【文章內容簡介】 技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 3 電阻率是表示二氧化硅點學性能的重要參數(shù)。用不同的方法所制得的膜層的電阻率相差較大。用熱生長方法制得薄膜，其電阻率為 10^15~10^,， 表明二氧化硅是一種良好的絕緣材料 相對介電常數(shù) 相對介電常數(shù)是表示二氧化硅膜電容性能的一個重要參數(shù)。相對介電常數(shù)對于電容介質材料及 MOS 器件來說很重要。 介電強度 介電強度是用來很亮材料耐壓能力大小的，單位是 V/氧化硅層所能承受的最大擊穿電壓，其大小與自身的致密程度、均勻性、雜志含量及制備 方法等有關。 二氧化硅的化學性質 二氧化硅屬于酸性氧化物，它是最穩(wěn)定的硅化合物，它不溶于水和算（氫氟酸除外）。二氧化硅與多種金屬氧化物、廢金屬氧化物在一定溫度下是可以形成不同組分的玻璃體。 利用二氧化硅的化學性質，在生長的二氧化硅膜時，往往通入一些硼、磷等雜質，使之形成硼硅玻璃或者是磷硅玻璃，起著吸附和固定鈉、鉀離子的作用。利用這一性質二氧化硅在表面鈍化方面也取得了一定的成效，如在表面形成鉛硅玻璃或磷鋁硅玻璃作為鈍化膜。 二氧化硅的一重要化學性質，就是能與氫氟酸進行化學反應。反應式如下： SiO2+4HF=SiF4+2H2O 二氧化硅與強堿也能發(fā)生化學反應，其化學反應式為： SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O 利用上述與強堿的反應，可在工藝中用于制備水玻璃。 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 4 第 3 章 二氧化硅薄膜的主要制備方法 熱氧化法 干氧氧化 干氧氧化的生長機理是：在高溫下，當氧氣與硅片接觸式，分子與其表面的硅原子反應，生成二氧化硅的起始層，其反應的方程式為： SiO2+O2=SiO2 由于起始氧化層阻礙 了氧分子與硅表面直接接觸，然后繼續(xù)氧化是氧化擴散穿過已生成的二氧化硅向里面運動，到達 SiO2— Si 界面進行反應。工藝中常用的氧化溫度為 900~1200℃，氧氣流量為 1ml/s 左右。為防止氧化爐外部氣體對氧化的影響，一般設計氧化爐內氣體壓力稍微高于爐外氣壓。 氧化速率主要受氧原子在二氧化硅中擴散系數(shù)的影響。溫度越高，氧原子在二氧化硅中的擴散也越來越快，氧化速率常數(shù)也就越大，二氧化硅層也越厚。 水汽氧化 水汽氧化的生長機理：在高溫下，水汽與硅片表面的硅原子作用，生成二氧化硅起始層，其反應如下： Si+2H2O= SiO2+2H2 其后續(xù)氧化一般認為是水分子首先與表面的二氧化硅反應生成硅烷醇結構。生成的硅烷醇在進一步擴散穿透氧化層抵達 SiO2— Si 界面處，與硅原子反應生成SiO2。 由實驗證明：水汽氧化速度快，但由于水汽的進入，使大量氧原子裂變?yōu)榉菢蜴I的烴基，因此氧化層結構疏松，質量不如干氧氧化好，特別是氧化層表面有極性的硅烷醇存在，極易吸附水，而且具有極性的水又不易粘潤非極性的光刻膠，所以氧化層表面與光刻膠粘附性差。 解決措施：經過吹干氧處理，硅烷醇可分解為硅氧烷結構，并排除水分。 水 汽氧化所需要的水汽可以由高純度去離子水汽化或者是氫氣和氧氣直接燃燒化合形成。 濕氧氧化 濕氧氧化的原理是：在氧氣通進反應室之前 ， 先通過加熱（加熱到大約 95℃）高純去離子水，讓氧氣中攜帶一定的水汽。所以濕氧氧化兼有干氧與水汽這兩種氧化的作用，氧化的速度與質量介于兩者之間。具體的情況還要根據氧氣的流量，水汽的含量（水汽含量和水溫與氧氣流量有關）的不同而不同。