复旦集成电路工艺课件-06

集成电路工艺原理

仇志军zjqiu@邯郸校区物理楼435室1大纲第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章

热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战2上两节课总结理论分辨率：短波长光源大NA：透镜系统、浸润小k1：RET及工艺和光刻胶改进PSMOPCOAI焦深:3SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因硅工艺中的一系列重要硅基材料：SiO2：绝缘栅/绝缘/介质材料；Si3N4：介质材料，用作钝化/掩蔽等；多晶硅：可以掺杂，导电；硅化物：导电，作为接触和互连……4TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜5SiO2的基本性质通常热氧化生长的SiO2是非晶的熔点：1732C(晶体结构)重量密度：2.27g/cm3原子密度：2.2×1022

分子/cm3折射率(refractiveindex)n=1.46介电常数(dielectricconstant)＝3.96可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移可以作为多数杂质掺杂的掩蔽(B,P,As,Sb)

优秀的绝缘性能(>1016

cm,Eg>9eV)

很高的击穿电场(>107V/cm)

体电学性能稳定

稳定、可重复制造的Si/SiO2界面SiO2的基本性质7SiO2的结构按结构特点分为结晶型

(crystalline)：石英，水晶等非晶型（无定型amorphous）由Si－O四面体组成四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子四面体之间由Si-O-Si连接与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥0.262nm0.262nm0.162nmOSi8非桥联氧桥联氧结构水晶二氧化硅9热氧化生长，水存在的情况：Si:O:SiSi:O:H+H:O:Si掺杂杂质：取代Si的位置，网络形成体（B，P）占据间隙位置，网络变性体（金属原子Na,K）含杂质的SiO2结构10SiO2在IC中的应用热（生长）氧化淀积STI热（生长）氧化11不同方法制作的SiO2的性质对比（定性）120.8nm栅氧化层离子注入掩蔽隔离工艺互连层间绝缘介质13氧化反应方程式（Overallreaction）这两种反应都在700ºC～1200ºC之间进行水汽氧化比干氧氧化反应速率约高10倍Si(s)+O2(g)SiO2(s)Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g)干氧氧化（Dryoxidation)湿氧（Wet）/水汽氧化（Steamoxidation）14氧化生长——消耗硅体积膨胀2.2倍1mm厚SiO2消耗0.45mmSiSiO2受压应力作用15LOCOS中，氧化硅的体积为所消耗的硅体积的2.2倍16SiO2生长动力学气体中扩散固体中扩散SiO2形成SiO2Si衬底气流滞流层氧化剂流动方向(如O2或H2O）17Deal－Grove模型

－硅的热氧化模型Deal－Grove模型（线性－抛物线模型）(linear-parabolicmodel) —可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。适用于：氧化温度700～1200oC；局部压强0.1~25个大气压；氧化层厚度为20～2000nm的水汽和干法氧化18Deal-Grove模型F1：气体输运流量F2：通过SiO2的扩散流量F3：在界面处的反应流量F:number/(cm2-s)C：number/cm3CG：气相区氧化剂浓度；CS：氧化物外表面氧化剂浓度；CO：氧化物内表面氧化剂浓度；CI：氧化物生长界面氧化剂浓度Cs>Co19F1：从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度hg：质量输运系数，cm/sC：气流浓度，分子数/cm3F：气流密度，分子数/(cm2-s)可求得令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，则1、理想气体方程：PSV＝NkT，所以2、亨利定律：固体中溶解的气体物质的平衡浓度与固体表面该处气体物质的分压强成正比CS＝N/V=PS/kT20F3：通过Si/SiO2界面产生化学反应的氧分子流密度

ks：界面反应速率，cm/sF2：从氧化物层表面扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度根据费克Fick第一定律，有假设：稳态过程，氧化剂通过SiO2没有损耗D：氧化剂在SiO2中的扩散系数，cm2/s21在稳态条件下，应有ksx/D<<1时，反应速率控制ksx/D>>1时，扩散控制ksx/D1时，氧化从线性过渡到抛物线性，对应的氧化层厚度在50－200nm22若N1是指形成单位体积（cm3）SiO2所需要的氧化剂分子数即对于O2氧化，N1＝2.2×1022cm-3对于H2O氧化，N1＝4.4×1022cm-3

