集成電路制造技術原理與工藝[王蔚][習題答案(第2單元)

1、第二單元習題解答1. SiO2膜網絡結構特點是什么？氧和雜質在 SiO2網絡結構中的作用和用途是什么？對SiO2膜性能有哪些影響？二氧化硅的基本結構單元為 Si-O 四面體網絡狀結構，四面體中心為硅原子，四個頂角 上為氧原子。對 SiO2 網絡在結構上具備“長程無序、短程有序”的一類固態(tài)無定形體或玻 璃體。半導體工藝中形成和利用的都是這種無定形的玻璃態(tài)SiO2。氧在 SiO2 網絡中起橋聯(lián)氧原子或非橋聯(lián)氧原子作用，橋聯(lián)氧原子的數目越多，網絡結 合越緊密，反之則越疏松。在連接兩個 Si-O 四面體之間的氧原子摻入SiO2中的雜質，按它們在 SiO2網絡中所處的位置來說，基本上可以有兩類：替代 （

2、位）式雜質或間隙式雜質。取代 Si-O 四面體中 Si 原子位置的雜質為替代（位）式雜質。 這類雜質主要是川A, V A元素，如B、P等，這類雜質的特點是離子半徑與 Si原子的半徑 相接近或更小，在網絡結構中能替代或占據 Si 原子位置，亦稱為網絡形成雜質。由于它們的價電子數往往和硅不同， 所以當其取代硅原子位置后， 會使網絡的結構和性 質發(fā)生變化。如雜質磷進入二氧化硅構成的薄膜稱為磷硅玻璃，記為PSG;雜質硼進入二氧化硅構成的薄膜稱為硼硅玻璃，記為BSG。當它們替代硅原子的位置后，其配位數將發(fā)生改變。具有較大離子半徑的雜質進入 SiO2網絡只能占據網絡中間隙孔（洞）位置，成為網絡 變形（改變

3、）雜質，如 Na、 K、 Ca、 Ba、 Pb 等堿金屬、堿土金屬原子多是這類雜質。當網 絡改變雜質的氧化物進入 SiO2后，將被電離并把氧離子交給網絡，使網絡產生更多的非橋 聯(lián)氧離子來代替原來的橋聯(lián)氧離子， 引起非橋聯(lián)氧離子濃度增大而形成更多的孔洞， 降低網 絡結構強度，降低熔點，以及引起其它性能變化。2. 在SiO2系統(tǒng)中存在哪幾種電荷？他們對器件性能有些什么影響？工藝上如何降低他們的密度？在二氧化硅層中存在著與制備工藝有關的正電荷。在 SiO2內和SiO2-Si界面上有四種類 型的電荷：可動離子電荷： Qm；氧化層固定電荷：Qf ；界面陷阱電荷：Qit ；氧化層陷阱電 荷：Qot。這些正

4、電荷將引起硅/二氧化硅界面p-硅的反型層，以及 MOS器件閾值電壓不穩(wěn) 定等現象，應盡量避免。（1）可動離子電荷（Mobile ionic charge） Qm主要是Na+、K+、H+等荷正電的堿金屬 離子，這些離子在二氧化硅中都是網絡修正雜質， 為快擴散雜質， 電荷密度在 10101012/cm2。 其中主要是Na+，因為在人體與環(huán)境中大量存在 Na+，熱氧化時容易發(fā)生 Na+沾污。Na+M子沾污往往是在 SiO2層中造成正電荷的一個主要來源。 這種正電荷將影響到 SiO2 層下的硅的表面勢，從而， SiO2層中Na+的運動及其數量的變化都將影響到器件的性能。進 入氧化層中的Na+數量依賴于

5、氧化過程中的清潔度。現在工藝水平已經能較好地控制Na+的沾污，保障 MOS 晶體管閾值電壓 VT 的穩(wěn)定。存在于SiO2中的Na +，即使在低于200C的溫度下在氧化層中也具有很高的擴散系數。同時由于Na以離子的形態(tài)存在， 其遷移(transport)能力因氧化層中存在電場而顯著提高。為了降低Na+的沾污，可以在工藝過程中采取一些預防措施，包括：使用含氯的氧化工藝；用氯周期性地清洗管道、爐管和相關的容器； 使用超純凈的化學物質；保證氣體在傳輸過程的清潔。另外保證柵材料(通常是多晶硅)不受沾污也是很重要的。使用PSG和BPSG玻璃鈍化可動離子，可以降低可動離子的影響。因為這些玻璃體能捕獲可動離子

