第3章 IC工藝熱氧化技術(shù)

1、第三章：熱氧化技術(shù)第三章：熱氧化技術(shù)熱氧化技術(shù)熱氧化技術(shù) （pages 6897） 基本內(nèi)容基本內(nèi)容1) 氧化膜的用途。2）SiO2的物理化學(xué)性質(zhì)。3）熱氧化SiO2膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)要點(diǎn)。4）幾種重要的氧化工藝的特點(diǎn)。5) 典型工藝流程圖和設(shè)備系統(tǒng)圖6）基本的質(zhì)量檢測(cè)和工藝分析 3.1. 二氧化硅及其在器件中的應(yīng)用 3.1. 1. SiO2 的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)（P7783） 1）結(jié)構(gòu): 結(jié)晶形二氧化硅（石英晶體） （2 . 65g/cm3） 無定形（非晶）二氧化硅（石英玻璃） （ 2 . 20g/cm3）C：不含雜的石英玻璃：不含雜的石英玻璃含雜的石英玻璃含雜的石英玻璃 O O O OO-Si-O

2、- Si- O-Si-O-Si-O O O O O Si O-Si-O O O OHH2O疏水性表面親水性表面 硅有四個(gè)共價(jià)鍵，氧有兩個(gè)；氧易運(yùn)動(dòng)；硅有四個(gè)共價(jià)鍵，氧有兩個(gè)；氧易運(yùn)動(dòng)； 非橋聯(lián)的原子將由其懸掛鍵引入電荷態(tài)；非橋聯(lián)的原子將由其懸掛鍵引入電荷態(tài)； 單價(jià)的氫原子與非橋聯(lián)的氧形成羥基而減少單價(jià)的氫原子與非橋聯(lián)的氧形成羥基而減少懸掛鍵的數(shù)目，引入氫鈍化的概念；但羥基懸掛鍵的數(shù)目，引入氫鈍化的概念；但羥基的鍵能較低容易斷裂；的鍵能較低容易斷裂； 橋聯(lián)氧的數(shù)目與非橋聯(lián)氧的數(shù)目之比直接影橋聯(lián)氧的數(shù)目與非橋聯(lián)氧的數(shù)目之比直接影響響SiO2的疏松程度，進(jìn)而影響許多物理性質(zhì)；的疏松程度，進(jìn)而影響許多

3、物理性質(zhì)； 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2中可以是網(wǎng)絡(luò)的形成劑（中可以是網(wǎng)絡(luò)的形成劑（Net-work Former）如：）如：B、P、Al等；也可以是等；也可以是網(wǎng)絡(luò)的改變劑（網(wǎng)絡(luò)的改變劑（Net-work Modifer）如：）如：Na、K、Ca、Al等；等； 2）化學(xué)性質(zhì)： SiO2+4HFSiF4+2H2O SiF4+2HF H2(SiF6) 即： SiO2+6HFH2(SiF6)+2H2O 六氟硅酸溶于水 腐蝕速度與SiO2膜的質(zhì)量有關(guān) 3）物理性質(zhì)：）物理性質(zhì)： 密度：密度與氧化方式有關(guān)密度與氧化方式有關(guān) 折射率：與密度有關(guān)（page 78，Table4.2）， 1.46 (5500) 電阻

4、率：與密度及含雜量有關(guān)，1016cm 介電常數(shù)：與密度有關(guān), 3.9 介電強(qiáng)度：與密度、含雜量及缺陷有關(guān), 106107V/cm (Fig. 4.9, P79)TDDB實(shí)驗(yàn)(P7980)*! 雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù): (熱擴(kuò)散章節(jié)） )/exp(02kTEDDSiOtDAxSiO2 雜質(zhì)分凝系數(shù)： )()(2SiONSiNm 3.2. SiO2膜在器件中的基本作用 1) SiO2膜對(duì)雜質(zhì)的掩蔽作用 利用雜質(zhì)在SiO2膜中的擴(kuò)散系數(shù)較小，和SiO2膜的熱穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)定域摻雜。 掩蔽過程中的分凝效應(yīng)(P84)Oxide Layer Dopant BarrierPhosphorus implantp+ Sil

