第34章集成电路设计与制造讲义.docx
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第34章集成电路设计与制造讲义
第三章离子注入
§3.1离子注入设备
1、离子源:
用于离化杂质的容器,有阴阳两个电极,阴极接地,阳极接高压(约1000V)。
常用的杂质源为PH3、B2H3、BF2、AsH3等。
2、质量分析器:
由相互垂直的电场和磁场组成。
不同离子的质量不同,则在分析器中偏转的角度不同,由此可分离出所需的杂质离子,且离子束很纯。
3、加速器:
为高压静电场,用来对离子束加速。
该加速能量是决定离子注入深度的一个重要参量。
4、中性束偏移器:
利用偏移电极和偏移角度使中性原子分离出去。
5、聚焦系统:
用来将加速后的离子聚集成直径为数毫米的离子束。
6、偏转扫描系统:
用来实现离子束在X、Y方向的一定面积内进行扫描。
7、工作室:
放置样品的地方,其位置可调。
图3.1离子注入设备结构示意图
§3.2注入离子的浓度分布与退火
离子注入过程:
入射离子与半导体的原子核和电子不断发生碰撞,从而损失其能量,最后停止在半导体中的某处。
一、注入离子浓度分布
(3.1)
图3.2注入离子的理想浓度分布
φ为样品表面单位面积注入的离子总数(注入剂量),单位cm-2。
RP是平均投影射程,RP为射程偏差,与注入能量有关。
1、最大浓度位置在样品内的平均投影射程处:
(3.2)
(2)注入离子的剂量φ越大,浓度峰值越高;
(3)注入离子的能量E(20~200KeV)越大,RP、RP相应越大,浓度峰值越低。
表3.1硅中离子注入能量(KeV)与射程(Å)的对应关系
入射能量(KeV)
注入硅中的离子
20
40
60
80
100
120
140
160
180
B
RP
714
1413
2074
2695
3275
3802
4284
4745
5177
RP
276
443
562
653
726
713
855
910
959
P
RP
255
488
729
976
1228
1483
1740
1996
2256
RP
90
161
226
293
350
405
459
509
557
As
RP
151
263
368
471
574
677
781
855
991
RP
34
59
81
102
122
143
161
180
198
2、在X=RP处的两边,注入离子浓度对称下降,且下降速度越来越快。
表3.2注入离子浓度随距离的相对变化
N/Nmax
1
0.5
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
(x-Rp)/RP
0
1.18
2.14
3.04
3.72
4.29
4.80
5.25
5.67
例子:
已知N型硅的杂质浓度NB,为形成PN结,将B离子注入到硅中,其中入射能量和注入剂量分别为E和φ,试计算峰值浓度Nmax、结深Xj。
步骤1:
由表3.1查出注入能量E对应的RP和RP
步骤2:
求峰值浓度Nmax:
步骤3:
根据NB/Nmax的比值,查表3.2查出
的数值,求出Xj。
二、晶格损伤和退火
1、晶格损伤
由离子注入所引起的大量的空位和间隙原子对点缺陷称为晶格损伤,与注入离子的能量、质量、靶温、剂量和靶材料等有关。
(4)在相同的入射能量下,对相同的靶材料,轻离子注入损伤密度小,但区域较大;重离子注入损伤密度大,但区域很小;
(5)注入剂量增大,靶的晶格损伤越严重。
当剂量达到某一数值时,靶将形成完全无序的非晶层。
在相同条件下,入射离子的质量越小,靶形成非晶层的临界剂量越高;
(6)靶温越高,形成非晶层的临界剂量越大;
(7)注入剂量一定时,剂量率(单位时间内通过单位面积注入的离子数)越高,注入时间越短,形成非晶层的临界剂量减小;
(8)沿某一晶向入射离子优于随机入射。
偏离晶向5º左右。
2、退火
目的:
消除晶格损伤;使注入的杂质转入替代位置实现电激活。
(1)热退火温度范围:
600℃~1200℃。
低温长时间+高温短时间。
(3-3)
(2)快速退火
采用脉冲激光、脉冲电子束与离子束、扫描电子束、连续波激光、宽带非相干光源(如卤灯和高频加热)等退火,特点是瞬时内使晶片的某个区域加热到极高的温度,并在较短的时间内(10-3~102S)完成退火。
§3.3离子注入的特点和应用
一、特点
13、离子注入扩大了杂质的选择范围;其掩蔽膜可采用SiO2、金属膜或光刻胶。
14、离子注入时样品温度一般不超过400℃,退火温度也可较低(650℃),避免了高温过程带来的不利(如结的推移、热缺陷等)。
