微電子習(xí)題答案第單元剖析

1、1第二單元習(xí)題解答第二單元習(xí)題解答1.SiO2膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？氧和雜質(zhì)在SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的作用和用途是什么？對(duì)SiO2膜性能有哪些影響？二氧化硅的基本結(jié)構(gòu)單元為SiO四面體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，四面體中心為硅原子，四個(gè)頂角上為氧原子。對(duì)SiO2網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上具備“長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序”的一類固態(tài)無(wú)定形體或玻璃體。半導(dǎo)體工藝中形成和利用的都是這種無(wú)定形的玻璃態(tài)SiO2。氧在SiO2網(wǎng)絡(luò)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(shù)目越多，網(wǎng)絡(luò)

2、結(jié)合越緊密，反之則越疏松。在連接兩個(gè)SiO四面體之間的氧原子摻入SiO2中的雜質(zhì)，按它們?cè)赟iO2網(wǎng)絡(luò)中所處的位置來(lái)說(shuō)，基本上可以有兩類：替代（位）式雜質(zhì)或間隙式雜質(zhì)。取代SiO四面體中Si原子位置的雜質(zhì)為替代（位）式雜質(zhì)。這類雜質(zhì)主要是ⅢA，ⅤA元素，如B、P等，這類雜質(zhì)的特點(diǎn)是離子半徑與Si原子的半徑相接近或更小，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中能替代或占據(jù)Si原子位置，亦稱為網(wǎng)絡(luò)形成雜質(zhì)。由于它們的價(jià)電子數(shù)往往和硅不同，所以當(dāng)其取代硅原子位置后，會(huì)使

3、網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生變化。如雜質(zhì)磷進(jìn)入二氧化硅構(gòu)成的薄膜稱為磷硅玻璃，記為PSG；雜質(zhì)硼進(jìn)入二氧化硅構(gòu)成的薄膜稱為硼硅玻璃，記為BSG。當(dāng)它們替代硅原子的位置后，其配位數(shù)將發(fā)生改變。具有較大離子半徑的雜質(zhì)進(jìn)入SiO2網(wǎng)絡(luò)只能占據(jù)網(wǎng)絡(luò)中間隙孔（洞）位置，成為網(wǎng)絡(luò)變形（改變）雜質(zhì)，如Na、K、Ca、Ba、Pb等堿金屬、堿土金屬原子多是這類雜質(zhì)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)改變雜質(zhì)的氧化物進(jìn)入SiO2后，將被電離并把氧離子交給網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生更多的非橋聯(lián)氧離子來(lái)代

4、替原來(lái)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低熔點(diǎn)，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(duì)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(guān)的正電荷。在SiO2內(nèi)和SiO2Si界面上有四種類型的電荷：可動(dòng)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(xiàn)象，應(yīng)盡量避免。（1）可動(dòng)離子電荷（）可動(dòng)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(wǎng)絡(luò)修正雜質(zhì)，為快擴(kuò)散雜質(zhì)，電荷密度在1010~1012cm2。其中主要是Na，因?yàn)樵谌梭w與環(huán)境中大量存在Na，熱氧化時(shí)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(gè)主要來(lái)源。這種正電荷將影響到SiO2層下的硅的表面勢(shì)，從而，SiO2層中Na的運(yùn)動(dòng)及其

6、數(shù)量的變化都將影響到器件的性能。進(jìn)入氧化層中的Na數(shù)量依賴于氧化過(guò)程中的清潔度。現(xiàn)在工藝水平已經(jīng)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(shí)際上只有對(duì)那些DSiO2＜DSi，即的雜質(zhì)，用SiO2膜掩蔽才有實(shí)用價(jià)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(dāng)作掩膜來(lái)實(shí)現(xiàn)定域擴(kuò)散的話，只要能滿足條件：預(yù)生長(zhǎng)的SiO2膜具有—定的厚度，同時(shí)雜質(zhì)在襯底硅中的擴(kuò)散系數(shù)2SiOxSiD

7、要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)（即），而且SiO2表面雜質(zhì)濃度（2SiOD2SiSiODDsC）與SiO2Si界面雜質(zhì)濃度（）之比達(dá)到一定數(shù)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(jī)理解釋干、濕氧速率相差很大這一現(xiàn)象由二氧化硅基本結(jié)構(gòu)單元可知，位于四面體中心的Si原子與四個(gè)頂角上的氧原子以共價(jià)鍵方式結(jié)合在一起，Si原子運(yùn)動(dòng)要打斷四個(gè)SiO鍵，

8、而橋聯(lián)O原子的運(yùn)動(dòng)只需打斷二個(gè)SiO鍵，非橋聯(lián)氧原子只需打斷一個(gè)SiO鍵。因此，在SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，O原子比Si原子更容易運(yùn)動(dòng)。氧原子離開(kāi)其四面體位置運(yùn)動(dòng)后，生成氧空位。在熱氧化過(guò)程中，氧離子或水分子能夠在已生長(zhǎng)的SiO2中擴(kuò)散進(jìn)入SiO2Si界面，與Si原子反應(yīng)生成新的SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使SiO2膜不斷增厚。與此相反，硅體內(nèi)的Si原子則不容易掙脫Si共價(jià)鍵的束縛，也不容易在已生長(zhǎng)的SiO2網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)。所以，在熱氧化的過(guò)程中，氧化反應(yīng)

9、將在SiO2Si界面處進(jìn)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(jī)理。為了解釋線性速率常數(shù)與硅表面晶向的關(guān)系，有人提出了一個(gè)模型。根據(jù)這個(gè)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(yīng)。在這個(gè)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(guān)系就變成了氧化速率與氧化激活能和反應(yīng)格點(diǎn)的濃度的關(guān)系了。在SiO2Si界面上，任何一個(gè)時(shí)刻并不是處于不同位

10、置的所有硅原子對(duì)氧化反應(yīng)來(lái)說(shuō)都是等效的，也就是說(shuō)不是所有硅原子與水分子都能發(fā)生反應(yīng)生成SiO2。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在干氧氧化的氣氛中，只要存在極小量的水汽，就會(huì)對(duì)氧化速率產(chǎn)生重要影響。對(duì)于硅的(100)晶面，在800℃的溫度下進(jìn)行干氧氧化時(shí)，當(dāng)氧化劑氣氛中的水汽含量小于1ppm時(shí)，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(shí)，氧化層厚度為370。在上述實(shí)驗(yàn)中，為了準(zhǔn)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(guò)石英管壁進(jìn)入氧化爐內(nèi)，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(guò)外層石英管進(jìn)入到夾層中的水汽及時(shí)排除。5.薄層氧化過(guò)程需注意哪些要求？現(xiàn)采用的工藝有哪些？在ULSI中，MOS薄柵氧化層()制備應(yīng)滿足以下關(guān)鍵條件：2100ASiOx??（1）低缺陷密度以降低在低電場(chǎng)下的突然性失效次數(shù)；（2）好的抗雜質(zhì)擴(kuò)散的勢(shì)壘持性對(duì)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(zhì)量的SiSiO2界面低的界