2/4BXo=√Bt>>At+τ扩散速率限制
1.2.3.影响氧化速率的因素
1）.温度对氧化速率的影响
表1-1：
B和B/A在干氧氧化的温度相关性
性抛物性常线性常
B/um/B（u/h）氧化温度（℃A（um）
1.1212000.0450.040
0.300.09011000.027
0.007110000.01170.165
0.02080.2359200.0049
0.0030
0.0011
800
0.373
都随温度的增加而变大，也就是氧化速率会随翁度的上升而增大，B/A和B
对干氧氧化和湿氧氧化都是如此。
2）.硅的晶格方向对氧化速率的影响
氧化速率与硅晶格方向的相关性主要来自于F=KsCi。
由于Ks取决于硅表3面的密度和反应的活化能。
<111>的硅表面原子密度较高，Ks相对较大。
所以<111>的氧化速率比<100>快。
影响Ks（表面电势）的还有：
表面掺杂浓度、氧化前表面处理。
3）.氧化气体对氧化速率的影响
表1-2：
C*在1000℃下的大小
-3）cm氧化媒介C*（16×5.2O10219H10×3.0O
2
内的平衡SiOO分子，SiO虽然水分子在内的扩散系数低于O但H分子在2222值都会大浓度C*值和分子的O个数量级。
因此HBB/A3分子的大约高比O22于分子。
O2的湿氧氧化的温度相关性、表1-3：
BB/A
线性常数抛物性常数）um/h（B/A）um2/h（B）um（A氧化温度（℃）14.400.7200.051200
4.640.110.5101100
1.270.2260.2871000
0.406
0.203
0.50
920
氧化气体压力对氧化速率的影响4）.
，当氧化气体分压变大时，氧化反应会被加速C*=HPg与C*成正比，而B进行。
）．杂质分凝（ImpuritySegregation1.2.4这是由于杂质之界面处重新分布。
氧化过程中硅内的杂质会在新生长的SiO2中的固溶度不同引起的，称为“杂质分凝”。
在硅和SiO2m=NSi/NSiO2
0.15~0.3）m<1（硼）（~10磷m>1
，影响因素为：
杂质分凝结果引起硅中杂质的再分布（Redistribution）；）分凝系数m12）氧化速率；中的扩散系数。
SiO）杂质在Si和32
在集成电路制造中的应用§1.3SiO2BufferLayer）1.作为缓冲层（IsolationLayer作为隔离层（）2.
）MaskingLayer作为扩散或注入的掩蔽层（3.
PECVD，APCVD）4.作为绝缘层（Insulator）做金属层之间介质（LPCVD，（PECVD）5.作为钝化层（Passivation）
§1.4氧化层的特性氧化层的重要特性有很多，以下将针对其中几项重点加以说明。
1.4.1.电性
电荷在氧化层内的分布
）电性的的电荷来源主要有：
影响热氧化层（ThermalOxideLayer（InterfaceTrappedCharge）
Q1）界面陷阱电荷it和）这种电荷的产生是由于界面处氧化过程引起的未饱和键（DanglingBond晶片可降低<100>与SiO不连续性引起的。
适当的退火（Anneal）和选用Si2其浓度。
Q（FixedOxideCharge）2）固定氧化层电荷f中存在过剩的SiO里，通常带正电，是由于SiO截面约在距离Si-SiO30?
222）可以原子引起的。
高温退火（Anneal）和加速氧化层的冷却（Cooling的Si较小。
晶片，Q降低Q。
选用<100>ff（MobileIonCharge）
Q3）移动性离子电荷m++。
来源于石英材料，化学品来自氧化层内的存在的碱金属离子（Na等），K有极强地腐，但由于HCL以及操作人员污染。
掺HCl氧化可有效地减小Qm蚀性，现在多用反式—二氯乙烷（trans-LC）等含氯的化合物。
2HO+CL+4CO5OCL2CH+222222
2HO+2CL4HCL+O222+-Na+ClNaClg）（．
（OxideTrappedCharge）
Q4）氧化层陷阱电荷ot这类电荷没有特定的分布位置，主要式因为晶片制造过程中其他工艺，如离）等引起的电子和Sputter，干法刻蚀（Dryeretch），溅射（子注入（Implant））所造成的。
带正电或负Trapped空穴被氧化层内的杂质或未饱和键所捕捉（电则不一定。
利用退火工艺也可降低这类电荷。
）1.4.2.应力（Stress）不同，当晶片在高ThermalExpansionCoefficient与Si的热膨胀系数（SiO2的热膨胀系Si℃以上）进行热氧化并恢复到室温状态后，由于温下（通常在800。
衬底的压缩应力（CompressiveStress）高，数比SiOSiO层将承受一股来自Si22并使衬底Warpage），如果工艺控制不当，这股压缩应力会使晶片表面发生弯曲（。
所以氧化工艺中的温度控制与调整必须十分注意，特表面产生缺陷（Defect））时速度不能太快，以免晶片表面受热不均匀而产别是晶片进出炉管（Furnace生变形或弯曲。
氧化层针孔（PinHole）1.4.3.
