復(fù)旦集成電路工藝課件-07

1、INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)1/43集成電路工藝原理 仇志軍邯鄲校區(qū)物理樓435室INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)2/43大綱大綱 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長晶體生長第第三章三章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來趨勢與挑戰(zhàn)未來趨勢與挑戰(zhàn)INF

2、O130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)3/43DG模型模型tABxBx/020BAxxii2氧化速率為氧化速率為)2/(00AxBdtdx上節(jié)課主要內(nèi)容上節(jié)課主要內(nèi)容壓強(qiáng)、晶向、摻雜和摻氯對氧化速率的影響INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)4/43摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過程中，靠近界面的硅中雜質(zhì)，將在界面兩邊的硅和二氧化硅中發(fā)生再分布。其決定因素有：v雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象v雜質(zhì)通過SiO2表面逸散v氧化速率的快慢v雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散速度熱氧化時雜質(zhì)在界面上的再分布熱氧化時雜質(zhì)在界面上的再分布INFO1300

3、24.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)5/43熱氧化時雜質(zhì)在界面上的再分布的誘因熱氧化時雜質(zhì)在界面上的再分布的誘因雜質(zhì)在Si和SiO2中的溶解度不同，擴(kuò)散系數(shù)不同，熱氧化時，雜質(zhì)在SiO2Si兩邊要重新分布，這種規(guī)律由來描述雜質(zhì)在硅中的平衡濃度雜質(zhì)在二氧化硅中的平衡濃度 k = C1C2INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)6/43A. k1，并且雜質(zhì)在氧化物中擴(kuò)散很慢慢。例如B，k=0.3 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2界面處濃度很界面處濃度很高高B. k1，并且雜質(zhì)在氧化物中擴(kuò)散慢慢。例如 P，As，Sb雜質(zhì)在硅界面處堆

4、積雜質(zhì)在硅界面處堆積D. k1，并且雜質(zhì)在氧化雜質(zhì)在氧化物中擴(kuò)散物中擴(kuò)散快快。例如。例如Ga，硅界面處的雜質(zhì)濃度低硅界面處的雜質(zhì)濃度低于體濃度于體濃度。INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)8/432D熱氧化熱氧化由于受到轉(zhuǎn)角處對于熱氧化時體由于受到轉(zhuǎn)角處對于熱氧化時體積膨脹的限制，積膨脹的限制，2D熱氧化不同于平面的熱氧化熱氧化不同于平面的熱氧化INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)9/43氧化硅在凸角和凹角處均比平坦處氧化硅在凸角和凹角處均比平坦處薄薄凹角凹角比凸角影響更大比凸角影響更大氧化滯后

5、與轉(zhuǎn)角的曲率半徑氧化滯后與轉(zhuǎn)角的曲率半徑 r 相關(guān)：相關(guān)：r越小，滯后越嚴(yán)重越小，滯后越嚴(yán)重低溫下氧化滯后更嚴(yán)重。低溫下氧化滯后更嚴(yán)重。1200 C未見滯后。未見滯后。INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)10/43凸角凸角凹角凹角INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)11/43晶向：在薄氧化層區(qū)域?qū)ρ趸俾实淖饔?D 氧化擴(kuò)散 2D擴(kuò)散方程及仿真技術(shù)體積膨脹帶來的應(yīng)力：非平坦表面的應(yīng)力更大物理機(jī)理解釋物理機(jī)理解釋硅硅SiO2新生新生SiO2INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱

6、氧化原理熱氧化原理 (下下)12/43熱氧化方法熱氧化爐（熱氧化爐（furnace）常規(guī)熱氧化摻氯氧化氫氧合成氧化高壓氧化INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)13/431、常規(guī)熱氧化、常規(guī)熱氧化INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)14/43例題例題1、 硅片上表面有硅片上表面有200 nm氧化層氧化層（a）如果上述氧化層在）如果上述氧化層在1100 C干氧中生長，生長時間為干氧中生長，生長時間為多少？多少？（b）如果硅片重新送回氧化爐（往往是另一個爐子），）如果硅片重新送回氧化爐（往往是另一個爐