15、离子注入能精确控制掺杂的浓度分布和掺杂深度,因而易于制作极低的浓度和很浅的P-N结。
16、离子注入中通过质量分析器选出单一的杂质离子,保证了掺杂的纯度。
17、离子注入的横向扩散很小,利于提高集成电路的集成度,并能制作出频率较高的MOS器件和击穿电压较高的器件。
18、注入剂量在1011~1017离子/cm2较宽的范围内,同一平面内杂质分布的均匀性远高于扩散工艺。
二、应用
1、注入在双极型IC中的应用
表3.1
用途
注入离子
能量范围(keV)
剂量范围(cm-2)
制作电阻
B+
50~200
1012~1015
制作(有源和无源)基区
B+
60~200
1013~1015
制作发射区
As+
40~400
1015~1016
制作隐埋层
P+
100~400
1015~1016
制作肖特基二极管
As+、Sb+
100~200
1011~1013
制作沟道阻断区
B+
200~300
1014~1015
损伤吸杂
Ar+、P+
100~200
1015~1017
2、注入在MOSIC中的应用
表3.2
用途
注入离子
能量范围(keV)
剂量范围(cm-2)
调整阈值电压
B+、P+、As+
20~150
1010~1012
制作P阱
B+
80~200
1012~1013
制作N阱
P+
100~200
1012~1013
制作源、漏区
B+、P+、As+
20~200
1015~1016
提高耐压防止穿通
B+、P+
150~300
1011~1012
隔离环
B+、P+
50~200
1012~1014
制作电阻
As+、Sb+
100~200
1013~1014
损伤吸杂
Ar+、P+
100~200
1015~1017
第四章氧化
§4.1SiO2结构和性质
一、结构
结晶形和无定形两类。
结晶形SiO2由Si-O四面体在空间规则排列而成,如石英、水晶等;无定形SiO2是Si-O四面体在空间规则无排列而成,为透明的玻璃体,非晶体,其密度低于前者,如热生长SiO2、淀积SiO2等。
无定形SiO2中硅原子要运动须打断四个Si-O键,而氧原子的运动最多打断两个Si-O键,因此,氧空位的出现易于硅空位。
氧化的过程均是含氧的氧化剂穿过SiO2层到达Si-SiO2界面与Si反应生成SiO2。
二、SiO2的主要性质
1、物理性质
表4.1Si、SiO2的物理性质比较
性质
Si
SiO2
比重(g/cm3)
2.23
2.20
禁带宽度(eV)
1.12
~8
介电常数
11.7
3.9
熔点(℃)
1417
1700
热导率(W/cm.k)
1.5
0.01
击穿电场(V/cm)
3χ105
6χ106
2、化学性质
化学性质非常稳定,仅被HF酸腐蚀。
(4.1)
§4.2SiO2的掩蔽作用
一、杂质在SiO2中的存在形式
1、替位式杂质(网络形成者)
B、P、Sb等半径较小的Ⅲ、Ⅴ族杂质替代硅原子。
Ⅲ族杂质形成负电中心,使非桥联氧转变成桥联氧,增强SiO2网络强度;Ⅴ族杂质形成正电中心,使桥联氧转变成非桥联氧,减弱SiO2网络强度。
2、间隙式杂质(网络改变者)
以离子形式存在于SiO2网络间隙的杂质,半径较大,如Na、K、Pb、Ca等的氧化物,网络中氧离子增加使非桥联氧增多,网络强度减弱,熔点降低;其运动影响器件的稳定性和可靠性。
水汽中羟基的作用类似。
二、杂质在SiO2中的扩散系数
(4.2)
其中:
E为杂质在SiO2中的扩散激活能;D0为表观扩散系数。
SiO2中杂质扩散系数:
B、P、As、Sb、Au等扩散系数较小;Ga、Na、K、H2、H2O等扩散系数较大。
SiO2层为无定形体,不是晶体,故杂质在SiO2中不存在固溶度的概念。
三、SiO2掩蔽层厚度的确定
SiO2层起掩蔽条件:
(1)具有一定厚度;
(2)DSi>>DSiO2
杂质在SiO2层中的分布大部分按余误差函数分布:
(4.3)
(4.4)
定义N(x)/NS的比值为10-3时对应SiO2的xmin:
(4.5)
§4.3高温氧化(热氧化)
高温氧化法生长的SiO2结构致密,掩蔽性能良好。
(4.6)
NSiO2=2.21022/cm3NSi=5.01022/cm3
x=0.44x0(4.7)
x0=2.27x(4.8)
一、热氧化工艺
表4.2各种热氧化工艺
划分标准
工艺名称
说明
特点
温
度
高温氧化
900~1200℃
低温氧化
900℃以下
氧
化
气
氛
干氧氧化
干O2
水汽氧化
H2O
湿氧氧化
H2O+O2;H2O+N2
氢氧合成氧化
H2+O2
(1)氧化速率由H2和O2的流量及其流量比决定,氧化速率高于湿氧氧化;
