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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除。硅集成电路工艺基础绪论: 单项工艺的分类: 1、 图形转换: 光刻、 刻蚀2、 掺杂: 扩散、 离子注入3、 制膜: 氧化、 化学气相淀积、 物理气相淀积第2章 氧化SiO2的作用: 1、 在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质, 作为器件的组成部分2、 作为集成电路的隔离介质材料3、 作为电容器的绝缘介质材料4、 作为多层金属互连层之间的介质材料5、 作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料6、 扩散时的掩蔽层, 离子注入的(有时与光刻胶、 Si3N4层一起使用)阻挡层热氧化方法制备的SiO2是无定形制备二氧化硅的方法: 热分解淀积法、
2、 溅射法、 真空蒸发法、 阳极氧化法、 化学气相淀积法、 热氧化法; 热氧化法制备的SiO2具有很高的重复性和化学稳定性, 其物理性质和化学性质不太受湿度和中等热处理温度的影响。SiO2的主要性质: 密度: 表征致密程度折射率: 表征光学性质 密度较大的SiO2具有较大的折射率 波长为5500A左右时, SiO2的折射率约为1.46电阻率: 与制备方法及所含杂质数量等因素有关, 高温干氧氧化制备的电阻率达1016 cm 介电强度: 单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿电压 大小与致密程度、 均匀性、 杂质含量有关一般为106107V/cm( 1011V/nm) 介电常数: 表征电容性能( SiO2
3、的相对介电常数为3.9) 腐蚀: 化学性质非常稳定, 只与氢氟酸发生反应 还可与强碱缓慢反应薄膜应力为压应力晶体和无定形的区别: 桥键氧和非桥键氧桥联氧: 与两个相邻的Si-O四面体中心的硅原子形成共价键的氧非桥联氧: 只与一个Si-O四面体中心的硅原子形成共价键的氧非桥联氧越多, 无定型的程度越大, 无序程度越大, 密度越小, 折射率越小无定形SiO2的强度: 桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数结晶态和无定形态区分非桥联氧是否存在杂质分类: 网络形成者和网络改变者网络形成者: 能够替代SiO2网络中硅的杂质, 即能代替SiO四面体中心的硅、 并能与氧形成网络的杂质网络改变者: 存在于SiO2
4、网络间隙中的杂质SiO2作为掩蔽层对硼、 磷有效, 对钠离子无效B、 P、 As等常见杂质的扩散系数小, SiO2对这类杂质能够起掩蔽作用Ga、 某些碱金属( Na) 的扩散系数大, SiO2对这类杂质就起不到掩蔽作用Si热氧化生长SiO2的计算: 无定形SiO2的分子密度: 硅晶体的原子密度: 干氧、 水汽和湿氧。实际生产采用干氧-湿氧-干氧的方式1、 干氧氧化 氧化剂: 干燥氧气 反应温度: 9001200 干氧氧化制备的SiO2的特点: 结构致密、 干燥、 均匀性和重复性好 与光刻胶粘附性好, 掩蔽能力强。 生长速度非常慢 干氧氧化的应用: MOS晶体管的栅氧化层2、 水汽氧化 反应条件
