硅集成电路工艺基础要点整理（DOC33页）

硅工艺简易笔记第二章氧化SiO2作用：a.杂质扩散掩蔽膜和离子注入屏蔽膜b.器件表面保护或钝化膜c.MOS电容的介质材料d.MOSFET的绝缘栅材料e.电路隔离介质或绝缘介质2.1SiO2的结构与性质Si-O4四面体中氧原子：桥键氧——为两个Si原子共用，是多数；非桥键氧——只与一个Si原子联结，是少数；无定形SiO2网络强度：与桥键氧数目成正比，与非桥键氧数目成反比。2.2.1杂质在SiO2中的存在形式1.网络形成者：即替位式杂质，取代Si，如B、P、Sb等。其特点是离子半径与Si接近。Ⅲ族杂质元素：价电子为3，只与3个O形成共价键，剩余1个O变成非桥键氧，导致网络强度降低。Ⅴ族杂质元素：价电子为5，与4个O形成共价键，多余1个价电子与附近的非桥键氧形成桥键氧，网络强度增加。2.网络改变者：即间隙式杂质，如Na、K、Pb、Ca、Ba、Al等。其特点是离子半径较大，多以氧化物形式掺入；结果使非桥键氧增加，网络强度减少。2.2.2杂质在SiO2中的扩散系数扩散系数:DSiO2=D0exp(-ΔE/kT)D0-表观扩散系数（ΔE/kT→0时的扩散系数）ΔE-杂质在SiO2中的扩散激活能B、P、As的DSiO2比DSi小，Ga、Al的DSiO2比DSi大得多，Na的DSiO2和DSi都大。2.3.1硅的热氧化定义：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽等氧化剂化学反应生成SiO2。1.干氧氧化：高温下，氧气与硅片反应生成SiO2特点－速度慢；氧化层致密，掩蔽能力强；均匀性和重复性好；表面与光刻胶的粘附性好，不易浮胶。2.水汽氧化：高温下，硅片与高纯水蒸汽反应生成SiO2特点：氧化速度快；氧化层疏松－质量差；表面是极性的硅烷醇--易吸水、易浮胶。3.湿氧氧化——氧气中携带一定量的水汽特点：氧化速率介于干氧与水汽之间；氧化层质量介于干氧与水汽之间；4.掺氯氧化——在干氧中掺少量的Cl2、HCl、C2HCl3（TCE）、C2H3Cl3（TCA）掺氯的作用：吸收、提取大多数有害的重金属杂质及Na+，减弱Na+正电荷效应。注意安全：TCE可致癌；TCA高温下可形成光气（COCl2），俗称芥子气，是高毒物质，而且TCA会对臭氧造成破坏。2.3.2热氧化生长动力学，时间常数，反映了初始氧化层对后继热氧化的影响（初始氧化层修正系数）。2.4.1决定氧化速率常数的因素1.氧化剂分压B∝pg，B/A∝pg；（线性关系）2.氧化温度与抛物型速率常数B的关系：∵B=2DOXC*/N1｛Dox=D0exp(-ΔE/kT)｝∴B与氧化温度是指数关系无论干氧、湿氧，氧化温度与B/A是指数关系2.4.2影响氧化速率的其它因素1.硅表面晶向∵DOX与Si片晶向无关，ks与Si表面的原子密度(键密度）成正比；∴抛物型速率常数B=2DOXC*/N1，与Si晶向无关；线性速率常数B/A≈ks·C*/N1，与Si晶向有关：因此（111）面的B/A比（100）面大。2.杂质①硼：在SiO2中是慢扩散，且分凝系数m1；（m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度）氧化再分布后：大量硼从Si进入SiO2中，使非桥键氧增加，降低了SiO2的网络强度，导致氧化剂DOX增加，进而导致抛物型速率常数B明显增加，但B/A无明显变化。②P:分凝系数m1氧化再分布后：少量的P分凝到SiO2中，使氧化剂在SiO2中的扩散能力增加不多，因而抛物型速率常数B变化不大；大部分P集中在Si表面，使线性速率常数B/A明显增大。③水汽干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；水汽会增加陷阱密度。④钠钠以Na2O的形式进入SiO2中，使非桥键氧增加，氧化剂的扩散能力增加，但SiO2强度下降了。⑤氯氯的作用：固定重金属、Na+等杂质；增加Si中的少子寿命；减少SiO2中的缺陷；降低界面态和固定电荷密度；减少堆积层错。