硅集成电路基本工艺基础复习.doc
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1、硅集成电路工艺基本绪论:单项工艺分类: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SiO2作用:1、在MOS电路中作为MOS器件绝缘栅介质,作为器件构成某些2、作为集成电路隔离介质材料3、作为电容器绝缘介质材料4、作为多层金属互连层之间介质材料5、作为对器件和电路进行钝化钝化层材料6、扩散时掩蔽层,离子注入(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层热氧化办法制备SiO2是无定形制备二氧化硅办法: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SiO2具备很高重复性和化学稳定性,其物理性质和化学
2、性质不太受湿度和中档热解决温度影响。SiO2重要性质:密度:表征致密限度折射率:表征光学性质 密度较大SiO2具备较大折射率 波长为5500A左右时, SiO2折射率约为1.46电阻率:与制备办法及所含杂质数量等因素关于,高温干氧氧化制备电阻率达1016 cm 介电强度:单位厚度绝缘材料所能承受击穿电压 大小与致密限度、均匀性、杂质含量关于普通为106107V/cm(1011V/nm)介电常数:表征电容性能(SiO2相对介电常数为3.9)腐蚀:化学性质非常稳定,只与氢氟酸发生反映 还可与强碱缓慢反映薄膜应力为压应力晶体和无定形区别:桥键氧和非桥键氧桥联氧:与两个相邻Si-O四周体中心硅原子形成
3、共价键氧非桥联氧:只与一种Si-O四周体中心硅原子形成共价键氧非桥联氧越多,无定型限度越大,无序限度越大,密度越小,折射率越小无定形SiO2强度:桥键氧数目与非桥键氧数目之比函数结晶态和无定形态区别非桥联氧与否存在杂质分类:网络形成者和网络变化者网络形成者:可以代替SiO2网络中硅杂质,即能代替SiO四周体中心硅、并能与氧形成网络杂质网络变化者:存在于SiO2网络间隙中杂质SiO2作为掩蔽层对硼、磷有效,对钠离子无效B、P、As等惯用杂质扩散系数小, SiO2对此类杂质可以起掩蔽作用Ga、某些碱金属(Na)扩散系数大, SiO2对此类杂质就起不到掩蔽作用Si热氧化生长SiO2计算:无定形SiO
4、2分子密度:硅晶体原子密度:干氧、水汽和湿氧。实际生产采用干氧-湿氧-干氧方式1、干氧氧化 氧化剂:干燥氧气 反映温度:9001200 干氧氧化制备SiO2特点: 构造致密、干燥、均匀性和重复性好 与光刻胶粘附性好,掩蔽能力强。 生长速度非常慢 干氧氧化应用:MOS晶体管栅氧化层2、 水汽氧化 反映条件: 氧化剂:高纯水产生蒸汽 反映温度:高温 水汽氧化制备SiO2特点: SiO2生长速率快 构造粗糙3、湿氧氧化 反映条件: 氧化剂:高纯水(95 左右)+氧气 特点: 生长速率较高 SiO2构造略粗糙4、三种氧化法比较干氧氧化:构造致密但氧化速率极低湿氧氧化:氧化速率高但构造略粗糙,制备厚二氧
5、化硅薄膜 水汽氧化:构造粗糙不可取热氧化过程(D-G模型)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表达。流密度定义为单位时间通过单位面积粒子数。氧化剂以扩散方式穿过SiO2层(忽视漂移影响),到达SiO2 Si界面,其流密度用F2表达。氧化剂在Si表面与Si反映生成SiO2,其流密度用F3表达。反映副产物离开界面。D-G模型合用氧化层厚度:30nm热氧化存在两种极限状况当氧化剂在SiO2中扩散系数很小时,则,。在这种极限状况下,SiO2生长速率重要由氧化剂在SiO2中扩散速度所决定,故称这种极限状况为扩散控制。当氧化剂在SiO2中扩散系数很大,则。在这种极限状
6、况下,SiO2生长速率由Si表面化学反映速度控制,故称这种极限状况为反映控制。决定氧化速率常数因素: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 2、 氧化温度温度对抛物型速率常数影响是通过影响产生,温度对线性速率常数影响是通过影响产生 分凝系数,图2.21分凝系数:掺有杂质硅在热氧化过程中,在SiSiO2界面上平衡杂质浓度之比 (a)当,在SiO2中是慢扩散杂质,也就是说在分凝过程中杂质通过SiO2表面损失很少,硼就属于此类。再分布之后接近界面处SiO2中杂质浓度比硅中高,硅表面附近浓度下降。(b)当,在SiO2中是快扩散杂质。由于大量杂质通过SiO2表面跑到气体中去,杂
7、质损失非常厉害,使SiO2中杂质浓度比较低,硅表面杂质浓度几乎降到零。H2氛围中B就属于这种状况。(c)当,在SiO2中是慢扩散杂质,再分布之后硅表面浓度升高。P磷就属于这种杂质。(d)当,在SiO2中是快扩散杂质,分凝过程中杂质通过SiO2表面损失厉害,最后使硅表面附近杂质浓度比体内还要低。Ga镓就属于这种类型杂质。Si-SiO2界面存在四种电荷Si- SiO2 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:定义:间隙式杂质从一种间隙位置到另一种间隙位置运动杂质:Na、K、Fe、Cu、Au 等元素间隙杂质在间隙
