关于微电子材料与制程资料.docx

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关于微电子材料与制程资料

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。

其中，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P/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技術中的場氧化矽，STI技術中的充填介電質），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。

II-VI族、III-V族、及IV價族元素是目前可選用的半導體材料。

在常用的半導體材料中，以砷化鎵（GaAs）、鍺（Ge）及矽材料（Silicon）是目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）是目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面。

9-2氧化層的形成方法

積體電路製程中，二氧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，在矽表面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，我們將之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層。

由於形成該絕緣層不會消耗矽表層，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。

將矽晶片置於爐管中，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）+O2（g）→SiO2（s）

（1）

Si（s）+2H2O（g）→SiO2（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SiO2所覆蓋。

這層因為空氣裏的氧及水分子所自然形成的SiO2，則稱為“原始氧化（nativeoxide）”。

二氧化矽（SiO2）中，矽原子與氧原子藉共用價電子的方式形成共價鍵。

在氧化的過程中，Si-SiO2的介面會由矽表面移向內部。

計算Si與SiO2的密度及對應的分子量，在氧化的過程中，形成SiO2厚度t，將消耗0.44t的Si，見圖9-1。

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℃，氧氣分壓介於0.2~1.0大氣壓（或更高），氧化層厚度介於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。

9-02.gif

圖9-2顯示熱氧氧化的基本模型。

其中矽表面包含一層固有氧化層（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SiO2。

當固有氧化層厚度為零時，矽表面很容易與氧分子結合形成SiO2。

當矽表面長出足夠厚的SiO2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SiO2的表面，然後藉著氧分子在SiO2內的擴散才能抵達矽的表面，而後進行SiO2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F1來表示，並以Cg及Cs來分別代表氧分子在氣相中及SiO2表面的濃度。

而它們彼此間的關係可以寫成

F1=hg（Cg-Cs）（3）

其中hg為氣相質傳係數（gas-phasemass-transfercoefficient），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中的濃度關係，我們引入Henry’slaw

（2）

Co=H*Ps

C*=H*Pg

其中，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中的分壓，

使用Henry’sLaw

（2），

F1=h（C*-Co）（4）

h:

gas-phasemass-transfercoefficientintermsofconcentrationinthesolid

h=hg/HkT

2.於固有氧化層表面的氧分子，藉擴散效應通過SiO2並到達Si與SiO2的介面（interface）。

依據Fick‘sLaw，這個氧分子流量用F2表示，而F2可以表示為

F2=D（Cs-Ci）/dox（5）

D為氧分子在SiO2內的擴散係數（diffusivity），Ci為SiO2/Si介面的氧分子濃度，dox為氧化層厚度。

3.為抵達Si-SiO2介面的氧分子與矽進行SiO2的生成反應。

此反應消耗的氧分子流量以F3表示

F3=k*Ci（6）

其中k是Si-SiO2介面的反應速率常數（reactionrateconstant）。

當氧化反應到達穩定狀態（steadystate），F1、F2、和F3將相等。

而Ci、Co與Cg、k、h、dox間的關係式，亦可以由解聯立方程組的方法來求得。

至於氧化方程式，則可由下述推導求得：

令氧化層厚度為x，F=D（dC/dx）

F2=-DdC/dx=-D*（Co-Ci）/x（7）

F3=kCi（4）

解F2=F3=F

Cs=（DCo/k）/（x+（D/k））（8）

在二氧化矽表面氧分子的消耗量可以用

F1=C1*dx/dt（9）

C1為單位體積二氧化矽內的氧分子數，C1=2.2x102/cm3inoxide，dx/dt為氧化速率。

由F1=F3及（4），（8）可得

D*Co/[x+（D/k）]=C1dx/dt（10）

解微分方程式（10）可得

X2+AX=B（t+

（11）

為考慮固有氧化層的時間修正項（timeshift）。

其中A=2D/k，B=2DCo/C1，B/A=kCo/C1，

當氧化層有相當厚度時，氧在SiO2內的擴散常數會相對變低，因為氧的擴散能力不足，Si-SiO2介面的氧分子濃度將趨於零，而SiO2表面的含氧量也因此將與氣相內的含氧濃度相當，此時的氧化速率將由氧分子在二氧化矽中的擴散速率所主導，又稱為diffusioncontrolcase。