氧氣流量越大，則水溫越高，水汽含量也越大。假如水汽含量很小，二氧化硅的生長速率和質量也接近于干氧氧化的情況，反之，就接近與水汽氧化。 薄膜淀積的概念 所謂的薄膜，指的是一種在襯底上生長的薄固體物質。薄膜與硅片表面緊密結合，在硅片的加工當中，通常描述薄膜厚度的單位用納米（ nm）。在半導體制造中的薄膜淀積是指在硅片襯底上增加一層均勻薄膜的工藝。在硅片襯底上淀積薄膜有多種技術，兩種主要的淀積技術有化學氣相淀積（ CVD） 與物理氣相淀積（ PVD），還有氣它的淀積技術有液相淀積法、電鍍法和分子束外延法。化學氣常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 5 相淀積（ CVD）是通過混合氣體的化學反應生成固體反應物并使其淀積在硅片表面形成呢薄膜的工藝。另一張淀積法物理氣相淀積（ PVD）是不需要通過化 學反應，直接把現(xiàn)有的固體材料轉移至硅片表面形成薄膜的工藝。 化學氣相淀積法 化學氣相淀積（ CVD）是通過混合氣體的化學發(fā)硬生成固體的反應物并且使淀積在硅片表面而形成薄膜的工藝。而反應產生的其他副產物為揮發(fā)性的氣體，離開硅片表面并被抽出反應腔。硅片的表面及其臨近的區(qū)域被加熱以向反應系統(tǒng)提供附加的能量?；瘜W氣相淀積系統(tǒng)流程圖如圖 所示。 原料 氣體 碳氫化合物 氫氣 化學反應 原子 生成甲基（ CH3） 熱分解（表面） 金剛石 石墨狀態(tài) 刻蝕 甲基（ CH3） 碳氫化合物 圖 化學氣相淀積流程圖 化學氣相淀積的原理：化學氣相淀積工藝在爐管反應腔里進行的，同時必須使化學反應發(fā)生在硅片表面或者是非常接近表面的區(qū)域（表面催化），由此就可以生成高質量的薄膜。假如反應發(fā)生在距離硅片表面較遠的地 方，則會導致反應物粘附性差、密度低于缺陷多，這是必須避免的。例如：利用硅烷與氧氣經過化學反應淀積 SiO2膜，反應的生成物 SiO2淀積在硅片表面，同時生成了氣態(tài)的副產物氫氣，則氫氣通過排氣系統(tǒng)排出爐管外，反應式： 加熱 SiH4+O2 SiO2+2H2 化學氣相淀積可分為 5 個步驟： 氣態(tài)反應劑被送至反應腔，以平流形式向出口流動。 反應劑從主要氣流去以擴散方式通過邊界層到達硅片表面。 反應劑被吸附到硅片表面。 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 6 被吸附到硅表面的原子（分子）在襯底的表面發(fā)生化學 反應，生成固態(tài)的物質淀積成膜。 反應產生的氣態(tài)副產物和未反應的反應劑離開襯底，繼而排出系統(tǒng)。 所有類型的化學氣相淀積設備都是由反應腔、氣體傳輸系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)與工藝控制系統(tǒng)組成。不同的 CVD 設備有著不一樣的反應腔設計，其結果是可以生成有微質量差異的薄膜以及在淀積速度上略有差異。據反應腔中的壓力和提供的反應能量的不同， CVD 可分為低壓化學氣相淀積（ LPCVD）、常壓化學氣相淀積（ APCVD）如圖 所示、等離子體輔助 CVD 如圖 所示。 常壓化學氣相淀積 等離子體輔助 CVD 根據 CVD 反應腔的加熱模式的不同，反應腔可分為熱壁反應腔與冷壁反應腔。熱壁反應腔使用的加熱方法是熱電阻環(huán)繞著反應腔形成一個熱壁反應腔，不僅要加熱硅片，而且還加熱硅片腔的支持物以及反應腔的側壁。這種模式會在反應腔的側壁上形成薄膜，因而就要求經常清洗或者原位清除來減小顆粒的玷污。