第二章 集成工艺原理概要

第二章集成工艺原理概要集成电路是由不同工艺加工手段制备而成的、由数层不同材质、不同厚度的薄膜组成的。而将这些类薄膜覆盖在硅晶片上所需要的技术，便是薄膜生长及物理汽相淀积等技术。准确的讲，所谓“生长”则泛指起始于衬底或基底表面材质，与其晶体取向、晶体的属性息息相关，并有可能与生长的汽相气氛发生反应乃至消耗一定量的衬底或基底材料。如：本章节所重点讨论的硅半导体结晶层的生长及较高温度条件下硅的氧化反应（生长二氧化硅，作为集成电路的介电材料）所导致二氧化硅层的生长。而讲到“淀积”、或“沉积”的工艺手段，特指在薄膜形成的过程中，并不消耗晶片或衬底、基底的材料。§2.1外延生长技术外延生长技术之所以重要，很大程度上在于外延晶层制备的过程中，层中的杂质浓度可以极为方便地通过控制反应气流中的杂质含量加以调节，而不受衬底中杂质种类与掺杂水平（分布情况）的影响。在外延层与衬底之间形成的P-N结（即在N型硅衬底之上生长P型硅外延层，或在P型硅衬底之上生长N型硅外延层）与采用扩散方法（补偿后反型）所获得的扩散结不同，它并不是通过杂质的补偿作用形成的，其杂质分布可接近于理想的突变结。双极性集成电路元、器件之间的隔离也可通过外延与隔离扩散技术相结合而获得解决。晶体薄层的生长及物理汽相淀积技术的发展，从早期的蒸镀技术开始至今，已发展成为两个主要的分支方向：物理汽相淀积（PhysicalVaporDeposition）；化学汽相沉积（ChemicalVaporDeposition）。前者属于物理效应过程，后者则是采用化学反应的方式，通过化学反应来激活或强化生长所需要的环境条件及反应过程。物理汽相淀积（又称为PVD）与化学汽相沉积（又称为CVD）各有其优缺点。但是，当超大规模集成电路制造技术愈来愈精细之后，常规的PVD技术似乎无法解决许多制造上所遇到的障碍，使CVD技术的优势突出地显现出来，使其在薄膜淀积领域上的地位日益重要。常规硅汽相外延生长过程的动力学原理汽相外延生长过程是在高频感应加热条件下的石英汽相反应器中进行的。无论是还原反应还是热分解反应，由加热方式决定了反应生成物的“择温淀积”特征，一定程度上保障了置于石墨加热基座之上硅衬底基片表面的淀积稳定趋势。然而，整个外延生长汽相反应器内部是一个典型的汽相流体系统。（1）外延生长流体系统的流体动量模型汽相质量转移系数是全面描述外延生长过程反应生成物质质量转移状态的物理量。在外延生长过程中，反应生成物质的速度及分布状态和反应生成物质的质量（可以理解为反应生成物质的浓度）及分布状态集合反映出反应生成物质的汽相质量转移状态。下面的分析，可以使我们找到汽相外延生长反应系统对汽相外延生长过程的影响。图2-1速度附面层和质量附面层的比较§2.2氧化介质制备技术氧化介质膜（SiO2）生长工艺是硅集成电路平面制造工艺中的重要工序之一。我们将在本节讨论氧化介质膜的基本结构模式，从而揭示其可以降低在其体内的某些化学元素的迁移速率的内在机理；随后，将简要地讨论热生长法制备氧化介质膜的常规工艺手段及其介质膜置备过程中的动力学模型，从而形成热生长氧化介质膜基本过程的数学描述思路。考察氧化剂分子扩散通过初始氧化层至氧化硅与硅的界面处并继续与硅反应的整个过程可知，完成这个过程必须经过以下三个连续的步骤：1.氧化剂分子由汽相内部迁移到汽相与氧化介质膜界面处，定义该步骤所形成的氧化剂粒子流密度J为J1。2.氧化剂分子扩散通过已生成的初始氧化层，定义该步骤所形成的氧化剂粒子流密度J为J2。3.氧化剂分子到达初始氧化层与硅的界面处与硅继续反应，定义该步骤所形成的氧化剂粒子流密度J为J3。图2-2硅的热氧化模型图2-3两种氧化极限状态§2.4常规高温热扩散的数学描述我们叙述了实现高温掺杂所必需的条件，由物理意义及图形分布等方面较为详细地阐述了常规高温热扩散的实施条件和工艺环境，使同学们对实现常规高温热扩散的两步扩散法有了较为完整的定性了解。事实上，学者们对常规高温热扩散工艺过程所进行的研究已相当深入。对常规高温热扩散两步扩散法所进行的数学分析、数学建模及数学求解，进而实现了扩散工艺过程的数值计算，实现了扩散工艺过程的计算机仿真。本节，我们要讨论的就是如何对常规高温热扩散行为进行数学描述。下面要讲解的是常规热扩散问题的数学求解，这与常规热扩散问题的数学建模及以后要学习到的扩散工艺的计算机仿真等知识是密切相关的。§2.4.1恒定表面源扩散的数学分析§2.4.2有限表面源扩散的数学分析§2-4-3杂质热扩散及热迁移工艺模型