5、: 氧化剂: 高纯水产生的蒸汽 反应温度: 高温 水汽氧化制备的SiO2的特点: SiO2生长速率快 结构粗糙3、 湿氧氧化 反应条件: 氧化剂: 高纯水( 95 左右) +氧气 特点: 生长速率较高 SiO2结构略粗糙4、 三种氧化法比较干氧氧化: 结构致密但氧化速率极低湿氧氧化: 氧化速率高但结构略粗糙, 制备厚二氧化硅薄膜 水汽氧化: 结构粗糙不可取热氧化的过程( D-G模型) 氧化剂从气体内部以扩散形式穿过附面层运动到气体SiO2界面, 其流密度用F1表示。流密度定义为单位时间经过单位面积的粒子数。氧化剂以扩散方式穿过SiO2层( 忽略漂移的影响) , 到达SiO2 Si界面, 其流密
6、度用F2表示。氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2, 其流密度用F3表示。反应的副产物离开界面。D-G模型适用氧化层厚度: 30nm热氧化存在两种极限情况当氧化剂在SiO2中的扩散系数很小时, 则, 。在这种极限情况下, SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散速度所决定, 故称这种极限情况为扩散控制。当氧化剂在SiO2中的扩散系数很大, 则。在这种极限情况下, SiO2生长速率由Si表面的化学反应速度控制, 故称这种极限情况为反应控制。决定氧化速率常数的因素: 氧化剂分压、 氧化温度1、 氧化剂分压经过对 产生影响, 与成正比关系 2、 氧化温度温度对抛物型速率常数的影响是经过影响
7、产生的, 温度对线性速率常数的影响是经过影响产生的 分凝系数, 图2.21分凝系数: 掺有杂质的硅在热氧化过程中, 在SiSiO2界面上的平衡杂质浓度之比 ( a) 当, 在SiO2中是慢扩散的杂质, 也就是说在分凝过程中杂质经过SiO2表面损失的很少, 硼就属于这类。再分布之后靠近界面处的SiO2中的杂质浓度比硅中高, 硅表面附近的浓度下降。( b) 当, 在SiO2中是快扩散的杂质。因为大量的杂质经过SiO2表面跑到气体中去, 杂质损失非常厉害, 使SiO2中杂质浓度比较低, 硅表面的杂质浓度几乎降到零。H2气氛中的B就属于这种情况。( c) 当, 在SiO2中是慢扩散的杂质, 再分布之后
8、硅表面的浓度升高。P磷就属于这种杂质。( d) 当, 在SiO2中是快扩散的杂质, 分凝过程中杂质经过SiO2表面损失的厉害, 最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要低。Ga镓就属于这种类型的杂质。Si-SiO2界面存在四种电荷Si- SiO2 界面电荷类型: 可动离子电荷 界面陷阱电荷 氧化层固定电荷 氧化层陷阱电荷第3章 扩散扩散机构: 间隙式和替位式1、 间隙式扩散: 定义: 间隙式杂质从一个间隙位置到另一个间隙位置的运动杂质: Na、 K、 Fe、 Cu、 Au 等元素间隙杂质在间隙位置上的势能相对极小, 相邻两间隙位置之间, 对间隙杂质来说是势能极大位置。势垒高度: 主要与晶格结构与晶
9、向有关, 原子密度越大, 间隙越小, 就越大运动条件: 跳跃率: 2、 替位式扩散: 定义: 替位式杂质从一个替位位置到另一个替位位置的运动 (a) 直接交换 (b) 空位交换( 主要) 杂质: III 、 族元素对替位杂质来说, 在晶格位置上势能相对最低, 而间隙处是势能最高位置。势垒高度: 运动条件: , 平衡时单位体积的空位数为, 每个格点上出现空位的几率为, 扩散方式: 恒定表面源和有限表面源( 定义和杂质分布形式) 1、 恒定表面源扩散定义: 在整个扩散过程中, 硅片表面的杂质浓度始终不变的扩散边界条件和初始条件: 恒定表面源扩散的杂质分布: 杂质分布形式特点: 在表面浓度一定的情况
