第二章熱氧化

1、第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用2.3 熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)2.4 熱氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅質(zhì)量測(cè)量方法 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 2.1 引言 為什么硅是目前所有半導(dǎo)體材料中應(yīng)用最為成功的材料？ Si有一系列的硅基材料： SiO2: 絕緣材料； Si3N4：介質(zhì)材料； 多晶硅：可以摻雜，導(dǎo)電； 硅化物：導(dǎo)電，作為接觸和互連SiO2生長(zhǎng)容易，穩(wěn)定，和Si具有理想的界面特性。這點(diǎn)對(duì)硅工藝貢獻(xiàn)最大!金屬硅化物工藝在深亞微米集成電路工藝中已被廣泛采用，其目的是為

2、了降低MOS元件在其源極和漏極的串聯(lián)電阻。在不采用金屬硅化物工藝的條件下，N+擴(kuò)散區(qū)的阻值約為3040，但在金屬硅化物工藝條件下其阻值降低到13 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu), 性質(zhì)及應(yīng)用性質(zhì)及應(yīng)用2.3 熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)2.4 熱氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅質(zhì)量測(cè)量方法 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 2.2 SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu), 性質(zhì)及應(yīng)用性質(zhì)及應(yīng)用qSiO2的結(jié)構(gòu)qSiO2的基本性質(zhì)qSiO2在集成電路中的應(yīng)用 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l按結(jié)構(gòu)

3、特點(diǎn)分為結(jié)晶型 (Crystallized):石英，水晶等 “長(zhǎng)程有序”非晶型（無(wú)定型amorphous）l由SiO四面體組成四面體中心是硅原子，四個(gè)頂角上是氧原子四面體之間由Si-O-Si橋連接，該O原子稱(chēng)為橋聯(lián)氧，僅和一個(gè)四面體（或硅）連接是非橋聯(lián)氧四面體(Tetrahedra)橋聯(lián)氧(Bridging Oxygen)橋聯(lián)氧非橋聯(lián)氧 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 SiO44- tetrahedraO-Si-O bond 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 雜質(zhì)在SiO2處于Si-O四面體空隙的，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)者.取代硅原子的替代型雜質(zhì)稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成者，常見(jiàn)的有硼，磷等會(huì)減少橋聯(lián)和非橋

4、聯(lián)氧原子的比例，使氧化層在較低的溫度下流動(dòng)。二氧化硅中的雜質(zhì) 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 q熱氧化生長(zhǎng)的SiO2是非晶的q熔點(diǎn)：1700Cq重量密度：2.27g/cm3q原子密度：2.2E22 分子/cm3q折射率 (refractive index) n = 1.46q介電常數(shù) (dielectric constant) 3.8 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 SiO2SiAmorphous SiO2（非晶） 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l良好的電絕緣介質(zhì) (Gate Oxide, Field Oxide)Resistivity 1020 ohmcmEnergy G

5、ap 9eVl高的擊穿場(chǎng)強(qiáng) (10MV/cm)l穩(wěn)定的可重復(fù)的Si/SiO2界面特性l在Si表面的均勻的SiO2生長(zhǎng) 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 q對(duì)大多數(shù)雜質(zhì)來(lái)說(shuō)，SiO2是非常好的擴(kuò)散掩膜qSi和SiO2之間有非常好的選擇腐蝕比率SiSiO2HF DipSi 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 Gate oxide and capacitor dielectric in MOS devices Isolation of individual devices (STI) Masking against implantation and diffusion Passivation

6、of silicon surface 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 TEM image shows Gate Oxide with thickness of only 0.8nm in MOS structure 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 Shallow Trench Isolation (STI) STI 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)及應(yīng)用2.3 熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

7、熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)2.4 熱氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅質(zhì)量測(cè)量方法 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 q氧化反應(yīng)方程式q熱氧化過(guò)程中消耗的硅qSiO2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)Deal-Grove 模型初始氧化階段影響氧化速率的原因氧化時(shí)的雜質(zhì)再分布 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l這兩種反應(yīng)都在800C1200C之間進(jìn)行l(wèi)濕氧氧化比干氧氧化快10倍左右Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)l干氧氧化 （Dry Oxidation)l濕氧氧化 (Wet Oxidation) 第二章 熱氧化集成電路工 藝

