集成电路工艺原理
集成电路工艺原理接触及互连原理
6/47
各
种
延
迟
减小互连延迟的途径:
1）低电阻率金属(Cu) 2）low-k介质
7/47
对IC金属化系统的主要要求
电学、机械、热学、热力学及化学
(1) 金属和半导体形成低阻接触 (2) 低阻互连 (3) 与下面的氧化层或其它介质层的粘附性好 (4) 台阶覆盖好 (5) 结构稳定，不发生电迁移及腐蚀现象 (6) 易刻蚀 (7) 制备工艺简单
1540 2165 1326 992
TiN
50-150
2950
Ti30W70 Heavily doped poly-Si
75-200 450-10000
2200 1417
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衡量欧姆接触质量的参数是比接触电阻 c
金属线 接触面积A
重掺杂硅
rc
1 dJ
dV V 0
定义：零偏压附近电流密
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（1）铝的电迁移
当大密度电流流过金属薄膜时，具有大动量 的导电电子将与金属原子发生动量交换，使 金属原子沿电子流的方向迁移，这种现象称 为金属电迁移
电迁移会使金属原子在阳极端堆积，形成小 丘或晶须，造成电极间短路；在阴极端由于 金属空位的积聚而形成空洞，导致电路开路
void Hillock e
金属间介质（IMD）
钝化层（passivation）
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后端工艺越来越重要 占了工艺步骤中大部分 影响IC芯片的速度
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多层金属互 连增加了电 路功能并使 速度加快
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互
连
的
速
度
限
制
可
以
作
由全局互连造成的延迟可以表达为：
集成电路的工作原理
集成电路的工作原理集成电路是现代电子技术的重要组成部分，它的出现使得电子设备变得更加小型化、高效化和可靠化。
本文将详细介绍集成电路的工作原理，从晶体管、逻辑门到集成电路的制造过程等方面进行探讨。
1. 晶体管的基本原理晶体管是集成电路的基本单元，其基本原理是利用半导体材料的特性来实现信号放大和开关控制。
在晶体管中，一般由两个PN结构组成：N型半导体和P型半导体。
当控制端施加适当电压时，PN结的导电性发生变化，使得电流可以通过或被阻断。
2. 逻辑门的构成和功能逻辑门是由晶体管组成的电路，用于处理数字信号。
常见的逻辑门有与门、或门、非门等。
以与门为例，当输入端1和输入端2同时为高电平时，输出端才为高电平；否则输出端为低电平。
逻辑门的功能是根据输入信号的逻辑条件，产生相应的输出信号。
3. 集成电路的分类和特点集成电路可分为模拟集成电路和数字集成电路。
模拟集成电路主要用于信号的放大和处理，数字集成电路用于处理离散的二进制信号。
集成电路的特点包括体积小、功耗低、性能稳定和可靠性高等，这使得它在电子产品中得到广泛应用。
4. 集成电路的制造过程集成电路的制造过程主要包括晶圆制备、光刻、扩散、腐蚀和封装等环节。
首先，通过化学物质对硅晶片进行处理，形成所需的零件结构。
然后，利用光刻技术将图形投射到硅片上，并进行刻蚀。
接着，通过扩散和腐蚀等工艺步骤，形成晶体管和逻辑电路等功能。
最后，将集成电路封装到外壳中，以便安装和连接。
5. 集成电路的应用领域集成电路广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子和医疗器械等领域。
在计算机领域，中央处理器和内存芯片等都是基于集成电路技术的。
在通信领域，手机和网络设备等都需要借助集成电路来实现信号处理和通信功能。
总结：集成电路是利用晶体管和逻辑门构成的电路，通过制造工艺将它们集成到一个小的芯片上。
它的工作原理基于晶体管的特性和逻辑门的功能，实现信号的放大、处理和控制。
集成电路具有体积小、功耗低、性能稳定和可靠性高等特点，广泛应用于各个领域。
集成电路的工作原理
集成电路的工作原理
集成电路是一种将许多电子元件如晶体管、电阻、电容等集成在一块硅片上的化学器件，它能够实现电子元件之间的相互连接和相互作用。
通过集成电路，许多功能模块可以被集成在一个小小的芯片上，从而实现各种复杂的电子系统。
集成电路的工作原理是基于半导体材料的特性，其中最常用的材料是硅。
半导体材料中的电子在低温下几乎处于静止状态，但是当材料被加热时，电子能量增加，它们就会跳到更高能级的位置上。
这个过程被称为激进。
在集成电路中，晶体管是最基本的元件。
晶体管由三个不同特性的材料层组成，分别是n型材料、p型材料和电解介质。
当
电流通过晶体管时，n型材料的电子会移动到p型材料中，从
而形成一个电子空穴对。
这个电子空穴对的形成导致了材料的导电性变化，使晶体管成为一个电子开关。
在集成电路中，晶体管通过连接起来，形成各种电路结构，例如放大器、逻辑门等。
这些电路结构能够根据输入信号的特性，调整晶体管的开关状态，从而实现不同的功能。
通过不同的电路结构和连接方式，集成电路能够实现各种复杂的电子功能，如计算、存储、通信等。
