第二章 集成工藝原理概要

第二章集成工藝原理概要集成電路是由不同工藝加工手段制備而成的、由數(shù)層不同材質(zhì)、不同厚度的薄膜組成的。而將這些類薄膜覆蓋在硅晶片上所需要的技術(shù)，便是薄膜生長(zhǎng)及物理汽相淀積等技術(shù)。準(zhǔn)確的講，所謂“生長(zhǎng)”則泛指起始于襯底或基底表面材質(zhì)，與其晶體取向、晶體的屬性息息相關(guān)，并有可能與生長(zhǎng)的汽相氣氛發(fā)生反應(yīng)乃至消耗一定量的襯底或基底材料。如：本章節(jié)所重點(diǎn)討論的硅半導(dǎo)體結(jié)晶層的生長(zhǎng)及較高溫度條件下硅的氧化反應(yīng)（生長(zhǎng)二氧化硅，作為集成電路的介電材料）所導(dǎo)致二氧化硅層的生長(zhǎng)。而講到“淀積”、或“沉積”的工藝手段，特指在薄膜形成的過(guò)程中，并不消耗晶片或襯底、基底的材料。§2.1外延生長(zhǎng)技術(shù)外延生長(zhǎng)技術(shù)之所以重要，很大程度上在于外延晶層制備的過(guò)程中，層中的雜質(zhì)濃度可以極為方便地通過(guò)控制反應(yīng)氣流中的雜質(zhì)含量加以調(diào)節(jié)，而不受襯底中雜質(zhì)種類與摻雜水平（分布情況）的影響。在外延層與襯底之間形成的P-N結(jié)（即在N型硅襯底之上生長(zhǎng)P型硅外延層，或在P型硅襯底之上生長(zhǎng)N型硅外延層）與采用擴(kuò)散方法（補(bǔ)償后反型）所獲得的擴(kuò)散結(jié)不同，它并不是通過(guò)雜質(zhì)的補(bǔ)償作用形成的，其雜質(zhì)分布可接近于理想的突變結(jié)。雙極性集成電路元、器件之間的隔離也可通過(guò)外延與隔離擴(kuò)散技術(shù)相結(jié)合而獲得解決。晶體薄層的生長(zhǎng)及物理汽相淀積技術(shù)的發(fā)展，從早期的蒸鍍技術(shù)開(kāi)始至今，已發(fā)展成為兩個(gè)主要的分支方向：物理汽相淀積（PhysicalVaporDeposition）；化學(xué)汽相沉積（ChemicalVaporDeposition）。前者屬于物理效應(yīng)過(guò)程，后者則是采用化學(xué)反應(yīng)的方式，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)激活或強(qiáng)化生長(zhǎng)所需要的環(huán)境條件及反應(yīng)過(guò)程。物理汽相淀積（又稱為PVD）與化學(xué)汽相沉積（又稱為CVD）各有其優(yōu)缺點(diǎn)。但是，當(dāng)超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)愈來(lái)愈精細(xì)之后，常規(guī)的PVD技術(shù)似乎無(wú)法解決許多制造上所遇到的障礙，使CVD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)突出地顯現(xiàn)出來(lái)，使其在薄膜淀積領(lǐng)域上的地位日益重要。常規(guī)硅汽相外延生長(zhǎng)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)原理汽相外延生長(zhǎng)過(guò)程是在高頻感應(yīng)加熱條件下的石英汽相反應(yīng)器中進(jìn)行的。無(wú)論是還原反應(yīng)還是熱分解反應(yīng)，由加熱方式?jīng)Q定了反應(yīng)生成物的“擇溫淀積”特征，一定程度上保障了置于石墨加熱基座之上硅襯底基片表面的淀積穩(wěn)定趨勢(shì)。然而，整個(gè)外延生長(zhǎng)汽相反應(yīng)器內(nèi)部是一個(gè)典型的汽相流體系統(tǒng)。（1）外延生長(zhǎng)流體系統(tǒng)的流體動(dòng)量模型汽相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)是全面描述外延生長(zhǎng)過(guò)程反應(yīng)生成物質(zhì)質(zhì)量轉(zhuǎn)移狀態(tài)的物理量。在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，反應(yīng)生成物質(zhì)的速度及分布狀態(tài)和反應(yīng)生成物質(zhì)的質(zhì)量（可以理解為反應(yīng)生成物質(zhì)的濃度）及分布狀態(tài)集合反映出反應(yīng)生成物質(zhì)的汽相質(zhì)量轉(zhuǎn)移狀態(tài)。下面的分析，可以使我們找到汽相外延生長(zhǎng)反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)汽相外延生長(zhǎng)過(guò)程的影響。

圖2-1速度附面層和質(zhì)量附面層的比較§2.2氧化介質(zhì)制備技術(shù)氧化介質(zhì)膜（SiO2）生長(zhǎng)工藝是硅集成電路平面制造工藝中的重要工序之一。我們將在本節(jié)討論氧化介質(zhì)膜的基本結(jié)構(gòu)模式，從而揭示其可以降低在其體內(nèi)的某些化學(xué)元素的遷移速率的內(nèi)在機(jī)理；隨后，將簡(jiǎn)要地討論熱生長(zhǎng)法制備氧化介質(zhì)膜的常規(guī)工藝手段及其介質(zhì)膜置備過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)模型，從而形成熱生長(zhǎng)氧化介質(zhì)膜基本過(guò)程的數(shù)學(xué)描述思路?？疾煅趸瘎┓肿訑U(kuò)散通過(guò)初始氧化層至氧化硅與硅的界面處并繼續(xù)與硅反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程可知，完成這個(gè)過(guò)程必須經(jīng)過(guò)以下三個(gè)連續(xù)的步驟：1.氧化劑分子由汽相內(nèi)部遷移到汽相與氧化介質(zhì)膜界面處，定義該步驟所形成的氧化劑粒子流密度J為J1。2.氧化劑分子擴(kuò)散通過(guò)已生成的初始氧化層，定義該步驟所形成的氧化劑粒子流密度J為J2。3.氧化劑分子到達(dá)初始氧化層與硅的界面處與硅繼續(xù)反應(yīng)，定義該步驟所形成的氧化劑粒子流密度J為J3。圖2-2硅的熱氧化模型圖2-3兩種氧化極限狀態(tài)§2.4常規(guī)高溫?zé)釘U(kuò)散的數(shù)學(xué)描述我們敘述了實(shí)現(xiàn)高溫?fù)诫s所必需的條件，由物理意義及圖形分布等方面較為詳細(xì)地闡述了常規(guī)高溫?zé)釘U(kuò)散的實(shí)施條件和工藝環(huán)境，使同學(xué)們對(duì)實(shí)現(xiàn)常規(guī)高溫?zé)釘U(kuò)散的兩步擴(kuò)散法有了較為完整的定性了解。事實(shí)上，學(xué)者們對(duì)常規(guī)高溫?zé)釘U(kuò)散工藝過(guò)程所進(jìn)行的研究已相當(dāng)深入。對(duì)常規(guī)高溫?zé)釘U(kuò)散兩步擴(kuò)散法所進(jìn)行的數(shù)學(xué)分析、數(shù)學(xué)建模及數(shù)學(xué)求解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散工藝過(guò)程的數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)散工藝過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真。本節(jié)，我們要討論的就是如何對(duì)常規(guī)高溫?zé)釘U(kuò)散行為進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。下面要講解的是常規(guī)熱擴(kuò)散問(wèn)題的數(shù)學(xué)求解，這與常規(guī)熱擴(kuò)