硅集成电路工艺基础复习

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

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1016Ω· 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106~107V/cm （10－

1~1V/nm ） 介电常数：表征电容性能d

S

C SiO 2

0εε=（SiO 2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

O

H SiF H HF SiO SiF H HF SiF O

H SiF HF SiO 26226242422)(6(224+→+→++→+六氟硅酸）

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——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：可以替代SiO 2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SiO 2网络间隙中的杂质 SiO 2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， SiO 2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， SiO 2对这类杂质就起不到掩蔽作用 Si 热氧化生长SiO 2的计算：02x

C x C SiO Si = 无定形SiO 2的分子密度：322/102.22cm C SiO ⨯=

硅晶体的原子密度：3

22/100.5cm C Si ⨯=

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℃

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SiO 2的特点： ①SiO 2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 ℃左右）+氧气 特点：

①生长速率较高 ②SiO 2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—SiO 2界面，其流密度用F 1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SiO 2层（忽略漂移的影响），到达SiO 2 －Si 界面，其流密度用F 2表示。 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。

321F F F ==

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SiO 2中的扩散系数2SiO D 很小时()

02x k D s SiO <<，则0→i C ，*

→C C o 。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2SiO D 很大，则()h k C C C s o i /1/+==*

。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

g p 通过*C 对B 产生影响，B 与g p 成正比关系

1/22N C D B SiO *

= g Hp C =* 2、氧化温度

温度对抛物型速率常数B 的影响是通过影响2SiO D 产生的，1/22N C D B SiO *≡ 温度对线性速率常数A B /的影响是通过影响s k 产生的

()()1

/1/1///1/122N h k C A B h k D A s s SiO +≡+≡*

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 衡浓度

杂质在二氧化硅中的平杂质在硅中的平衡浓度

=

m

（a ）当1

（b ）当1

（c ）当1>m ，在SiO 2中是慢扩散的杂质，再分布之后硅表面的浓度升高。P 磷就属于这种杂质。