移率陡增。311975 年，Spear通過輝光放電技術(shù)分解硅烷，得到的非晶硅薄膜中含有一定量的氫，使得許多懸掛鍵被氫化，大大降低了材料的缺陷態(tài)密度，并且成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)非晶硅材料的p型和n型摻雜。32反應(yīng)腔內(nèi)抽上真空，充入氫氣或氬氣稀釋的硅烷氣體，直流或高頻電源用電容或電感耦合的方式加在反應(yīng)腔內(nèi)的電極上，腔內(nèi)氣體在電源作用下電離分解，形成輝光的等離子體。非晶硅薄膜就淀積在加熱的襯底上，一般襯底溫度在250-500度之間。若在反應(yīng)氣體中加入適當(dāng)比例的PH3或B2H6氣體，便可以得到n型或p型的摻雜非晶硅

6、薄膜。34相圖35非晶硅的能帶非晶硅有帶尾遷移率陡變的帶邊禁帶寬度可調(diào)節(jié)36非晶硅的光學(xué)特性37非晶硅的吸光系數(shù)本征帶尾次帶38吸光系數(shù)與光學(xué)帶隙Tauc規(guī)律39光學(xué)帶隙與氫含量Si-H鍵能大于Si-S40非晶硅的電學(xué)特性41本征非晶硅為弱n型 電導(dǎo)率在10-12 10-13 S摻雜效果沒有晶體硅好，費(fèi)米能級(jí)只能大約在導(dǎo)電價(jià)帶的0.2eV處42非晶硅的光電導(dǎo)44非晶硅的優(yōu)點(diǎn)非晶硅的制備簡(jiǎn)單非晶硅的吸光系數(shù)大，用更少的材料45本周課堂習(xí)題 ，一共兩道 (下周二交給助教）d. Three different silicon wafers with different lattice surface

7、 exposed in the air,（100），（110），（111）, which wafer do you think has the highest oxidation rate？46Diffusion C47Fig 2.25, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)5253(a) Typical cooling curves(b) The phase diagram marking the regions of existence for the phasesSolidification of an isomorphous alloy such as Cu-

8、Ni.Cooling of a 80%Cu-20%Ni alloy from the melt to the solid state.545556Segregation in a grain due to rapid cooling (nonequilibrium cooling)Lever Rule杠桿定律WL = the weight fraction of the liquid phase, WS = the weight fraction of the solid phase, CS = composition of the solid phase, CL = composition

9、of the liquid phase, CO = overall composition. and57金屬薄膜工藝器件減小，是的大的高寬比（通孔：接觸窗）在微電子工業(yè)中，金屬薄膜主要用于：歐姆接觸 (Ohmic Contact)肖特基接觸 (Schottky Barrier Contact)低阻柵電極 (Gate Electrode)器件間互連 (Interconnect)63金屬接觸 Al-Si合金早期Al為集成電路主要導(dǎo)電材料。由于后段工藝溫度常達(dá)到450，在此溫度，Si在Al中的溶解度高達(dá)1%，迅速擴(kuò)散導(dǎo)致Al-Si界面生成孔穴。64Al-Si-Cu合金：在Al互連中，為了抑制Al的電

10、遷移問題，通常加入1%的Cu原子，Cu分布在Al的晶界附近。解決Si在低溫下從AL-SI合金中析出的問題TiN阻擋層65柵電極poly silicon 600cm doped 適用微米級(jí)別多晶硅-金屬硅化物(WSix) 60-100cm 適用亞微米級(jí)別多晶硅-金屬硅化物(TiSix) 20cm 66, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)General Conductivity = conductivityqi = charge carried by the charge carrier species i (for electrons and holes qi =

11、e)ni = concentration of the charge carrieri = drift mobility of the charge carrier of species 67Grain boundaries cause scattering of the electron and therefore add to the Resistivity by the Matthiessens rule.(b) For a very grainy solid, the electron is scattered from grain boundary to grain boundary

12、 and the mean free path is approximately equal to the mean grain diameter.68, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)Conduction in thin films may be controlled by scattering from the surfaces69, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)The mean free path of the electron depends on the angle after scattering. 70, S.O.

13、 Kasap ( McGraw-Hill, 2005)71, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)72(a) Thermal vibrations of the atoms rupture a bond and release a free electron into the crystal. A hole is left in the broken bond which has an effective positive charge.(b) An electron in a neighboring bond can jump and repair this bon

14、d and thereby create a hole in its original site; the hole has been displaced. (c) When a field is applied both holes and electrons contribute to electrical 73, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2005)Conductivity of a Semiconductor = conductivity, e = electronic charge, n = electron concentration, e = elect

15、ron drift mobility, p = hole concentration, h = hole drift mobility = ene + ephve = drift velocity of the electrons, e = drift mobility of the electrons, e = electronic charge, Fnet = net forceDrift Velocity and Net F74四探針測(cè)電阻率75 測(cè)量電導(dǎo)率77測(cè)量遷移率-霍爾遷移率80Thermionic E86Fig 2.36, S.O. Kasap ( McGraw-Hill, 2

16、005)87A single line interconnect surrounded by dielectric insulation.Interconnects crisscross each other. There are three levels of interconnect: M 1, M, and M + 1(c) An interconnect has vertical and horizontal capacitances Cv and CH88用低介電常數(shù)的材料，如高分子材料polymers (2-3)用Cu做互聯(lián)材料89L=10MM,T=1,P=1,Cu as interconnect, fluorinated SiO2 as dielectricResulted RC = 90習(xí)題In a high-transistor-density IC w