8、原 理 Si + O2 = SiO2氧分子以擴(kuò)散方式通過(guò)SiO2，到達(dá)Si-SiO2界面和硅反應(yīng)，受氧分子在SiO2中的擴(kuò)散速率和界面處與硅的反應(yīng)速率限制氧化溫度 8001200 C結(jié)構(gòu)致密、均勻性和重復(fù)性好干氧氧化的氧化膜生長(zhǎng)機(jī)理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 水汽氧化的氧化膜生長(zhǎng)機(jī)理q 2H2O + Si = SiO2 + 2H2q 有兩種過(guò)程 a)水分子在已生成的SiO2中擴(kuò)散， 在Si-SiO2界面與Si原子反應(yīng) b)水分子先在Si表面反應(yīng)生成硅烷醇(Si-OH)即非橋聯(lián)羥基 H2O + Si-O-Si Si-OH + OH-Si 使SiO2網(wǎng)絡(luò)削弱， 生成的硅烷醇,通過(guò)SiO

9、2再擴(kuò)散到達(dá)Si-SiO2界面與Si反應(yīng)Si-OH + Si-Si Si-O-Si + H2 Si-OH Si-O-Si水汽氧化過(guò)程，SiO2不斷受到削弱，所以水汽氧化速率較干氧要快許多 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 q氧化反應(yīng)方程式q熱氧化過(guò)程中消耗的硅熱氧化過(guò)程中消耗的硅q熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)Deal-Grove 模型初始氧化階段影響氧化速率的原因氧化時(shí)的雜質(zhì)再分布 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 SioxoxSiNNttox322322oxsit44. 0cm/atoms105cm/molecules102 . 2ttMolecular density of SiO2tox S

10、iSiSiO2Original surfaceAtomic density of Si厚度t0 x，面積為一平方厘米的體內(nèi)含SiO2的分子數(shù)為NOx.t0 x,這數(shù)值應(yīng)該與轉(zhuǎn)變?yōu)镾iO2中的硅原子數(shù)Nsi.tsi相等,Nsi.tsi NOx.t0 x 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 復(fù)習(xí)復(fù)習(xí) 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 圖(a)（b)分別為基區(qū)擴(kuò)散電阻的光刻版圖和剖面圖。請(qǐng)按照光刻順序分別畫(huà)出每次光刻的圖形，并說(shuō)出其作用。習(xí)題1 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 什么叫本征吸雜和非本征吸雜工藝？什么

11、叫本征吸雜和非本征吸雜工藝？ 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 本征吸雜本征吸雜不需要外部加工，通過(guò)一些熱處理過(guò)程(在惰性氣體中）的一種自吸除技術(shù)表面層的氧等雜質(zhì)外擴(kuò)散，形成“清潔區(qū)”硅片體內(nèi)氧沉積團(tuán)的核化，氧沉積團(tuán)周?chē)膽?yīng)力場(chǎng)對(duì)硅片表面雜質(zhì)和缺陷有吸除作用 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 非本征吸雜技術(shù)非本征吸雜技術(shù)硅片背面產(chǎn)生機(jī)械損傷，熱處理后形成對(duì)金屬等吸除陷阱 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 1. 熱生長(zhǎng)的SiO2的是何種晶體形態(tài)？2. 熱生長(zhǎng)的SiO2的空間結(jié)構(gòu)如何？3. SiO2在集成電路中有哪些應(yīng)用（舉出至少3個(gè)）， 這些應(yīng)用

12、是依賴(lài)于SiO2具有的何種性質(zhì)？4. 氧化反應(yīng)中反應(yīng)界面在哪里？反應(yīng)中消耗的硅如 何計(jì)算？Review 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 橋聯(lián)氧原子非橋聯(lián)氧原子 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 2.27 m SiO21m Si oxidized 0.44m Si oxidized1 m SiO2 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 氧化造成體積膨脹氧化造成體積膨脹 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 q氧化反應(yīng)方程式q熱氧化過(guò)程中消耗的硅q熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)

