学习-微电子工艺学课件

CMOS1 ———MOS—2 硅和砷化镓等正因为如此，微电子工艺中的薄膜方法千差万别，特点各异。3 溅射射直射磁反偏离流频控应压子溅溅溅溅溅束射射射射射射

频电电激频阻子光感式束蒸应蒸蒸发蒸发

延 延4薄 56SiO243SiO2437二氧化硅的主要性质密度：无定形－2.21g/cm3，结晶形－2.65g/cm3折射率：波长为550nm时，n1.46。不同方 SO2电阻率： 备的SO2>1017cm介电常数：3.9腐蚀：SO2化学性质非常稳定，基本不与除氢氟酸外的其它酸发生化学反应：SiO26HFH2SiF62H2O，不同方法SO2薄膜8SiO2andtheSi/SiO2interfacearetheprincipalreasonsforsilicon’sdominanceintheICindustry.Nootherknownsemiconductor/insulatorcombinationhaspropertiesthatapproachtheSi/SiO2interface.

（BPAs优秀的绝缘性能（>cm,Eg>9很高的击穿电场（107稳定、可 造的Si/ MOS是利用其高电阻率（1017cm）和介电强度（107V/cm）。只有热氧化法可以提供为十到数百Å。

0.8nmTechnologyNode(halfpi250180130906545322218MPUPrintedGateLeng10070533525181310DRAMBits/Chip(SampliGateOxideToxEquivalentGateOxideToxEquivalentLowOperatingPoweNewdielectricstoavoidtunneling(highK)GateDielectric<<<<<<MinSupplyVoltage选择掺杂的掩蔽膜。（B、P）上的多个器件，可以采用一个厚的场氧化层实现有效。通常采用热氧化生成，厚度0.25~1.5m。

金属线影响。通常采用CVD方 Si3N4/SiO2/Si结构。场氧化时，二氧化硅

场氧

缓冲

Ⅱ场氧

热氧化法干氧氧化（DrySi(s)+O2(g) Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+95C的高纯水，携带一定水蒸SiO2Si-SiO2热氧化基本装三氯乙2H2+O2=2H2OSi+2H2O=SiO2+2H2

900~12001C，

热至400~1300：

玷污少（冷壁洁净（腔体小

整批单片热壁冷壁长时间加热和冷却短时间加热和冷却硅片较小热梯度硅片较大热梯度长周期短周期测量气氛温度测量硅片温度步骤保压工艺015235456758 热氧化的基本过

VolumeVolumeofSiO2is30%largerthan

(1.3)3~2.2volumeoftheoxide modatedin 如果通过热氧化生成的二氧化硅层厚度为x28.9g/mol2.33g/cm360.08g/mol2.21g/cm3V解：1molV

28.9g/mol12.06cm3/mol2.33g/cm3同样，1mol 60.08g/mol27.18cm3/mol 2.21g/cm3当1mol硅转化为1mol

12.06 dSi

0.44d

SiO

例如产生100nm44nm24Si-SiO2界面的杂质将在界面两边的杂质在SiO2SiO2

kSikSi=Segregation不同杂质在Si-SiO2系统中的分凝系1020进行扩散并逃逸至气体环境。如果二氧化硅中的氧化速率：氧化过程中Si-SiO2界面按时间函kkSi=的再分布过程，并可分为两组：氧化层吸收杂质&氧化层排斥杂质。每一kkkkkk比小于1，使硅表面的杂质浓度几乎降到零；kkSi=kkkk>1k如镓。虽然分凝系数大于1，但大量k（O2气体中扩气体中扩 固体中扩 SiO2SiFirst-OrderPlanarGrowthKineticsModel－Deal-Grove（D-ThinOxideGrowthKinetics2DSiO2GrowthKinetics OnlyTheParanoid一一、Deal-Grove（D-G）氧化B.E.DEALandA.S.GROVE,J.Appl.Phys.36,3770适用于700~13000.1~2530~2000nm

CSddCO通过

滞流层到达气体-SiO2界面，流密度为J1J1=hg(CgCs

d dCCGCS：气体内及贴近SiO2表面氧化剂浓度hg：气体质量输运系数（cm/sSiO2SiO2-SiJ2（DSiO2：氧化剂在SiO2中的扩散系数（cm2DSiO2：氧化剂在SiO2中的扩散系数（cm2/s）；C0和CI分别表示SiO2层中和SiO2-Si界面处氧化剂浓度；x：SiO2层厚度（cm）2J2=