6、。用等離子淀積氮化硅來封閉已經完成的芯片，氮化硅起阻擋層的作用，可以防止Na+、水汽等有害物的滲透。(2) 固定離子電荷(Fixed Oxide Charge)Qf,通常是帶正電，但是在某些情況下也可能帶負電，它的極性不隨表面勢和時間的變化而變化，所以叫它固定電荷。 這種電荷是指位于距離Si-SiO2界面3nm的氧化層范圍內的正電荷，又稱界面電荷，是由氧化層中的缺陷引 起的，電荷密度在IO101O12/cm-2。然而在超薄氧化層(v 3.0nm)中，電荷離界面更近，或者是分布于整個氧化層之中。固定離子電荷的來源普遍認為是氧化層中過剩的硅離子，或者說是氧化層中的氧空位。由于氧離子帶負電，氧空位具

7、有正電中心的作用，所以氧化層中的固定電荷帶正電。固定氧化層電荷的能級在硅的禁帶以外，但在SiO2禁帶中。硅襯底晶向、氧化條件和退火溫度的適當選擇，可以使固定正電荷控制在較低的密度。同時降低氧化時氧的分壓，也可減小過剩Si+的數量，有助于減小固定正電荷密度。另外，含氯氧化工藝也能降低固定正電荷的密度。(3) 界面陷阱電荷(Interface trapped charge ) Qit,位于SiOz/Si界面上，電荷密度在1010/cm-2左右，是由能量處于硅禁帶中、可以與價帶或導帶方便交換電荷的那些陷阱能級或電荷狀態(tài)引起的。那些陷阱能級可以是施主或受主，也可以是少數載流子的產生和復合中心，包括起源

8、于Si-SiO2界面結構缺陷(如硅表面的懸掛鍵)、氧化感生缺陷以及金屬雜質和輻射 等因素引起的其它缺陷。通常可通過氧化后在低溫、惰性氣體中退火來降低Qit的濃度。在(100)的硅上進行干氧氧化后，Dit的值大約是1011 1012/cm2eV，而且會隨著氧化溫度的升高而減少。(4) 氧化層陷阱電荷 (Oxide trapped charge ) Qot,它位于SiO2中和Si/SiO2界面附近， 這種陷阱俘獲電子或空穴后分別荷負電或正電，電荷密度在1091013/cm2左右。這是由氧化層內的雜質或不飽和鍵捕捉到加工過程中產生的電子或空穴所引起的。在氧化層中有些缺陷能產生陷阱，如懸掛鍵、界面陷阱

9、變形的Si-Si、Si-O鍵。氧化層陷阱電荷的產生方式主要有電離輻射和熱電子注入。減少電離輻射陷阱電荷的主要工藝方法有：選擇適當的氧化工藝條件以改善SiO2結構，使Si-O-Si鍵不易被打破。一般稱之為抗輻照氧化最佳工藝條件，常用1000 C干氧氧化。在惰性氣體中進行低溫退火(150400 C )可以減少電離輻射陷阱。3. 欲對擴散的雜質起有效的屏蔽作用，對 SiO2膜有何要求？工藝上如何控制氧化膜生長質量?硅襯底上的SiO2若要能夠當作掩膜來實現定域擴散的話，就應該要求雜質在SiO2層中的擴散深度 為小于SiO2本身的厚度xSiO，即有Xj : XSiO2實際上只有對那些DSiO2 v DS

10、i,即 DSi 1的雜質，用SiO2膜掩蔽才有實用價值。DSiO2SiO2掩膜最小厚度確定硅襯底上的SiO2要能夠當作掩膜來實現定域擴散的話，只要xSiO2能滿足條件：預生長的SiO2膜具有一定的厚度，同時雜質在襯底硅中的擴散系數DSi要遠遠大于其在 SiO2中的擴散系數DSiO (即DSi ? DSiO)，而且SiO2表面雜質濃度(Cs) 與SiO2-Si界面雜質濃度(CI)之比達到一定數值，可保證SiO2膜能起到有效的掩蔽作用。C 3若取=103，則所需氧化層的最小厚度為CI4. 由熱氧化機理解釋干、濕氧速率相差很大這一現象由二氧化硅基本結構單元可知，位于四面體中心的Si原子與四個頂角上的