13、力學(xué)Deal-Grove 模型初始氧化階段影響氧化速率的原因氧化時(shí)的雜質(zhì)再分布 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 Gas DiffusionSolid-State DiffusionSiO2 FormationSiO2Si-SubstrateGas Flow stagnant LayerOxidant Flow(e.g. O2,or H2O 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 lDealGrove模型（線性?huà)佄锞€模型）(linear-parabolic model)l適用于：氧化溫度7001300oC；局部壓強(qiáng)0.125個(gè)大氣壓（2*104 1.01*105Pa ）；氧化層厚度為3020

14、00nm的水汽和干氧氧化1965年年DealGrove提出該模型提出該模型不適用非常薄的氧化層！不適用非常薄的氧化層！ 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 doOxideSiliconCiCGGasCsCCoxF1F2F3transportreactionyJ1:氣體輸運(yùn)氣體輸運(yùn)流量流量J1J2J3J2:通過(guò)通過(guò)SiO2的擴(kuò)散流量的擴(kuò)散流量J3:在界面處在界面處的反應(yīng)流量的反應(yīng)流量Cs CoJ: number/cm2secGas/Oxide interfaceCG:氣相區(qū)氧化氣相區(qū)氧化劑濃度；劑濃度；Cs:氧化物外表氧化物外表面氧化劑濃度；面氧化劑濃度；Co:氧化物內(nèi)表氧化物內(nèi)表面氧化劑濃度

15、；面氧化劑濃度；Ci:氧化物生長(zhǎng)氧化物生長(zhǎng)界面氧化劑濃界面氧化劑濃度度Oxide/silicon interface 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 J1:從氣相區(qū)到硅片氧化層表面的氧分子流密度slsg2O1XCCDJJ2:從氧化物層擴(kuò)散到Si/SiO2界面的氧分子流密度OXiO2O2XCCDJJ3:通過(guò)Si/SiO2界面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的氧分子流密度iS3CKJ )CC(hJsgg1(根據(jù)Fick第一定律) hg: 質(zhì)量質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)輸運(yùn)系數(shù)DealGrove模型Xsl 滯流層厚度（氣體通過(guò)固體時(shí)，固體表面總是形成滯流層）Ks化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)doOxideSiliconCiCGGasCsCC

16、oxF1F2F3transportreactionyj1j2j3 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 在平衡時(shí)，應(yīng)有321JJJ聯(lián)合上述式子，得到兩個(gè)方程和三個(gè)未知的濃度：Cg，Co和Ci。求解生長(zhǎng)速率還需要另外一個(gè)方程。這個(gè)方程是亨利定律，它說(shuō)明平衡時(shí)溶解在固體中的物質(zhì)的濃度和該物質(zhì)在固體表面外的分壓成正比。Co = H Ps H ( kT Cs )式中，H 是亨利氣體常數(shù)，并用理想氣體定律代替Pg，這樣就有三個(gè)方程和三個(gè)未知數(shù)，經(jīng)過(guò)一些運(yùn)算可以得到DXKhK1HPDXKhK1CCoxSSgoxSS0i式中h為hg/ HkT 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 N1是指形成單位體積SiO

17、2所需要的氧分子數(shù)DXKhK1NPHKdtdXNJROlSS1gSOX1只要把界面流量除以單位體積SiO2的氧分子數(shù)，就可得到生長(zhǎng)速率。N1 = 2.2 1022/cm3 當(dāng)O2是氧化劑時(shí) Si + O2 SiO2N1 = 4.4 1022/cm3 當(dāng)H2O是氧化劑時(shí) Si + 2H2O SiO2 + 2H2 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 設(shè)t=0時(shí)，SiO2層厚度為X0，則微分方程的解可寫(xiě)為)t (BAXXOX2OX這里h=hg/(HkT),有h1K1D2AS1gNDHP2B BAXX020A和和B都是速率常數(shù)都是速率常數(shù)A和和B均和擴(kuò)散系數(shù)成正比，均和擴(kuò)散系數(shù)成正比，因此因此A和和