Deep米（是深亚微发缩小的方向展，特别来氧化层的应用越越朝或更薄的厚度。
?
GateOxide）发展到只有40（Sub-micrometer）的工艺，栅氧化层都让氧化层留下一些针孔。
杂质或氧化缺陷，（Particle）、由于氧化过程中的微尘）的根源。
这些氧化层的针孔是栅氧化层漏电流（Leakage并且在氧化前只有让氧化炉管内的微尘及杂质降低，减小这类的针孔密度，将晶片加以清洗，保持晶片表面的洁净。
氧化层密度1.4.4.
。
热氧化RefractiveIndex）来反映。
典型值是1.46的密度可由折射率（SiO2密SiO的折射率会随着下降，但下降值很小。
通常这种SiO温度升高，长出的22的工艺不同，HF+H2O溶液刻蚀的速率来检验。
当生成SiO度特性，可以通过2的化学的密度会随之改变，刻蚀速率也跟着改变。
由此我们可以知道SiOSiO22也会对接下组成是否有变化。
这不但表示其电性以及机械性质也受到影响之外，热氧化层的刻蚀速度应定期的接受来的氧化层刻蚀的刻蚀终点造成误差。
所以，检查。
作用SiO有极高的化学稳定性，不溶于水，只能和HF2SiF4HFSiO++2HO224SiF+2HFHSiF624
§2.低压炉管工艺2.1LPCVD技术概述§2.1.1CVD的定义及其优点：
§技术是指一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表1.定义：
CVD（注意：
是沉积在衬底上面发生化学反应并沉积出所需的固体薄膜的生长技术。
的，而不是与衬底发生反应生成的。
）优点：
沉积温度低，薄膜成分和厚度易控，薄膜厚度与沉积时间呈正比，均匀2.其中沉积温度低和台阶覆盖能力好性与重复性好，台阶覆盖能力好，操作方便。
VLSI不可缺少的关键工艺。
对VLSI的要求非常有利。
因而，CVD技术已成为
2.1.2.CVD原理§CVD反应可分为五个步骤：
2.1.2.1.典型的参与反应的气体，将从反应器的主气流里，借着反应气体在主气流及晶片表）.1面间的浓度差，以扩散的方式，经过边界层，扩散到晶片的表面。
.这些到达晶片表面的气体分子，一部分将被吸附在晶片的表面上。
2）当参与反应的气体在表面相会后，借着晶片表面所提供的能量，将发生沉积）.3反应，包括气体间的化学反应、反应生成物在晶片表面上的运动及沉积等。
）当沉积反应完成之后，反应的副产物及部分未参加反应的气体，将从晶片表4面上解吸，并进入边界层，最后流入主气流里。
设备里CVD5）这些未参与反应的气体、副产物和部分解吸的生成物将一起被的抽气装置或真空系统所抽离。
反应的反应物和生成物，都必须经由主气流和晶片表面间的边界层来CVD
反应的速率，将由这CVD传递。
而且，这五个步骤的发生顺序成串联，因此，五个步骤里面最慢的那一步所决定。
反应的五个步骤图1--9：
CVD5）1）扩散
2）吸附
3）反应并沉积
4）解吸扩散1）2）3）4）
5）抽离系统●○反应
底衬
2.1.2.2.沉积速率1）δ）Cg-Cs（．反应气体流入边界层的流量为：
F1=D/——主气流里反应气体的浓度Cg其中，
Cs——晶片表面反应气体的浓度
δ——边界层厚度
2）．反应气体在晶片表面进行化学反应所消耗的量为：
K2=KrCs
其中，Kr——反应速率常数
3）．平衡时，F1=F2则Cs=Cg/（1+Krδ/D）=Cg（1+Sh）
其中，Sh=Krδ/D——SherwoodNumber
a.当Sh<<1时，Cs=Cg，表面扩散速率比表面反应快很多，沉积速率取决于表面反应的速率，称为“表面反应限制”。
沉积速率V=KrCs=KrCg=KoEXP（-Ea/Kt）Cg
b.Sh>>1时，Cs=0，表面反应扩散快的多，沉积速率取决于扩散速率，称为“扩散限制”。
沉积速率V=DCg/δ=DoEXP（-Ed/Kt）（Cg/δ）
一般而言，当反应温度较低时，CVD将为表面反应限制情况；当反应温度较高时，则为扩散限制所控制（但并不是绝对的）。
§2.1.3低压技术及工艺