5、icon substratep- Epitaxial layern-wellBarrier oxideFigure 10.5 2）對(duì)器件的表面的保護(hù)和鈍化作用 利用SiO2膜的絕緣作用，將pn結(jié)與外界隔離，提高穩(wěn)定性和可靠性；利用對(duì)SiO2膜 中固定電荷的控制，改變器件表面的電場(chǎng)分布。 3）對(duì)器件的電絕緣和隔離作用 利用SiO2膜的絕緣作用，實(shí)現(xiàn)引線與元器件間的絕緣，實(shí)現(xiàn)集成電路元器件間的隔離。Field Oxide Layerp+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellField oxide isolates active region

6、s from each other.Figure 10.3 4）用作電容器的介質(zhì)材料 SiO2膜的介電常數(shù)在10kHz下工作時(shí)為34，損耗因數(shù)為10-110-3，擊穿電壓高，溫度系數(shù)小。 5）MOSFET的絕緣柵介質(zhì) 6）光電和發(fā)光器件的減反膜Gate Oxidep+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellPolysilicon gateGate Oxide Dielectric Oxide Applications: Field OxidePurpose: Serves as an isolation barrier between i

7、ndividual transistors to isolate them from each other.Comments: Common field oxide thickness range from 2,500 to 15,000 . Wet oxidation is the preferred method.Field oxideTransistor sitep+ Silicon substrate Oxide Applications: Gate OxidePurpose: Serves as a dielectric between the gate and source-dra

8、in parts of MOS transistor.Comments: Growth rate at room temperature is 15 per hour up to about 40 . Common gate oxide film thickness range from about 30 to 500 . Dry oxidation is the preferred method.Gate oxideTransistor sitep+ Silicon substrateSourceDrainGateOxide Applications: Barrier OxidePurpos

9、e: Protect active devices and silicon from follow-on processing.Comments: Thermally grown to several hundred Angstroms thickness.Barrier oxideDiffused resistorsMetalp+ Silicon substrate Oxide Applications: Dopant BarrierPurpose: Masking material when implanting dopant into wafer. Example: Spacer oxi

10、de used during the implant of dopant into the source and drain regions.Comments: Dopants diffuse into unmasked areas of silicon by selective diffusion.Dopant barrierspacer oxideIon implantationGateSpacer oxide protects narrow channel from high-energy implant Oxide Applications: Pad OxidePurpose: Pro

11、vides stress reduction for Si3N4Comments: Thermally grown and very thin.Passivation LayerILD-4 ILD-5 M-3 M-4Pad oxideBonding pad metalNitrideOxide Applications: Implant Screen OxidePurpose: Sometimes referred to as “sacrificial oxide”, screen oxide, is used to reduce implant channeling and damage. A

12、ssists creation of shallow junctions.Comments: Thermally grownIon implantationScreen oxideHigh damage to upper Si surface + more channelingLow damage to upper Si surface + less channelingp+ Silicon substratePassivation layerILD-4ILD-5M-3 M-4Interlayer oxideBonding pad metal Oxide Applications: Insul

13、ating Barrier between Metal LayersPurpose: Serves as protective layer between metal lines.Comments: This oxide is not thermally grown, but is deposited. 3.3. SiO2膜的熱氧化方法（干、濕、水汽、高壓、摻氯、低溫）（pages 6971） 室溫下形成25的天然氧化層 1）器件對(duì)氧化膜的基本要求 致密、雜質(zhì)缺陷少（體內(nèi)活動(dòng)和固定電荷少）、Si/SiO2界面態(tài)密度小。 2）干氧氧化 Si+O2SiO2 特點(diǎn)：致密、雜質(zhì)缺陷少、Si/SiO2界

14、面態(tài)密度小、疏水性好 3）水汽氧化 Si+2H2O SiO2+2H2 實(shí)際過程較復(fù)雜 水汽氧化的氧化速度快，較疏松，掩蔽能力差，疏水性差。 4）濕氧氧化(P.71) 干氧與濕氧混和 質(zhì)量介于前兩種之間 在作為掩膜和介質(zhì)隔離的氧化膜，常采用干干（界面態(tài)低）（界面態(tài)低） 濕濕（生長(zhǎng)快）（生長(zhǎng)快） 干干（與光與光刻膠的粘附性好）刻膠的粘附性好） 工藝O2 5）H2、O2合成氧化 特點(diǎn)：質(zhì)量接近干氧氧化，氧化速度接近水汽氧 化。 6）摻氯氧化(P.7173) reading 干氧氧化時(shí)，加入少許（1%）HCl、Cl2或TCE（三氯乙烯） 特點(diǎn)：能有效地鈍化氧化膜中的可動(dòng)正離子； 降低界面態(tài)濃度； 抑制