18、B和溫度有指數(shù)關(guān)系和溫度有指數(shù)關(guān)系B/A這一比例去除了擴(kuò)散系數(shù)，這一比例去除了擴(kuò)散系數(shù)，它的激活能主要和它的激活能主要和KS有關(guān)有關(guān)X0XoxtSiO2厚度與時(shí)間的普遍關(guān)系式 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 線性和拋物線速率常數(shù))t (BAXXOX2OX當(dāng)生長(zhǎng)的氧化層足夠薄，(t+)D干) B/A也與Co有關(guān) 濕氧氧化的線性速率常數(shù)大于干氧氧化的線性速率常數(shù)Co = H Pg1gNDHP2B hKNhKHPABS1SgCo氧化物內(nèi)表面氧化劑濃度氧化物內(nèi)表面氧化劑濃度第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 如果要達(dá)到給定的氧化速率，增加氣壓，則氧化溫度可以降低如果在同樣溫度下生長(zhǎng)一個(gè)給定的氧

19、化層厚度，增加氣壓，則氧化時(shí)間可以降低。B, B/A 和壓強(qiáng)成正比和壓強(qiáng)成正比hKNhKHPABS1Sg1gNDHP2B 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 qB和B/A與溫度T的關(guān)系q壓強(qiáng)、平衡濃度對(duì)氧化速率的影響壓強(qiáng)、平衡濃度對(duì)氧化速率的影響q晶向?qū)ρ趸俾实挠绊憅摻雜對(duì)氧化速率的影響q摻氯對(duì)氧化速率的影響第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 硅原子密度 71014/cm2硅原子密度 8 1014/cm2更多的鍵可以參加反應(yīng)第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)Ks與晶向有關(guān)。因此線性速率常數(shù)B/A與晶向有關(guān)。在適當(dāng)溫度(111)晶向硅的B/A為(100)硅的1.68倍

20、。l拋物線速率常數(shù)B與晶向無(wú)關(guān)。l高溫長(zhǎng)時(shí)間氧化，拋物線速率常數(shù)B起主要作用，晶向影響減弱。第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l拋物線速率常數(shù)拋物線速率常數(shù)B與晶向無(wú)關(guān)。與晶向無(wú)關(guān)。l高溫長(zhǎng)時(shí)間氧化，拋物線速率常數(shù)高溫長(zhǎng)時(shí)間氧化，拋物線速率常數(shù)B起主要作用，晶向影起主要作用，晶向影響減弱。響減弱。l化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)Ks與晶向有關(guān)。因此線性速率常數(shù)與晶向有關(guān)。因此線性速率常數(shù)B/A與晶向有關(guān)。在適當(dāng)溫度與晶向有關(guān)。在適當(dāng)溫度(111)晶向硅的晶向硅的B/A為為(100)硅的硅的1.68倍。倍。第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 qB和B/A與溫度T的關(guān)系q壓強(qiáng)、平衡濃度對(duì)氧

21、化速率的影響壓強(qiáng)、平衡濃度對(duì)氧化速率的影響q晶向?qū)ρ趸俾实挠绊憅摻雜對(duì)氧化速率的影響q摻氯對(duì)氧化速率的影響第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 900C時(shí)干氧氧化速率隨表面P濃度的變化。反應(yīng)速率限制情況。l對(duì)反應(yīng)速率限制，B/A起主要作用，氧化速率取決與硅表面的摻雜濃度l對(duì)擴(kuò)散速率限制，B起主要作用，對(duì)重?fù)诫s硅的氧化速率取決于SiO2中的雜質(zhì)濃度。水汽、鈉摻雜的影響看書(shū)第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 qB和B/A與溫度T的關(guān)系q壓強(qiáng)、平衡濃度對(duì)氧化速率的影響壓強(qiáng)、平衡濃度對(duì)氧化速率的影響q晶向?qū)ρ趸俾实挠绊憅摻雜對(duì)氧化速率的影響q摻氯對(duì)氧化速率的影響第二章 熱氧化集成電路工 藝 原