求得生长速率令B＝2DC*/N1，A=2D(1/ks+1/h),则B/AC*ks/N1，有h特别大，忽略了1/h项23为了讨论方便，上式改写为B＝2DC*/N1——抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流F2的贡献B/AC*ks/N1——线性速率常数，表示界面反应流F3的贡献式中薄氧化硅时，线性速率常数B/A两种极限情况厚氧化硅时，抛物线速率常数Bxox0tτ24实验法提取B和B/A的值t有实验值可供使用.25平坦没有图案的轻掺杂衬底上，在单一O2或H2O气氛下，SiO2厚度大于20nm时，G－D模型能很好地描述氧化过程。B和B/A可以用Arrhenius表达式表达：氧化剂的扩散：界面反应速率：表中数值为Si（111）在总压强为1atm下的速率常数，对于（100），则C2应除以1.68222O2通过95CH2O冒泡氧化H2+O2后端反应生成H2O氧化2627D-G模型的计算值：干O2气氛中的热氧化<100~200nm常用800-1200ºC,1atm,0.1mm/hr高密度栅氧化等xi＝028D-G模型的计算值：H2O气氛中的热氧化>100~200nm常用700-1100ºC,25atm,1mm/hr疏松，扩散阻挡能力较差

刻蚀掩膜和场氧化xi＝029D－G模型小结氧化速率为这个方程是在下列条件下的氧化动力学的一般表达式：平坦、无图形的平面硅的氧化轻掺杂硅的氧化单一O2或H2O的氧化初始氧化硅的厚度大于20nm30对于超薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实验表明在20nm之内的热氧化生长速度和厚度比G-D模型大的多。超薄热氧化的模拟23nmD-G(τ=0)D-G(τ=40hr)31ModelofMassoudetal：C=C0exp(-EA/kT)C03.6×108

mm/hrEA2.35eVL7nmSUPREMIV使用模型目前机理不明，仍无公认的模型来解决这个问题！32影响氧化速率的因素压强对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响掺杂对氧化速率的影响掺氯对氧化速率的影响33实验表明：对于H2O氧化，氧化硅生长速率正比于PG，而O2的氧化无法完全用线性关系描述。在水汽氧化时：在氧气氧化时：n0.7~0.8。上标i表示1atm下的相应值压强对氧化速率的影响如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧化温度可以降低如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度，增加气压，则氧化时间可以减少。3435晶向对氧化速率的影响化学反应速率常数ks与晶向有关。因此线性速率常数B/A与晶向有关。在适当温度(111)晶向硅的B/A为(100)硅的1.68倍，（110）晶向为1.45倍的（100）晶向值。抛物线速率常数B与晶向无关。高温长时间氧化，抛物线速率常数B起主要作用，晶向影响减弱。36衬底取向对氧化速率影响的原因B与晶向无关（B/A)111=1.68（B/A)100ks0是常数，与单位晶面上能与氧化剂反应的硅价键数成正比。37（100）Si，inH2Oat900Cfor30min38掺杂对氧化速率的影响900C时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化。反应速率限制情况。n＋：反应速率限制，B/A起主要作用，氧化速率取决于硅表面的掺杂浓度39SiO2SiO2H2OVII扩散（1＋2）Si＋2OI＋2V↔SiO2＋2I＋应力空位V：N型非本征重掺杂中V远高于轻掺杂氧化反应P型掺杂效应不明显!!40掺氯对氧化速率的影响掺氯能增大B/A和B。Si-O键能4.25eV,Si-Cl键能0.5eV,Cl2先与Si反应生成氯硅化合物，然后再与氧反应生成SiO2，起催化作用Cl-还可以中和界面的电荷堆积,减少界面态,BB/ADryO2+1-3%Cl;Clisametalgettercleaneroxide.41线性速率常数B/A抛物线速率常数B氧化气压（水汽氧化）随氧气气压呈线性随氧化气压呈线性氧化气压（干氧化）随氧气气压呈亚线性随氧化气压呈线性水汽氧化和干氧化对比水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大硅衬底取向B/A(111):B/A(100)=1.68:1和衬底取向无关硅中掺杂类型和浓度随掺杂浓度增加关系不大氧化气氛中掺氯增加增加B/A及B和工艺参数的关系42本节课主要内容压强、晶向、掺杂浓度、掺氯压强越高，氧化速率越快。水汽氧化线形关系，干氧化指数关系。（111）晶向氧化最快，（100）最慢。ks