集成電路制造技術(shù)原理與工藝[王蔚][習(xí)題答案(第2單元)

1、第二單元習(xí)題解答1. SiO2膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？氧和雜質(zhì)在 SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的作用和用途是什么？對(duì)SiO2膜性能有哪些影響？二氧化硅的基本結(jié)構(gòu)單元為 Si-O 四面體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，四面體中心為硅原子，四個(gè)頂角 上為氧原子。對(duì) SiO2 網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上具備“長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序”的一類固態(tài)無(wú)定形體或玻 璃體。半導(dǎo)體工藝中形成和利用的都是這種無(wú)定形的玻璃態(tài)SiO2。氧在 SiO2 網(wǎng)絡(luò)中起橋聯(lián)氧原子或非橋聯(lián)氧原子作用，橋聯(lián)氧原子的數(shù)目越多，網(wǎng)絡(luò)結(jié) 合越緊密，反之則越疏松。在連接兩個(gè) Si-O 四面體之間的氧原子摻入SiO2中的雜質(zhì)，按它們?cè)?SiO2網(wǎng)絡(luò)中所處的位置來說，基本上可以有兩類：替代 （

2、位）式雜質(zhì)或間隙式雜質(zhì)。取代 Si-O 四面體中 Si 原子位置的雜質(zhì)為替代（位）式雜質(zhì)。 這類雜質(zhì)主要是川A, V A元素，如B、P等，這類雜質(zhì)的特點(diǎn)是離子半徑與 Si原子的半徑 相接近或更小，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中能替代或占據(jù) Si 原子位置，亦稱為網(wǎng)絡(luò)形成雜質(zhì)。由于它們的價(jià)電子數(shù)往往和硅不同， 所以當(dāng)其取代硅原子位置后， 會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性 質(zhì)發(fā)生變化。如雜質(zhì)磷進(jìn)入二氧化硅構(gòu)成的薄膜稱為磷硅玻璃，記為PSG;雜質(zhì)硼進(jìn)入二氧化硅構(gòu)成的薄膜稱為硼硅玻璃，記為BSG。當(dāng)它們替代硅原子的位置后，其配位數(shù)將發(fā)生改變。具有較大離子半徑的雜質(zhì)進(jìn)入 SiO2網(wǎng)絡(luò)只能占據(jù)網(wǎng)絡(luò)中間隙孔（洞）位置，成為網(wǎng)絡(luò) 變形（改變

3、）雜質(zhì)，如 Na、 K、 Ca、 Ba、 Pb 等堿金屬、堿土金屬原子多是這類雜質(zhì)。當(dāng)網(wǎng) 絡(luò)改變雜質(zhì)的氧化物進(jìn)入 SiO2后，將被電離并把氧離子交給網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更多的非橋 聯(lián)氧離子來代替原來的橋聯(lián)氧離子， 引起非橋聯(lián)氧離子濃度增大而形成更多的孔洞， 降低網(wǎng) 絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低熔點(diǎn)，以及引起其它性能變化。2. 在SiO2系統(tǒng)中存在哪幾種電荷？他們對(duì)器件性能有些什么影響？工藝上如何降低他們的密度？在二氧化硅層中存在著與制備工藝有關(guān)的正電荷。在 SiO2內(nèi)和SiO2-Si界面上有四種類 型的電荷：可動(dòng)離子電荷： Qm；氧化層固定電荷：Qf ；界面陷阱電荷：Qit ；氧化層陷阱電 荷：Qot。這些正

4、電荷將引起硅/二氧化硅界面p-硅的反型層，以及 MOS器件閾值電壓不穩(wěn) 定等現(xiàn)象，應(yīng)盡量避免。（1）可動(dòng)離子電荷（Mobile ionic charge） Qm主要是Na+、K+、H+等荷正電的堿金屬 離子，這些離子在二氧化硅中都是網(wǎng)絡(luò)修正雜質(zhì)， 為快擴(kuò)散雜質(zhì)， 電荷密度在 10101012/cm2。 其中主要是Na+，因?yàn)樵谌梭w與環(huán)境中大量存在 Na+，熱氧化時(shí)容易發(fā)生 Na+沾污。Na+M子沾污往往是在 SiO2層中造成正電荷的一個(gè)主要來源。 這種正電荷將影響到 SiO2 層下的硅的表面勢(shì)，從而， SiO2層中Na+的運(yùn)動(dòng)及其數(shù)量的變化都將影響到器件的性能。進(jìn) 入氧化層中的Na+數(shù)量依賴于