22、理 干氧加少量（15）鹵素（最常用是氯）是常用的一種氧化氣氛，會(huì)增加氧化速率第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 v摻氯能增加B/A和B vSi-O鍵能4.25eV, Si-Cl鍵能0.5eV, Cl2先與Si反應(yīng)生成氯硅化合物，然后再與氧反應(yīng)生成SiO2，起催化作用v會(huì)產(chǎn)生H2O 增加 氧化速率4HCl+O22H2O+2Cl2第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 大多數(shù)重金屬原子與氯反應(yīng)生成揮發(fā)性的金屬氯化物氯有清洗環(huán)境氣體和制備優(yōu)質(zhì)氧化層的功能 improve oxide properties * Reduction of the mobile ions * Gettering of me

23、tallics * Lifetime enhancement * Improve SiO2breakdown strength * Reduction in interface & fixed charge density * Suppression of oxidation-induced stacking faults第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 2.3 q氧化反應(yīng)方程式q熱氧化過(guò)程中消耗的硅qSiO2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)Deal-Grove 模型影響氧化速率的原因薄氧化層的生長(zhǎng)氧化時(shí)的雜質(zhì)再分布氧化時(shí)的雜質(zhì)再分布第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過(guò)

24、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(guò)SiO2表面逸散v氧化速率的快慢v雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散速度第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l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(shí)，雜質(zhì)在SiO2Si兩邊要重新分布，這種規(guī)律由來(lái)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 m = C1C2第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 m1, 雜質(zhì)在氧化物中擴(kuò)散很慢。例如B，m=0.3 雜質(zhì)在雜質(zhì)在Si界面耗盡界面耗盡 m1,雜質(zhì)在氧化物中擴(kuò)散慢。例如 P, As, Sb雜質(zhì)在硅界面處堆積雜質(zhì)在硅界面處堆積 m

25、1,雜質(zhì)在氧化物中雜質(zhì)在氧化物中擴(kuò)散快。例如擴(kuò)散快。例如Ga第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 各種類(lèi)型氧化中，硼的分凝系數(shù)和溫度依賴(lài)關(guān)系第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 圖中說(shuō)明，硼被分凝到SiO2中，SiO2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變?nèi)?，氧化劑擴(kuò)散系數(shù)增加，氧化速率增加。第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 鋁、鎵、銦 雜質(zhì)分凝到氧化膜中，又?jǐn)U散掉，故影響不大。 在摻磷情況，大部分磷跑到硅表面，因此在低溫(920C)短時(shí)間氧化，是反應(yīng)速率限制情況，氧化速率強(qiáng)烈依賴(lài)于摻雜濃度。相反，在高溫長(zhǎng)時(shí)間氧化，摻雜影響不大。第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l影響氧化速率的原因有那些？l氧化速率和壓強(qiáng)有

26、什么樣的關(guān)系l哪一種晶向的Si氧化速率最快，為什么？l對(duì)于非常薄的氧化層，應(yīng)用Deal-Grove模型計(jì)算厚度和實(shí)際厚度有何不同？l摻氯氧化工藝對(duì)提高氧化膜質(zhì)量有哪些作用？ 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 線性和拋物線速率常數(shù))t (BAXXOX2OX當(dāng)生長(zhǎng)的氧化層足夠薄，(t+) A2/4B ,可忽略平方項(xiàng)，得到)t (ABXOX當(dāng)氧化層足夠厚，t和tA2/4B, 則有)t (BX2OXB/A稱(chēng)為線性速率常數(shù)，稱(chēng)為線性速率常數(shù)，Reaction rate controlledB稱(chēng)為拋物線速率常數(shù)稱(chēng)為拋物線速率常數(shù)Diffusion controlled1gNDHP2B hKNhKHPA

