复旦集成电路工艺课件-06.ppt

集成电路工艺原理 仇志军 zjqiu@fudan.edu.cn 邯郸校区物理楼435室 INFO130024.02 集成电路工艺原理 第五章 热氧化原理 (上) 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 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 PSM OPC OAI 焦深: SiO2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…… TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜 SiO2的基本性质 通常热氧化生长的SiO2是非晶的 熔点：1732 ?C (晶体结构) 重量密度：2.27 g/cm3 原子密度：2.2×1022 分子/cm3 折射率 (refractive index) n=1.46 介电常数 (dielectric constant) ?＝3.9 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, Eg9 eV) 很高的击穿电场 (107 V/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 SiO2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 0.262nm 0.262nm 0.162nm O Si 非桥联氧 桥联氧 结构 水晶 二氧化硅 热氧化生长，水存在的情况：Si:O:Si Si: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 SiO2在IC中的应用 热（生长）氧化 淀积 STI 热（生长）氧化 不同方法制作的SiO2的性质对比（定性） 0.8 nm栅氧化层 离子注入掩蔽 隔离工艺 互连层间绝缘介质 氧化反应方程式（Overall reaction） 这两种反应都在700 oC～1200 oC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（Dry oxidation) 湿氧（Wet）/水汽氧化（Steam oxidation） 氧化生长 ——消耗硅 体积膨胀2.2倍 1 mm厚SiO2消耗0.45 mm Si SiO2受压应力作用 LOCOS中，氧化硅的体积为所消耗的硅体积的2.2倍 SiO2生长动力学 气体中扩散 固体中扩散 SiO2 形成 SiO2 Si衬底 气流滞流层 氧化剂流动方向 (如 O2或 H2O） Deal－Grove模型－硅的热氧化模型 Deal－Grove模型（线性－抛物线模型）(linear-parabolic model) —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700～1200 oC； 局部压强0.1~25个大气压； 氧化层厚度为20～2000 nm的水汽和干法氧化 Deal-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/cm3 CG：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 Co F1：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/s C：气流浓度，分子数/cm3 F：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/kT F3：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/s F2：