(C0Ci)ks：化学反应常数（cm/sSi表面与SiSiO2J3ks：化学反应常数（cm/s度C0应与气体中氧化剂分压pg成正比C0＝Hpg。Hp

Hp

hhhhgCi

1+

h

x

C0

h

22x222

ksx，则CiC0HpgksxJ1=hgJ1=hg(CgCsJ2=2(C0Ci)到SiO2-Si界面。相比之下，界面处氧化剂与硅反应生成SiO2的速度很慢，造成氧化剂在界面处堆积，趋近于SiO2层中的浓度。此时，SiO2生长速

= = s s

HpgksxDSiO s 1+s

h

x

h

x

当

2ksx时，Ci0，C02

SiO2-Si界面处的量极少，以至于到达界面处的氧SiO2，界面处没有氧SiO2表面处，氧平衡时的浓度Hpg。此时，热氧化硅生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散速度决定，称为扩散

DDSiO与ks22

ksx50~200Nl是形成单位体积（cm3）SiO2所需要的氧化剂分子数，已知SiO2的分子数为2.2×1022atoms/cm3， i1+ h i1+ hkxssH2O氧化，Nl＝4.4×1022atoms/cm3

生长速率：R

dx=J3

ks2 NlkshksxDSiO2假设氧化前已存在厚度为d0的氧化层，则分x2+Ax=Bt+τ式中：A2DSiOks2B2DSiOHpg2τd2AdB，d0 x2+Ax=Bt+τ

x=A2

tτ tτA24Bt+τA24B200nm厚度需6min，400nmx=B200nm厚度需6min，400nmA当氧化时间很长，即tτ tA24B时，上式可简化为x2Btτ（抛物线阶段，B为抛物线型速率常数A=2DSiOks

k

22B=2DSiOHpg2

= h1000ks ks+ kksx=BtτAt硅热氧化的普遍关系及两种极限形 薄氧化x=BtτAtτBtτBx2+Ax=Bt+τx=BtτxBB/AArrhenius

activation

强为1atm下的速率常数，对于（100），则C2应除以O2+ 2 成 RepresentSi-Sibond

B=2DSiOHpg2B 2

ks+ RepresentdiffusionofO2x2+Ax=Bt+ττx2+AxB

氧化速率为：RdxB2xBtτx=BtτAO2H2O初始氧化硅的厚度大于20

A=2DSiOks2lB=2DSiOHpgl2

Bpg,

BABBBipgpgBBiB

BiPn BBin0.7~0.8，上标i表示1atm下的相应 (

/kT

A=2DSiOks22B=2DSiOHpg220Ea/kT 0

2 D02

B=2DSiO

ks

2s k 2s结论：B

结论：2.00eV，接近Si-Si键断裂所需要的1.83eV能量，说数B/A的主要因素

2(100)1100100018002(100)110010001800001234567700 Time-(100)(100)120011001000900800轈轈轈轈0

Time-

轈 轈

700-1100ºC25atm1mhr 2B=2DSiOHpg2

A=2DSiOks22B=2DSiOHpg22B

Hpg

keEakT k （B/A)（B/A)111=B

Hpg

B= k

（100）Si，inHOat900Cfor30与反应时间、反应温度的关 ddd＝23nmd＝0计算，d0，d1200C1小时，产生的氧化层厚度是多少？在温度为1200C下再进行湿氧氧化生成0.1m的氧化层需要增加多长时间？已知在1200C下干氧氧化速率常数A＝0.04m，B＝0.045m2/h，＝0.027h。1200C下湿氧氧化速率常数A＝0.05解：将A、B、代入方程x＝0.196

AxB(t)d0＝0.196m(d2Ad)/B 最后的氧化层厚度xd00.10.296m程得到需增加的氧化时间为：t＝0.075h＝4.5min

杂质在硅中的平衡浓 汽、钠、氯、氯化物k1的慢扩散杂质（例如硼BB明显增大，B/Ak>1的杂质（例如磷

，分凝而集中在Si-SiO2界面附近的硅中，线性速率常数明显增大（N+区及低温氧化更明显）。， （（1＋2）Si＋2OI＋2VSiO2＋2IVIIVIIN型非本征重掺杂V远 dd重掺杂3~5d

