现代半导体器件物理与工艺薄膜淀积

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1、薄膜淀积现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices薄膜淀积为制作分立器件与集成电路，需使用很多不同种类的薄膜，可将薄膜分为4类：热氧化薄膜、介质薄膜、多晶硅薄膜、金属薄膜。MOSFET的剖面图热氧化薄膜中，首要的栅极氧化膜，其下方为漏/源极的导通沟道。场氧化膜用来隔离其他器件。这些膜只有通过热氧化才有最低的界面陷阱密度。二氧化硅和氮化硅介电薄膜用来隔离导电层；或作为扩散及离子注入的掩蔽膜；或是防止底下掺杂物的损失；或用来覆盖保护器件使器件免受

2、杂质、水气或刮伤的损害。多晶硅一般作为MOS器件的栅极材料、多层金属的导通材料或作为形成浅结的接触材料。金属薄膜包括铝或金属硅化物，用来形成低电阻值的金属连线、欧姆接触及整流金属-半导体接触势垒器件。热氧化半导体可采用多种方法氧化，其中包活热氧化、电化学阳极氧化、等离子休反应法。对硅半导体器件来说，热氧化是最重要的，也是以硅为主的集成电路中关键步骤。对砷化镓来说，一般热氧化产生的是偏离化学配比的薄膜，这种氧化膜在绝缘或作为半导体表面保护层的作用上表现较差，故在GaAs中很少使用热氧化技术。仅讨论硅的氧化。电阻式加热炉管

3、的截面图生长机制下列是Si在氧气或水气环境下的热氧化反应式氧化过程中，硅与二氧化硅的界面会向硅内部迁移，这将使得Si表面原有的污染物移到氧化膜表面而形成一个崭新的界面。热氧化法生长二氧化硅如图所示，由热氧化法生长的二氧化硅的基本结构单元是一个硅原子被四个氧原子围成的四面体。这些四面体彼此由顶角的氧原子以各种不同的方式相互桥接形成不同相位与结构的二氧化硅。有结晶和非晶形态。热氧化的是非晶形态。二者的差异在于晶体结构是否具有周期性。硅热氧化的基本模型氧化剂扩散穿透二氧化硅层到达硅表面，其浓度为Cs，通量F1可写成在硅表面，

4、氧化剂与硅进行反应，假设反应速率与硅表面氧化剂浓度成正比，则通量F2可写为k为氧化速率，在稳态是，F1＝F2＝F结合F1和F2，有氧化剂与硅反应形成二氧化硅，定义C1为单位体积内氧化剂分子数，在干氧要需要一个氧分子，而在水蒸气中要两个水分子。故氧化膜厚度的生长速率为由初始条件x(0)=d0，解除此微分方程式。d0为初始氧化膜厚度。其解见下页。解经氧化时间t后，氧化膜厚度为当时间很短时，可简化为当时间很长时，可简化为因此在氧化初期，表面反应是限制生长速率的主要因素，此时氧化膜厚度与时间成正比。当氧化膜变厚时，氧化剂必须扩

5、散至硅与二氧化硅的界面才可反应，故其厚度受限制于扩散速率，因此厚度变化于时间的平方根成正比，其生长速率的曲线为抛物线。通常，解有更简洁的形式式中故有线性区抛物线区B/A为线性氧化速率常数B为抛物线氧化速率常数在多种氧化条件下，实验测量结果与模型预测相吻合。湿法氧化时，初始的氧化膜厚度d0很小，也就是τ≈0。然而，对于干氧化，在t＝0处d0的外推值约为20nm。线性率常数与温度的关系图为(111)、(100)面硅片用干、湿法氧化线性氧化速率常数B/A与温度间的关系。线性速率常数随exp(-Ea/kT)变动。Ea约为2eV

6、。与硅－硅键断裂能1.8eV接近。同时，氧化速率与晶体方向有关，不同的晶体方向，硅原子表面键密度也不一样，所以速率也不相图。抛物线氧化速率常数与温度变化的影响抛物线氧化速率常数B与温度的关系，B也水exp(-Ea/kT)变化。干法下Ea＝1.24，与扩散激活能1.18eV接近；湿法下，Ea＝0.71eV，与0.79eV接近。抛物线氧化速率与晶体方向无关。因为其值仅仅与氧化剂扩散穿过一层杂乱排列的非晶硅的速率有关。干氧化两种晶向的硅衬底实验所得的二氧化硅厚度与氧化时间及温度变化的关系湿氧化两种晶向的硅衬底实验所得的二氧化

7、硅厚度与氧化时间及温度变化的关系薄氧化膜生长为精确地控制薄氧化膜厚度并具有可重复性，一般采用较慢的氧化速率常数。方法有很多：一是常压下以干氧化在较低的温度（800-900℃）下进行氧化；二是在较低的气压下氧化；三是采用惰性气体（氮气、氩气、氦气）混合着氧化剂，以减少氧气的分压；四是以热氧化生长及化学气相沉积二氧化硅的混合方式生长栅极氧化膜。然而，若要生长10-15nm的栅极氧化膜，普遍采用方法一。这种配合先进的垂直炉管，可生长厚度为10nm且误差仅仅0.1nm范围之内、具有高品质、可重复的薄氧化膜。介质淀积淀积介质薄膜

8、主要用于分立器件与集成电路的隔离与保护层。一般常用的有三种淀积方式：APCVD、LPCVD和PECVD。至于该用何种方式，则以衬底温度、淀积速率、薄膜均匀度、外观形态、电特性、机械特性、电介质的化学组成等作为考虑因素。热壁低压式反应炉平行板辐射流等离子体式CVD反应炉二氧化硅－淀积法CVD法无法取代热氧化法淀积二氧化硅，是因为热氧