27、BS1Sg兩個(gè)極限情況！第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)及應(yīng)用2.3 氧化反應(yīng)2.4 熱氧化方法熱氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅質(zhì)量測(cè)量方法第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 q常規(guī)熱氧化q摻氯氧化q氫氧合成氧化q高壓氧化Horizontal furnace（水平爐）第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l氯源 3% HCl, 三氯乙烯(C2HCl3)簡(jiǎn)稱(chēng)TCE,

28、三氯乙烷(TCA),三氯甲烷,Cl2, NH4Cl, CCl4l方法 最好瓶裝HCl氣體,使用方便,濃度容易控制,滲透法l二步TCE或TCA法,850C 干氧850C TCE 或 TCA氧化1050C TCE或TCA氧化1050C N2中退火第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 3.氫氧合成氧化2H2 + O2 = 2H2O, 生成的水純度高.氧需過(guò)量第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 4. 高壓氧化：一種快速低溫的氧化方法C*和氧化劑（例如水汽）分壓成正比，則：B和/A也和氧化劑分壓成正比每增加一個(gè)大氣壓氧化速率增加一倍。如速率不變，則每增加一個(gè)大氣壓

29、，溫度下降30C但在VLSI工藝中，尚未廣泛使用，原因：1）安全問(wèn)題，一般設(shè)備25大氣壓2）設(shè)備占地太大，生產(chǎn)產(chǎn)量小3）厚度不均勻1gNDHP2B hKNhKHPABS1SgCo = H Pg第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 lRTO (rapid thermal oxidation,快速熱氧化)單晶片過(guò)程 (Single wafer process)快速升溫過(guò)程 (fast ramp) (100C/sec)第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化Thermal O

30、xidation2.1 引言2.2 SiO2的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)及應(yīng)用2.3 氧化反應(yīng)2.4 熱氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅質(zhì)量測(cè)量方法第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 2.5 Si/SiO2界面特性在在SiO2內(nèi)或內(nèi)或Si/SiO2界面界面存在各種電荷和缺陷。存在各種電荷和缺陷。這些電荷和缺陷對(duì)器件這些電荷和缺陷對(duì)器件特性影響很大。特性影響很大。第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 2.5 Si/SiO2界面特性1.可動(dòng)離子電荷Qm(Mobile ionic charge)2. 界面陷阱電荷(Qit)(Interface trapped charge)3. 氧化層固定電

31、荷(Qf)(Fixed Oxide Charge) 4. 氧化層陷阱電荷(Qot)Oxide trapped charge第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 1 可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷Qm第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 q位置：可以在氧化層中任意地方。開(kāi)始位置：可以在氧化層中任意地方。開(kāi)始位于柵（金屬或多晶硅）位于柵（金屬或多晶硅）/SiO2界面，如界面，如在正偏或加溫在正偏或加溫(BT)情況，情況，Qm將向?qū)⑾騍i/SiO2界面移動(dòng)界面移動(dòng)q來(lái)源：金屬化來(lái)源：金屬化(Metallization)及別的污染及別的污染q堿金屬離子堿金屬離子(Na+, K+)沾污引起沾污引起q會(huì)引起會(huì)引

32、起MOS器件閾值電壓器件閾值電壓Vt的變化。的變化。1 可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷QmNot so important today!第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 減少減少Q(mào)m必須減少必須減少Na+的沾污的沾污Na的來(lái)源：的來(lái)源：1) 柵或接觸金屬柵或接觸金屬2）氧化和退火過(guò)程及氣體）氧化和退火過(guò)程及氣體3）擴(kuò)散爐，氧化管）擴(kuò)散爐，氧化管4）光刻膠的烘陪過(guò)程）光刻膠的烘陪過(guò)程5）清洗硅片的化學(xué)試劑）清洗硅片的化學(xué)試劑6）器件存貯過(guò)程中也會(huì)引入）器件存貯過(guò)程中也會(huì)引入Na+減少減少Q(mào)m的具體方法的具體方法1）清洗石英管）清洗石英管O2-HCl氣體氣體1150C/2h2)采用摻氯氧化，采用摻氯