5、氧化過程中的清潔度?，F(xiàn)在工藝水平已經(jīng)能較好地控制Na+的沾污，保障 MOS 晶體管閾值電壓 VT 的穩(wěn)定。存在于SiO2中的Na +，即使在低于200C的溫度下在氧化層中也具有很高的擴(kuò)散系數(shù)。同時(shí)由于Na以離子的形態(tài)存在， 其遷移(transport)能力因氧化層中存在電場(chǎng)而顯著提高。為了降低Na+的沾污，可以在工藝過程中采取一些預(yù)防措施，包括：使用含氯的氧化工藝；用氯周期性地清洗管道、爐管和相關(guān)的容器； 使用超純凈的化學(xué)物質(zhì)；保證氣體在傳輸過程的清潔。另外保證柵材料(通常是多晶硅)不受沾污也是很重要的。使用PSG和BPSG玻璃鈍化可動(dòng)離子，可以降低可動(dòng)離子的影響。因?yàn)檫@些玻璃體能捕獲可動(dòng)離子

6、。用等離子淀積氮化硅來封閉已經(jīng)完成的芯片，氮化硅起阻擋層的作用，可以防止Na+、水汽等有害物的滲透。(2) 固定離子電荷(Fixed Oxide Charge)Qf,通常是帶正電，但是在某些情況下也可能帶負(fù)電，它的極性不隨表面勢(shì)和時(shí)間的變化而變化，所以叫它固定電荷。 這種電荷是指位于距離Si-SiO2界面3nm的氧化層范圍內(nèi)的正電荷，又稱界面電荷，是由氧化層中的缺陷引 起的，電荷密度在IO101O12/cm-2。然而在超薄氧化層(v 3.0nm)中，電荷離界面更近，或者是分布于整個(gè)氧化層之中。固定離子電荷的來源普遍認(rèn)為是氧化層中過剩的硅離子，或者說是氧化層中的氧空位。由于氧離子帶負(fù)電，氧空位具

7、有正電中心的作用，所以氧化層中的固定電荷帶正電。固定氧化層電荷的能級(jí)在硅的禁帶以外，但在SiO2禁帶中。硅襯底晶向、氧化條件和退火溫度的適當(dāng)選擇，可以使固定正電荷控制在較低的密度。同時(shí)降低氧化時(shí)氧的分壓，也可減小過剩Si+的數(shù)量，有助于減小固定正電荷密度。另外，含氯氧化工藝也能降低固定正電荷的密度。(3) 界面陷阱電荷(Interface trapped charge ) Qit,位于SiOz/Si界面上，電荷密度在1010/cm-2左右，是由能量處于硅禁帶中、可以與價(jià)帶或?qū)Х奖憬粨Q電荷的那些陷阱能級(jí)或電荷狀態(tài)引起的。那些陷阱能級(jí)可以是施主或受主，也可以是少數(shù)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合中心，包括起源

8、于Si-SiO2界面結(jié)構(gòu)缺陷(如硅表面的懸掛鍵)、氧化感生缺陷以及金屬雜質(zhì)和輻射 等因素引起的其它缺陷。通?？赏ㄟ^氧化后在低溫、惰性氣體中退火來降低Qit的濃度。在(100)的硅上進(jìn)行干氧氧化后，Dit的值大約是1011 1012/cm2eV，而且會(huì)隨著氧化溫度的升高而減少。(4) 氧化層陷阱電荷 (Oxide trapped charge ) Qot,它位于SiO2中和Si/SiO2界面附近， 這種陷阱俘獲電子或空穴后分別荷負(fù)電或正電，電荷密度在1091013/cm2左右。這是由氧化層內(nèi)的雜質(zhì)或不飽和鍵捕捉到加工過程中產(chǎn)生的電子或空穴所引起的。在氧化層中有些缺陷能產(chǎn)生陷阱，如懸掛鍵、界面陷阱