总之，集成电路的工作原理是基于半导体材料的特性和晶体管的工作原理。
通过将许多电子元件集成在一个芯片上，并通过不同的电路结构和连接方式，集成电路能够实现各种复杂的电子功能。
集成电路工作原理
集成电路工作原理
集成电路是将多个电子器件和元件集成在一块半导体材料上，通过布线和各种连接方式相互连接组合而成的电路，它是现代电子技术的基础。
集成电路通过在半导体晶片上制作不同的电子器件，如晶体管、二极管、电阻器、电容器等，然后将它们连接在一起形成完整的电路。
这些器件和元件通过微细的金属线或多层金属层电路互连起来，从而实现复杂的功能。
集成电路的工作原理可以大致分为三个步骤：制作、封装和测试。
首先，制作集成电路需要通过光刻等工艺将电子器件和元件制作在半导体晶片上。
这一步骤涉及使用特殊的光刻机、化学溶液和掩模等工具进行精细的加工，将电子器件的结构和形状准确地制作在半导体晶片的表面上。
然后，经过制作完成的半导体晶片需要进行封装。
封装是将半导体晶片用外壳保护起来，并通过金属引脚连接到外部电路中。
这一过程包括将半导体晶片倒装封装或芯片封装到保护盒中，并通过焊接或其他连接方式将引脚与晶片内的金属线连接起来，形成完整的芯片。
最后，封装完成的集成电路需要进行测试以确保其正常工作。
测试目的是检测芯片是否存在制造缺陷、故障或其他问题。
测试包括电学测试、功能测试和可靠性测试等，通过这些测试，
确认集成电路的质量和性能是否符合要求。
总的来说，集成电路利用半导体材料和微细制造工艺将多个电子器件和元件集成在一起，通过连线互连形成完整电路，能够实现复杂的功能。
制作、封装和测试是集成电路工作的三个主要步骤，每一步都需要高度的精确性和技术要求，以确保集成电路的质量和性能。
集成电路的基本原理和工作原理
集成电路的基本原理和工作原理集成电路是指通过将多个电子元件（如晶体管、电容器、电阻器等）和互连结构（如金属导线、逻辑门等）集成到单个芯片上，形成一个完整的电路系统。
它是现代电子技术的重要组成部分，广泛应用于计算机、通信、嵌入式系统和各种电子设备中。
本文将介绍集成电路的基本原理和工作原理。
一、集成电路的基本原理集成电路的基本原理是将多个电子元件集成到单个芯片上，并通过金属导线将这些元件互连起来，形成一个完整的电路系统。
通过集成电路的制造工艺，可以将电子元件和互连结构制造到芯片的表面上，从而实现芯片的压缩和轻量化。
常见的集成电路包括数字集成电路（Digital Integrated Circuit，简称DIC）、模拟集成电路（Analog Integrated Circuit，简称AIC）和混合集成电路（Mixed Integrated Circuit，简称MIC）等。
集成电路的基本原理包括以下几个关键要素：1. 材料选择：集成电路芯片的制造材料通常选择硅材料，因为硅材料具有良好的电子特性和热特性，并且易于形成晶体结构。
2. 晶圆制备：集成电路芯片的制造过程通常从硅晶圆开始。
首先，将硅材料熔化，然后通过拉伸和旋转等方法制备成硅晶圆。
3. 掩膜制备：将硅晶圆表面涂覆上光感光阻，并通过光刻机在光感光阻表面形成图案。
然后使用化学溶液将未曝光的部分去除，得到掩膜图案。
4. 传输掩膜：将掩膜图案转移到硅晶圆上，通过掩膜上沉积或蚀刻等方法，在硅晶圆表面形成金属或电子元件。
5. 互连结构制备：通过金属导线、硅氧化物和金属隔离层等材料，形成元件之间的互连结构，实现元件之间的电连接。
6. 封装测试：将芯片放置在封装材料中，通过引脚等结构与外部电路连接，然后进行测试和封装。
集成电路的基本原理通过以上几个关键步骤实现电子元件和互连结构的制备和组装，最终形成一个完整的电路系统。
二、集成电路的工作原理集成电路的工作原理是指通过控制电流和电压在电路系统中的分布和变化，从而实现电子元件的工作和电路系统的功能。
集成电路工艺原理资料
第一章衬底材料1、三种单晶制备方法的特点和用途比较直拉法（引晶，缩颈，放肩，等径生长，收晶）基本原理：将多晶硅在真空或惰性气体保护下加热，使多晶硅熔化，然后利用籽晶来拉制单-固相界面附近存在温度梯度(dT/dz)。
区熔法（悬浮区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后竖直固定在区溶炉上、下轴之间；水平区熔法：多晶硅棒和籽晶粘在一起后水平固定在区溶炉左、右轴之间）基本原理：将籽晶与多晶硅棒紧粘在一起，利用分段熔融多晶棒，在溶区由籽晶移向多晶硅棒另一端的过程中，使多晶硅转变成单晶硅。
中子嬗变掺杂法：利用热中子（即低能中子）对高阻单晶进行辐照，从而使其电阻率发生改变的方法。
主要用来对高阻区熔单晶电阻率的均匀性进行调整。
三种单晶制备方法的比较方法C、O含量直径电阻率大小电阻率均匀性用途直拉法较高大低径向、轴向均匀性很差制作VLSI区熔法较低较小高径向、轴向均匀性较差制作PowerDevice中子嬗变法不变不变可调较好调整电阻率2、硅中有害杂质的分类、存在形式及其影响非金属主要有C、O、H原子。
重金属主要有Au、Cu、Fe、Ni原子。
金属主要有Na 、K、Ca、Al、Li、Mg、Ba 原子等。
分类种类存在形式主要影响影响器件的特性参数(UT,β,Usat,fT)；影响硅单晶的力O 间隙位置学性质(降低其机械强度)；有源区外的氧有利于吸收附非金属近的重金属杂质,增强硅器件抗α粒子辐射的能力。
