半导体表面平坦化及新型高性能湿式清洗工艺的研究

摘要

超大规模集成电路技术遵循摩尔定律不断发展,随着集成度的不断提高,金属半导体晶体管(MOSFET)的尺寸也在不断缩小,随之带来的新问题也不断出现。其中,绝缘膜与硅界面的微粗糙度造成了闪烁噪声的增大,导致电路性能和MOSFET性能的不断退化,严重制约了半导体技术的发展。因此,需要不断探索新的半导体技术来解决半导体表面的平坦化问题。 通过研究发现,拥有原子级平坦化的绝缘膜以及原子级平坦化的Si表面的MOSFET,在载流子迁移率以及噪声抑制方面能够表现出比传统器件好的多的特性。另外,由于空穴在(110)面以及(551)面晶片上的迁移率比传统的(100)面大的多,在Si(110)以及Si(551)晶片上制造器件也具有极好的应用前景。因此,对于这些并不常用的晶片的平坦化技术也成为研究的热点。在本文中,通过使用各种不同的方法来平坦Si(100),Si(110)和Si(551)表面,找到了分别适用于各晶向晶片的方法以及这些方法的平坦化机理。这些平坦化方法包括传统的高温湿法氧化,化学平坦化以及新型的氧粒子氧化法。 另外,还发现,当(100)面的Si片在1200℃的氩气气氛中退火后,会呈现出原子级平坦的表面。为了在栅氧化膜形成前保持这种原子级的平坦度不受到破坏,必须寻找不破坏表面粗糙度的清洗方法。在实验中,利用平坦化的Si(100)、Si(110)、Si(551)以及原子级平坦的晶片,分别使用传统RCA清洗方法及日本东北大学的大见忠弘教授提出的新型室温五步清洗法中各种具有代表性的清洗液单独实验,用原子力显微镜(AFM)观察清洗后的晶片表面,比较粗糙度的不同影响,最终得到最佳的清洗方法及其机理。另外,还分别在大气环境中以及在氧气浓度小于20ppb的氮气环境,且无光照的条件下做了相同的实验。通过试验首次发现,清洗环境能够在很大程度上影响清洗效果。对比表面粗糙度的变化后,得到了最佳的清洗环境。通过以上的实验发现清洗中光线对于粗糙度也有影响,为了更加精确地确定这种影响的起因,还考察了不同波长以及不同光照度的光线对于粗糙度的影响。在实验中,使用了波长较短的蓝光,以及波长较长的红光,并调整了不同的光照度,观察清洗中表面粗糙度的变化。最终,找到了清洗中光线与表面粗糙度变化的关系。 通过以上的实验,找到了能够维持原子级平坦的硅表面以及特殊晶向硅表面粗糙度的新型清洗方式,并分析了其中的机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

1前言

1.1微电子工艺的发展

1.2本课题的概述

1.3论文的内容介绍

2高性能的微电子器件

2.1表面粗糙度对微电子器件特性的影响

2.1.1表面粗糙度对载流子迁移率的影响

2.1.2表面粗糙度对于器件1／f噪声的影响

2.2半导体清洗的基本原理

2.2.1金属杂质问题

2.2.2颗粒杂质问题

2.2.3有机物杂质问题

2.3高效率的前端(FEOL)清洗

3硅片表面的平坦化技术

3.1平坦化方法的研究

3.1.1 Si片的平坦化实验

3.1.2分析

3.2小结

4清洗对硅片表面粗糙度的影响

4.1 RCA清洗法及五步清洗法

4.2在大气环境中清洗后表面粗糙度的变化

4.2.1在大气环境中的清洗

4.2.2小结

4.3在氮气环境中清洗后表面粗糙度的变化

4.3.1清洗中光线的影响原理

4.3.2五步清洗法

4.3.3不同波长光线及不同光照度对表面粗糙度的影响

4.4小结

5总结

5.1硅表面的平坦化技术

5.2维持表面平坦度的最佳清洗方式

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文