學(xué)習(xí)-微電子工藝學(xué)課件

CMOS1 ———MOS—2 硅和砷化鎵等正因?yàn)槿绱?，微電子工藝中的薄膜方法千差萬(wàn)別，特點(diǎn)各異。3 濺射射直射磁反偏離流頻控應(yīng)壓子濺濺濺濺濺束射射射射射射

頻電電激頻阻子光感式束蒸應(yīng)蒸蒸發(fā)蒸發(fā)

延 延4薄 56SiO243SiO2437二氧化硅的主要性質(zhì)密度：無(wú)定形－2.21g/cm3，結(jié)晶形－2.65g/cm3折射率：波長(zhǎng)為550nm時(shí)，n1.46。不同方 SO2電阻率： 備的SO2>1017cm介電常數(shù)：3.9腐蝕：SO2化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，基本不與除氫氟酸外的其它酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：SiO26HFH2SiF62H2O，不同方法SO2薄膜8SiO2andtheSi/SiO2interfacearetheprincipalreasonsforsilicon’sdominanceintheICindustry.Nootherknownsemiconductor/insulatorcombinationhaspropertiesthatapproachtheSi/SiO2interface.

（BPAs優(yōu)秀的絕緣性能（>cm,Eg>9很高的擊穿電場(chǎng)（107穩(wěn)定、可 造的Si/ MOS是利用其高電阻率（1017cm）和介電強(qiáng)度（107V/cm）。只有熱氧化法可以提供為十到數(shù)百?。

0.8nmTechnologyNode(halfpi250180130906545322218MPUPrintedGateLeng10070533525181310DRAMBits/Chip(SampliGateOxideToxEquivalentGateOxideToxEquivalentLowOperatingPoweNewdielectricstoavoidtunneling(highK)GateDielectric<<<<<<MinSupplyVoltage選擇摻雜的掩蔽膜。（B、P）上的多個(gè)器件，可以采用一個(gè)厚的場(chǎng)氧化層實(shí)現(xiàn)有效。通常采用熱氧化生成，厚度0.25~1.5m。

金屬線影響。通常采用CVD方 Si3N4/SiO2/Si結(jié)構(gòu)。場(chǎng)氧化時(shí)，二氧化硅

場(chǎng)氧

緩沖

Ⅱ場(chǎng)氧

熱氧化法干氧氧化（DrySi(s)+O2(g) Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+95C的高純水，攜帶一定水蒸SiO2Si-SiO2熱氧化基本裝三氯乙2H2+O2=2H2OSi+2H2O=SiO2+2H2

900~12001C，

熱至400~1300：

玷污少（冷壁潔凈（腔體小

整批單片熱壁冷壁長(zhǎng)時(shí)間加熱和冷卻短時(shí)間加熱和冷卻硅片較小熱梯度硅片較大熱梯度長(zhǎng)周期短周期測(cè)量氣氛溫度測(cè)量硅片溫度步驟保壓工藝015235456758 熱氧化的基本過(guò)

VolumeVolumeofSiO2is30%largerthan

(1.3)3~2.2volumeoftheoxide modatedin 如果通過(guò)熱氧化生成的二氧化硅層厚度為x28.9g/mol2.33g/cm360.08g/mol2.21g/cm3V解：1molV

28.9g/mol12.06cm3/mol2.33g/cm3同樣，1mol 60.08g/mol27.18cm3/mol 2.21g/cm3當(dāng)1mol硅轉(zhuǎn)化為1mol

12.06 dSi

0.44d

SiO

例如產(chǎn)生100nm44nm24Si-SiO2界面的雜質(zhì)將在界面兩邊的雜質(zhì)在SiO2SiO2

kSikSi=Segregation不同雜質(zhì)在Si-SiO2系統(tǒng)中的分凝系1020進(jìn)行擴(kuò)散并逃逸至氣體環(huán)境。如果二氧化硅中的氧化速率：氧化過(guò)程中Si-SiO2界面按時(shí)間函kkSi=的再分布過(guò)程，并可分為兩組：氧化層吸收雜質(zhì)&氧化層排斥雜質(zhì)。每一kkkkkk比小于1，使硅表面的雜質(zhì)濃度幾乎降到零；kkSi=kkkk>1k如鎵。雖然分凝系數(shù)大于1，但大量k（O2氣體中擴(kuò)氣體中擴(kuò) 固體中擴(kuò) 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適用于700~13000.1~2530~2000nm