15、氧化層錯(cuò)的生長(zhǎng)； 氧化速率增加； 可以利用Cl清除雜質(zhì)；HClN2O2H2Gas panelFurnaceBurn boxScrubberExhaustWet Oxygen OxidationFigure 10.7 7）高壓氧化(HIPOX) High Pressure Oxidation 25 atm、生長(zhǎng)速度快、可低溫生長(zhǎng)（600C）主要用于場(chǎng)氧化和隔離氧化p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellField oxide isolates active regions from each other. 8) 低壓氧化有效地控制（降低

16、）氧化速率（？） 9）等離子體氧化 溫度低（500C）、低壓氧化、不引入氧化層錯(cuò)（OISF）、氧化時(shí)無雜質(zhì)再分布 10）光等離子體氧化 加紫外光照，以提高氧化速度，降低溫度（100C） 3.4. SiO2膜的熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)(P6870) 1）物理機(jī)理（Deal-Grove Model）SiO2中中Si比比O原子穩(wěn)定，原子穩(wěn)定， SiO2網(wǎng)絡(luò)中氧的網(wǎng)絡(luò)中氧的運(yùn)動(dòng)容易。因此，在熱氧化制備運(yùn)動(dòng)容易。因此，在熱氧化制備SiO2膜的過膜的過程中，是氧或水汽等氧化劑穿過程中，是氧或水汽等氧化劑穿過SiO2膜層，膜層，到達(dá)到達(dá)Si/ SiO2界面，與界面，與Si反應(yīng)生成反應(yīng)生成SiO2；而不；而不是硅向是

17、硅向SiO2膜的外表面運(yùn)動(dòng)，與表面的氧化膜的外表面運(yùn)動(dòng)，與表面的氧化劑反應(yīng)生成劑反應(yīng)生成SiO2膜。膜。 2）熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 氧化的三個(gè)步驟：氧化的三個(gè)步驟：a）氣體從內(nèi)部輸運(yùn)到）氣體從內(nèi)部輸運(yùn)到氣體氣體-氧化物界面，氧化物界面，b）擴(kuò)散穿透已生成的氧）擴(kuò)散穿透已生成的氧化層，化層，c）在硅表面發(fā)生反應(yīng)）在硅表面發(fā)生反應(yīng)Diffusion of Oxygen Through Oxide LayerSiSiO2O, O2Oxide-silicon interfaceOxygen-oxide interfaceOxygen supplied to reaction surfaceCharge B

18、uildup at Si/SiO2 InterfaceOxygenSiliconPositive chargeSiliconSiO2Used with permission from International SEMATECHFigure 10.10 用粒子流密度J分別表示如下：(Fig. 4.1) hG氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)、 NG氣體中的氧化劑濃度、NGS氧化層表面的氧化劑濃度、D氧化劑在氧化層中的擴(kuò)散系數(shù)、kS表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)、NSSiO2/Si界面處的氧化劑濃度GSGGNNhJ1dxdNDJ2SSNkJ 3 若用NOS表示氧化層表面內(nèi)側(cè)的氧化劑濃度、表面外側(cè)的氧化劑的分壓為PGS，則根

19、據(jù)亨利定律有：NOS=HPGS（H為亨利常數(shù)） 若用N*表示氧化層中的氧化劑平衡濃度、氣體中的氧化劑的分壓為PG，則有：NOS=HPGS (Henrys Law) 由理想氣體方程：NG=PG/kT，NGS=PGS/kT J1=h（N*-NOG），其中h=hG/HkT， 在線形近似下： xox為氧化層厚度 動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)下：J1=J2=J3oxSOSxNNDJ)(2 可得： 和DxkhkNNoxSSS/1*DxkhkNDkNoxSSSS/1)/1 (* 若： a） D kS 即為擴(kuò)散控制NS0，NOSN* b） kS D即為反應(yīng)控制NS=NOS=N*/（1+kS/h） 設(shè)N1為形成單位體積氧化層物

20、質(zhì)所需的氧化劑分子的個(gè)數(shù)。在氧化層中，每立方厘米有2.2x1022個(gè)二氧化硅分子。 因此，干氧氧化時(shí)， N1是2.2x1022 cm-3；水汽氧化時(shí)，N1是4.5x1022 cm-3?？梢运愠鲅趸俾蕿椋?設(shè)：當(dāng) t = 0時(shí)，xox=xi， 則有，1*11NDxkhkNkNJdtdxoxSSSox*2ttBAxxoxox 式中， t*定義為時(shí)間常數(shù)，意為：考慮到表面定義為時(shí)間常數(shù)，意為：考慮到表面 t*是考慮初始的氧化層（如，天然氧化膜）后，對(duì)是考慮初始的氧化層（如，天然氧化膜）后，對(duì)氧化時(shí)間作的修正。氧化時(shí)間作的修正。 進(jìn)一步修正（進(jìn)一步修正（4.3) 閱讀閱讀 !p.75(掌握要點(diǎn)掌握要

