《MEMS第四章熱氧化》ppt課件

1、 熱氧化的目的熱氧化的目的 在在 Si 襯底的外表生長一層襯底的外表生長一層 SiO2 薄膜。薄膜。 SiO2 薄膜的用途薄膜的用途 1、用作選擇分散時的掩蔽膜；、用作選擇分散時的掩蔽膜； 2、用作離子注入時的掩蔽膜及緩沖介質(zhì)層等；、用作離子注入時的掩蔽膜及緩沖介質(zhì)層等； 3、用作絕緣介質(zhì)隔離、絕緣柵、多層布線絕緣、電容、用作絕緣介質(zhì)隔離、絕緣柵、多層布線絕緣、電容介質(zhì)等；介質(zhì)等； 4、用作外表維護(hù)及鈍化。、用作外表維護(hù)及鈍化。 制備制備 SiO2 薄膜的方法薄膜的方法 熱氧化、化學(xué)汽相淀積熱氧化、化學(xué)汽相淀積CVD、物理汽相淀積、物理汽相淀積PVD、離子注入氧化、陽極氧化等。離子注入氧化、陽

2、極氧化等。 熱氧化的根本原理：在熱氧化的根本原理：在 T = 900 1200 oC 的高溫下，利用的高溫下，利用硅與氧化劑之間的氧化反響，在硅襯底上構(gòu)成硅與氧化劑之間的氧化反響，在硅襯底上構(gòu)成 SiO2 薄膜。薄膜。 氧化劑可以是純氧氧化劑可以是純氧 O2干氧氧化、水蒸汽干氧氧化、水蒸汽 H2O水汽水汽氧化或氧和水蒸汽的混合物氧化或氧和水蒸汽的混合物 O2 + H2O濕氧氧化。濕氧氧化。 滯流層附面層的概念滯流層附面層的概念 將從襯底外表氣體流速將從襯底外表氣體流速 v = 0 處到處到 v = 0.99 v0 處之間的這處之間的這一層氣體層稱為滯流層。式中一層氣體層稱為滯流層。式中 v0

3、為主氣流流速。為主氣流流速。主氣流，主氣流，v0氧化劑氧化劑基座基座滯流層滯流層xyLCgCsCs/ = CoCitox 1、氧化劑從主氣流穿過滯流層分散到、氧化劑從主氣流穿過滯流層分散到 SiO2 外表，外表，gs1gggssl()CCJDh CCt 2、氧化劑從、氧化劑從 SiO2 外表分散到外表分散到 SiO2/Si 界面上，界面上， 2oi2SiOoxCCJDt 3、氧化劑到達(dá)、氧化劑到達(dá) SiO2/Si 界面后同界面后同 Si 發(fā)生化學(xué)反響，發(fā)生化學(xué)反響，3siJk Ctsl 熱氧化過程熱氧化過程上式中，上式中，hg = Dg/ts1 為為 氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)，氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)，ks

4、為氧化劑與硅為氧化劑與硅反響的界面反響的界面 化學(xué)反響速率常數(shù)化學(xué)反響速率常數(shù) 。 Co 與與 Cs 的關(guān)系可由的關(guān)系可由 Henry 定律定律 得到。得到。Henry 定律闡定律闡明，固體中某種物質(zhì)的濃度正比于其周圍氣體中該種物質(zhì)的明，固體中某種物質(zhì)的濃度正比于其周圍氣體中該種物質(zhì)的分壓分壓 ，因此，因此 SiO2 外表處的氧化劑濃度外表處的氧化劑濃度 Co 為為 在平衡形狀下，在平衡形狀下，123JJJJ式中，式中，H 為為 Henry 定律常數(shù)，后一個等號是根據(jù)理想氣體定律。定律常數(shù)，后一個等號是根據(jù)理想氣體定律。ossCHPHkTC 將以上各方程聯(lián)立求解，可以得到將以上各方程聯(lián)立求解，

5、可以得到 SiO2/Si 界面處的氧化界面處的氧化劑濃度為劑濃度為22ggiss oxss oxSiOSiO11HkTCHPCkk tkk thDhD式中，式中，h = hg/HkT 。在常壓下。在常壓下 h ks ，故分母中的第二項(xiàng)可，故分母中的第二項(xiàng)可以忽略。這闡明在熱氧化時，氣流的影響極其微弱。于是可得以忽略。這闡明在熱氧化時，氣流的影響極其微弱。于是可得到到 SiO2/Si 界面處的氧化劑流密度為界面處的氧化劑流密度為2sg3sis oxSiO1k HPJk Ck tD SiO2 膜的生長速率和厚度的計算膜的生長速率和厚度的計算2sg3ox1s ox1SiOdd1k HPJtRNtk