C 替位位置影响硅器件的电学性质(IR↑，UB↓)；会减小硅的晶格常数，引起晶格畸变；间隙90% 有多个能级和双重电活性(受主或施主)或复合重金属Au 替位10% 中心, 影响硅的电阻率(ρ)和寿命(τ)；有效的复合中心影响较严重，除影响τ, ρ外，易在缺陷处形成杂Cu Fe 深能级质线和沉积微粒，使器件产生等离子击穿、PN结漏电“管道”等现象金属Na,K 间隙位置参与导电、影响器件的电学特性；Al Al会对N型材料的掺杂起补偿作用,使ρ↑3、硅中杂质吸除技术的分类，四种非本征杂质吸除方法的原理。
集成电路的工作原理及可靠性分析
电子技术 • Electronic Technology86 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering 【关键词】集成电路 半导体集成电路 静电放电 可靠性1 集成电路的工作原理及组成结构集成电路，一般简称IC ，英文名为integrated circuit ，它是一种新型、微型的电子元件或者零部件。
通常情况下集成电路采用一种特定的工艺方法，把很多的微电子元件集成到一个硅片上，一般这些电子元件包括晶体管、二极管、电容电阻、电感等，现如今基本所有集成电路的都是以硅作为基础材料，再在其基础上通过扩散或者渗透的工艺方法让其形成N 型、P 型的半导体或者P-N 结。
让其在电路板上结合其他元器件一起来完成一些特定功能的电路模块，比如说一些我们平时生活中常见的一些承担运算、导电、存储功能的电子设备。
人们把集成电路也称作半导体集成电路，因为一般的集成电路的基板都是半导体材料，然后再在基板上把把至少一个有源元件或者更多的元件相互之间连接到一起，让其完成一些特定功能的元器件。
它们一般通过半导体材料所特有的电子空穴导电能了来进行通电，让电流通过半导体上的引线和引脚来进行输入或者输出电流信号，完成半导体集成电路的索要完成的特定功能。
人们一般认为集成电路是罗伯特•诺伊思（在硅（Si ）的基础上发明的集成电路）和杰克•基尔比（在锗（Ge ）的基础上发明的集成电路）发明的。
而后随着集成电路的一步步持续改进，现如今市面上大多数的的半导体集成电路都是在硅的基础上进行生产的，一般集成电路的工作原理及可靠性分析文/陈海彬情况下半导体的工艺过程是氧化→光刻→扩散→外延→蒸铝，然后形成集成电路所需要的半导体材料，把另外一些所需要的二极管、电容、电阻等元器件再焊接到加工好的特定的半导体材料上，就加工成了我们所需要的一些半导体集成电路。
它们会有各种各样的样式，比如有扁平式的、圆壳式的、双列直插式的等等，而且它们所实现的功能也是各种各样。
集成电路基本原理与工艺技术
集成电路基本原理与工艺技术作为现代电子技术的核心和基础，集成电路在各个领域中都发挥着重要作用。
它将数百万个晶体管、电阻、电容和其他被制造在单一芯片上的元件组合起来，实现高度集成和功能复杂化。
本文将介绍集成电路的基本原理和工艺技术，以及其在现代社会中的应用。
一、集成电路的基本原理集成电路是由大量的电子元件组成的电路，其基本构造单位是晶体管。
晶体管是现代电子技术的核心元件，通过控制电流的流动，实现信号的放大、开关和逻辑运算等功能。
在集成电路中，晶体管的尺寸变得非常小，同时集成更多的晶体管，从而提高集成电路的性能和功能。
二、集成电路的工艺技术集成电路的制造过程主要包括晶体管的制备、电路的图形化、电路的制造和封装测试等环节。
首先，晶体管的制备是整个集成电路制造过程的关键步骤。
它通常采用硅片作为基底，通过化学气相沉积等技术将不同类型的杂质掺入硅片中，形成PN结构的晶体管。
制备过程需要高温和高真空条件下进行，确保晶体管的高质量和稳定性。
其次，电路的图形化是将设计好的电路图形转化为硅片上的实际电路布局的过程。
这一步骤采用光刻技术，将电路图形按照一定比例缩小，并通过掩膜制作成好多层图形，形成电路的布局。
接下来是电路的制造过程，主要包括薄膜沉积、电路的形成和金属的连接等步骤。
在薄膜沉积过程中，通过化学气相沉积等技术在硅片表面形成绝缘层和导电层。
然后，通过光刻和蚀刻等工艺，在导电层上形成电路的布线连接，并形成所需的电路结构。
最后，需要对制造好的集成电路进行封装和测试。
封装是将硅片封装在塑料或陶瓷芯片上，并连接外部引脚，保护和固定集成电路。
测试是通过特定的测试设备对集成电路的性能和功能进行测试，确保其质量和可靠性。
三、集成电路的应用由于集成电路具有高度集成和功能复杂化的特点，因此在各个领域中都有广泛的应用。
在通信领域，集成电路被广泛用于移动通信、卫星通信和光纤通信等设备中，实现信号的处理、传输和调制解调等功能。
它不仅实现了通信设备的小型化，还提高了通信质量和传输速度。
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CI
1
C* ks
ks x
C* 1 ks x
hD
D
(h ks )
Cg
x
Cs
C*
CI=C*
SiO2
Si
ksx/D<<1时，反应速率控制
Cg
x
Cs C*
CI=0
SiO2
Si
ksx/D>>1时，扩散控制
ksx/D1时，
氧化从线性 过渡到抛物 线性，对应 的氧化层厚 度在50－
200 nm
INFO130024.02