9、變形的Si-Si、Si-O鍵。氧化層陷阱電荷的產(chǎn)生方式主要有電離輻射和熱電子注入。減少電離輻射陷阱電荷的主要工藝方法有：選擇適當(dāng)?shù)难趸に嚄l件以改善SiO2結(jié)構(gòu)，使Si-O-Si鍵不易被打破。一般稱之為抗輻照氧化最佳工藝條件，常用1000 C干氧氧化。在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火(150400 C )可以減少電離輻射陷阱。3. 欲對(duì)擴(kuò)散的雜質(zhì)起有效的屏蔽作用，對(duì) SiO2膜有何要求？工藝上如何控制氧化膜生長(zhǎng)質(zhì)量?硅襯底上的SiO2若要能夠當(dāng)作掩膜來實(shí)現(xiàn)定域擴(kuò)散的話，就應(yīng)該要求雜質(zhì)在SiO2層中的擴(kuò)散深度 為小于SiO2本身的厚度xSiO，即有Xj : XSiO2實(shí)際上只有對(duì)那些DSiO2 v DS

10、i,即 DSi 1的雜質(zhì)，用SiO2膜掩蔽才有實(shí)用價(jià)值。DSiO2SiO2掩膜最小厚度確定硅襯底上的SiO2要能夠當(dāng)作掩膜來實(shí)現(xiàn)定域擴(kuò)散的話，只要xSiO2能滿足條件：預(yù)生長(zhǎng)的SiO2膜具有一定的厚度，同時(shí)雜質(zhì)在襯底硅中的擴(kuò)散系數(shù)DSi要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在 SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)DSiO (即DSi ? DSiO)，而且SiO2表面雜質(zhì)濃度(Cs) 與SiO2-Si界面雜質(zhì)濃度(CI)之比達(dá)到一定數(shù)值，可保證SiO2膜能起到有效的掩蔽作用。C 3若取=103，則所需氧化層的最小厚度為CI4. 由熱氧化機(jī)理解釋干、濕氧速率相差很大這一現(xiàn)象由二氧化硅基本結(jié)構(gòu)單元可知，位于四面體中心的Si原子與四個(gè)頂角上的

11、氧原子以共價(jià)鍵方式結(jié)合在一起，Si原子運(yùn)動(dòng)要打斷四個(gè) Si-O鍵，而橋聯(lián)O原子的運(yùn)動(dòng)只需打斷二個(gè) Si-O鍵，非橋聯(lián)氧原子只需打斷一個(gè)Si-O鍵。因此，在 SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，O原子比Si原子更容易運(yùn)動(dòng)。氧原子離開其四面體位置運(yùn)動(dòng)后，生成氧空位。在熱氧化過程中，氧離子或水分子能夠在已生長(zhǎng)的SiO2中擴(kuò)散進(jìn)入SiO2/Si界面，與Si原子反應(yīng)生成新的 SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使SiO2膜不斷增厚。與此相反，硅體內(nèi)的Si原子則不容易掙脫 Si共價(jià)鍵的束縛，也不容易在已生長(zhǎng)的 SiO2網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)。所以，在熱氧化的過程中，氧化反應(yīng)將在SiO2-Si界面處進(jìn)行，而不發(fā)生在 SiO2層的外表層，這一特性決定了熱

12、氧化的機(jī)理。為了解釋線性速率常數(shù)與硅表面晶向的關(guān)系，有人提出了一個(gè)模型。根據(jù)這個(gè)模型，在 二氧化硅中的水分子和Si-SiO2界面的Si-Si鍵之間能直接發(fā)生反應(yīng)。 在這個(gè)界面上的所有的硅原子，一部分和上面的氧原子橋聯(lián)，一部分和下面的Si原子橋聯(lián)，這樣氧化速率與晶向的關(guān)系就變成了氧化速率與氧化激活能和反應(yīng)格點(diǎn)的濃度的關(guān)系了。在SiO2-Si界面上，任何一個(gè)時(shí)刻并不是處于不同位置的所有硅原子對(duì)氧化反應(yīng)來說都是等效的，也就是說不是所有硅原子與水分子都能發(fā)生反應(yīng)生成Si。?。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在干氧氧化的氣氛中，只要存在極小量的水汽，就會(huì)對(duì)氧化速率產(chǎn)生重要影 響。對(duì)于硅的(100)晶面，在800 C的溫度下進(jìn)