6、tND 將上式的將上式的 SiO2/Si 界面處氧化劑流密度界面處氧化劑流密度 J3 除以單位體積除以單位體積的的 SiO2 所含的氧化劑分子數(shù)所含的氧化劑分子數(shù) N1 ，即可得到，即可得到 SiO2 膜的生長速膜的生長速率率 當(dāng)氧化劑為當(dāng)氧化劑為 O2 時，時，N1 為為 2.21022/cm3 ；當(dāng)氧化劑為；當(dāng)氧化劑為 H2O 時，時，N1 為為 4.41022/cm3。 利用利用 tox(0) = t0 的初始條件，以上微分方程的解是的初始條件，以上微分方程的解是2oxoxtAtB t式中式中2SiOs2DAk2SiOg12DHPBN200tAtBox2112/4AttAB或或方程中的參

7、數(shù)方程中的參數(shù) A、B 可利用圖可利用圖 4.2 、圖、圖 4.3 直接查到。直接查到。 要留意的是，當(dāng)氧化層比較厚時，氧化速率將隨氧化層厚要留意的是，當(dāng)氧化層比較厚時，氧化速率將隨氧化層厚度的變化而改動。因此，假設(shè)在氧化開場時已存在初始氧化層度的變化而改動。因此，假設(shè)在氧化開場時已存在初始氧化層厚度厚度 t0 ，那么氧化完成后的氧化層厚度并不是無，那么氧化完成后的氧化層厚度并不是無 t0 時氧化工時氧化工藝中生長的氧化層厚度與藝中生長的氧化層厚度與 t0 之和，而必需先用之和，而必需先用 t0 確定確定，再將，再將與與 t 相加得到有效氧化時間。相加得到有效氧化時間。ox2112/4AttA

8、B2sgox1s oxSiOdd1/Hk PtRtNk tD200tAtB 在氧化初期且在氧化初期且 t0 極薄時，極薄時，DSiO2/tox ks ，t + A2/4B， 此時此時 SiO2 的生長由化學(xué)反響速率常數(shù)的生長由化學(xué)反響速率常數(shù) ks 控制，膜厚與時控制，膜厚與時間成正比，稱為線性生長階段，間成正比，稱為線性生長階段，B/A 稱為稱為 線性速率系數(shù)線性速率系數(shù) 。sgox1k HPBtttANox2112/4AttAB 一、線性速率系數(shù)一、線性速率系數(shù) 此時此時 SiO2 的生長由分散系數(shù)的生長由分散系數(shù) DSiO2 控制，膜厚與控制，膜厚與 成正比，稱為拋物線生長階段。成正比，

9、稱為拋物線生長階段。B 稱為稱為 拋物線速率系數(shù)拋物線速率系數(shù) 。 當(dāng)氧化時間較長，當(dāng)氧化時間較長，tox 較厚時，較厚時，DSiO2 /tox A2/4B，t2SiOgox12DHPtBttNox2112/4AttAB 二、拋物線速率系數(shù)二、拋物線速率系數(shù) 還有一個問題要留意，氧化過程中要耗費(fèi)掉一部分襯底中還有一個問題要留意，氧化過程中要耗費(fèi)掉一部分襯底中的硅的硅 。氧化層厚度。氧化層厚度 tox 與耗費(fèi)掉的硅厚度與耗費(fèi)掉的硅厚度 tsi 的關(guān)系是的關(guān)系是 tsi = 0.44 tox tox = 2.27 tsi 對一個平整的硅片外表進(jìn)展氧化和光刻后，假設(shè)再進(jìn)展一對一個平整的硅片外表進(jìn)展氧

10、化和光刻后，假設(shè)再進(jìn)展一次氧化，那么下面的次氧化，那么下面的 SiO2/Si 面將不再是平整的。面將不再是平整的。 不同的氧化劑有不同的氧化速率系數(shù)，氧化速率的大小順不同的氧化劑有不同的氧化速率系數(shù)，氧化速率的大小順序?yàn)?，水汽序?yàn)椋?濕氧濕氧 干氧。而氧化膜質(zhì)量的好壞順序那么為，干氧。而氧化膜質(zhì)量的好壞順序那么為，干氧干氧 濕氧濕氧 水汽，所以很多情況下采用水汽，所以很多情況下采用 “干氧干氧 - 濕氧濕氧 - 干氧干氧 的順序來進(jìn)展氧化。例如，的順序來進(jìn)展氧化。例如， 由于由于 MOSFET 對柵氧化膜質(zhì)量的要求特別高，而柵氧化對柵氧化膜質(zhì)量的要求特別高，而柵氧化膜的厚度較薄，所以膜的厚