2.1.3.1低压的定义、常用单位及其分类
1）．低压是指在一定空间内低于一个大气压的气体状态，即真空（在下文中，用真空来代替低压）。
一般用真空度来描述真空状态下气体的稀薄程度。
但是真空度所计量的不是真空状态下气体分子的数密度，而是用压强单位来度量的，即单位面积上的压力。
常用的单位有：
Pa，mmHg，mmHO，Torr，mbar等。
它们2之间的换算关系见下表。
表1--4：
用于真空计量的压力单位之间的换算对照表
单位名称Pa之间的换算关系与符号
标准大气压1atm=101325Paatm
托1Torr=133.3PaTorr
毫米汞柱1mmHg=133.3PammHg
毫米水柱1mmHmmHgO=9.8Pa2毫巴mbar
1mmbar=100Pa
2）．真空区域的划分
在真空技术中，通常根据真空度的高低，把整个真空范围划分成若干个区域。
随着真空度的变化，气体往往表现出许多不同的性质，同时，检测的仪表也不同。
53Pa10a.粗真空：
一般指~10。
粗真空的应用领域主要是由于它与大气压力之间有一定的压力差，例如：
真空输送，吸尘，铸造技术中的真空成型等。
粗真空的．
检测仪表主要是液柱高度差的真空计、机械变形指示的真空计等。
-13。
低真空一般用在高真空泵机组的前级机械泵组的~10Pab.低真空：
一般指10（其作用是即工艺真空入口处，是从大气环境到高真空或超高真空的过度阶段，。
采用真空吸取器吸附晶片）-6-1~10。
高真空一般用在工艺设备反应条件的真空环境。
c.高真空：
一般指10Pa-6这一真空度一般用于工艺设备的背景真空环境，，Pad.超高真空：
一般指低于10即做工艺之前，先要将反应室内的真空抽到这一真空度，然后在充入反应气体，进行工艺加工。
低压的获得2.1.3.2.
真空泵是获得真空的主要工具。
利用气体可以压缩、或膨胀的原理，应用于
活塞泵、罗茨泵等；利用气体扩散的原理，应用于蒸汽扩散泵；利用气体分子的低温泵。
应用于吸附泵、利用物理、化学吸附的原理，电离效应，应用于离子泵；工艺用真空系统，如高真空、超高真空，一般用涡轮分子泵。
就IC
2.2§多晶硅的制作2.2.1未搀杂多晶硅§2.2.1.1.多晶硅的定义）的小单CrystalOrientation多晶硅（Poly-Silicon）是由多种不同结晶方向（SingleCrystalofSiliconGrains）所组成的纯硅物质。
晶硅晶粒（2.2.1.2.多晶硅的沉积方法SiHSi+2Hg4gg2）（（（））1）.优点：
反应温度低（600℃~650℃），均匀性好，台阶覆盖能力好，生产率高，成本低。
2）.主要工艺参数：
a..温度（T）：
T改变1℃，沉积速率改变2~2.5%。
当反应温度低于700℃时，Si的沉积速率与反应温度呈正比，当反应温度高于900℃时，Si的沉积速率将随着温度的上升而减缓。
当反应温度低于575℃时，因为吸附原子在沉积薄膜表面的扩散能力不佳，所沉积的Si将为长程无序（Long-RangeDisorderorNoLong-Rangeorder），即非晶硅（AmorphousSilicon）。
当反应温度介于650℃到575℃之间时，沉积的薄膜为多晶硅。
（Poly-Silicon）。
当温度高于700℃时，为磊晶硅（EpitaxialSilicon），即外延硅。
b.压力及控制方式：
0.3~0.6Torr之间。
输入气体流量恒定，由泵速控制压力时，沉积的重复性最好。
．
浓度与沉积速率存在一上c.SiH浓度（分压强）：
在一定温度及总压力下，SiH44限，即SiH浓度增加，沉积速率改变不太大了。
4
§2.2.2掺杂多晶硅沉积的多晶硅，本身的电阻率很高，为了降低它的电阻率，我们以LPCVD如果在生长多晶硅的同时进必须对它进行搀杂，以便将它转变为一种电的导体。
的化或B2H等。
掺PH行搀杂（In-Situ），则需在系统中同时加入PH、AsH3633学反应方程式如下：