2.5热氧化的杂质再分布分凝系数m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度对同一杂质、同一温度条件，在平衡状态下，m是一个常数。由m可判断在界面处杂质分布的情况。四种分凝现象：根据m1、m1和快、慢扩散①m1、SiO2中慢扩散：B②m1、SiO2中快扩散：H2气氛中的B③m1、SiO2中慢扩散：P④m1、SiO2中快扩散：Ga影响Si表面杂质浓度的因素：①分凝系数m②DSiO2/DSi③氧化速率/杂质扩散速率1.P的再分布（m=10）CS/CB：水汽干氧原因：氧化速率越快，加入分凝的杂质越多；CS/CB随温度升高而下降。2.B的再分布（m=0.3）CS/CB：水汽干氧CS/CB随温度升高而升高。原因：扩散速度随温度升高而提高，加快了Si表面杂质损耗的补偿。2.6薄氧化层ULSI对薄氧化层的要求：①低缺陷密度；②好的抗杂质扩散的势垒特性；③低界面态密度和固定电荷；④热载流子和辐射稳定性；⑤低成本。解决方法：1.预氧化清洗2.改进氧化工艺：高温（900℃）快速氧化3.化学改善氧化层工艺：引入Cl、F、N2、NH3、N2O4.CVD和叠层氧化硅第三章扩散掺杂：将所需的杂质，以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域内，并达到规定的数量和符合要求的分布。扩散：将掺杂气体导入放有硅片的高温炉中，从而达到将杂质扩散到硅片内的目的。间隙式扩散--杂质在晶格间的间隙中运动（扩散）势垒—间隙位置的势能相对极小，相邻两间隙之间是势能极大位置，必须越过一个势垒Wi。替位式扩散定义——杂质原子从一个晶格点替位位置运动到另一个替位位置。势垒---与间隙式相反，势能极小在晶格位置，间隙处是势能极大位置，必须越过一个势垒WS。3.2扩散系数与扩散方程ν0–振动频率D0—表观扩散系数，即1/kT→0时的扩散系数ΔE—激活能；间隙扩散：ΔE=Wi，替位扩散：ΔE=Ws+Wv3.3.1恒定表面源扩散定义:在扩散过程中，Si片表面的杂质浓度始终不变（等于杂质在Si中的溶解度）。例如：预淀积工艺、箱法扩散工艺3.3.2有限表面源扩散3.3.3两步扩散工艺第一步：在较低温度（800－900℃）下，短时间得浅结恒定源扩散，即预淀积（预扩散）；第二步：将预淀积的晶片在较高温度下（1000－1200℃）进行深结扩散，最终达到所要求的表面浓度及结深，即再分布（主扩散）。3.4影响杂质分布的其他因素3.4.2扩散系数与杂质浓度的关系3.4.3氧化增强扩散（OED）实验结果：P、B、As等在氧化气氛中的扩散增强。3.4.4发射区推进（陷落）效应实验现象：NPN管的工艺中，发射区下方的内基区B的扩散深度大于发射区(P扩散形成)外的基区扩散深度。3.4.5二维扩散（横向扩散）实际扩散：杂质在垂直Si表面扩散的同时，也进行平行Si表面的横向扩散。扩散层的方块电阻Rs（R□）第四章离子注入离子注入:将带电的、且具有能量的粒子入射到衬底中的过程。特点：①注入温度低:对Si，室温；对GaAs,400℃。（避免了高温扩散的热缺陷；光刻胶，铝等都可作为掩蔽膜。）②掺杂数目完全受控:同一平面内的杂质均匀性和重复性在±1％；能精确控制浓度分布及结深，特别适合制作高浓度浅结、突变型分布。③无污染:注入离子纯度高，能量单一。④横向扩散小：有利于器件特征尺寸的缩小。⑤不受固溶度限制:原则上各种元素均可掺杂。⑥注入深度随离子能量的增加而增加。缺点：①损伤(缺陷)较多:必须退火。②设备昂贵，成本高。基本原理——将杂质原子经过离化变成带电的杂质离子，并使其在电场中加速，获得一定能量后，直接轰击到半导体基片内，使之在体内形成一定的杂质分布，起到掺杂作用。离子注入三大基本要素：——离子的产生——离子的加速——离子的控制离子注入设备1.离子源2.磁分析器（质量分析器）3.加速器4.偏束板：使中性原子束因直线前进不能达到靶室。5.扫描器：使离子在整个靶片上均匀注入。6.