13、行干氧氧化時(shí)，當(dāng)氧化劑氣氛中的水汽含量小于1ppm時(shí)，氧化700分鐘，氧化層厚度為 300?;在同樣條件下，水汽含量為25ppm時(shí)，氧化層厚度為370 ?。在上述實(shí)驗(yàn)中，為了準(zhǔn)確控制水汽含量，氧氣源是液態(tài)的；為了防止 高溫下水汽通過石英管壁進(jìn)入氧化爐內(nèi)，氧化石英管是雙層的， 并在兩層中間通有高純氮或氬，這樣可以把通過外層石英管進(jìn)入到夾層中的水汽及時(shí)排除。5. 薄層氧化過程需注意哪些要求？現(xiàn)采用的工藝有哪些?在ULSI中，MOS薄柵氧化層(Mi。？ T預(yù)淀積工藝主要以恒定表面源擴(kuò)散為主，所以雜質(zhì)總量預(yù)淀積為余誤差分布,Q(t) =1.13Cs .5? =1.84 10155=2 10 ;由圖 3

14、.7 得：A6.2 ;Xj=A、-Dt =6.2. 1.47 10J5 30 60 ： 0.1m再分布過程符合限定表面源擴(kuò)散規(guī)律，所以表面雜質(zhì)濃度Cs t= C(0,t)二Q: Dt1.84X015、二 4.89 104 50 60192=8.57 10 atoms/cmXjDt =6.0 .4.89 104 50 60 =7.26 10“cm = 0.726m11. 什么是溝道效應(yīng)？如何才能避免?對(duì)晶體靶進(jìn)行離子注入時(shí)， 當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個(gè)晶向平行時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡將不再是無(wú)規(guī)則的，而是將沿溝道運(yùn)動(dòng)并且很少受到原子核的碰撞，因此來自靶原子的阻止作用要小得多，而且溝道中的電子密度很低，

15、受到的電子阻止也很小，這些離子的能量損失率就很低。在其他條件相同的情況下，很難控制注入離子的濃度分布，注入深度大于在無(wú)定形靶中的深度并使注入離子的分布產(chǎn)生一個(gè)很長(zhǎng)的拖尾，注入縱向分布峰值與高斯分布不 同，這種現(xiàn)象稱為離子注入的溝道效應(yīng)(Cha nneling effect )。減少溝道效應(yīng)的措施：(1)對(duì)大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7- 10; (2)用Si, Ge, F, Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化， 形成非晶層(Pre-amorphization); (3)增加注入劑量(晶 格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少)；(4)表面用Si。?層掩膜。12. 硼注入，峰值濃度(Rp在0.1卩

16、m處，注入能量是多少？解：由表6-19，峰值濃度在 0.1卩m處注入能量是 30keV13. 在1000C工作的擴(kuò)散爐，溫度偏差在土1C,擴(kuò)散深度相應(yīng)的偏差是多少？假定是高斯擴(kuò)散。解：擴(kuò)散溫度導(dǎo)致的擴(kuò)散深度偏差產(chǎn)生主要來源于擴(kuò)散系數(shù)差_E 由公式 D=D0exp| a I，以P擴(kuò)為例口D(1001)/D(1000)=exp爲(wèi)=97.46%9#D(999)/D(1000)= exp 旦 旦 103.04%|1272 12731對(duì)n區(qū)進(jìn)行p擴(kuò)散，使Cs =1000CB，證明：假定是恒定源擴(kuò)散，結(jié)深與(Dt)2 成正比，請(qǐng)確定比例因子。#證：恒定源擴(kuò)散時(shí)硅一直處于雜質(zhì)氛圍中, 因此，認(rèn)為硅片表面達(dá)到