7、子），繼續(xù)在繼續(xù)在1000 C下水汽氧化，多長時間可以增加氧化層厚度下水汽氧化，多長時間可以增加氧化層厚度至至500 nm？關(guān)于關(guān)于 干氧氧化，用干氧氧化，用xi25 nm計算計算xi 0， 代表的是在現(xiàn)在條件下生長代表的是在現(xiàn)在條件下生長xi 所需的所需的時間，與實(shí)際生長的方法無關(guān)時間，與實(shí)際生長的方法無關(guān)水汽氧化，用水汽氧化，用xi0計算，計算， 0 xi0INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)15/43(a)補(bǔ)償值補(bǔ)償值3INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)16/43(b).2INFO130

8、024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)17/432、摻氯氧化 氯源 3% HCl，三氯乙烯TCE（C2HCl3），三氯乙烷（TCA），三氯甲烷，Cl2，NH4Cl，CCl4等 方法 最好瓶裝HCl氣體，使用方便，濃度容易控制 二步TCE或TCA法 850 C 干氧 850 C TCE 或 TCA氧化 1050 C TCE或TCA氧化 1050 C N2中退火 降低QitINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)18/433、氫氧合成氧化2H2 + O2 = 2H2OSi+ 2H2O=SiO2+2H2INFO13002

9、4.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)19/434、高壓氧化：一種低溫快速的氧化方法B和B/A與氧化劑分壓近似成正比在一個大氣壓下，每增加一個大氣壓氧化速率增加一倍如速率不變，則每增加一個大氣壓，溫度下降30 C但在VLSI工藝中，尚未廣泛使用，原因：1）安全問題，一般設(shè)備需要25 atm2）設(shè)備占地太大，生產(chǎn)產(chǎn)量小3）厚度不均勻INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)20/43INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)21/43Si/SiO2界面特性1）固定氧化物電荷，Qf

10、Fixed Oxide Charge2）界面陷阱電荷，QitInterface trapped charge3）可動離子電荷，QmMobile ionic charge4）氧化物陷阱電荷，QotOxide trapped chargeINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)22/431、固定氧化物電荷，Qf （fixed oxide charge） 位置：靠近界面氧化層內(nèi)23 nm范圍 電荷：正電荷。電荷密度：109-1011 cm-2。電荷態(tài)在器件工作期間不變化。 來源推測：由不完全氧化的帶有凈正電荷的Si引起的。特點(diǎn)： Si中的雜質(zhì)濃度、導(dǎo)電類

11、型及SiO2厚度與Qf關(guān)系不大 Qf和生長溫度關(guān)系：溫度升高，Qf下降。 降溫速率越快，Qf值越低，但硅片直徑大于100 mm的硅片不宜降溫太快。 氧化速率越快， Qf越高 Qf :Qf:Qf =3:2:1 重復(fù)性好 SiINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)23/43Deal 三角關(guān)系三角關(guān)系（Deal Qf Triangle）斜邊代表了Qf和溫度的關(guān)系溫度升高，Qf降低垂直邊表示氧化溫度不變，只要改變氣氛（N2或Ar）會使Qf大大降低水平邊表示在惰性氣體中的降溫過程適于（適于（111）硅）硅（100）硅約?。┕杓s小3倍倍INFO130024.

12、02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)24/432、界面陷阱電荷/界面態(tài)，Qit（Interface trapped charge）位置位置: Si/SiO2 界面界面來源推測來源推測: 1)在襯底硅指向氧化層的在襯底硅指向氧化層的Si表面的懸掛鍵（表面的懸掛鍵（Dangling bond Si ）2)可以束縛載流子的界面電離雜質(zhì)（荷電中心）可以束縛載流子的界面電離雜質(zhì)（荷電中心）電荷：能量處于禁帶中，可以和電荷：能量處于禁帶中，可以和Si交換電荷，電荷態(tài)依賴于偏壓，交換電荷，電荷態(tài)依賴于偏壓，可能是正，負(fù)或者中性；密度可能是正，負(fù)或者中性；密度109-1011 cm

