復旦集成電路工藝課件-06

集成電路工藝原理

仇志軍zjqiu@邯鄲校區(qū)物理樓435室1大綱第一章前言第二章晶體生長第三章實驗室凈化及硅片清洗第四章光刻第五章

熱氧化第六章熱擴散第七章離子注入第八章薄膜淀積第九章刻蝕第十章后端工藝與集成第十一章未來趨勢與挑戰(zhàn)2上兩節(jié)課總結理論分辨率：短波長光源大NA：透鏡系統、浸潤小k1：RET及工藝和光刻膠改進PSMOPCOAI焦深:3SiO2與Si之間完美的界面特性是成就硅時代的主要原因硅工藝中的一系列重要硅基材料：SiO2：絕緣柵/絕緣/介質材料；Si3N4：介質材料，用作鈍化/掩蔽等；多晶硅：可以摻雜，導電；硅化物：導電，作為接觸和互連……4TEM照片——單晶硅表面熱氧化所得非晶二氧化硅薄膜5SiO2的基本性質通常熱氧化生長的SiO2是非晶的熔點：1732C(晶體結構)重量密度：2.27g/cm3原子密度：2.2×1022

分子/cm3折射率(refractiveindex)n=1.46介電常數(dielectricconstant)＝3.96可以方便地利用光刻和刻蝕實現圖形轉移可以作為多數雜質摻雜的掩蔽(B,P,As,Sb)

優(yōu)秀的絕緣性能(>1016

cm,Eg>9eV)

很高的擊穿電場(>107V/cm)

體電學性能穩(wěn)定

穩(wěn)定、可重復制造的Si/SiO2界面SiO2的基本性質7SiO2的結構按結構特點分為結晶型

(crystalline)：石英，水晶等非晶型（無定型amorphous）由Si－O四面體組成四面體中心是硅原子，四個頂角上是氧原子四面體之間由Si-O-Si連接與兩個硅連接的氧原子稱為橋聯氧或氧橋0.262nm0.262nm0.162nmOSi8非橋聯氧橋聯氧結構水晶二氧化硅9熱氧化生長，水存在的情況：Si:O:SiSi:O:H+H:O:Si摻雜雜質：取代Si的位置，網絡形成體（B，P）占據間隙位置，網絡變性體（金屬原子Na,K）含雜質的SiO2結構10SiO2在IC中的應用熱（生長）氧化淀積STI熱（生長）氧化11不同方法制作的SiO2的性質對比（定性）120.8nm柵氧化層離子注入掩蔽隔離工藝互連層間絕緣介質13氧化反應方程式（Overallreaction）這兩種反應都在700oC～1200oC之間進行水汽氧化比干氧氧化反應速率約高10倍Si(s)+O2(g)SiO2(s)Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g)干氧氧化（Dryoxidation)濕氧（Wet）/水汽氧化（Steamoxidation）14氧化生長——消耗硅體積膨脹2.2倍1mm厚SiO2消耗0.45mmSiSiO2受壓應力作用15LOCOS中，氧化硅的體積為所消耗的硅體積的2.2倍16SiO2生長動力學氣體中擴散固體中擴散SiO2形成SiO2Si襯底氣流滯流層氧化劑流動方向(如O2或H2O）17Deal－Grove模型

－硅的熱氧化模型Deal－Grove模型（線性－拋物線模型）(linear-parabolicmodel) —可以用固體理論解釋的一維平面生長氧化硅的模型。適用于：氧化溫度700～1200oC；局部壓強0.1~25個大氣壓；氧化層厚度為20～2000nm的水汽和干法氧化18Deal-Grove模型F1：氣體輸運流量F2：通過SiO2的擴散流量F3：在界面處的反應流量F:number/(cm2-s)C：number/cm3CG：氣相區(qū)氧化劑濃度；CS：氧化物外表面氧化劑濃度；CO：氧化物內表面氧化劑濃度；CI：氧化物生長界面氧化劑濃度Cs>Co19F1：從氣相區(qū)到硅片氧化層表面的氧分子流密度hg：質量輸運系數，cm/sC：氣流濃度，分子數/cm3F：氣流密度，分子數/(cm2-s)可求得令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，則1、理想氣體方程：PSV＝NkT，所以2、亨利定律：固體中溶解的氣體物質的平衡濃度與固體表面該處氣體物質的分壓強成正比CS＝N/V=PS/kT20F3：通過Si/SiO2界面產生化學反應的氧分子流密度

ks：界面反應速率，cm/sF2：從氧化物層表面擴散到Si/SiO2界面的氧分子流密度根據費克Fick第一定律，有假設：穩(wěn)態(tài)過程，氧化劑通過SiO2沒有損耗D：氧化劑在SiO2中的擴散系數，cm2/s21在穩(wěn)態(tài)條件下，應有ksx/D<<1時，反應速率控制ksx/D>>1時，擴散控制ksx/D1時，氧化從線性過渡到拋物線性，對應的氧化層厚度在50－200nm22若N1是指形成單位體積（cm3）SiO2所需要的氧化劑分子數即對于O2氧化，N1＝2.2×1022cm-3對于H2O氧化，N1＝4.4×1022cm-3