11、度較薄，所以 MOSFET 的柵氧化通常采用干氧氧化。的柵氧化通常采用干氧氧化。 三、影響氧化速率的各種要素三、影響氧化速率的各種要素 1、氧化劑的影響、氧化劑的影響2ox1100 CO1.5 L/min1030100.5moTtt流量 在拋物線生長階段，氧化速率隨著氧化膜的變厚而變慢在拋物線生長階段，氧化速率隨著氧化膜的變厚而變慢 ，因此要獲得較厚氧化膜就需求很高的溫度和很長的時間。這時因此要獲得較厚氧化膜就需求很高的溫度和很長的時間。這時可采用可采用 高壓水汽氧化高壓水汽氧化 技術(shù)，即在幾到幾十個大氣壓下經(jīng)過增技術(shù)，即在幾到幾十個大氣壓下經(jīng)過增大氧化劑分壓大氧化劑分壓 Pg 來提高氧化速率

12、。來提高氧化速率。 2、氧化劑分壓的影響、氧化劑分壓的影響gBPA2SiOs2DAk2SiOg12DHPBN 無論在氧化的哪一個階段，氧化速率系數(shù)均與氧化劑的分無論在氧化的哪一個階段，氧化速率系數(shù)均與氧化劑的分壓壓 Pg 成正比。成正比。gBP 反過來，當(dāng)需求極薄氧化膜的時候，例如反過來，當(dāng)需求極薄氧化膜的時候，例如 MOSFET 的柵的柵氧化，可以采用氧化，可以采用 分壓熱氧化分壓熱氧化 技術(shù)。技術(shù)。 3、氧化溫度的影響、氧化溫度的影響 結(jié)論結(jié)論222SiOsSiOg1dSiO0ks022expexpDAkDHPBNEDDkTEkkkT2ksdSiOexpexpEBkAkTEBDkT,BTB

13、A 4、硅外表晶向的影響、硅外表晶向的影響)100()111(ABAB 5、雜質(zhì)的影響、雜質(zhì)的影響 (1) 氧化層中高濃度氧化層中高濃度 Na+ 將增大將增大 B 和和 B/A ； (2) 氧化劑中假設(shè)含氧化劑中假設(shè)含 Cl2、HCl、( C2HCl3 ) 等，那么將增等，那么將增大大 B 和和 B/A ，并且有利于改善，并且有利于改善 SiO2 質(zhì)量和質(zhì)量和 SiO2 /Si 界面性質(zhì)；界面性質(zhì)； (3) 重?fù)诫s硅比輕摻雜氧化快。硅中硼濃度增大，重?fù)诫s硅比輕摻雜氧化快。硅中硼濃度增大，B 增大，增大，B/A 的變化??；硅中磷濃度增大，的變化??；硅中磷濃度增大，B/A 增大，增大，B 的變化小

14、。的變化小。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氧化膜厚度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在氧化膜厚度 tox 30 nm 的氧化初始階段，氧的氧化初始階段，氧化速率比由迪爾化速率比由迪爾-格羅夫模型預(yù)測的快了格羅夫模型預(yù)測的快了 4 倍多。倍多。 可以經(jīng)過對可以經(jīng)過對 值進(jìn)展校正來提高模型的精度，但是這會使值進(jìn)展校正來提高模型的精度，但是這會使在氧化膜極薄時預(yù)測的氧化膜厚度比實(shí)踐的偏厚。在氧化膜極薄時預(yù)測的氧化膜厚度比實(shí)踐的偏厚。 解釋氧化初始階段氧化速率加強(qiáng)機(jī)理的模型主要有三種：解釋氧化初始階段氧化速率加強(qiáng)機(jī)理的模型主要有三種： 模型模型 1，氧化劑分散穿過，氧化劑分散穿過 SiO2 層的速率加快；層的速率加快； 模型模型 2，氧化