钠：当氧化层中含有浓度为1020atoms/cm3氯：HCl是最常用的氯源4HClO22H2O增加氧化层下面硅中少数载流

只要注只要注 DryDryO2+1-3%Cl;ClisametalgettercleanerB/AB和工艺参数的关系氧化气压（干氧化D-G(=D-G(=在20nm之内的热氧化D-G(=D-G(=

D-G模型的修D-G模型对于干氧氧化初x2+Ax=Bt+ττd02+Ad0B

例：Massoud

dxO 2xO

CexpxO L L

SUPREMIV

C03.6×108mm/hr，EA2.35eV，L7D-G模型+附加项dx/dtduringinitialL≈7nm，附 DG型（ReismanHan等）及实

在ULSI中，薄栅氧化层（1nm）Si-SiO2低的热预算（thermal

B=2DSiOHpg2

B

ks+ BBiPn,BBiP 惰性气体（如氮、氦、氩）NH3或N2O高介电常数介质（HighkDielectric）－同样栅电容下栅介质层厚度可成比例增大。HfBasedHigh-KDielectric+MetalGate（In

CASiO2CVDSiO2或SiO2Si3N4（ON或ONO）非平面氧化受晶向、氧化剂2Drr低温下氧化滞后更严重，1200C2D2DTheflowpropertiesoftheSiO2needtobedescribedbyastressdependentviscosity.(stress)(T) SVC/2sinhSVC/2kTWhereSistheshearstressintheoxideandVCafitting 选择性扩散的掩蔽：某些杂质（例如B、P）在二掩掩蔽是相对 D(E D D0Ea杂质在SiO2Si-SiO2界面因氧化的不连续而存在一个过渡区，各种不 －氧化层可移动电荷（mobileoxide－氧化层势阱电荷（oxidetrapped－氧化层固定电荷（fixedoxide－界面势阱电荷（interfacetrappedFermi NMOS：

kTlnNaiPMOS：fiPMOS：fkTlnNqni 2tfsdox4qNd(f)ox f4qNsdoxft 2

MOSFET栅源漏栅源漏衬V tmsQf Qit(0)QMCox位臵Si/SiO2来源:QfQfSi表面的悬挂键（DanglingbondSi·）可束缚载流子的界面电离杂质（荷电中心电荷：Si交换电荷，中性，密度109~1011cm-2影响因素：温度、气氛（or干氧）Qit(100)Qit(1115通过FGA有效降低Qit的实 500oC/10min/10%H500oC/10min/10%H2in450oC/10min/25%H2inAnnealingFGA）350~500CMidgapMidgapQit

30退火前，Qit约1011cm-退火后，Qit约1010cm-2－ Hfastthrough60

2

H2Si•+HQit位臵：靠近界面氧化层内<2～3nm范围电荷：正电荷，电荷密度109-1011cm-2，电。来源：由不完全氧化的带有净正电荷的Si。速率越快，Qf值越低，但硅片直径大于100mm的硅片不宜降温太快。晶向：Qf(111Qf(110Qf(100)=32

DealT不变

Qit&

惰性气体中升降 来源：金属化（Metallization）及别的污染，例如碱金属离子（Na+,K+）结果：造成MOS器件阈值电压VT的变化及稳定性减少Qm的具体方法 NotanissueO2-HCl1150C/2采用掺氯氧化，源有HCl-O2、TCE、TCAPSG（phosphosilicateglass）位臵：来源:－氧化层中一些Si-O、Si-Si、Si-H、Si-－电离辐照（ionization－工艺过程： X结果：这些陷阱会捕获空穴或电子10001000CSiO2打断—H2300C加对于辐射不敏感的钝化层，如Al2O3物理测量：AFM、SEM、TEM、表面光度法光学测量：比色法 法&椭圆偏光法厚度、折射率，非破坏电学测量：电容-电压（C-V）AFM、SEM、TEM或表面光度仪有10nm以下的分辨

表面被氧化的硅片时，光会穿过氧化层，并被下层的硅反射。相长干涉colorcorrelatedwiththicknessofdielectriclayer(10-20nm法