13、-2eV-1與與Qf為同一來源：高為同一來源：高Qf一定高一定高Qit。INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)25/43INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)26/43q Qit和下列因素有關(guān)：氧化溫度，氧化氣氛（濕氧、干氧），晶向等q Qit和干氧氧化溫度的關(guān)系1）Qit 隨溫度升高而降低； 2）干氧Qit高于濕氧3）在能帶中間部分， Qit(100)比Qit(111)低約5倍q 降低Qit的方法低溫金屬化后退火（PMA） （low temperature post-metallization a

14、nneal)在H2或H2N2（Forming Gas Annealing, FGA）中350500 C退火30分鐘q退火前，Qit約1011 cm-2eV-1q退火后，Qit約1010 cm-2eV-1 - 可應(yīng)用INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)27/43Annealing w/o H2500 oC/10 min/10% H2 in N2450 oC/10 min/25% H2 in N2Midgap Qit (1011 cm-2 eV-1)Oxidation temperature (oC)3.02.52.01.51.00.5024681

15、210120011001000900通過FGA有效地降低Qit的實(shí)例INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)28/43Qf和和Qit與晶向的關(guān)系與晶向的關(guān)系（100）最低）最低Qit & Qf：溫度越高，越小溫度越高，越小界面越粗糙，越大界面越粗糙，越大比比小得多小得多低溫合金退火低溫合金退火（氫鈍化）（氫鈍化）高溫氬氣退火高溫氬氣退火摻氯氧化摻氯氧化INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)29/43q位置：可以在氧化層中任意地方。開始位于柵（金屬或多晶硅）/SiO2界面，如在正偏或加溫情況，Q

16、m將向Si/SiO2界面移動。q來源：金屬化(Metallization)及別的污染。q堿金屬離子（Na+, K+）玷污引起（以網(wǎng)絡(luò)變性體形式存在）。q會引起MOS器件閾值電壓VT的變化和穩(wěn)定性問題。3、可動離子電荷，Qm（mobile ionic charge）INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)30/43減少Q(mào)m的具體方法1)清洗石英管 O2-HCl氣體 1150 C/2 h2)采用摻氯氧化，源有HCl-O2、TCE、TCA等3)用磷硅玻璃PSG （phosphosilicate glass）4)Si3N4作為最后鈍化層Not an iss

17、ue anymore!INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)31/43v 位置：位于氧化層中任意地方。v 來源: 1）氧化層中一些斷裂的Si-O、Si-Si、Si-H、Si-OH 電離輻照（ionization irradiation） VLSI工藝過程引入：如電子束蒸發(fā)、濺射、等離子體刻蝕、電子束或X射線光刻、離子注入v 結(jié)果：這些陷阱會捕獲空穴或電子，影響器件的工作u1000 C干氧化可以改善SiO2結(jié)構(gòu)，使其不易打斷抗輻射氧化u可通過在H2或惰性氣體中300 C消除。u加對于輻射不敏感的鈍化層，如Al2O3和Si3N4 4、氧化物陷阱電荷，

18、Qot （oxide trapped charge）INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)32/43二氧化硅質(zhì)量的檢驗(yàn)二氧化硅質(zhì)量的檢驗(yàn)一、氧化膜的缺陷檢查1、氧化膜針孔的檢測EPW（鄰苯二酚乙二胺水腐蝕法）陽極氧化法氯氣腐蝕法 MOS 二極管法2、氧化導(dǎo)致的層錯的檢測（OISF：Oxidation induced stacking faults)氧化后，用HF去除SiO2, 用Sirtl溶液腐蝕Sirtl溶液：100ml H2O + 50 g Cr2O3 +75 ml HF3、氧化膜中鈉離子含量測定（在后面電學(xué)測量中講到）觀察襯底腐蝕情況觀察襯

19、底染色情況INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)33/43OISF Oxidation Induced Stacking Fault氧化時產(chǎn)生大量的間隙原子。這些點(diǎn)缺陷易于聚集為大的氧化時產(chǎn)生大量的間隙原子。這些點(diǎn)缺陷易于聚集為大的2D缺陷缺陷層錯。層錯位于界面，成為重金屬的吸雜中心，導(dǎo)層錯。層錯位于界面，成為重金屬的吸雜中心，導(dǎo)致器件漏電。高壓氧化（低溫）和摻氯氧化，均有利于抑制致器件漏電。高壓氧化（低溫）和摻氯氧化，均有利于抑制OISF。INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)34/43厚度測量