15、劑在，氧化劑在 SiO2 層的溶解度添加；層的溶解度添加； 模型模型 3，氧化反響在，氧化反響在 SiO2 層的一定厚度內(nèi)發(fā)生，層的一定厚度內(nèi)發(fā)生，ox1ox2ox12oxdeed2tLtLtBCCttA SiO2 分為分為 結(jié)晶形結(jié)晶形 和和 無定形無定形 兩類。結(jié)晶形兩類。結(jié)晶形 SiO2 由由 Si-O 四四面體面體 在空間規(guī)那么陳列而成，如水晶在空間規(guī)那么陳列而成，如水晶 ；無定形；無定形 SiO2 是是 Si-O 四四面體在空間無規(guī)那么陳列而成，為透明的玻璃體、非晶體，其面體在空間無規(guī)那么陳列而成，為透明的玻璃體、非晶體，其密度低于前者，如熱氧化的密度低于前者，如熱氧化的 SiO2

16、、CVD 淀積的淀積的 SiO2 等。等。 SiO2 中硅原子要運(yùn)動須打斷四個中硅原子要運(yùn)動須打斷四個 Si-O 鍵，而氧原子的運(yùn)鍵，而氧原子的運(yùn)動最多打斷兩個鍵，因此氧空位的出現(xiàn)易于硅空位。動最多打斷兩個鍵，因此氧空位的出現(xiàn)易于硅空位。 Si-O 四面體的構(gòu)造是，四面體的構(gòu)造是，4 個氧原子位于四面體的個氧原子位于四面體的 4 個角上，個角上，1 個硅原子位于四面體的中心。每個氧原子為兩個相鄰四面體個硅原子位于四面體的中心。每個氧原子為兩個相鄰四面體所共有。所共有。SiSiO2比重比重g/cm32.232.20禁帶寬度禁帶寬度eV1.12 8相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)11.73.9熔點(diǎn)熔點(diǎn)14

17、171700熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率W/cm.k1.50.01擊穿電場擊穿電場V/cm3 1056 106 一、一、 二、化學(xué)性質(zhì)二、化學(xué)性質(zhì) SiO2 的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅被的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅被 HF 酸腐蝕酸腐蝕242426SiO +4HFSiF +2H OSiF +2HFH (SiF ) 四、氧化膜的質(zhì)量檢測四、氧化膜的質(zhì)量檢測 1、氧化膜厚度的丈量方法、氧化膜厚度的丈量方法 (1) 光干涉法光干涉法ox2tN (2) 橢圓偏振光法橢圓偏振光法 (4) 擊穿電壓法擊穿電壓法 (5) 電容法電容法 (6) 比色法比色法 (3) 臺階法臺階法 SiO2 層厚度與顏色的關(guān)系層厚度與顏色的關(guān)系顏色顏色

18、氧化層厚度氧化層厚度灰灰200 黃黃褐褐400 藍(lán)藍(lán)800 紫紫10002750465065008500藍(lán)藍(lán)13003000490068008800綠綠17003300520072009300黃黃20003700560075009600橙橙22504000600079009900紅紅250043506250820010200 2、氧化膜缺陷的檢測、氧化膜缺陷的檢測 包括氧化膜針孔、氧化誘生層錯的檢測包括氧化膜針孔、氧化誘生層錯的檢測oxoxoxt CA 5、氧化膜應(yīng)力的丈量、氧化膜應(yīng)力的丈量 圓盤彎曲法、基片彎曲法、圓盤彎曲法、基片彎曲法、X 射線法和電子衍射技術(shù)。射線法和電子衍射技術(shù)。 3、

19、氧化膜介電系數(shù)的丈量、氧化膜介電系數(shù)的丈量 4、氧化膜擊穿特性的丈量、氧化膜擊穿特性的丈量 在熱氧化過程中，硅襯底中的雜質(zhì)分布會發(fā)生改動，這稱在熱氧化過程中，硅襯底中的雜質(zhì)分布會發(fā)生改動，這稱為為 襯底雜質(zhì)的再分布。引起襯底雜質(zhì)再分布的緣由有襯底雜質(zhì)的再分布。引起襯底雜質(zhì)再分布的緣由有 2SiSiOm 雜質(zhì)在中的平衡濃度分凝系數(shù)雜質(zhì)在中的平衡濃度 1、雜質(zhì)在、雜質(zhì)在 Si、SiO2 中平衡濃度不同中平衡濃度不同 2、雜質(zhì)在、雜質(zhì)在 Si、SiO2 中分散速度不同中分散速度不同 3、氧化速度與氧化層厚度、氧化速度與氧化層厚度 熱氧化時雜質(zhì)在熱氧化時雜質(zhì)在 SiO2/Si 界面再分布的界面再分布的