21、點(diǎn):薄氧化層的重要性；模型與工藝的關(guān)系）薄氧化層的重要性；模型與工藝的關(guān)系）hkDAS1121*2NDNB BAxxtii2* 有解為： 當(dāng)： 時(shí)，有 為線性關(guān)系，B/A定義為氧化的線性速率常數(shù)。11422*AttBAxoxBAtt4/2*ttABxox 當(dāng) 時(shí)，有 為拋物線關(guān)系，B定義為氧化的拋物線速率常數(shù)。(Figs. 4.2,4.5) 各種條件下各種條件下 D、kS和h均與晶向、反應(yīng)劑和溫度有關(guān)；BAtt4/2*ttBxox為什么圖中結(jié)為什么圖中結(jié)果與晶向的關(guān)果與晶向的關(guān)系不大？系不大？A2/4B32 s0. 6hr 例1，在某熱氧化工藝中，采用了兩次干氧氧化，第一次是1100C干氧氧化

22、20分鐘，第二次是1000C干氧氧化30分鐘。問：總氧化層厚度為多少？ 例2：在一NPN晶體管的基區(qū)B擴(kuò)散的掩蔽氧化膜的生長(zhǎng)工藝中，采用了“干濕干”工藝，其步驟如下：1）1100C干氧氧化10分鐘，2） 1000C的95C濕氧氧化20分鐘，3） 1100C干氧氧化10分鐘。問：總氧化層厚度為多少？ 3.5. 氧化臺(tái)階的形成 局部氧化局部氧化:xxoxoxoxSiSiOxxNNx44. 02臺(tái)階Surface ProfilerCRTProximity sensorStylus motionStylusX-Y StageDirection of scan Wafer surfaceLinear d

23、rive unitControl electronicsAmp+5V-5V+24 VI 3.6. SiO2膜的質(zhì)量檢測(cè) 1）氧化層厚度測(cè)量 a）比色法：不同厚度的二氧化硅膜可表現(xiàn)出不同的顏色。(p.78, table4.2) b）干涉法 xox為二氧化硅膜厚，N為干涉條紋數(shù)，為單色入射光波長(zhǎng)，n為二氧化硅膜折射率。 nNxox2 c）橢圓偏振法：是目前精度最高（1），且為非破壞性的薄膜分析方法。詳細(xì)內(nèi)容可參見“半導(dǎo)體物半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)，孫恒慧理實(shí)驗(yàn)，孫恒慧 等編，高教版等編，高教版”。目前先進(jìn)的儀器為：橢圓光譜儀，可對(duì)分子、DNA等進(jìn)行分析，也可以分析晶格損傷。其基本原理是：經(jīng)薄膜的折射、反射和

24、吸收后，經(jīng)薄膜的折射、反射和吸收后，入射橢圓偏振光的入射橢圓偏振光的p波和波和s波的振幅及相位均波的振幅及相位均發(fā)生變化發(fā)生變化。 可以算出橢圓偏振光的總反射比； p波 s波irrirrAARppppiprppexp1exp2121irrirrAARssssisrspexp1exp2121 又：spisiprsrpisprspisiprsrpisrsiprpspiAAAAiiAAAAAAAARRexp)/()()/()(exp)/()()/()()/()()/()( 即：的物理意義是橢圓偏振光的p波與s波間的相位差，tan是橢圓偏振光相對(duì)振幅的衰減。 （pages 82、83）、1210exp

25、tandnnnfRRispBasic Principle of EllipsometryFigure 7.6 LaserFilterPolarizerQuarter wave plateFilm being measuredAnalyzerDetectorq 2）擊穿特性：P79-TDDB 3）磷、硼雜質(zhì)的影響：4.6, 分凝和流動(dòng) 4) 缺陷的產(chǎn)生與檢測(cè) a）界面態(tài)的檢測(cè)與控制檢測(cè)的主要方法是C-V法(P8083)、READING:81工藝控制：清潔、干氧、摻氯、溫度控制和工藝控制：清潔、干氧、摻氯、溫度控制和RTP b）氧化層中的固定和可動(dòng)電荷產(chǎn)生的原因是雜質(zhì)污染（環(huán)境和襯底材料）和空位性