靶室（工作室）4.1核碰撞和电子碰撞①核碰撞（阻止）②电子碰撞（阻止）4.2注入离子分布平均投影射程RP、标准偏差（投影偏差）△RPM1—注入离子质量，M2—靶原子质量—峰值浓度（在RP处）NS—注入剂量（通过靶表面单位面积注入的离子数）（注意）4.2.2横向效应①横向效应与注入能量成正比；②是结深的30％-50％；③窗口边缘的离子浓度是中心处的50％；4.2.3沟道效应(ionchanneling)单晶靶：对注入离子的阻挡是各向异性；沟道：在单晶靶的主晶轴方向呈现一系列平行的通道，称为沟道。沟道效应：离子沿沟道前进，核阻挡作用小，因而射程比非晶靶远的多。好处：结较深；晶格损伤小。不利：难于获得可重复的浓度分布，使用价值小。减小沟道效应的途径①注入方向偏离晶体的主轴方向，典型值--70；②淀积非晶表面层（SiO2)；③在表面制造损伤层；④提高靶温；⑤增大剂量。4.3注入损伤4.3.3非晶层的形成随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生重叠，最终形成长程无序的非晶层。靶温－靶温越高，损伤越轻。第五章物理气相淀积5.1真空蒸发的基本原理真空蒸发：利用蒸发材料熔化时产生的饱和蒸气压进行薄膜淀积；优点：工艺及设备简单，薄膜纯度高、淀积速率快；缺点：薄膜与衬底附着力小，台阶覆盖差。过程：①加热蒸发过程：加热蒸发源（固态），产生蒸气；②气化原子或分子在蒸发源与基片之间的输运过程：气化的原子、分子扩散到基片表面；③被蒸发的原子或分子在衬底表面的淀积过程：气化的原子、分子在表面凝聚、成核、成长、成膜；5.4溅射原理：气体辉光放电产生等离子体→具有能量的离子轰击靶材→靶材原子获得能量从靶表面逸出(被溅射出)→溅射原子淀积在表面。特点：被溅射出的原子动能很大，10-50eV（蒸发：0.1-0.2eV）；故，还可实现离子注入。优点：台阶覆盖好（迁移能力强）。第六章化学气相淀积定义：一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。CVD工艺的特点1、CVD工艺的温度低，可减轻硅片的热形变，抑制缺陷的生成，减轻杂质的再分布，适于制造浅结器件及VLSI；2、薄膜的成分精确可控、配比范围大，重复性好；3、淀积速率一般高于物理淀积，厚度范围大；4、膜的结构完整致密，与衬底粘附好，台阶覆盖性好。6.1.1CVD的基本过程①传输：反应剂从气相(平流主气流区)经附面层（边界层）扩散到（Si）表面；②吸附：反应剂吸附在表面；③化学反应：在表面进行化学反应，生成薄膜分子及副产物；④淀积：薄膜分子在表面淀积成薄膜；⑤脱吸：副产物脱离吸附；⑥逸出：脱吸的副产物和未反应的反应剂从表面扩散到气相(主气流区)，逸出反应室。6.1.3Grove模型hg-气相质量转移系数ks-表面化学反应速率Cs=Cg/(1+ks/hg)两种极限：a.hgks时，Cs→Cg，反应控制；b.hgks时，Cs→0，扩散控制；Grove模型一般表达式：G=[kshg/(ks+hg)](CT/N1)Y，（Cg=YCT）两个结论：a.G与Cg(无稀释气体）或Y（有稀释气体）成正比；b.当Cg或Y为常数时，G由ks、hg中较小者决定：hgks，G=（CTksY)/N1，反应控制；hgks，G=（CThgY)/N1，扩散控制；影响淀积速率的因素①主气体流速Um结论：扩散控制的G与Um1/2成正比②淀积速率与温度的关系低温下，hgks，反应控制过程，故G与T呈指数关系；高温下，hgks，质量输运控制过程，hg对T不敏感，故G趋于平稳。6.2.4CVD技术1.APCVD（常压CVD）定义：气相淀积在1个大气压下进行；淀积机理：气相质量输运控制过程。优点：淀积速率高（100nm/min）；操作简便；缺点：均匀性差；台阶覆盖差；易发生气相反应，产生微粒污染。可淀积的薄膜：Si外延薄膜；SiO2、poly-Si、Si3N4薄膜。2.LPCVD（低压CVD）定义：在27－270Pa压力下进行化学气相淀积。淀积机理：表面反应控制过程。优点：均匀性好（±3－5％，APCVD：±