33、氧化，3)用磷硅玻璃用磷硅玻璃PSG(phosphosilicate glass )4）Si3N4作為最后鈍化層作為最后鈍化層.第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 位置位置: Si/SiO2 界面界面本質(zhì)本質(zhì): 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)電荷：可能是正，負(fù)或者中性；可以和電荷：可能是正，負(fù)或者中性；可以和Si交換電荷，交換電荷，電荷態(tài)依賴(lài)于偏壓。密度電荷態(tài)依賴(lài)于偏壓。密度109-1011cm-2eV-1第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 硅表面存在未配對(duì)的懸空電子，硅氧化后，懸空鍵

34、密度大大降低，但仍然存在少量懸空鍵第三章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 可以和可以和Si交換電荷，交換電荷，可能是正，負(fù)或者可能是正，負(fù)或者中性中性第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 界面態(tài)分布在硅的界面態(tài)分布在硅的禁帶之中，呈禁帶之中，呈U字形。字形。靠近導(dǎo)帶的態(tài)是受主靠近導(dǎo)帶的態(tài)是受主態(tài)，接收電子帶負(fù)電態(tài)，接收電子帶負(fù)電靠近價(jià)帶的態(tài)是施主靠近價(jià)帶的態(tài)是施主態(tài)，給出電子帶正電態(tài)，給出電子帶正電位于禁帶中央的位于禁帶中央的界面態(tài)密度更重要，界面態(tài)密度更重要，它將增加器件表面復(fù)它將增加器件表面復(fù)合，合，晶體管放大系數(shù)下降，晶體管放大系數(shù)下降，MOS管跨導(dǎo)降低管跨導(dǎo)降低界面陷阱密度隨能量的變化關(guān)

35、系界面陷阱密度隨能量的變化關(guān)系第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 qQit和下列因素有關(guān)：氧化溫度，氧化氣氛(濕氧、干氧），壓力，晶向qQit和干氧氧化溫度的關(guān)系1）Qit隨溫度升高而降低；2）(100)比(111)低 MOS器件一般用（100）晶向材料q降低Qit的方法1）低溫合金化退火（the low temperature post-metallization anneal)PMA例：在H2氣或H2N2(Forming Gas)或氬氣中350500C退火30分鐘。q退火前，Qit約1011cm-2eV-1q退火后，Qit約1010cm-2eV-1 - 可應(yīng)用第二章 熱氧化集成電路工 藝

36、 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第三章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 過(guò)剩的Si原子，固定正電荷第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 l位置：位置：靠近界面靠近界面3.0nm3.0nm范圍，存在一些位置相對(duì)范圍，存在一些位置相對(duì)固定的正表面電荷。固定的正表面電荷。SiOSiO2 2中過(guò)剩硅原子是中過(guò)剩硅原子是固定氧化物電荷的來(lái)源。固定氧化物電荷的來(lái)源。電荷：正電荷。電荷密度：電荷：正電荷。電荷密度：109-1011cm-2lQf和下面一些因素有關(guān)：和下面一些因素有關(guān)：不完全氧化的不完全氧化的Si原子原子氧化物氣氛氧化物氣氛(H2O或或O2)，氧化溫度，硅晶向，降溫速率，氧化溫度

37、，硅晶向，降溫速率，降溫時(shí)的氣氛，退火處理熱過(guò)程。降溫時(shí)的氣氛，退火處理熱過(guò)程。lQf和溫度關(guān)系：溫度升高，和溫度關(guān)系：溫度升高，Qf下降。下降。l降溫速率越快，降溫速率越快，Qf值越低，但硅片直徑大于值越低，但硅片直徑大于100mm的硅片的硅片不宜降溫太快。不宜降溫太快。第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 Deal 三角關(guān)系(Deal Triangle)斜邊代表了斜邊代表了Qf和溫度的關(guān)系和溫度的關(guān)系溫度越高，溫度越高，Qf降低降低垂直邊表示氧化溫度不垂直邊表示氧化溫度不變，只要改變氣氛變，只要改變氣氛(N2或或Ar)會(huì)使會(huì)使Qf大大降低大大降低水平邊