CSddCO通過(guò)

滯流層到達(dá)氣體-SiO2界面，流密度為J1J1=hg(CgCs

d dCCGCS：氣體內(nèi)及貼近SiO2表面氧化劑濃度hg：氣體質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)（cm/sSiO2SiO2-SiJ2（DSiO2：氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2DSiO2：氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)（cm2/s）；C0和CI分別表示SiO2層中和SiO2-Si界面處氧化劑濃度；x：SiO2層厚度（cm）2J2=

(C0Ci)ks：化學(xué)反應(yīng)常數(shù)（cm/sSi表面與SiSiO2J3ks：化學(xué)反應(yīng)常數(shù)（cm/s度C0應(yīng)與氣體中氧化劑分壓pg成正比C0＝Hpg。Hp

Hp

hhhhgCi

1+

h

x

C0

h

22x222

ksx，則CiC0HpgksxJ1=hgJ1=hg(CgCsJ2=2(C0Ci)到SiO2-Si界面。相比之下，界面處氧化劑與硅反應(yīng)生成SiO2的速度很慢，造成氧化劑在界面處堆積，趨近于SiO2層中的濃度。此時(shí)，SiO2生長(zhǎng)速

= = s s

HpgksxDSiO s 1+s

h

x

h

x

當(dāng)

2ksx時(shí)，Ci0，C02

SiO2-Si界面處的量極少，以至于到達(dá)界面處的氧SiO2，界面處沒(méi)有氧SiO2表面處，氧平衡時(shí)的濃度Hpg。此時(shí)，熱氧化硅生長(zhǎng)速率主要由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散速度決定，稱為擴(kuò)散

DDSiO與ks22

ksx50~200Nl是形成單位體積（cm3）SiO2所需要的氧化劑分子數(shù)，已知SiO2的分子數(shù)為2.2×1022atoms/cm3， i1+ h i1+ hkxssH2O氧化，Nl＝4.4×1022atoms/cm3

生長(zhǎng)速率：R

dx=J3

ks2 NlkshksxDSiO2假設(shè)氧化前已存在厚度為d0的氧化層，則分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當(dāng)氧化時(shí)間很長(zhǎng)，即tτ tA24B時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為x2Btτ（拋物線階段，B為拋物線型速率常數(shù)A=2DSiOks

k

22B=2DSiOHpg2

= h1000ks ks+ kksx=BtτAt硅熱氧化的普遍關(guān)系及兩種極限形 薄氧化x=BtτAtτBtτBx2+Ax=Bt+τx=BtτxBB/AArrhenius

activation

強(qiáng)為1atm下的速率常數(shù)，對(duì)于（100），則C2應(yīng)除以O(shè)2+ 2 成 RepresentSi-Sibond

B=2DSiOHpg2B 2

ks+ RepresentdiffusionofO2x2+Ax=Bt+ττx2+AxB

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

A=2DSiOks2lB=2DSiOHpgl2

Bpg,

BABBBipgpgBBiB

BiPn BBin0.7~0.8，上標(biāo)i表示1atm下的相應(yīng) (

/kT

A=2DSiOks22B=2DSiOHpg220Ea/kT 0

2 D02

B=2DSiO

ks

2s k 2s結(jié)論：B

結(jié)論：2.00eV，接近Si-Si鍵斷裂所需要的1.83eV能量，說(shuō)數(shù)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與反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度的關(guān) ddd＝23nmd＝0計(jì)算，d0，d1200C1小時(shí)，產(chǎn)生的氧化層厚度是多少？在溫度為1200C下再進(jìn)行濕氧氧化生成0.1m的氧化層需要增加多長(zhǎng)時(shí)間？已知在1200C下干氧氧化速率常數(shù)A＝0.04m，B＝0.045m2/h，＝0.027h。1200C下濕氧氧化速率常數(shù)A＝0.05解：將A、B、代入方程x＝0.196

AxB(t)d0＝0.196m(d2Ad)/B 最后的氧化層厚度xd00.10.296m程得到需增加的氧化時(shí)間為：t＝0.075h＝4.5min

雜質(zhì)在硅中的平衡濃 汽、鈉、氯、氯化物k1的慢擴(kuò)散雜質(zhì)（例如硼B(yǎng)B明顯增大，B/Ak>1的雜質(zhì)（例如磷

，分凝而集中在Si-SiO2界面附近的硅中，線性速率常數(shù)明顯增大（N+區(qū)及低溫氧化更明顯）。， （（1＋2）Si＋2OI＋2VSiO2＋2IVIIVIIN型非本征重?fù)诫sV遠(yuǎn) dd重?fù)诫s3~5d