20、機(jī)械法機(jī)械法 比色法比色法 橢偏法橢偏法 光干涉法光干涉法 C-V測量測量Stylus1、機(jī)械法、機(jī)械法二氧化硅質(zhì)量的檢驗(yàn)二氧化硅質(zhì)量的檢驗(yàn)臺階儀-profilometerINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)35/432、比色法、比色法INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)36/433、光干涉法（、光干涉法（Interferometry） 由光的相干原理，膜表面與界面反射二束光相干涉。由光的相干原理，膜表面與界面反射二束光相干涉。由光學(xué)原理，兩束光的光程差為由光學(xué)原理，兩束光的光程差為入入射光的波

21、長整數(shù)倍時射光的波長整數(shù)倍時出現(xiàn)加強(qiáng)的亮度出現(xiàn)加強(qiáng)的亮度nmx20n：二氧化硅折射率：入射光波長 如 =589.6 nmm：干涉級數(shù)垂直入射時垂直入射時: INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)37/434、橢偏法（、橢偏法（Ellipsometry）Light sourceFilterPolarizerQuarter wave plateSubstrateFilm being measuredDetectorAnalyzer單色光經(jīng)過起偏器變成偏振光，再經(jīng)單色光經(jīng)過起偏器變成偏振光，再經(jīng)1/4波片變成橢圓偏振波片變成橢圓偏振光，照射樣品，再經(jīng)過

22、膜的反射、檢偏后進(jìn)入光電管。光，照射樣品，再經(jīng)過膜的反射、檢偏后進(jìn)入光電管。兩個相互垂直的偏振光的分量的振幅與相位變化是與膜厚度及折射率有關(guān)，查圖表（軟件自動計算）可得到厚度。INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)38/43橢偏法是一種非常精確、非常靈活的測試方法橢偏法是一種非常精確、非常靈活的測試方法厚度測量厚度測量: 測量結(jié)果給出周期性的厚度結(jié)果測量結(jié)果給出周期性的厚度結(jié)果 需要知道薄膜的一些性質(zhì)需要知道薄膜的一些性質(zhì) 多種波長測量多種波長測量厚度和折射率（厚度和折射率（refractive index）：）： 可以決定不同材料的厚度及折射率

23、可以決定不同材料的厚度及折射率多層薄膜：多層薄膜： 可以用多波長和多角度來決定多層薄膜的厚度可以用多波長和多角度來決定多層薄膜的厚度INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)39/43(a) 正電壓加在金屬電極上，相當(dāng)于積累區(qū)（accumulation）(b) 負(fù)電壓引起襯底部分耗盡（depletion）(c) 進(jìn)一步加負(fù)電壓，使得反型層（inversion）出現(xiàn)。三、電學(xué)測量三、電學(xué)測量QG=qNDxD+QIINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)40/43低頻時，低頻時，QI完完全平衡了柵上全平衡了柵

24、上電荷，因此電荷，因此Cinv=Cox在高頻時，由于在高頻時，由于QI跟不跟不上頻率的變化，所以上頻率的變化，所以Cinv為為Cox和和CD的串聯(lián)。的串聯(lián)。LF1Hz深耗盡：在快速掃描時，由于深耗盡：在快速掃描時，由于QI跟不上掃描速度的變化，因此跟不上掃描速度的變化，因此xD必須增加來與柵上電荷平衡必須增加來與柵上電荷平衡INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)41/43Qit的作用下，的作用下，C-V曲線的曲線的畸變畸變界面電荷對于界面電荷對于MOS電容電容C-V曲線的作用曲線的作用Q=Qf+Qot+QmINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (下下)42/43氧化膜中可動離子氧化膜中可動離子(Na+)含量測定（含量測定（B-T）1、初次測量、初次測量C-V曲線曲線2、柵極加約、柵極加約1 MV/cm的正向偏的正向偏壓，同時器件加熱至壓，同時器件加熱至2