求得生長速率令B＝2DC*/N1，A=2D(1/ks+1/h),則B/AC*ks/N1，有h特別大，忽略了1/h項23為了討論方便，上式改寫為B＝2DC*/N1——拋物線速率常數，表示氧化劑擴散流F2的貢獻B/AC*ks/N1——線性速率常數，表示界面反應流F3的貢獻式中薄氧化硅時，線性速率常數B/A兩種極限情況厚氧化硅時，拋物線速率常數Bxox0tτ24實驗法提取B和B/A的值t有實驗值可供使用.25平坦沒有圖案的輕摻雜襯底上，在單一O2或H2O氣氛下，SiO2厚度大于20nm時，G－D模型能很好地描述氧化過程。B和B/A可以用Arrhenius表達式表達：氧化劑的擴散：界面反應速率：表中數值為Si（111）在總壓強為1atm下的速率常數，對于（100），則C2應除以1.68222O2通過95CH2O冒泡氧化H2+O2后端反應生成H2O氧化2627D-G模型的計算值：干O2氣氛中的熱氧化<100~200nm常用800-1200oC,1atm,0.1mm/hr高密度柵氧化等xi＝028D-G模型的計算值：H2O氣氛中的熱氧化>100~200nm常用700-1100oC,25atm,1mm/hr疏松，擴散阻擋能力較差

刻蝕掩膜和場氧化xi＝029D－G模型小結氧化速率為這個方程是在下列條件下的氧化動力學的一般表達式：平坦、無圖形的平面硅的氧化輕摻雜硅的氧化單一O2或H2O的氧化初始氧化硅的厚度大于20nm30對于超薄熱干氧化，G-D模型無法準確描述，實驗表明在20nm之內的熱氧化生長速度和厚度比G-D模型大的多。超薄熱氧化的模擬23nmD-G(τ=0)D-G(τ=40hr)31ModelofMassoudetal：C=C0exp(-EA/kT)C03.6×108

mm/hrEA2.35eVL7nmSUPREMIV使用模型目前機理不明，仍無公認的模型來解決這個問題！32影響氧化速率的因素壓強對氧化速率的影響晶向對氧化速率的影響摻雜對氧化速率的影響摻氯對氧化速率的影響33實驗表明：對于H2O氧化，氧化硅生長速率正比于PG，而O2的氧化無法完全用線性關系描述。在水汽氧化時：在氧氣氧化時：n0.7~0.8。上標i表示1atm下的相應值壓強對氧化速率的影響如果要達到給定的氧化速率，增加氣壓，則氧化溫度可以降低如果在同樣溫度下生長一個給定的氧化層厚度，增加氣壓，則氧化時間可以減少。3435晶向對氧化速率的影響化學反應速率常數ks與晶向有關。因此線性速率常數B/A與晶向有關。在適當溫度(111)晶向硅的B/A為(100)硅的1.68倍，（110）晶向為1.45倍的（100）晶向值。拋物線速率常數B與晶向無關。高溫長時間氧化，拋物線速率常數B起主要作用，晶向影響減弱。36襯底取向對氧化速率影響的原因B與晶向無關（B/A)111=1.68（B/A)100ks0是常數，與單位晶面上能與氧化劑反應的硅價鍵數成正比。37（100）Si，inH2Oat900Cfor30min38摻雜對氧化速率的影響900C時干氧氧化速率隨表面磷濃度的變化。反應速率限制情況。n＋：反應速率限制，B/A起主要作用，氧化速率取決于硅表面的摻雜濃度39SiO2SiO2H2OVII擴散（1＋2）Si＋2OI＋2V?SiO2＋2I＋應力空位V：N型非本征重摻雜中V遠高于輕摻雜氧化反應P型摻雜效應不明顯!!40摻氯對氧化速率的影響摻氯能增大B/A和B。Si-O鍵能4.25eV,Si-Cl鍵能0.5eV,Cl2先與Si反應生成氯硅化合物，然后再與氧反應生成SiO2，起催化作用Cl-還可以中和界面的電荷堆積,減少界面態(tài),BB/ADryO2+1-3%Cl;Clisametalgettercleaneroxide.41線性速率常數B/A拋物線速率常數B氧化氣壓（水汽氧化）隨氧氣氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性氧化氣壓（干氧化）隨氧氣氣壓呈亞線性隨氧化氣壓呈線性水汽氧化和干氧化對比水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大硅襯底取向B/A(111):B/A(100)=1.68:1和襯底取向無關硅中摻雜類型和濃度隨摻雜濃度增加關系不大氧化氣氛中摻氯增加增加B/A及B和工藝參數的關系42本節(jié)課主要內容壓強、晶向、摻雜濃度、摻氯壓強越高，氧化速率越快。水汽氧化線形關系，干氧化指數關系。（111）晶向氧化最快，（100）最慢。ks