8、位置上势能相对极小,相邻两间隙位置之间,对间隙杂质来说是势能极大位置。势垒高度:重要与晶格构造与晶向关于,原子密度越大,间隙越小,就越大运动条件: 跳跃率:2、替位式扩散:定义:替位式杂质从一种替位位置到另一种替位位置运动 (a) 直接互换 (b) 空位互换(重要)杂质:III 、族元素对替位杂质来说,在晶格位置上势能相对最低,而间隙处是势能最高位置。势垒高度:运动条件:,平衡时单位体积空位数为,每个格点上浮现空位几率为,扩散方式:恒定表面源和有限表面源(定义和杂质分布形式)1、 恒定表面源扩散定义:在整个扩散过程中,硅片表面杂质浓度始终不变扩散边界条件和初始条件:恒定表面源扩散杂质分布:杂质
9、分布形式特点:在表面浓度一定状况下,扩散时间越长,杂质扩散就越深,扩到硅内杂质数量也就越多。扩到硅内杂质数量可用高为,底为三角形近似;表面浓度由杂质在扩散温度下固溶度所决定。而在内,固溶度变化不大,可见很难通过变化温度来控制2、有限表面源扩散定义:扩散之前在硅片表面淀积一层杂质,在整个扩散过程中这层杂质作为扩散杂质源,不再有新源补充初始条件和边界条件:杂质分布形式特点:当扩散温度相似时,扩散时间越长,杂质扩散就越深,表面浓度就越低。当扩散时间相似时,扩散温度越高,杂质扩散就越深,表面浓度下降也就越多扩散过程中杂质量不变实际生产中采用两步扩散(每一步扩散方式及作用)两步扩散:预扩散:在低温下采用
10、恒定表面源扩散方式,控制扩散杂质数量主扩散将由预扩散引入杂质作为扩散源,在较高温度下进行扩散。控制表面浓度和扩散深度分布形式:影响杂质分布因素:横向扩散第4章 离子注入离子注入:最重要掺杂工艺离子注入是一种将带电且具备能量粒子注入衬底硅过程,注入能量介于到之间,注入深度平均可达。离子剂量变动范畴,从用于阈值电压调节到形成绝缘埋层。相对于扩散,它能更精确地控制杂质掺杂、可重复性和较低工艺温度。离子注入已成为VLSI制程上最重要掺杂技术。普通CMOS制程,大概需要612个或更多离子注入环节。应用:隔离工序中防止寄生沟道用沟道截断 调节阈值电压用沟道掺杂 CMOS阱形成 浅结制备离子注入特点长处:注
11、入离子纯度高可以精准控制掺杂原子数目温度低:不大于400掺杂深度可控非平衡过程,杂质含量不受固溶度限制低温注入,避免高温扩散所引起热缺陷横向扩散效应比热扩散小得多离子通过硅表面薄膜注入,防止污染。可以对化合物半导体进行掺杂缺陷:产生晶格损伤不易消除很难进行很深或很浅结注入高剂量注入时产率低设备价格昂贵(约200万美金)LSS理论:注入离子在靶内分布理论LSS理论以为,注入离子在靶内能量损失分为两个彼此独立过程:核碰撞(核制止)和电子碰撞(电子制止)不同能区能量损失形式低能区:以核碰撞为主中能区:核碰撞、电子碰撞持平高能区:以电子碰撞为主注入离子在无定形靶中分布计算相似质量且相似初时能量离子在靶
12、中有一定空间分布,投影射程记录涨落称为投影偏差,沿着入射轴垂直方向上记录涨落,称为横向偏差。纵向分布:一级近似下用高斯函数表达:横向分布:高斯分布;横向渗入远不大于热扩散沟道效应及避免办法定义:当离子注入方向与靶晶体某个晶向平行时,某些离子将沿沟道运动。沟道离子唯一能量损失机制是电子制止,因而注入离子能量损失率就很低,故注入深度较大。避免办法:a.倾斜样品表面,晶体主轴方向偏离注入方向,典型值为7。b.先重轰击晶格表面,形成无定型层 在无定形靶运动离子由于碰撞方向不断变化,因而也会有某些离子进入沟道,但在沟道 运动过程中又有也许脱离沟道,故对注入离子峰值附近分布并不会产生实质性影响c.表面长二
13、氧化硅薄层注入离子导致损伤级联碰撞简朴晶格损伤 孤立点缺陷或缺陷群(注入离子每次传递给硅原子能量约等于移位阈能) 局部非晶区域(单位体积移位原子数目接近半导体原子密度)非晶层 注入离子引起损伤积累热退火定义:又叫热解决,集成电路工艺中所有在氮气等不活泼氛围中进行热解决过程都可以称为退火作用激活杂质:使不在晶格位置上离子运动到晶格位置,以便具备电活性,产生自由载流子,起到杂质作用消除损伤退火方式:炉退火迅速退火:脉冲激光法、扫描电子束、持续波激光、非相干宽带频光源(如卤光灯、电弧灯、石墨加热器、红外设备等)迅速热退火a.老式热退火缺陷 不能完全消除缺陷,产生二次缺陷 高剂量注入时电激活率不够高
14、高温长时间热退火会导致明显杂质再分布b.迅速退火技术 在氮气或惰性气体氛围下,极短时间内,把晶片温度提高到1000 以上。C.迅速热退火作用: 消除由注入所产生晶格损伤 恢复材料少子寿命和载流子迁移率 杂质激活第5章 物理气相淀积两种基本办法物理气相淀积定义:运用某种物理过程,例如蒸发或者溅射现象实现物质转移,即原子或分子由源转移到衬底表面上,并淀积成薄膜。基本办法:蒸发(-族化合物半导体)溅射蒸发和溅射各自优缺陷真空蒸发法溅射蒸发长处设备简朴操作容易纯度较高成膜快机理简朴合用于任何物质不受蒸气压和膜成分限制靶材料与膜成分符合附着好台阶覆盖较好较高淀积速率薄膜纯度高厚度控制精准生长机理简朴缺陷
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