20、 4 種情況種情況(a)氧化層中慢分散硼；氧化層中慢分散硼； (b)氧化層中快分散硼，氧化層中快分散硼， H2 氣氛下；氣氛下；(c)氧化層中慢分散磷；氧化層中慢分散磷；(d)氧化層中快分散鎵氧化層中快分散鎵 熱氧化過程中硅中雜質(zhì)再分布的規(guī)律熱氧化過程中硅中雜質(zhì)再分布的規(guī)律 1、硅中摻硼、硅中摻硼 (1) 溫度一定時，水汽氧化濕氧氧化導(dǎo)致雜質(zhì)再分布溫度一定時，水汽氧化濕氧氧化導(dǎo)致雜質(zhì)再分布 程度增大，其程度增大，其 CS/CB 小于干氧氧化；小于干氧氧化； (2) 一樣氧化氣氛下，氧化溫度越高，硼向硅外表分散速度一樣氧化氣氛下，氧化溫度越高，硼向硅外表分散速度加快，補(bǔ)償了雜質(zhì)的損耗，加快，補(bǔ)償

21、了雜質(zhì)的損耗，CS/CB 趨于趨于 1 。 2、硅中摻磷、硅中摻磷 (1) 溫度一定時，水汽氧化濕氧氧化導(dǎo)致雜質(zhì)再分布溫度一定時，水汽氧化濕氧氧化導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度增大，其程度增大，其 CS/CB 大于干氧氧化；大于干氧氧化； (2) 一樣氧化氣氛下，氧化溫度越高，磷向硅內(nèi)分散的速一樣氧化氣氛下，氧化溫度越高，磷向硅內(nèi)分散的速度越快，外表堆積景象減小，度越快，外表堆積景象減小，CS/CB 趨于趨于 1 。 熱氧化有一種副效應(yīng)，即釋放出高密度的自填隙硅原子。熱氧化有一種副效應(yīng)，即釋放出高密度的自填隙硅原子。這些過剩的填隙原子構(gòu)成了點(diǎn)缺陷，并延伸成氧化誘生堆垛層這些過剩的填隙原子構(gòu)成了點(diǎn)缺陷，并延

22、伸成氧化誘生堆垛層錯錯OSF。OSF 是一種二維缺陷是一種二維缺陷 ，是插入到晶格中有限范圍，是插入到晶格中有限范圍的額外原子面，并終止于位錯，通常存在于的額外原子面，并終止于位錯，通常存在于111面。當(dāng)原來面。當(dāng)原來存在如離子注入引起的缺陷時，很容易誘生出存在如離子注入引起的缺陷時，很容易誘生出 OSF。 降低氧化溫度，采用高壓氧化，在氧氣中參與少量降低氧化溫度，采用高壓氧化，在氧氣中參與少量 HCl 等等措施，可以抑制氧化誘生堆垛層錯的產(chǎn)生。措施，可以抑制氧化誘生堆垛層錯的產(chǎn)生。 MOSFET 的柵氧化層厚度不斷在不斷減薄，但是進(jìn)一步的柵氧化層厚度不斷在不斷減薄，但是進(jìn)一步的減薄將遭到下面

23、幾個要素的限制。的減薄將遭到下面幾個要素的限制。 首先，當(dāng)柵氧化層非常薄時，柵極與溝道之間的首先，當(dāng)柵氧化層非常薄時，柵極與溝道之間的 電子直接電子直接隧穿電流隧穿電流 將顯著增大，導(dǎo)致柵電流的增大和輸入阻抗的下降。將顯著增大，導(dǎo)致柵電流的增大和輸入阻抗的下降。 其次，太薄的柵氧化層難以掩蔽雜質(zhì)向溝道區(qū)的分散。其次，太薄的柵氧化層難以掩蔽雜質(zhì)向溝道區(qū)的分散。 采用采用 高介電常數(shù)高介電常數(shù) 的資料替代的資料替代 SiO2 作為柵絕緣層，可以在作為柵絕緣層，可以在不降低柵絕緣層厚度的情況下，獲得足夠大的柵電容。氮氧化不降低柵絕緣層厚度的情況下，獲得足夠大的柵電容。氮氧化硅硅SiOxNy是這類替代資料之一。是這類替代資料之一。 根據(jù)集成電路的要求確定氧化工藝根據(jù)集成電路的要求確定氧化工藝 1、高