硅集成电路工艺基础复习

硅 集 成 电 路 工 艺 基

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

SiO 2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、Si 3N 4层一起使用#阻挡层 热氧化方法制备的 SiO 2

是无

定形

制备二氧化硅的方法：热分解淀积法、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 SiO 2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。 SiO 2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SiO 2具有较大的折射率 、 波长为5500A 左右时，SiO 2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 Q

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

106〜10?V/cm (10 1

〜1V/nm )

S

介电常数：表征电容性能

C 二；SQ — ( SiO 2的相对介电常数为 3.9)

2

d

腐蚀：化学性质非常稳定，只与氢氟酸发生反应

SiO 2 4HF > SiF 4 2出0

SiF 4 2HF > H 2(SiF 6)… 六氟硅酸 还可与强碱缓慢反应

SiO 2 6HF > 出儕6)2出。

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SiO 2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一一非桥联氧是否存在

cm

杂质分类：网络形成者和网络改变者

网络形成者：可以替代SiO2网络中硅的杂质，即能代替Si— O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等常用杂质的扩散系数小，SiO2对这类杂质可以起掩蔽作用

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：C si X二C SQ2X O

无定形SiO2的分子密度：C SiO =2.2 1022/cm3

硅晶体的原子密度：C Si=5.0 1022 /cm3

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

①氧化剂：干燥氧气

②反应温度：900〜1200 °C

干氧氧化制备的 SiO2的特点：

①结构致密、干燥、均匀性和重复性好

②与光刻胶粘附性好，掩蔽能力强。

③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：

①氧化剂：高纯水产生的蒸汽

②反应温度：高温

水汽氧化制备的 SiO2的特点：

①SiO2生长速率快

②结构粗糙

3、湿氧氧化

反应条件：

氧化剂：高纯水（95 C左右）+氧气特点：

①生长速率较高

②SiO2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）

①氧化剂从气体内部以扩散形式穿过附面层运动到气体一SiO2

界面，其流密度用F1表示。流密度定义为单位时间通过单位面积的粒子数。

②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，其流密度用 F2表示。

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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-SiO 2界面存在四种电荷 Si- SiO 2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：

①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

③ 氧化剂在Si 表面与Si 反应生成SiO 2,其流密度用F 3表示。 ④ 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 D SiO 很小时D SQ 2定：k s x 0，则G —• 0, C 。一； C °在这种 极限情况下，SiO 2的生长速率主要由氧化剂在 SiO 2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SiO 2中的扩散系数 D SQ 很大，则C ^C ^C / 1 k s /h 。在这种极限情况下,

SiO 2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

P g 通过C ”对B 产生影响，B 与P g 成正比关系 2、氧化温度

温度对抛物型速率常数

B 的影响是通过影响 D SiO 产生的，B 三2D SiO

C / N 1

温度对线性速率常数 B / A 的影响是通过影响 k s 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

Si — SiO 2界面上的平衡杂质浓度之比

(a)

当m ：：： 1，在SiO 2中是慢扩散的杂质，也就是说在分凝过程中杂质通过 SiO 2表面损失的很

少，硼就属于这类。再分布之后靠近界面处的 SiO 2中的杂质浓度比硅中高，硅表面附近的浓度

下降。

(b)

当m ：：： 1，在SiO 2中是快扩散的杂质。因为大量的杂质通过

SiO 2表面跑到气体中去，杂质

损失非常厉害，使 SiO 2中杂质浓度比较低，硅表面的杂质浓度几乎降到零。 H 2气氛中的B 就属

于这种情况。

(c) 当m 1，在SiO 2中是慢扩散的杂质，再分布之后硅表面的浓度升高 质。 (d) 当m 1，在SiO 2中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质通过

P 磷就属于这种杂

SiO 2表面损失的厉害，最终使

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