(2)氧化层质量高,可动离子沾污小;(3)氧化层厚度均匀性和重复性优于湿氧氧化
掺氯氧化
HCl/O2;Cl2/O2;C2HCl3/O2
(1)掺氯氧化速率快;
(2)减小Na+沾污,钝化SiO2中Na+活性,抑制或消除热氧化缺陷,改善击穿特性,提高器件的可靠性和稳定性。
压
力
常压氧化
1个大气压
氧化时间长,温度高
分压氧化
氧分压:
O2+N2(Ar、He、NO)
生长高质量薄层氧化层(几十Å~400Å)。
高压氧化
几个~15MPa气压
(1)快速、低温的氧化方法;
(2)适于等平面选择场氧化;(3)减小氧化引起的堆垛层错
表4.3常压下干氧、水汽、湿氧氧化法的特点及适用范围
氧化种类
优点
缺点
适用场合
干
氧
氧
化
结构致密,表面平整光亮;对杂质掩蔽能力强;钝化效果好;生长均匀性、重复性好;表面对光刻胶的粘附好
生长速率在三种氧化法中最慢,例如1200℃下生长0.5m厚需6h
薄层高质量氧化;厚层氧化时用于起始和终止氧化;缓冲氧化层
水
汽
氧
化
生长速率快于干氧氧化及湿氧氧化;在固定水汽压下,水温的少许变化不影响氧化速率
结构疏松;对杂质的掩蔽能力差;表面上H2O量过多时会出现斑点与其他缺陷
与干氧氧化法结合生长厚氧化层
湿
氧
氧
化
生长速率介于干O2与水汽氧化之间;可由水温、炉温调节生长速率,工艺灵活性大;对杂质的掩蔽能力、钝化效果能满足工艺要求
表面存在羟基使其对光刻胶的粘附不好
厚层氧化;
干O2(10min)-湿氧-干O2(10min)
表4.4常压与高压氧化速度比较
SiO2厚度(m)
常压氧化时间(min)
高压氧化时间(min)
速度比
(倍)
920℃
1000℃
1100℃
850℃
920℃
0.8
330
202
172
100
(1MPa)
74
(1MPa)
4.5
(1MPa)
1.0
450
292
212
85
(2.5MPa)
55
(2.5MPa)
8
(2.5MPa)
1.2
690
482
352
100
(2.5MPa)
62
(2.5MPa)
11
(2.5MPa)
2.0
2430
1610
1160
150(2.5MPa)
100
(2.5MPa)
24
(2.5MPa)
3.0
4100
1970
1760
280
(2.5MPa)
170
(2.5MPa)
24
(2.5MPa)
二、根据器件要求确定氧化方法
ZZ、薄层高质量氧化:
干氧氧化或分压氧化;
AA、厚层的局部氧化或场氧化:
干氧(10min)+湿氧+干氧(10min)或高压氧化;
BB、低表面态氧化:
掺氯氧化;湿氧氧化加掺氯气氛退火或分压氧化(H2O或O2+N2或Ar或He等)。
§4.4热氧化生长动力学
一、热氧化过程
图4.1硅的热氧化模型
2)氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2-气体界面,其流密度为F1。
3)氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2-Si界面,流密度为F2。
4)氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2,流密度为F3。
5)反应的副产物离开界面。
采用准静态近似(即所有反应物立即达到稳态条件),则:
F1=F2=F3(4.14)
F1=hG(NG-NS)(4.15)
(4.16)
F3=KSNi(4.17)
hG为气相质量转移系数;
为氧化剂在SiO2中的扩散系数;KS为氧化剂与Si反应的界面化学反应常数。
根据Henry定律,在平衡条件下,固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中的分压,则SiO2表面处的氧化剂浓度NS′:
NS′=HPS(4.18)
H为Henry定律常数。
平衡条件下,SiO2中氧化剂的平衡浓度N*与气体中氧化剂分压PG关系:
N*=HPG(4.19)
由理想气体定律:
(4.20)
(4.21)
将式(4.18)~(4.21)代入(4.15):
F1=h(N*-NS′)(4.22)
(4.23)
由(4.14)~(4.23):
(4.24)
(4.25)
图4.2氧化的两种极限下,
氧化层中氧化剂的分布
