《薄膜淀积》PPT课件

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1、第十一章薄膜淀积11.1热氧化11.2介质淀积11.3多晶硅淀积11.4金属化总结11.1热氧化2.1热氧化11.1.1生长的机制下列为Si在氧气或水气的环境下，进行热氧化的化学反应式：Si（固体）+O2（气体）→SiO2（固体）（1）Si厚度/SiO2=0.46会推导计算了解晶体和非晶体形态的基本差异因此在氧化初期，表面反应是限制生长速率的主要因素，此时氧化膜厚度与时间成正比。当氧化膜变厚，氧化剂必须扩散至与二氧化硅的界面才可反应，故其厚度受限于扩散速率，因此氧化生长厚度变成与氧化时间的平方根成正比，其生长速率的曲线为抛物线。通常式（7）可

2、表示成更简单的形式x2+Ax=B(t+τ)(8)式中A=2D/k，B=2DC0/C1，故B/A=kC0/C1.通过此关系式，线性区为x=B/A(t+τ)(9)抛物线区为x2=B(t+τ)（10）B/A称为线性氧化速率常数，而B称为抛物线型氧化速率常数。在多种氧化条件下，实验测量结果与模型预测想吻合。进行湿法氧化时，初始的氧化膜厚度d0很小，也就是τ≈0。然而对干法氧化，在t=0处的外推值约为20nm.图2.6所示的（111）、（100）面的硅晶片用干、湿法氧化的线性氧化速率常数B/A与温度间的关系。在干、湿法氧化下，线性氧化速率常数将随exp

3、（-Ea/kT)变动，其中Ea为激活能，约为2eV.此值与打断硅-硅键所需能量1.83eV相当符合。对于（111）面，硅原子键密度高于（100）面，因此前者的线性氧化速率常数较大。图2.62.7和图2.8图2.7为抛物线型氧化速率常数B与温度的关系。常数也随exp(-Ea/kT）改变。对干法氧化而言，激活能为1.24eV，此值与氧在硅土内的扩散激活能（1.18）eV相当吻合。在湿氧环境下的激活能为0.71eV，与水在硅土内扩散的激活能（0.79eV）相当符合。抛物线型氧化速率常数与晶体方向无关。此结果在预料之中，因为其值仅与氧化剂扩散穿过一层

4、杂乱排列的非结晶型硅土的速率有关。在干氧环境下生长出的氧化膜有最佳的电特性，但其氧化时间比在同温度下生长同厚度氧化层的时间要长。对于薄氧化膜，如MOSEFT栅极氧化膜，长采用干法氧化。然而，在MOS集成电路与双极型器件中，较厚的氧化膜则采用湿氧（水蒸气）方式以获得适当的隔离与保护效果。图2.8为两种晶向的硅衬底实验所得的氧化膜厚度与氧化时间及温度的关系。在同一氧化条件下，（111）面的氧化膜厚度比（100）面为厚，主要是由于前者的线性氧化速率常数较大所致。值得注意的是，在相同氧化温度与时间条件下，以湿氧生长的氧化膜厚度是干氧生长的5-10倍。

5、2.1.2薄氧化膜生长为精确控制薄氧化膜厚度并具有可重复性，一般采用较慢的氧化速率常数。方法有很多种，一是在常压下以干氧法在较低的温度（800℃-900℃）下进行氧化；二是在较低的气压下氧化；三是采用惰性气体混合着氧化剂，以减少氧气的分压；四是以热氧化生长及化学气相沉淀二氧化硅的混合方式生成栅极氧化膜。干法氧化生长的初始阶段，氧化膜中存在很大的压缩应力，使得氧化膜中氧气的扩散系数变小。当氧化膜变厚，二氧化硅的粘滞性流动将降低此应力，使扩散系数接近于无应力下的值。所以，对氧化膜，D/k值非常小，我们可忽略式（9）中的Ax项，得到X2-d02=B

6、t(11)其中d0为（2DC0τ/C1）1/2，表示时间为零时起始氧化膜厚度；B为抛物线型氧化速率常数，因此我们预计在干氧生长初期也是抛物线形状。2.2介质淀积淀积介电薄膜主要用于分立器件与集成电路的隔离与保护层。一般常用的有三种淀积方式：常压化学气相淀积（APCVD）、低压化学气相淀积（LPCVD）及等离子体增强式化学气相淀积（PECVD）。其中PECVD是利用能量增强CVD反应，除了一般CVD系统的热能外，另加等离子体能量。至于该使用上述何种方式，则以衬底温度、淀积速率、薄膜均匀度、外观形态、电特性、机械特性、电介质的化学组成等作为考虑因

7、素。常压化学气相淀积的反应炉与图2.2相似，唯一差别为通入的气体不同。图2.9（a)的热壁低压反应炉是以三段式熔炉来加热中间的石英管。气体由一端通入另一端抽出，晶片垂直置于有沟槽的石英舟内。由于石英管与炉管紧邻，故管壁是热的。相比之下，利用射频加热的水平外延反应器壁则为冷壁。图2.9（b)为平行板辐射流等离子体增强式CVD反应炉。其反应腔由圆柱形玻璃或铝构成，两端均以铝板封口。圆柱形筒内部有上下两块平行铝板当作电极，上电极接射频电压，下电极接地。两电极间的射频电压将产生等离子体放电。晶片置于下电极以电阻丝加热至100℃-400℃间。反应气体由

8、下电极周围的气孔流入反应炉内。此反应系统最大的优点为低淀积温度，可惜其容量有限，尤其对大尺寸晶片更为严重；再则，疏松的淀积物掉到晶片上会造成污染。2.2.1二氧化硅