冷壁反應腔只加熱硅片和硅片支持物，反應腔的側壁溫度較低所以沒有足夠的能量發(fā)生淀積反應，例如在反應腔中經常采用 RF 感應加熱或者紅外線加熱方式。下面是幾種常見的化學氣相淀積方法。 APCVD 淀積 SiO2 APCVD 經常被應用來淀積二氧化硅， APCVD 淀積二氧化硅最常采用的方法有兩種：硅烷（ SiH4）法和 TEOSO3 法。 1） 硅烷（ SiH4）法是用氧氣氧化硅烷來淀積二氧化硅。反應式如下： 加熱 SiH4+O2 SiO2+2H2 純 SiH4氣體在空氣中極其易燃且不穩(wěn)定。因此，為了更安全地使用 SiH4，在SiH4通入氣路管道之前必須先通入氮氣將氣路里的空氣排出，否則容易發(fā)生爆炸；并且使用氬氣或者氮氣將 SiH4稀釋到很低含量（體積百分之一是 2%~10%）。反應可以在低 溫（約 400℃）下進行，主要用于鋁連線上作為 ILD 的 SiO2淀積。這種方法的臺階覆蓋能力和間隙填充能力都很差。因此，對于關鍵的 ULSI 應用來說， APCVD 方法并不適用。 2） TEOSO3法是使用正硅酸乙酯（ TEOS）與 O3反應淀積二氧化硅。反應式如下：正硅酸乙酯（ TEOS），分子式為 Si（ C2H5O4），是一種有機液體。通常用一種輸運氣體（如氮氣），傳送 TEOS 氣體混合物到達反應腔。臭氧有很強的反應活性，可使 TEOS 分解。該反應可以在低溫下（ 400℃）進行。用 APCVD TEOSO3淀積的 SiO2膜多孔 ，因而通常需要回流工藝來去掉潮氣并增加膜密度。回流增加了一個工藝步驟，增加了熱預算。 LPCVD 淀積 SiO2 常州信息職業(yè)技術學院電子與電氣工程學院 畢業(yè)設計論文 7 同樣采用硅烷與 TEOS 氣體作為硅源制備二氧化硅， 與 APCVD 方法類似。不同之處在于 LPCVD 采用的是 TEOS 制備 SiO2是在低壓及溫度在 650~750℃下進行的，并且不需要加入 O3但是可以加入氧氣（也可不加）。由于真空下氣體分子在硅表面的快速擴散，因而 LPCVD 可以制作臺階覆蓋能力和均勻性優(yōu)異的二氧化硅。 TEOS 是液態(tài)源需要利用載流氣體（例如：氮氣，氧氣等）以鼓泡方式將其攜帶進入反應腔。 多晶硅淀積： 在 MOS 器件中，柵電極的制備可以是金屬，也可以是摻雜的多晶硅。摻雜的多晶硅柵電極與金屬柵相比有很多優(yōu)點，比如金屬柵有更高可靠性 。一個很重要 的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)自對準工藝，進而使 MOS 器件的制作工藝步驟大大減小如圖 所示。 圖 二氧化硅薄膜在氧化層上淀積形成柵極的示意圖 物理氣相淀積法（ PVD） 所謂物理氣相主要分為政法鍍膜、離子鍍膜和濺射鍍膜三大類別。其中的真空蒸發(fā)鍍膜技術出現(xiàn)的比較早，但此法淀積的膜與基體的結合的能力不是很強，早在 1963 年，美國 Sandia 公 司的 首先提出離子鍍技術， 1965 年，美國 IBM 公司研制出從而構成了 PVD 技術的三大系列 — 濺射鍍蒸發(fā)鍍和離子鍍。 磁控濺射 淀 積 SiO2靶的射頻濺射法是制備 SiO2薄膜的主要方法之一。這種方法在低溫下制備的 SiO2薄膜 ,具有多孔結構 ， 致密度低 ， 因而抗侵蝕能力差 ； 而在較高溫度下制備的薄膜 ， 具有較高的致密度和較好的性能。 因此， 在通常情況下 ， 襯底溫度選擇為 約 300～ 600℃ 。 它的 缺點是導致器件易受到熱傷害 ， 使 的 一些性能指標降低。隨后發(fā)展起來的磁控射頻