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硅集成电路工艺基础复习.doc

发布:2016-12-31约1.01万字共15页下载文档
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硅集成电路工艺基础 绪论: 单项工艺的分类: 图形转换:光刻、刻蚀 掺杂:扩散、离子注入 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、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(SiO2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: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: 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 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 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 ℃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—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。 ③氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2,其流密度用F3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 通过对 产生影响,与成正比关系 氧化温度 温度对抛物型速率常数的影响是通过影响产生的, 温度对线性速率常数的影响是通过影响产生的 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Si—SiO2界面上的平衡杂质浓度之比 ()当,在SiO2中是慢扩散的杂质,在分凝过程中杂质通过SiO2表面损失的很少,再分布之
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