11、氧原子以共價鍵方式結合在一起，Si原子運動要打斷四個 Si-O鍵，而橋聯(lián)O原子的運動只需打斷二個 Si-O鍵，非橋聯(lián)氧原子只需打斷一個Si-O鍵。因此，在 SiO2網絡結構中，O原子比Si原子更容易運動。氧原子離開其四面體位置運動后，生成氧空位。在熱氧化過程中，氧離子或水分子能夠在已生長的SiO2中擴散進入SiO2/Si界面，與Si原子反應生成新的 SiO2網絡結構，使SiO2膜不斷增厚。與此相反，硅體內的Si原子則不容易掙脫 Si共價鍵的束縛，也不容易在已生長的 SiO2網絡中移動。所以，在熱氧化的過程中，氧化反應將在SiO2-Si界面處進行，而不發(fā)生在 SiO2層的外表層，這一特性決定了熱

12、氧化的機理。為了解釋線性速率常數與硅表面晶向的關系，有人提出了一個模型。根據這個模型，在 二氧化硅中的水分子和Si-SiO2界面的Si-Si鍵之間能直接發(fā)生反應。 在這個界面上的所有的硅原子，一部分和上面的氧原子橋聯(lián)，一部分和下面的Si原子橋聯(lián)，這樣氧化速率與晶向的關系就變成了氧化速率與氧化激活能和反應格點的濃度的關系了。在SiO2-Si界面上，任何一個時刻并不是處于不同位置的所有硅原子對氧化反應來說都是等效的，也就是說不是所有硅原子與水分子都能發(fā)生反應生成Si。?。實驗發(fā)現，在干氧氧化的氣氛中，只要存在極小量的水汽，就會對氧化速率產生重要影 響。對于硅的(100)晶面，在800 C的溫度下進

13、行干氧氧化時，當氧化劑氣氛中的水汽含量小于1ppm時，氧化700分鐘，氧化層厚度為 300?;在同樣條件下，水汽含量為25ppm時，氧化層厚度為370 ?。在上述實驗中，為了準確控制水汽含量，氧氣源是液態(tài)的；為了防止 高溫下水汽通過石英管壁進入氧化爐內，氧化石英管是雙層的， 并在兩層中間通有高純氮或氬，這樣可以把通過外層石英管進入到夾層中的水汽及時排除。5. 薄層氧化過程需注意哪些要求？現采用的工藝有哪些?在ULSI中，MOS薄柵氧化層(Mi。？ T預淀積工藝主要以恒定表面源擴散為主，所以雜質總量預淀積為余誤差分布,Q(t) =1.13Cs .5? =1.84 10155=2 10 ;由圖 3

14、.7 得：A6.2 ;Xj=A、-Dt =6.2. 1.47 10J5 30 60 ： 0.1m再分布過程符合限定表面源擴散規(guī)律，所以表面雜質濃度Cs t= C(0,t)二Q: Dt1.84X015、二 4.89 104 50 60192=8.57 10 atoms/cmXjDt =6.0 .4.89 104 50 60 =7.26 10“cm = 0.726m11. 什么是溝道效應？如何才能避免?對晶體靶進行離子注入時， 當離子注入的方向與靶晶體的某個晶向平行時，其運動軌跡將不再是無規(guī)則的，而是將沿溝道運動并且很少受到原子核的碰撞，因此來自靶原子的阻止作用要小得多，而且溝道中的電子密度很低，

15、受到的電子阻止也很小，這些離子的能量損失率就很低。在其他條件相同的情況下，很難控制注入離子的濃度分布，注入深度大于在無定形靶中的深度并使注入離子的分布產生一個很長的拖尾，注入縱向分布峰值與高斯分布不 同，這種現象稱為離子注入的溝道效應(Cha nneling effect )。減少溝道效應的措施：(1)對大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7- 10; (2)用Si, Ge, F, Ar等離子注入使表面預非晶化， 形成非晶層(Pre-amorphization); (3)增加注入劑量(晶 格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少)；(4)表面用Si。?層掩膜。12. 硼注入，峰值濃度(Rp在0.1卩