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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SiO2的结构
➢按结构特点分为 – 结晶型 (crystalline)：石英，水晶等 – 非晶型（无定型amorphous）
Si 0.162nm
O 0.262nm
➢由Si－O四面体组成 四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子
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SiO2生长动力学
气体中扩散 固体中扩散
SiO2 形成
氧化剂流动方向 (如 O2或 H2O）
气流滞流层
SiO2 Si衬底
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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Deal－Grove模型
－硅的热氧化模型
• Deal－Grove模型（线性－抛物线模型）(linearparabolic model)
湿氧（Wet）/水汽氧化（Steam oxidation） Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)
✓ 这两种反应都在700 ºC～1200 ºC之间进行 ✓ 水汽氧化比干氧氧化反应速率约高10倍
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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CG：气相区氧化 剂浓度； CS：氧化物外表 面氧化剂浓度； CO：氧化物内表 面氧化剂浓度； CI：氧化物生长 界面氧化剂浓度
F1：气体 F2：通过SiO2 F3：在界面处 输运流量 的扩散流量 的反应流量
F: number/(cm2-s) C：number/cm3
INFO130024.02
集成电路工艺原理
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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晶向对氧化速率的影响
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影响氧化速率的因素
➢ 压强对氧化速率的影响 ➢ 晶向对氧化速率的影响 ➢ 掺杂对氧化速率的影响 ➢ 掺氯对氧化速率的影响
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
34/43
压强对氧化速率的影响
B HPGkS A N1
实验表明：对于H2O氧化，氧化硅生长 速率正比于PG，而O2的氧化无法完全用
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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D－G模型小结
x02 x0 t
B B/A
xi2 Axi
B
氧化速率为
dx0 dt
B /(2x0 A)
这个方程是在下列条件下的氧化 动力学的一般表达式：
✓平坦、无图形的平面硅的氧化 ✓轻掺杂硅的氧化 ✓单一O2或H2O的氧化 ✓初始氧化硅的厚度大于20 nm
—可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。
• 适用于：
– 氧化温度700～1200 oC； – 局部压强0.1~25个大气压； – 氧化层厚度为20～2000 nm的水汽和干法氧化
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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Deal-Grove 模型
Cs > Co
氧化生长 ——消耗硅
体积膨胀2.2倍 1 mm厚SiO2消耗0.45 mm Si SiO2受压应力作用
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第五章 热氧化原理 (上)
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LOCOS中，氧化硅的体积为所消耗的硅体积的2.2倍
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
x0
B A
(t
)
x0
xo
t
τ
x02 B(t )
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集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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实验法提取B和B/A的值
有实验值可供使
用.
