关于微电子材料与制程资料

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1、微電子材料與制程9-1簡介導體、半導體、及絕緣體是構成積體電路元件的三個主要材料。其中，導體主要做為元件間的連接，包括金屬導線、接觸插塞(Contactplug)、及複晶矽連線等。構成元件基底(Substrate)、作用區(Activeregion)、及P/N接面等部分則是半導體材料。而絕緣體，其功能在做為各元件間的隔離(如LOCOS技術中的場氧化矽，STI技術中的充填介電質)，閘極氧化介電質、電容器電極板間的介電質，或是做為各層導線間的絕緣等。II-VI族、III-V族、及IV價族元素是目前可選用的半導體材料。在常用的半導體材料

2、中，以砷化鎵(GaAs)、鍺(Ge)及矽材料(Silicon)是目前具備工業生產價值的材料。比較上述三種材料，由於矽材料可以精確控制摻雜濃度，並且有高絕緣性質的氧化物。因此，矽材料(Silicon)是目前半導體工業生產的主流。本章的重點，將著重在絕緣材料的介紹方面。9-2氧化層的形成方法積體電路製程中，二氧化矽層的成長是一項不可或缺的步驟。依矽基材消耗與否來區分，形成氧化絕緣層的方法，包括消耗矽基材的熱氧化層成長及非消耗性的氧化層沉積。前者是將矽基材置於含氧氣氛下，在矽表面氧化形成一層二氧化矽。由於該層二氧化矽會消耗部份的矽表層，

3、我們將之歸類為消耗性氧化性成長。至於後者，則是藉由反應氣體沉積的方法，在矽基材表面沉積絕緣層。由於形成該絕緣層不會消耗矽表層，我們將之歸類為非消耗性氧化層沉積。本節將就上述兩種氧化層形成方法分別描述之。　9-2-1熱氧化層成長由於矽表層對氧分子有高的親和力(affinity)。將矽晶片表面在曝露在含氧的氣氛下，很容易形成一層氧化層。將矽晶片置於爐管中，再升到適當溫度，通入氧氣或水蒸氣等含氧的氣體，便可以在矽晶片上成長上一層與矽材料附著性良好，且絕緣性佳的二氧化矽。矽與氧氣或水蒸氣的反應可以由下列化學反應式來表示：Si(s)+O2(

4、g)→SiO2(s)(1)Si(s)+2H2O(g)→SiO2(s)+2H2(g)(2)我們習慣以乾式氧化(dryoxidation)來稱呼(1)式的反應，而以濕式氧化(wetoxidation)來稱呼(2)式的反應。因為這兩個反應在室溫下便得以進行，所以矽晶片的表面通常都會由一層厚度約在數個?到20?不等的SiO2所覆蓋。這層因為空氣裏的氧及水分子所自然形成的SiO2，則稱為“原始氧化(nativeoxide)”。二氧化矽(SiO2)中，矽原子與氧原子藉共用價電子的方式形成共價鍵。在氧化的過程中，Si-SiO2的介面會由矽表面移

5、向內部。計算Si與SiO2的密度及對應的分子量，在氧化的過程中，形成SiO2厚度t，將消耗0.44t的Si，見圖9-1。9-01.gif詳細的氧化模型，將於下一節細述之。9-2-1-1熱氧化模型對於氧化模型，Deal及Grove二人曾經提出一個很好的模型[1]來解釋。在溫度從700至1300℃，氧氣分壓介於0.2~1.0大氣壓(或更高)，氧化層厚度介於300~20000?之間的乾式氧化或是濕式氧化，皆可用此一模型，準確預測氧化的現象。9-02.gif圖9-2顯示熱氧氧化的基本模型。其中矽表面包含一層固有氧化層(initialoxi

6、delayer)。當矽置於含氧氣的環境下，氧分子將通過固有氧化層，到達矽的表面，然後與矽原子反應並生成SiO2。當固有氧化層厚度為零時，矽表面很容易與氧分子結合形成SiO2。當矽表面長出足夠厚的SiO2之後，接下來的氧化便變得比較困難，因為參與反應的氧分子必須先到達SiO2的表面，然後藉著氧分子在SiO2內的擴散才能抵達矽的表面，而後進行SiO2的成長反應。基本上，矽的熱氧氧化，是由三個相串聯的步驟所形成的，它們分別是：1.氣相(gasphase)內的氧分子傳遞到固有氧化層表面的流量(Flux)，以F1來表示，並以Cg及Cs來分別

7、代表氧分子在氣相中及SiO2表面的濃度。而它們彼此間的關係可以寫成F1=hg(Cg-Cs)(3)其中hg為氣相質傳係數(gas-phasemass-transfercoefficient)，Cg為氣相中的氧分子濃度，Cs為氧分子到達固有氧化層外緣的濃度。為了尋求平衡狀態下氧分子濃度在二氧化矽及氧氣中的濃度關係，我們引入Henry’slaw(2)Co=H*PsC*=H*Pg其中，Co為氧分子在二氧化矽外表層的平衡濃度，C*為氧分子在二氧化矽內的平衡濃度，H為Henry’slawconstant，Ps為氧分子在二氧化矽外表層的分壓，P

8、g為氧分子在氧化氣氛中的分壓，使用Henry’sLaw(2)，F1=h(C*-Co)(4)h:gas-phasemass-transfercoefficientintermsofconcentrationinthesolidh=hg/HkT2.於固