26、缺陷。檢測(cè)的主要方法是C-V法、SIMS、PL及（PAS）等。 c）氧化層錯(cuò)（OISF）(P8687)產(chǎn)生的原因是表面不完美，檢測(cè)？消除？ d）斑點(diǎn)、霧、均勻性等系統(tǒng)的清潔；氣流和溫度的均勻性。TDDB實(shí)驗(yàn)：缺陷的產(chǎn)生與檢測(cè) a）界面態(tài)的檢測(cè)與控制C-V法(P8083)高頻高頻C-V和低頻和低頻C-V（準(zhǔn)靜態(tài)（準(zhǔn)靜態(tài)C-V）分析）分析關(guān)注：關(guān)注：深亞微米源端熱載流子注入效應(yīng)！深亞微米源端熱載流子注入效應(yīng)！氧化層對(duì)氧化層對(duì)PN結(jié)表面耗盡區(qū)電場(chǎng)的影響結(jié)表面耗盡區(qū)電場(chǎng)的影響SiC生長(zhǎng)出SiO2前后的紅外反射 -20002004006008001000120014001082.01082.51083.

27、01083.51084.01084.51085.0反 射 峰 位 （ cm-1）退 火 溫 度 （ 0C）不同溫度退火對(duì)SiO2/SiC反射峰位的影響 Analytical Equipment Secondary ion mass spectrometry (SIMS) Atomic force microscope (AFM) Auger electron spectroscope (AES) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) Transmission electron microscope (TEM) Wavelength and energy

28、dispersive spectrometer (WDX and EDX) Focused ion beam (FIB) AESUsefulAFMUsefulFIBCriticalSEMCriticalSIMSCriticalTEMCriticalTOF SIMSUsefulXPSUsefulResearch, DevelopmentDevelopmentResearch, Development, ManufacturingResearch, Development, ManufacturingResearch, Development, ManufacturingImportance to

29、 ManufacturingResearch, Development, ManufacturingResearch, Development2010sDevelopment, Manufacturing1980s1990s2000s1960s1970sYear1950sRelative Importance of Analytical EquipmentFigure 7.30 3.7. SiO2膜生長(zhǎng)的其它方法 1）快速熱氧化（RTO）（光增強(qiáng)） 2）CVD法 非硅表面的氧化膜 3）陽極氧化摻氮氧化摻氮氧化 (P8889)目的：形成高介電常數(shù)的介質(zhì)膜目的：形成高介電常數(shù)的介質(zhì)膜工藝要求：不增

30、加界面態(tài)密度工藝要求：不增加界面態(tài)密度Horizontal and Vertical FurnacesTable 10.3 PerformanceFactorPerformanceObjectiveHorizontal FurnaceVertical FurnaceTypical waferloading sizeSmall, for processflexibility200 wafers/batch100 wafers/batchClean roomfootprintSmall, to use lessspaceLarger, but has 4 processtubesSmaller (

31、single processtube)Parallel processingIdeal for processflexibilityNot capableCapable ofloading/unloading wafersduring process, whichincreases throughputGas flowdynamics (GFD)Optimize foruniformityWorse due to paddle andboat hardware. Bouyancyand gravity effects causenon-uniform radial gasdistributio

32、n.Superior GFD andsymmetric/uniform gasdistributionBoat rotation forimproved filmuniformityIdeal conditionImpossible to designEasy to includeTemperaturegradient acrosswaferIdeally smallLarge, due to radiantshadow of paddleSmallParticle controlduringloading/unloadingMinimum particlesRelatively poorIm

33、proved particle controlfrom top-down loadingschemeQuartz changeEasily done in shorttimeMore involved and slowEasier and quicker, leadingto reduced downtimeWafer loadingtechniqueIdeally automatedDifficult to automate in asuccessful fashionEasily automated withroboticsPre-and post-process control offu

34、rnace ambientControl is desirableRelatively difficult tocontrolExcellent control, withoptions of either vacuum orneutral ambientBlock Diagram of Vertical Furnace SystemHeater 1Heater 2Heater 3PressurecontrollerGas flowcontrollerWafer handlercontrollerBoatloaderExhaustcontrollerTemperaturecontrollerMicrocontrollerWafer load/unload systemBoat motor drive systemQuartz boatQuartz process