反之，在氧化層厚度很薄的狀況下，氧分子在SiO2的擴散係數相對於SiO2是足夠大時，此時的氧化速率將由氣氛中的氧分子濃度及氧化反應常數Ks所主導，又稱為reactioncontrolcase。

考慮矽在進行氧化前本身已存在氧化層厚度Xi

（12Xox2+A*Xox=B*（t+

為與原始氧化層相關的時間修正項（timeshift）

在氧化初期，因SiO2較薄，Xox<<，且Xox2<

Xox=（B/A）*（t+

（13）

在這段區間，SiO2的氧化速率與時間t呈線性正比關係。

此時氧分子擴散通過SiO2層的能力很強，反應速率限制在表面的氧化反應。

當氧化層足夠厚時，Xox2>>Xox，且t>>由式（12）簡化得

Xox2=B*t（14）

氧化層的成長將以拋物線的方式逐漸趨緩下來，因為SiO2的厚度使得氧分子藉擴散而傳遞到Si-SiO2介面的能力變弱，Ci=0，此時反應速率的限制則在於氧的擴散，也就是（11）式中的常數B，稱為拋物性速率常數（parabolicrateconstant），而（11）式中的B/A稱為線性速率常數（linearrateconstant）。

圖9-3，顯示這兩種反應速率在700°C到1300°C間的關係。

當氧化反應剛開始的一段時間裡，可用（13）式表示氧化層厚度與氧化時刻間的線性關係。

當氧化厚度增加到某一個程度後，這層關係將變成拋物線的形式，例如圖9-3（a）的後段，可用（14）式來形容。

Deal-Grove氧化模型適用於氧化層厚度>300?

的情況。

但是，當在氧化層厚度很薄的情況下（t<300?

），氧化速率並非呈線性關係，而是更為快的反應速率。

其反應速率由Massound等人（3）依實驗值模擬出的經驗式為：

dTox/dt=B/（2Tox+A）（15）

（16）及dTox/dt=C*exp（-Tox/L）+B/（2*Tox+A

其中所加入的指數項，是用以描述成長快速模式，而L值為常數70?

。

此一式子，對現今成長厚度低於100?

以下之氧化模型來說相當重要。

9-2-1-2熱氧化影響參數

影響氧化之因素很多，詳述如下：

氧化溫度：

溫度愈高，氧分子在SiO2的擴散係數D及在Si-SiO2介面的反應速率常數k皆會增加。

所以溫度升高，氧化反應愈快。

表9-1，顯示不同溫度下，水氣中的氧化反應常數。

圖9-4，則顯示不同溫度及時間下對應的氧化厚度。

一般而言，在800℃下不太容易成長較厚的氧化層。

晶片方向：

晶片方向也會影響氧化速率。

這是由於在不同的晶面下，Si-SiO2介面的反應速率常數k亦會有所不同。

在表9-1，顯示（111）平面的線性反應常數B/A較（100）平面大約1.68倍。

比較<111>，<110>，及<100>三種晶格方向，實驗數據顯示，以<111>方向最快，<110>方向次之，最

慢的是<100>方向。

這剛好正比於其表面的晶格密度。

在比較三者的氧化層品質，則以<100>方向呈現較低的缺陷密度。

故一般常用之半導體晶片皆以<100>方向為主。

氧化壓力：

由於氧化的速率快慢受到氧分子擴散進入矽晶格速率的影響。

由於壓力可以驅入氧分子，所以氧化壓力愈高，氧化速率愈快。

高壓氧化的優點是藉由提升氧壓力，縮短氧化時間。

高壓氧化的也可以在較低的溫度下，得到足夠快的氧化速率，以提高製程的產出效率。

低溫氧化的另一個優點則是低溫製程可以有較少的擴散效應。

氧化速率與壓力的關係式為

R=R1atm*Pn（17）

其中n=0.7~0.8，高壓氧化可以縮短氧化的製程時間。

9-05.gif

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圖9-5，顯示90