微電子習題答案第單元剖析

1、1第二單元習題解答第二單元習題解答1.SiO2膜網絡結構特點是什么？氧和雜質在SiO2網絡結構中的作用和用途是什么？對SiO2膜性能有哪些影響？二氧化硅的基本結構單元為SiO四面體網絡狀結構，四面體中心為硅原子，四個頂角上為氧原子。對SiO2網絡在結構上具備“長程無序、短程有序”的一類固態(tài)無定形體或玻璃體。半導體工藝中形成和利用的都是這種無定形的玻璃態(tài)SiO2。氧在SiO2網絡中起橋聯(lián)氧原子或非橋聯(lián)氧原子作用，橋聯(lián)氧原子的數目越多，網絡

2、結合越緊密，反之則越疏松。在連接兩個SiO四面體之間的氧原子摻入SiO2中的雜質，按它們在SiO2網絡中所處的位置來說，基本上可以有兩類：替代（位）式雜質或間隙式雜質。取代SiO四面體中Si原子位置的雜質為替代（位）式雜質。這類雜質主要是ⅢA，ⅤA元素，如B、P等，這類雜質的特點是離子半徑與Si原子的半徑相接近或更小，在網絡結構中能替代或占據Si原子位置，亦稱為網絡形成雜質。由于它們的價電子數往往和硅不同，所以當其取代硅原子位置后，會使

3、網絡的結構和性質發(fā)生變化。如雜質磷進入二氧化硅構成的薄膜稱為磷硅玻璃，記為PSG；雜質硼進入二氧化硅構成的薄膜稱為硼硅玻璃，記為BSG。當它們替代硅原子的位置后，其配位數將發(fā)生改變。具有較大離子半徑的雜質進入SiO2網絡只能占據網絡中間隙孔（洞）位置，成為網絡變形（改變）雜質，如Na、K、Ca、Ba、Pb等堿金屬、堿土金屬原子多是這類雜質。當網絡改變雜質的氧化物進入SiO2后，將被電離并把氧離子交給網絡，使網絡產生更多的非橋聯(lián)氧離子來代

4、替原來的橋聯(lián)氧離子，引起非橋聯(lián)氧離子濃度增大而形成更多的孔洞，降低網絡結構強度，降低熔點，以及引起其它性能變化。2.在SiO2系統(tǒng)中存在哪幾種電荷？他們對器件性能有些什么影響？工藝上如何降低他們的密度？在二氧化硅層中存在著與制備工藝有關的正電荷。在SiO2內和SiO2Si界面上有四種類型的電荷：可動離子電荷：Qm；氧化層固定電荷：Qf；界面陷阱電荷：Qit；氧化層陷阱電荷：QOt。這些正電荷將引起硅二氧化硅界面p硅的反型層，以及MOS器

5、件閾值電壓不穩(wěn)定等現象，應盡量避免。（1）可動離子電荷（）可動離子電荷（Mobileionicge）Qm主要是Na、K、H等荷正電的堿金屬離子，這些離子在二氧化硅中都是網絡修正雜質，為快擴散雜質，電荷密度在1010~1012cm2。其中主要是Na，因為在人體與環(huán)境中大量存在Na，熱氧化時容易發(fā)生Na沾污。Na離子沾污往往是在SiO2層中造成正電荷的一個主要來源。這種正電荷將影響到SiO2層下的硅的表面勢，從而，SiO2層中Na的運動及其

6、數量的變化都將影響到器件的性能。進入氧化層中的Na數量依賴于氧化過程中的清潔度。現在工藝水平已經能較好地控制Na的沾污，保障MOS晶體管閾值電壓VT的穩(wěn)定。3實際上只有對那些DSiO2＜DSi，即的雜質，用SiO2膜掩蔽才有實用價值。21SiSiODD?SiO2掩膜最小厚度確定掩膜最小厚度確定硅襯底上的SiO2要能夠當作掩膜來實現定域擴散的話，只要能滿足條件：預生長的SiO2膜具有—定的厚度，同時雜質在襯底硅中的擴散系數2SiOxSiD

7、要遠遠大于其在SiO2中的擴散系數（即），而且SiO2表面雜質濃度（2SiOD2SiSiODDsC）與SiO2Si界面雜質濃度（）之比達到一定數值，可保證SiO2膜能起到有效的掩蔽作IC用。若取，則所需氧化層的最小厚度為310sICC?2min46SiOx.Dt?4.由熱氧化機理解釋干、濕氧速率相差很大這一現象由二氧化硅基本結構單元可知，位于四面體中心的Si原子與四個頂角上的氧原子以共價鍵方式結合在一起，Si原子運動要打斷四個SiO鍵，

8、而橋聯(lián)O原子的運動只需打斷二個SiO鍵，非橋聯(lián)氧原子只需打斷一個SiO鍵。因此，在SiO2網絡結構中，O原子比Si原子更容易運動。氧原子離開其四面體位置運動后，生成氧空位。在熱氧化過程中，氧離子或水分子能夠在已生長的SiO2中擴散進入SiO2Si界面，與Si原子反應生成新的SiO2網絡結構，使SiO2膜不斷增厚。與此相反，硅體內的Si原子則不容易掙脫Si共價鍵的束縛，也不容易在已生長的SiO2網絡中移動。所以，在熱氧化的過程中，氧化反應

9、將在SiO2Si界面處進行，而不發(fā)生在SiO2層的外表層，這一特性決定了熱氧化的機理。為了解釋線性速率常數與硅表面晶向的關系，有人提出了一個模型。根據這個模型，在二氧化硅中的水分子和SiSiO2界面的SiSi鍵之間能直接發(fā)生反應。在這個界面上的所有的硅原子，一部分和上面的氧原子橋聯(lián)，一部分和下面的Si原子橋聯(lián)，這樣氧化速率與晶向的關系就變成了氧化速率與氧化激活能和反應格點的濃度的關系了。在SiO2Si界面上，任何一個時刻并不是處于不同位

10、置的所有硅原子對氧化反應來說都是等效的，也就是說不是所有硅原子與水分子都能發(fā)生反應生成SiO2。實驗發(fā)現，在干氧氧化的氣氛中，只要存在極小量的水汽，就會對氧化速率產生重要影響。對于硅的(100)晶面，在800℃的溫度下進行干氧氧化時，當氧化劑氣氛中的水汽含量小于1ppm時，氧化700分鐘，氧化層厚度為300；在同樣條件下，水汽含量為25ppm時，氧化層厚度為370。在上述實驗中，為了準確控制水汽含量，氧氣源是液態(tài)的；為了防止高溫下水汽通

11、過石英管壁進入氧化爐內，氧化石英管是雙層的，并在兩層中間通有高純氮或氬，這樣可以把通過外層石英管進入到夾層中的水汽及時排除。5.薄層氧化過程需注意哪些要求？現采用的工藝有哪些？在ULSI中，MOS薄柵氧化層()制備應滿足以下關鍵條件：2100ASiOx??（1）低缺陷密度以降低在低電場下的突然性失效次數；（2）好的抗雜質擴散的勢壘持性對p多晶硅柵的pMOSFET特別重要；（3）具有低的界面態(tài)密度和固定電荷的高質量的SiSiO2界面低的界