38、表示在惰性氣水平邊表示在惰性氣體中的降溫過(guò)程體中的降溫過(guò)程Qf和氧化溫度和條件的關(guān)系和氧化溫度和條件的關(guān)系第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 4 氧化物陷阱電荷氧化物陷阱電荷Qot第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 4 氧化物陷阱電荷氧化物陷阱電荷Qotv 位置：位于位置：位于SiO2或界面附近，如或界面附近，如Y射線能進(jìn)入射線能進(jìn)入SiO2，產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，并被氧化層中的缺陷俘獲。產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，并被氧化層中的缺陷俘獲。v 來(lái)源來(lái)源: 氧化層中一些斷裂的氧化層中一些斷裂的Si-O鍵鍵(broken Si-O bonds 電離輻照電離輻照(ionization radiation) V

39、LSI工藝過(guò)程引入工藝過(guò)程引入: 如電子束蒸發(fā)、濺射、等離子如電子束蒸發(fā)、濺射、等離子體刻蝕、電子束或體刻蝕、電子束或X射線光刻、離子注入。射線光刻、離子注入。v Effect: 這些陷阱會(huì)捕獲空穴或電子，在器件工作時(shí)會(huì)這些陷阱會(huì)捕獲空穴或電子，在器件工作時(shí)會(huì)注入到氧化層中。注入到氧化層中。v 可通過(guò)在可通過(guò)在H2或惰性氣體中或惰性氣體中150-400C退火消除。退火消除。 第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 第二章 熱氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)及應(yīng)用2.3 氧化反應(yīng)2.4 熱氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅質(zhì)量測(cè)量方

40、法第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 一、氧化膜的缺陷檢查1.氧化膜針孔的檢測(cè)PAV（苯二酚已二胺水腐蝕法）陽(yáng)極氧化法氯氣腐蝕法 MOS 二極管法2. 氧化層錯(cuò)的檢測(cè)（Oxidation induce stacking faults)第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 OSF 的生長(zhǎng)一般是硅中過(guò)剩硅原子在核化中心位置的集聚，它和下面因素有關(guān)襯底晶向襯底導(dǎo)電類(lèi)型缺陷氧化溫度第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 氧化引入的層錯(cuò)（Oxidation induce stacking faults)氧化后，用HF去除SiO2, 用Sirtl溶液腐蝕Sirtl溶液：100ml H2O + 50g Cr

41、2O3 +75ml HFCr2O3 氧化鉻檢測(cè)方法第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 正電壓加在金屬電正電壓加在金屬電極上，相當(dāng)于積累極上，相當(dāng)于積累區(qū)區(qū)(accumulation)負(fù)電壓引起襯底部負(fù)電壓引起襯底部分耗盡分耗盡(depletion)進(jìn)一步加負(fù)電壓，進(jìn)一步加負(fù)電壓，使得反型層使得反型層(inversion)出現(xiàn)。出現(xiàn)。二.氧化膜中鈉離子含量測(cè)定理想的C-V曲線（襯底為N型硅）MOS電容可以看為是二電容可以看為是二氧化硅介質(zhì)電容和半導(dǎo)氧化硅介質(zhì)電容和半導(dǎo)體勢(shì)壘電容的串連，半體勢(shì)壘電容的串連，半導(dǎo)體勢(shì)壘電容隨電壓發(fā)導(dǎo)體勢(shì)壘電容隨電壓發(fā)生變化生變化第二章 熱氧化集成電路工 藝 原 理 氧化膜中鈉離子含量測(cè)定氧化膜中鈉離子含量測(cè)定1. 1. 初始狀態(tài)曲線初始狀態(tài)曲線(A)(A)P P型襯底型襯底2. 1502. 150 C 10V C 10V 金屬接正，鈉離子在電極作用