x02 x0 t
B B/A
x0
Bt
x0
A
INFO130024.02
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第五章 热氧化原理 (上)
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1 atm, 0.1 mm/hr 高密度栅氧化等
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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D-G模型的计算值： H2O气氛中的热氧化
xi＝0
>100~200 nm常用
700-1100 ºC, 25 atm , 1 mm / hr
疏松， 扩散阻挡能力较差 刻蚀掩 膜和场氧化
第五章 热氧化原理 (上)
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F1：从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度
F1 hg (CG CS )
hg：质量输运系数，cm/s C：气流浓度，分子数/cm3 F：气流密度，分子数/(cm2-s)
1、理想气体方程：PSV＝NkT，所以 CS＝N/V=PS/kT
2、亨利定律：固体中溶解的气体物质的平衡 浓度与固体表面该处气体物质的分压强成正比
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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SiO2的基本性质
➢ 可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移 ➢ 可以作为多数杂质掺杂的掩蔽 (B, P, As, Sb) ➢ 优秀的绝缘性能 ( > 1016 cm, Eg>9 eV) ➢ 很高的击穿电场 (>107 V/cm) ➢ 体电学性能稳定 ➢ 稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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若N1是指形成单位体积（ cm3）SiO2所需要的氧化剂分子数 即对于O2氧化，N1＝2.2×1022 cm-3 对于H2O氧化， N1＝4.4×1022 cm-3
求得生长速率
R F dx
kSC*
N1 dt
N1
x0 xi
1
kS h
kS x D
四面体之间由Si-O-Si连接 与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥
INFO130024.02
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第五章 热氧化原理 (上)
9/43
结构
桥联氧 非桥联氧
水晶
二氧化硅
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第五章 热氧化原理 (上)
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含杂质的SiO2结构
热氧化生长，水存在的情况：Si:O:Si Si:O:H+ H:O:Si 掺杂杂质：取代Si的位置， 网络形成体（B，P）
x02 x0 t 式中
B B/A
xi2 Axi
B
x0
A 2
1
t
A2 / 4B
1
B ＝2DC*/N1——抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流F2的贡献 B/A C*ks/N1——线性速率常数，表示界面反应流F3的贡献
薄氧化硅时，线性速率常数B/A 厚氧化硅时，抛物线速率常数B
两
种
极
限
情
况
CO
HPS
可求得
F1
hg
(CG
PS kT
)
hg
(CG
CO HkT
)
令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，则 F1 h(C* CO )
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
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F2：从氧化物层表面扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度
根据费克Fick第一定律，有
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上离子注入掩蔽
互连 层间 绝缘 介质
隔离工艺
INFO130024.02
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第五章 热氧化原理 (上)
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氧化反应方程式（Overall reaction）
干氧氧化（Dry oxidation) Si(s) + O2(g) SiO2(s)
95 C
H2O冒
2
泡氧化
H2+O2后端
2
反应生成
H2O氧化
2
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
27/43
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
28/43
D-G模型的计算值： 干O2气氛中的热氧化
xi＝0
<100~200 nm常用
800-1200 ºC,
INFO130024.02
集成电路工艺原理
第五章 热氧化原理 (上)
31/43
超薄热氧化的模拟
对于超薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实 验表明在20 nm之内的热氧化生长速度和厚度比 G-D模型大的多。
D-G (τ= 40hr) 23nm
D-G (τ= 0)
INFO130024.02
集成电路工艺原理