10、下, 扩散时间越长, 杂质扩散的就越深, 扩到硅内的杂质数量也就越多。扩到硅内的杂质数量可用高为, 底为的三角形近似; 表面浓度由杂质在扩散温度下的固溶度所决定。而在内, 固溶度变化不大, 可见很难经过改变温度来控制2、 有限表面源扩散定义: 扩散之前在硅片表面淀积一层杂质, 在整个扩散过程中这层杂质作为扩散的杂质源, 不再有新源补充初始条件和边界条件: 杂质分布形式特点: 当扩散温度相同时, 扩散时间越长, 杂质扩散的就越深, 表面浓度就越低。当扩散时间相同时, 扩散温度越高, 杂质扩散的就越深, 表面浓度下降的也就越多扩散过程中杂质量不变实际生产中采用两步扩散( 每一步的扩散方式及作用)
11、两步扩散: 预扩散: 在低温下采用恒定表面源扩散方式, 控制扩散杂质的数量主扩散将由预扩散引入的杂质作为扩散源, 在较高温度下进行扩散。控制表面浓度和扩散深度分布形式: 影响杂质分布的因素: 横向扩散第4章 离子注入离子注入: 最主要的掺杂工艺离子注入是一种将带电的且具有能量的粒子注入衬底硅的过程, 注入能量介于到之间, 注入深度平均可达。离子剂量变动范围, 从用于阈值电压调整的到形成绝缘埋层的。相对于扩散, 它能更准确地控制杂质掺杂、 可重复性和较低的工艺温度。离子注入已成为VLSI制程上最主要的掺杂技术。一般CMOS制程, 大约需要612个或更多的离子注入步骤。应用: 隔离工序中防止寄生沟
12、道用的沟道截断 调整阈值电压用的沟道掺杂 CMOS阱的形成 浅结的制备离子注入的特点优点: 注入的离子纯度高能够精确控制掺杂原子数目温度低: 小于400掺杂深度可控非平衡过程, 杂质含量不受固溶度限制低温注入, 避免高温扩散所引起的热缺陷横向扩散效应比热扩散小得多离子经过硅表面的薄膜注入, 防止污染。能够对化合物半导体进行掺杂缺点: 产生的晶格损伤不易消除很难进行很深或很浅的结的注入高剂量注入时产率低设备价格昂贵( 约200万美金) LSS理论: 注入离子在靶内的分布理论LSS理论认为, 注入离子在靶内的能量损失分为两个彼此独立的过程: 核碰撞( 核阻止) 和电子碰撞( 电子阻止) 不同能区的
13、能量损失形式低能区: 以核碰撞为主中能区: 核碰撞、 电子碰撞持平高能区: 以电子碰撞为主注入离子在无定形靶中的分布计算相同质量且相同初时能量的离子在靶中有一定的空间分布, 投影射程的统计涨落称为投影偏差, 沿着入射轴垂直方向上的统计涨落, 称为横向偏差。纵向分布: 一级近似下用高斯函数表示: 横向分布: 高斯分布; 横向渗透远小于热扩散沟道效应及避免的方法定义: 当离子注入的方向与靶晶体的某个晶向平行时, 一些离子将沿沟道运动。沟道离子唯一的能量损失机制是电子阻止, 因此注入离子的能量损失率就很低, 故注入深度较大。避免方法: a.倾斜样品表面, 晶体的主轴方向偏离注入方向, 典型值为7。b
14、.先重轰击晶格表面, 形成无定型层 在无定形靶运动的离子由于碰撞方向不断改变, 因而也会有部分离子进入沟道, 但在沟道 运动过程中又有可能脱离沟道, 故对注入离子峰值附近的分布并不会产生实质性的影响c.表面长二氧化硅薄层注入离子造成的损伤级联碰撞简单晶格损伤 孤立的点缺陷或缺陷群( 注入离子每次传递给硅原子的能量约等于移位阈能) 局部的非晶区域( 单位体积的移位原子数目接近半导体的原子密度) 非晶层 注入离子引起损伤的积累热退火定义: 又叫热处理, 集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都能够称为退火作用激活杂质: 使不在晶格位置上的离子运动到晶格位置, 以便具有电活性, 产生自由载流子, 起到杂质的作用消除损伤退火方式: 炉退火快速退火: 脉冲激光法、 扫描电子束、 连续波激光、 非相干宽带频光源(如卤光灯、 电弧灯、 石墨加热器、 红外设备等)快速热退火a.传统热退火的缺点 不能完全消除缺陷, 产生二次缺陷 高剂量注入时的电激活率不够高 高温长时间热退火会导致明显的杂