17、了該擴(kuò)散溫度的固溶度#Cs，根據(jù)這種擴(kuò)散的特點(diǎn)，解一維擴(kuò)散方程式29(x,t) _D： C(x，t)，rf 2-t:x#其初始條件和邊界條件為初始條件C(x,0) =0,t =0邊界條件C(O,t)二 Cs,x =0C( = t) =0按上述初始條件和邊界條件，可解得硅中雜質(zhì)分布的表達(dá)式x2 6XC(x,t) =Cs(1) exp(仝 2)d 二 C$erfc()兀 02“Dt10兩種雜質(zhì)濃度相等處形成pn結(jié)。其結(jié)的位置由 C x,ti； = CBXj=2沁壇頃= AVDT11#A= 2erfc Cb 二 2erfc J 1:- 9.2Cs100014. 什么是硼的逆退火特性?對(duì)于兩種較高劑量

18、(Ns =2.5 1014/cm2和Ns =2 1015/cm2 )注入情況，從退火特性與溫度變化關(guān)系可分為三個(gè)溫度區(qū)：I區(qū)(500 C以下)區(qū)(500600 C)、川區(qū)(600 C以上)。其中I、川區(qū)均表現(xiàn)為電激活比例隨著退火溫度升高而增加；n區(qū)則表現(xiàn)出反常退火特性，出現(xiàn)逆退火現(xiàn)象 -隨著溫度升高電激活比例反而下降。當(dāng)退火溫度在500 600 C的范圍內(nèi)，點(diǎn)缺陷通過重新組合或結(jié)團(tuán)，例如凝聚為位錯(cuò)環(huán)一類較大尺寸的缺陷團(tuán)(二次缺陷)，降低其能量。因?yàn)榕鹪臃浅Ｐ〔⒑腿毕輬F(tuán)有很強(qiáng)的作用，很容易遷移或被結(jié)合到缺 陷團(tuán)中，處于非激活位置，因而出現(xiàn)隨溫度的升高而替位硼的濃度下降的現(xiàn)象，也就是自由載流子濃

19、度隨溫度上升而下降的現(xiàn)象。在600 C附近替位硼濃度降到一個(gè)最低值。與500 C情況相比，在區(qū)域n 600C它的最后狀態(tài)是少量替代位B和大量沒有規(guī)定晶格位置的非替代位硼原子。因此硼可能淀積在位錯(cuò)處或靠近位錯(cuò)處。15. 什么是溝道效應(yīng)？如何才能避免？對(duì)晶體靶進(jìn)行離子注入時(shí)，當(dāng)離子注入的方向與靶晶體的某個(gè)晶向平行時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡將不再是無(wú)規(guī)則的，而是將沿溝道運(yùn)動(dòng)并且很少受到原子核的碰撞，因此來自靶原子的阻止作用要小得多，而且溝道中的電子密度很低，受到的電子阻止也很小，這些離子的能量損失率就很低。在其他條件相同的情況下，很難控制注入離子的濃度分布，注入深度大于在無(wú)定形靶中的深度并使注入離子的分布產(chǎn)生一個(gè)很長(zhǎng)的拖尾，注入縱向分布峰值與高斯分布不 同，這種現(xiàn)象稱為離子注入的溝道效應(yīng)(Cha nneling effect )。減少溝道效應(yīng)的措施：(1)對(duì)大的離子，沿溝道軸向(110)偏離7- 10; (2)用Si, Ge, F, Ar等離子注入使表面預(yù)非晶化， 形成非晶層(Pre-amorphization); (3)增加注入劑量(晶 格損失增加，非晶層形成，溝道離子減少) ；(4)表面用SiO2層掩膜。16. 在1050C濕氧氧化氣氛生長(zhǎng)1 Jm厚的氧化層，計(jì)算所需時(shí)間？若拋物線形速率常數(shù)與氧化氣壓成正比，分別計(jì)算5個(gè)、20個(gè)大氣壓下的氧化時(shí)間解：氧