关于微电子材料与制程资料.docx

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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。其屮，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).及卩/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技術屮的場氧化矽，STI技術屮的充填介電質)，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。11-VI族、III-V族、及IV價族元素是H前可選用的半導體材料。在常用的半導體材料屮，以砂化錄(GaAs)、錯(Ge)及矽材料(S订ic

2、on)是H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H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而。9-2氧化層的形成方法積體電路疡程屮，二点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，在矽表而氧化形成一•層二氧化矽。由於該層二氧化矽會消耗部份的矽表層，我們將Z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膾。由於形成該絕緣

3、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。將矽晶片置於爐管屮，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)+02(g)Si02(s)(1)Si(s)+2H20(g)-Si02(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

4、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Si02所覆蓋。這層因為空氣裏的氧及水分子所自然形成的S102,則稱為“原始氧化(nativeoxide)”。二氧化矽(Si02)屮，矽原子與氧原子藉共用價電子的方式形成共價鍵。在氧化的過程屮，Si-Si02的介面會由矽表面移向內部。計算Si與Si02的密度及對應的分子量，在氧化的過程屮，形成Si02厚度t,將消耗0.44t的Si,見圖9-1。Oxide卜出出卄ISilicon/0.55/0.44/Originalsi圖9-1在成長SiO2時

5、，消耗了0.44t的: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°C,氧氣分壓介於0.2~1・0大氣壓（或更高），氧化膾厚度介於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。岡9-2熱氮化模型9-02.gif圖9-2顯示熱氧氧化的基本模型。其屮矽表面包含一層I古I有氧化層(initialoxidelayer)□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Si02。當固有氧化層厚度

6、為零時，矽表面很容易與氧分子結合形成Si02。當矽表面長出足夠厚的Si02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Si02的表面，然後藉著氧分子在Si02內的擴散才能抵達矽的表而，而後進行Si02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Fl來表示，亚以Cg及Cs來分別代表氧分子在氣相屮及Si02表而的濃度。而它們彼此間的關係可以寫成Fl=hg(Cg-Cs)(3)其中hg為氣相質傳係數(gas-phasemass-transfercoefficie

7、nt),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小的濃度關係，我們引入Henry，slaw(2)Co二H京PsC*二II*Pg其屮，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，Pg為氧分子在氧化氣氛屮的分壓,使用Henry'sLaw(2),Fl=h(C*-Co)(4)h:gas-p