1)DSiO2< SiO2的生长速度主要由氧化剂的扩散速度决定,称为扩散控制。 2)DSiO2>>KSX0 SiO2的生长速度由Si表面的化学反应速度决定,称为反应控制。 二、SiO2的生长厚度计算 (4.26) N1为生长单位体积的SiO2所需的氧化剂分子个数。 氧化剂为O2时,N1为2.21022/cm3;氧化剂为H2O时,N1为4.41022/cm3。 将(4.24)与(4.26)代入(4.17)式: (4.27) 由初始条件X0(0)=Xi求得: X02+AX0=B(t+)(4.28) 其中: (4.29) (4.30) (4.31) (4.28)式的解: (4.32) 1)t+< (4.33) (4.34) B/A为线性速率常数,SiO2生长速率由SiO2-Si表面化学反应速率常数KS决定。 2)t>>,t>>A2/4B,抛物线氧化规律 X02=Bt(4.35) B为抛物线氧化速率。 SiO2生长速率由氧化剂在SiO2中的扩散快慢决定。 三、决定氧化速率的各种因素 1、氧化剂分压的影响 结论: 2、氧化温度的影响 结论: 3、硅表面晶向的影响 B与硅晶向无关;B/A与硅原子晶向有关, 4、杂质的影响 (1)氧化层中高浓度Na+将增大B和B/A; (2)氧化剂中Cl2、HCl(C2HCl3)将增大B和B/A,有利于改善SiO2质量和SiO2-Si界面性质; (3)重掺杂硅氧化得比轻掺杂硅快。 硅中掺硼浓度增大,B增大,B/A变化小;硅中掺磷浓度增大,B/A增大,B变化小。 §4.5热氧化过程中杂质的再分布 一、热氧化时硅中杂质再分布产生的原因 图4.3热氧化中杂质在SiO2-Si界 面再分布的四种情况 (a)氧化层中慢扩散(硼); (b)氧化层中快扩散(硼,在H2气氛下); (c)氧化层中慢扩散(磷); (d)氧化层中快扩散(镓) 1、杂质在Si、SiO2中平衡浓度不同 分凝系数m= 2、杂质在Si、SiO2中扩散速度不同 3、氧化速度与氧化层厚度 二、热氧化过程中硅中杂质的再分布 1、硅中掺磷 11、温度一定时,水汽氧化(湿氧氧化)导致杂质再分布程度较大,其NS/NB大于干氧氧化; 12、同一氧化气氛下,氧化温度越高,磷向硅内扩散的速度越快,表面堆积现象减小,NS/NB趋于1。 2、硅中掺硼 (1)温度一定时,水汽氧化(湿氧氧化)导致杂质再分布程度增大,NS/NB小于干氧氧化; (2)同一氧化气氛下,氧化温度越高,硼向硅表面扩散速度加快,补偿了表明杂质的损耗,NS/NB趋于1。 §4.6氧化膜质量检测及应用 一、氧化膜厚度测量方法 表4.5氧化膜厚度方法分类 方法名称 方法要点 特点 光 学 检 测 法 干涉 显微镜法 横过氧化层台阶边界的干涉条纹在台阶处发生弯曲,其弯曲量与氧化膜厚度有关 测量精度高,破坏性测量 比色法 以一定角度观测SiO2膜,SiO2膜呈现干涉色彩,颜色与厚度有关 方法迅速,精度不高,不能测微米以上的厚膜 分光光度计测量 改变入射光的波长,测量反射光强与波长的变化曲线 测量精度高,非破坏性 椭圆法 入射的椭圆偏振光经SiO2的多次反射和折射后,得到改变了椭圆率的发射椭圆偏振光,其改变量与膜厚和折射率有关 测量精度高,非破坏性,能同时测出膜厚和折射率 比重法 已知膜的面积和比重,度量膜的重量,即可知膜厚 实际生产中使用不多 高频MOS结构C-V法 测量金属栅面积为A的MOS结构的最大电容,利用公式计算氧化层厚度: tox=ox0A/Cmax 测量精度较高,非破坏性 表4.6SiO2层厚度与颜色的关系 颜色 氧化层厚度(Å) ~灰 100 ~黄褐 300 ~蓝 800 紫 1000 2750 4650 6500 8500 深蓝 1400 3000 4900 6800 8800 绿 1850 3300 5200 7200 9300 黄 2000 3700 5600 7500 9600 橙 2250 4000 6000 7900 9900 红 2500 4350 6250 8200 10200 二、氧化膜缺陷检测 包括氧化膜针孔、氧化层错的检测 三、介电系数和击穿特性测量 计算介电系数公式: 其中: Cmax—电容器的最大电容;0—真空电容率;tox—氧化膜厚度;A—氧化层的面积 四、应力测量 圆盘弯曲法;基片弯曲法;X射线和电子衍射技术 五、热生长SiO2-Si系统中的电荷 图4.4与热氧化有关电荷的 名称及位置示意图 Qf: 固定氧化物电荷Qit: 界面陷阱电荷Qm: 可动离子电荷Qot: 氧化物陷阱电荷 六、SiO2膜在器件中的应用 五、用作选择扩散的掩膜; 六、用作器件表面保护及钝化; 七、用作器件中的绝缘介质(隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质); 八、离子注入中用作掩蔽层及缓冲介质层等。
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