16、m處，注入能量是多少？解：由表6-19，峰值濃度在 0.1卩m處注入能量是 30keV13. 在1000C工作的擴散爐，溫度偏差在土1C,擴散深度相應的偏差是多少？假定是高斯擴散。解：擴散溫度導致的擴散深度偏差產生主要來源于擴散系數差_E 由公式 D=D0exp| a I，以P擴為例口D(1001)/D(1000)=exp爲=97.46%9#D(999)/D(1000)= exp 旦 旦 103.04%|1272 12731對n區(qū)進行p擴散，使Cs =1000CB，證明：假定是恒定源擴散，結深與(Dt)2 成正比，請確定比例因子。#證：恒定源擴散時硅一直處于雜質氛圍中, 因此，認為硅片表面達到

17、了該擴散溫度的固溶度#Cs，根據這種擴散的特點，解一維擴散方程式29(x,t) _D： C(x，t)，rf 2-t:x#其初始條件和邊界條件為初始條件C(x,0) =0,t =0邊界條件C(O,t)二 Cs,x =0C( = t) =0按上述初始條件和邊界條件，可解得硅中雜質分布的表達式x2 6XC(x,t) =Cs(1) exp(仝 2)d 二 C$erfc()兀 02“Dt10兩種雜質濃度相等處形成pn結。其結的位置由 C x,ti； = CBXj=2沁壇頃= AVDT11#A= 2erfc Cb 二 2erfc J 1:- 9.2Cs100014. 什么是硼的逆退火特性?對于兩種較高劑量

18、(Ns =2.5 1014/cm2和Ns =2 1015/cm2 )注入情況，從退火特性與溫度變化關系可分為三個溫度區(qū)：I區(qū)(500 C以下)區(qū)(500600 C)、川區(qū)(600 C以上)。其中I、川區(qū)均表現為電激活比例隨著退火溫度升高而增加；n區(qū)則表現出反常退火特性，出現逆退火現象 -隨著溫度升高電激活比例反而下降。當退火溫度在500 600 C的范圍內，點缺陷通過重新組合或結團，例如凝聚為位錯環(huán)一類較大尺寸的缺陷團(二次缺陷)，降低其能量。因為硼原子非常小并和缺陷團有很強的作用，很容易遷移或被結合到缺 陷團中，處于非激活位置，因而出現隨溫度的升高而替位硼的濃度下降的現象，也就是自由載流子濃

19、度隨溫度上升而下降的現象。在600 C附近替位硼濃度降到一個最低值。與500 C情況相比，在區(qū)域n 600C它的最后狀態(tài)是少量替代位B和大量沒有規(guī)定晶格位置的非替代位硼原子。因此硼可能淀積在位錯處或靠近位錯處。15. 什么是溝道效應？如何才能避免？對晶體靶進行離子注入時，當離子注入的方向與靶晶體的某個晶向平行時，其運動軌跡將不再是無規(guī)則的，而是將沿溝道運動并且很少受到原子核的碰撞，因此來自靶原子的阻止作用要小得多，而且溝道中的電子密度很低，受到的電子阻止也很小，這些離子的能量損失率就很低。在其他條件相同的情況下，很難控制注入離子的濃度分布，注入深度大于在無定形靶中的深度并使注入離子的分布產生一個很長的拖尾，注入縱向分布峰值與高斯分布不 同，這種現象稱為離子注入的溝道效應(Cha nneling effect )。減少溝道效應的措施：(1)對大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7- 10; (2)用Si, Ge, F, Ar等離子注入使表面預非晶化， 形成非晶層(Pre-amorphization); (3)增加注入劑量(晶 格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少) ；(4)表面用SiO2層掩膜。16. 在1050C濕氧氧化氣氛生長1 Jm厚的氧化層，計算所需時間？若拋物線形速率常數與氧化氣壓成正比，分別計算5個、20個大氣壓下的氧化時間解：氧