SiHSi+2Hg4g2g）（））（（2PH+4OPO+3HOg2g3s2g25））（）（）（（2PO+5Si5SiO+4Ps25s2ss））（））（（（但是因为搀杂的含量会对多晶硅的沉积速率产生影响，因此沉积薄膜的杂质含量与沉积厚度的均匀性，将比较难以控制。
因此，通常情况下多采用先沉积再用扩散或注入法搀杂。
§2.2.3多晶硅在IC工艺中的应用及质量评估
1.多晶硅的主要用途是做金属-氧化物-半导体（Metal-Oxide-Semiconductor：
MOS）器件的栅（Gate）材料，重搀杂的多晶硅可做互连材料，轻搀杂的多晶硅可做电阻，掺O（NO）得到的掺O半绝缘多晶硅（O-SIPOS）是高压硅器件的较理222想的钝化膜。
另外，对渠沟结构（TrenchStructure）,也可以用LPCVD多晶硅加以填入，以作为DRAM的电容器，或是作为不同元件间的隔离之用。
2.多晶硅膜的质量评估
1）.表面颗粒数（Particle）
2）.厚度均匀性（Uniformity）
3）.搀杂性能，多晶硅晶粒大小。
一般来说，晶粒小，导电性能差。
§2.3.氮化硅的形成
§2.3.1氮化硅的沉积方法
在LPCVDSiN的沉积工艺中，通常都使用SiHCl（DCS）为主进行2423SiN沉积。
温度约700℃~800℃，压力约数百mTorr
43+6HN+3HClSi+NHSiHCl2（g）
g2g34sg32）（）（）（（）用此法所沉积的SiN膜的组成较纯，因此被用在SiO层之蚀刻，或场243氧化层氧化的幕罩上。
早期是用SiH与NH反应。
但均匀性较差。
34．
+12HNSi3SiH+4NH2（g）
4gs4g33））（（）（但是因为LPCVD沉积所需要的反应温度太高，因此有些SiN膜（如43金属层间介质，钝化层等）是用PECVD的方式来沉积的。
+3H（0.8x＜1.2）SiH+NHRF+NSiN∶H＜2（g）sx4g23g）（（）（）反应温度250℃~400℃。
PECVDSiN中含有氢，依工艺条件不同，含43氢量约在7%~30%之间。
这是因为等离子体（PLASMA）中的氢原子在沉积过程中分别与未饱和硅原子及氮原子键形成Si-H及N-H等键的结果。
§2.3.2SiN在IC工艺中的应用及质量评估431）.SiN对HO、O、Na、Al、Ga、In等有极强的扩散阻挡能力，是理想的钝2423化材料；也可做局部氧化的掩膜；扩散掩膜（可以比SiO薄一个数量级）；2绝缘介质（击穿强度比SiO大，热传导性好）。
22）.PECVDSiN可以通过调节RFPOWER来控制离子对沉积薄膜的轰击，从43而减少SiN的拉伸应力。
在作为钝化保护层时，用PECVD方法可以将膜43沉积的比较厚而不致发生龟裂。
这样可以保证用PECVD沉积的钝化膜有更好的阻挡水气、碱金属离子及抗机械刮伤的能力。
3）.折射率与腐蚀速率是衡量SiN的常用参数43膜富硅时（NH/DCS低），折射率上升；膜含氧，折射率下降。
通常1.98~2.20。
3腐蚀速率：
缓冲HF中，腐蚀速率<1nm/min，
农HF中腐蚀速率~15nm/min。
表1--5:
SiN的沉积方式与特性43
LPCVDPECVD
250~400沉积温度（℃）650~800
1~501~1操作压力（Torr）
SiN∶H成份NSisx43）（32.3~3.2密度（g/cm）2.8~3.1
1.9~2.12.0折射率6~9
6~7
介电常数
9
10210）×（+2.9~-5.010>（拉伸）dyne/cm应力（）
二氧化硅的形成2.4§LPCVDSiO的沉积按所用原料不同分为SiH，DCS和TEOS。
以SiH为原442料的反应又称为低温热氧化（LowTemperatureOxidation），以DCS为原料的反。
）HighTemperatureOxidation应又称为高温热氧化（．
的沉积方法§2.4.1SiO2）2.4.1.1.
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