超大規(guī)模集成電路技術(shù)基礎(chǔ)3修改

1、第3章 硅氧化 VLSI制造中，薄膜工藝是核心，包括熱氧化膜（含柵氧化膜和場(chǎng)氧化膜）、電介質(zhì)膜、多晶硅膜、金屬膜。黃君凱 教授圖3-1 MOSFET截面圖3.1 熱氧化方法 熱氧化裝置 線性升溫至氧化溫度：900 1200 , 控溫精度 ，氣流速率 。黃君凱 教授圖3-2 熱氧化爐截面垂直層流罩3.1.1 生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)（1）生長(zhǎng)工藝 干氧化： 濕氧化： 設(shè)生長(zhǎng)厚度為 的 層需消耗硅層厚度為 ，若非晶 層中硅原子密度 ，單晶硅原子密度 ，則上圖中厚 的 層內(nèi)的硅原子數(shù)，應(yīng)與厚 的單晶硅層內(nèi)的硅原子數(shù)相等： 解出 ：黃君凱 教授圖3-3 熱氧化過程（2） 膜結(jié)構(gòu) 膜結(jié)構(gòu)：晶態(tài)和非晶態(tài)（無定形）的密度

2、分別為 和 熱氧化生成的 膜結(jié)構(gòu)：非晶態(tài)，濕氧化結(jié)構(gòu)比干氧化結(jié)構(gòu)稀疏 黃君凱 教授圖3-4 膜結(jié)構(gòu)氧橋：非氧橋：（3）生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)定義： 為氧化物表面附近氧化劑分子平衡濃度 為硅表面附近氧化劑分子濃度 為氧化物中氧化劑分子濃度其中：干氧化時(shí)氧分子在氧化物中的濃度為 濕氧化時(shí) 分子在氧化物中的濃度為則右圖中氧化劑擴(kuò)散過 層流量 為： （3-1）黃君凱 教授圖3-5 熱氧化模型式中 為氧化劑的擴(kuò)散系數(shù)， 為已存在的氧化層厚度。 氧化劑與硅發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的流量 為： （3-2）式中 為表面反應(yīng)速率常數(shù)（具有速率量綱）。 穩(wěn)態(tài)時(shí)， ，聯(lián)立上兩式：黃君凱 教授當(dāng)氧化物厚度為 時(shí)，氧化層生長(zhǎng)速率 為：當(dāng) 時(shí)，

3、氧化物初始厚度為 ，干氧氧化時(shí) ，從上式可解出： （3-3）式中 ，物理意義為 引起的時(shí)間坐標(biāo)平移。從式（3-3）可得： （3-4）黃君凱 教授【分析】當(dāng) 時(shí)，式（3- 4）作泰勒展開，可簡(jiǎn)化為： （3-5）對(duì)應(yīng)于氧化物生長(zhǎng)初期， 限制了生長(zhǎng)速率，出現(xiàn)線性型生長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng) 時(shí)，式（3- 4）可簡(jiǎn)化為： （3-6）對(duì)應(yīng)于氧化物生長(zhǎng)后期， 限制了生長(zhǎng)速率，出現(xiàn)拋物線型生長(zhǎng)關(guān)系。黃君凱 教授緊湊形式 在式（3-3）中，令 ，拋物線率常數(shù) ， 線性率常數(shù) ，則式（3-3）（3-5）（3-6）可寫成 緊湊式： （3-7） （3-8） （3-9）黃君凱 教授（4）結(jié)果討論線性率常數(shù) 具有 形式（ 為激活能）

4、，并取決于單晶硅晶向?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果】 具有激活能函數(shù)形式，且 。 （接近 鍵能 ）【推論】由于 與氧原子和硅晶格反應(yīng)速率 有關(guān)，也即與硅表面鍵結(jié)構(gòu)有關(guān)，從而 與晶向有關(guān)；由于晶面鍵密度比 晶面更高，故晶面 的值 更大。黃君凱 教授圖3-6 B/AT關(guān)系拋物線率常數(shù) 具有 形式，并與晶向無關(guān)?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果】 具有激活能函數(shù)形式，且 接近氧在 中的擴(kuò)散激活能 ； ，接近水在 中的 擴(kuò)散激活能 。【推論】 與氧化劑在 中的隨機(jī)擴(kuò)散有關(guān)，從而與單晶硅晶向無關(guān)。黃君凱 教授圖3-7 BT關(guān)系濕氧化速率遠(yuǎn)高于干氧化，且均與單晶硅晶向有關(guān)?！緦?shí)驗(yàn)結(jié)果】濕氧化獲得的薄膜厚度遠(yuǎn)大于干氧化，且在晶向的 單晶硅襯底生長(zhǎng)的薄膜厚度大于晶向。黃君凱 教授圖3-8 干氧氧化圖3-9 濕氧氧化【推論】因濕氧化 值和 值均大于干氧化，并且 晶向的值大 于晶向，故相應(yīng)的薄膜生長(zhǎng)更快?！咀⒁狻?由于干氧化膜質(zhì)量遠(yuǎn)優(yōu)于濕氧化膜，故制備厚度相當(dāng)薄 的高質(zhì)量柵氧化層（ ）采用干氧法，但這時(shí)需 考慮 的影響， 即 ；制備厚度較厚的場(chǎng)氧化層 （ ），則要用濕氧法，這時(shí)無需考慮 的影響， 即 。黃君凱 教授3.1.2 薄氧化層生長(zhǎng)（厚度520nm）【方法】大氣壓下低溫干氧法，低壓干氧法，低氧分壓干氧法，混合氧 化法（干氧化 + CVD法）?！居懻摗吭诟裳趸_始