現代半導體器件物理與工藝薄膜淀積

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1、薄膜淀積現代半導體器件物理與工藝PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices薄膜淀積為制作分立器件與集成電路，需使用很多不同種類的薄膜，可將薄膜分為4類：熱氧化薄膜、介質薄膜、多晶硅薄膜、金屬薄膜。MOSFET的剖面圖熱氧化薄膜中，首要的柵極氧化膜，其下方為漏/源極的導通溝道。場氧化膜用來隔離其他器件。這些膜只有通過熱氧化才有最低的界面陷阱密度。二氧化硅和氮化硅介電薄膜用來隔離導電層；或作為擴散及離子注入的掩蔽膜；或是防止底下?lián)诫s物的損失；或用來覆蓋保護器件使器件免受

2、雜質、水氣或刮傷的損害。多晶硅一般作為MOS器件的柵極材料、多層金屬的導通材料或作為形成淺結的接觸材料。金屬薄膜包括鋁或金屬硅化物，用來形成低電阻值的金屬連線、歐姆接觸及整流金屬-半導體接觸勢壘器件。熱氧化半導體可采用多種方法氧化，其中包活熱氧化、電化學陽極氧化、等離子休反應法。對硅半導體器件來說，熱氧化是最重要的，也是以硅為主的集成電路中關鍵步驟。對砷化鎵來說，一般熱氧化產生的是偏離化學配比的薄膜，這種氧化膜在絕緣或作為半導體表面保護層的作用上表現較差，故在GaAs中很少使用熱氧化技術。僅討論硅的氧化。電阻式加熱爐管

3、的截面圖生長機制下列是Si在氧氣或水氣環(huán)境下的熱氧化反應式氧化過程中，硅與二氧化硅的界面會向硅內部遷移，這將使得Si表面原有的污染物移到氧化膜表面而形成一個嶄新的界面。熱氧化法生長二氧化硅如圖所示，由熱氧化法生長的二氧化硅的基本結構單元是一個硅原子被四個氧原子圍成的四面體。這些四面體彼此由頂角的氧原子以各種不同的方式相互橋接形成不同相位與結構的二氧化硅。有結晶和非晶形態(tài)。熱氧化的是非晶形態(tài)。二者的差異在于晶體結構是否具有周期性。硅熱氧化的基本模型氧化劑擴散穿透二氧化硅層到達硅表面，其濃度為Cs，通量F1可寫成在硅表面，

4、氧化劑與硅進行反應，假設反應速率與硅表面氧化劑濃度成正比，則通量F2可寫為k為氧化速率，在穩(wěn)態(tài)是，F1＝F2＝F結合F1和F2，有氧化劑與硅反應形成二氧化硅，定義C1為單位體積內氧化劑分子數，在干氧要需要一個氧分子，而在水蒸氣中要兩個水分子。故氧化膜厚度的生長速率為由初始條件x(0)=d0，解除此微分方程式。d0為初始氧化膜厚度。其解見下頁。解經氧化時間t后，氧化膜厚度為當時間很短時，可簡化為當時間很長時，可簡化為因此在氧化初期，表面反應是限制生長速率的主要因素，此時氧化膜厚度與時間成正比。當氧化膜變厚時，氧化劑必須擴

5、散至硅與二氧化硅的界面才可反應，故其厚度受限制于擴散速率，因此厚度變化于時間的平方根成正比，其生長速率的曲線為拋物線。通常，解有更簡潔的形式式中故有線性區(qū)拋物線區(qū)B/A為線性氧化速率常數B為拋物線氧化速率常數在多種氧化條件下，實驗測量結果與模型預測相吻合。濕法氧化時，初始的氧化膜厚度d0很小，也就是τ≈0。然而，對于干氧化，在t＝0處d0的外推值約為20nm。線性率常數與溫度的關系圖為(111)、(100)面硅片用干、濕法氧化線性氧化速率常數B/A與溫度間的關系。線性速率常數隨exp(-Ea/kT)變動。Ea約為2eV

6、。與硅－硅鍵斷裂能1.8eV接近。同時，氧化速率與晶體方向有關，不同的晶體方向，硅原子表面鍵密度也不一樣，所以速率也不相圖。拋物線氧化速率常數與溫度變化的影響拋物線氧化速率常數B與溫度的關系，B也水exp(-Ea/kT)變化。干法下Ea＝1.24，與擴散激活能1.18eV接近；濕法下，Ea＝0.71eV，與0.79eV接近。拋物線氧化速率與晶體方向無關。因為其值僅僅與氧化劑擴散穿過一層雜亂排列的非晶硅的速率有關。干氧化兩種晶向的硅襯底實驗所得的二氧化硅厚度與氧化時間及溫度變化的關系濕氧化兩種晶向的硅襯底實驗所得的二氧化

7、硅厚度與氧化時間及溫度變化的關系薄氧化膜生長為精確地控制薄氧化膜厚度并具有可重復性，一般采用較慢的氧化速率常數。方法有很多：一是常壓下以干氧化在較低的溫度（800-900℃）下進行氧化；二是在較低的氣壓下氧化；三是采用惰性氣體（氮氣、氬氣、氦氣）混合著氧化劑，以減少氧氣的分壓；四是以熱氧化生長及化學氣相沉積二氧化硅的混合方式生長柵極氧化膜。然而，若要生長10-15nm的柵極氧化膜，普遍采用方法一。這種配合先進的垂直爐管，可生長厚度為10nm且誤差僅僅0.1nm范圍之內、具有高品質、可重復的薄氧化膜。介質淀積淀積介質薄膜

8、主要用于分立器件與集成電路的隔離與保護層。一般常用的有三種淀積方式：APCVD、LPCVD和PECVD。至于該用何種方式，則以襯底溫度、淀積速率、薄膜均勻度、外觀形態(tài)、電特性、機械特性、電介質的化學組成等作為考慮因素。熱壁低壓式反應爐平行板輻射流等離子體式CVD反應爐二氧化硅－淀積法CVD法無法取代熱氧化法淀積二氧化硅，是因為熱氧