鈉：當(dāng)氧化層中含有濃度為1020atoms/cm3氯：HCl是最常用的氯源4HClO22H2O增加氧化層下面硅中少數(shù)載流

只要注只要注 DryDryO2+1-3%Cl;ClisametalgettercleanerB/AB和工藝參數(shù)的關(guān)系氧化氣壓（干氧化D-G(=D-G(=在20nm之內(nèi)的熱氧化D-G(=D-G(=

D-G模型的修D(zhuǎn)-G模型對(duì)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+附加項(xiàng)dx/dtduringinitialL≈7nm，附 DG型（ReismanHan等）及實(shí)

在ULSI中，薄柵氧化層（1nm）Si-SiO2低的熱預(yù)算（thermal

B=2DSiOHpg2

B

ks+ BBiPn,BBiP 惰性氣體（如氮、氦、氬）NH3或N2O高介電常數(shù)介質(zhì)（HighkDielectric）－同樣?xùn)烹娙菹聳沤橘|(zhì)層厚度可成比例增大。HfBasedHigh-KDielectric+MetalGate（In

CASiO2CVDSiO2或SiO2Si3N4（ON或ONO）非平面氧化受晶向、氧化劑2Drr低溫下氧化滯后更嚴(yán)重，1200C2D2DTheflowpropertiesoftheSiO2needtobedescribedbyastressdependentviscosity.(stress)(T) SVC/2sinhSVC/2kTWhereSistheshearstressintheoxideandVCafitting 選擇性擴(kuò)散的掩蔽：某些雜質(zhì)（例如B、P）在二掩掩蔽是相對(duì) D(E D D0Ea雜質(zhì)在SiO2Si-SiO2界面因氧化的不連續(xù)而存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)，各種不 －氧化層可移動(dòng)電荷（mobileoxide－氧化層勢(shì)阱電荷（oxidetrapped－氧化層固定電荷（fixedoxide－界面勢(shì)阱電荷（interfacetrappedFermi NMOS：

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

MOSFET柵源漏柵源漏襯V tmsQf Qit(0)QMCox位臵Si/SiO2來(lái)源:QfQfSi表面的懸掛鍵（DanglingbondSi·）可束縛載流子的界面電離雜質(zhì)（荷電中心電荷：Si交換電荷，中性，密度109~1011cm-2影響因素：溫度、氣氛（or干氧）Qit(100)Qit(1115通過(guò)FGA有效降低Qit的實(shí) 500oC/10min/10%H500oC/10min/10%H2in450oC/10min/25%H2inAnnealingFGA）350~500CMidgapMidgapQit

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

2

H2Si?+HQit位臵：靠近界面氧化層內(nèi)<2～3nm范圍電荷：正電荷，電荷密度109-1011cm-2，電。來(lái)源：由不完全氧化的帶有凈正電荷的Si。速率越快，Qf值越低，但硅片直徑大于100mm的硅片不宜降溫太快。晶向：Qf(111Qf(110Qf(100)=32

DealT不變

Qit&

惰性氣體中升降 來(lái)源：金屬化（Metallization）及別的污染，例如堿金屬離子（Na+,K+）結(jié)果：造成MOS器件閾值電壓VT的變化及穩(wěn)定性減少Q(mào)m的具體方法 NotanissueO2-HCl1150C/2采用摻氯氧化，源有HCl-O2、TCE、TCAPSG（phosphosilicateglass）位臵：來(lái)源:－氧化層中一些Si-O、Si-Si、Si-H、Si-－電離輻照（ionization－工藝過(guò)程： X結(jié)果：這些陷阱會(huì)捕獲空穴或電子10001000CSiO2打斷—H2300C加對(duì)于輻射不敏感的鈍化層，如Al2O3物理測(cè)量：AFM、SEM、TEM、表面光度法光學(xué)測(cè)量：比色法 法&橢圓偏光法厚度、折射率，非破壞電學(xué)測(cè)量：電容-電壓（C-V）AFM、SEM、TEM或表面光度儀有10nm以下的分辨

表面被氧化的硅片時(shí)，光會(huì)穿過(guò)氧化層，并被下層的硅反射。相長(zhǎng)干涉colorcorrelatedwiththicknessofdielectriclayer(10-20nm法