第三章-熱氧化CVD

1、三、薄膜形成三、薄膜形成 大規(guī)模集成電路制造工藝1硅基材料硅基材料2 SiO2與與Si之間完美的界面特性是成就硅時(shí)代之間完美的界面特性是成就硅時(shí)代 的主要原因。的主要原因。 SiO2：柵絕緣層材料柵絕緣層材料/絕緣絕緣/介質(zhì)材料；介質(zhì)材料； Si3N4：介質(zhì)材料，用作鈍化：介質(zhì)材料，用作鈍化/掩蔽等；掩蔽等； 多晶硅多晶硅：可以摻雜，導(dǎo)電；：可以摻雜，導(dǎo)電； 金屬硅化物：導(dǎo)電，作為接觸和互連金屬硅化物：導(dǎo)電，作為接觸和互連硅工藝中薄膜材料硅工藝中薄膜材料: : SiOSiO2 2與與SiSi之間界面之間界面3SiO2SiTEM: Transmission Electron Microscope

2、SiOSiO2 2的基本性質(zhì)的基本性質(zhì)4 熱氧化生長的熱氧化生長的SiO2是非晶的是非晶的 熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：1732 C (晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)) 質(zhì)量密度：質(zhì)量密度：2.21 g/cm3 分子密度：分子密度：2.2 1022 個(gè)個(gè)/cm3 折射率折射率 n=1.46 相對介電常數(shù)相對介電常數(shù) 3.9SiOSiO2 2的基本性質(zhì)的基本性質(zhì)5 可以方便地利用光刻和刻蝕實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移可以方便地利用光刻和刻蝕實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移 可以作為多數(shù)雜質(zhì)摻雜的掩蔽可以作為多數(shù)雜質(zhì)摻雜的掩蔽 (B, P, As) 優(yōu)秀的絕緣性能優(yōu)秀的絕緣性能 ( 1016 cm, Eg9eV) 很高的擊穿電場很高的擊穿電場 (107 V/cm

3、) 電學(xué)性能穩(wěn)定電學(xué)性能穩(wěn)定 穩(wěn)定、可重復(fù)制造的穩(wěn)定、可重復(fù)制造的Si/ SiO2界面界面SiO2的結(jié)構(gòu)6由由Si-O四面體組成：四面體組成： 四面體中心是硅原子四面體中心是硅原子, 四個(gè)頂角上是氧原子四個(gè)頂角上是氧原子;SiO2的晶型7按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 結(jié)晶型結(jié)晶型 (crystalline): 天然天然(石英石英, 水晶等水晶等)結(jié)晶型結(jié)晶型非晶型非晶型（2.21 g/cm3）（2.65 g/cm3） 非晶型非晶型(amorphous): 人造人造(熱氧化生長、熱氧化生長、CVD沉積沉積)SiO2的晶型8按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 結(jié)晶型結(jié)晶型 (crystalline): 石英石英

4、, 水晶等水晶等二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu)9非橋聯(lián)氧非橋聯(lián)氧 橋聯(lián)氧橋聯(lián)氧由由Si-O四面體組成：四面體組成： 四面體之間由四面體之間由Si-O-Si連接連接; 與兩個(gè)硅連接的氧原子稱為橋聯(lián)氧或氧橋與兩個(gè)硅連接的氧原子稱為橋聯(lián)氧或氧橋;含雜質(zhì)的含雜質(zhì)的SiOSiO2 2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)10摻雜雜質(zhì)取代摻雜雜質(zhì)取代Si的位置的位置: 網(wǎng)絡(luò)形成體網(wǎng)絡(luò)形成體 (B, P)Si:O:Si+H2O Si:O:H+H:O:Si摻雜雜質(zhì)占據(jù)間隙位置摻雜雜質(zhì)占據(jù)間隙位置:網(wǎng)絡(luò)變性體網(wǎng)絡(luò)變性體 (Na, K)ICIC中的中的SiOSiO2 211淀積氧化層淀積氧化層熱熱(生長生長)氧化層氧化層ICIC中中SiOSiO2

5、2的應(yīng)用的應(yīng)用12柵氧化層?xùn)叛趸瘜与x子注入掩蔽離子注入掩蔽隔離工藝隔離工藝互連互連層間層間絕緣絕緣介質(zhì)介質(zhì)12離子注入掩蔽離子注入掩蔽生長熱氧化層設(shè)備生長熱氧化層設(shè)備13臥式熱氧化爐管臥式熱氧化爐管晶圓清洗晶圓清洗14晶圓裝載晶圓裝載15缺點(diǎn)缺點(diǎn)易碎易碎無法阻擋鈉（無法阻擋鈉（Na）自動(dòng)裝載自動(dòng)裝載16晶圓裝載晶圓裝載17爐內(nèi)溫度控制爐內(nèi)溫度控制18升溫過程，硅膨脹的更快。升溫過程，硅膨脹的更快。自動(dòng)控制19 待機(jī)狀態(tài)待機(jī)狀態(tài) 逐漸加溫至反應(yīng)溫度；逐漸加溫至反應(yīng)溫度； 晶圓緩慢推進(jìn)晶圓緩慢推進(jìn) : 1 inch/min;立式反應(yīng)爐立式反應(yīng)爐20臥式爐的局限臥式爐的局限: 晶圓尺寸增大晶圓尺寸增

6、大石英舟石英舟/漿必須更大更結(jié)實(shí)漿必須更大更結(jié)實(shí) （力矩越大力矩越大）維持恒溫區(qū)更難維持恒溫區(qū)更難 裝載更多裝載更多爐管更長爐管更長占地越多占地越多立式反應(yīng)爐原理立式反應(yīng)爐原理21立式反應(yīng)爐立式反應(yīng)爐22立式爐的優(yōu)點(diǎn)立式爐的優(yōu)點(diǎn): 方便自動(dòng)裝卸方便自動(dòng)裝卸 晶圓轉(zhuǎn)動(dòng)晶圓轉(zhuǎn)動(dòng) 均勻溫度和氣流均勻溫度和氣流 不與爐壁接觸不與爐壁接觸 產(chǎn)生顆粒少；產(chǎn)生顆粒少； 若有顆粒，若有顆粒， 落在第一個(gè)晶圓上落在第一個(gè)晶圓上 晶圓水平放置晶圓水平放置力矩為零力矩為零 垂直爐設(shè)計(jì)垂直爐設(shè)計(jì) 節(jié)省空間節(jié)省空間氧化反應(yīng)方程式氧化反應(yīng)方程式23Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g)

7、SiO2(s) + 2H2(g)l干氧氧化干氧氧化(Dry oxidation)l濕氧氧化濕氧氧化(Wet)/ /水汽氧化水汽氧化(Steam oxidation)濕氧氧化濕氧氧化24濕氧氧化濕氧氧化25濕氧氧化濕氧氧化26濕氧氧化濕氧氧化27SiO2生長界面28最終界面位置最終界面位置硅襯底硅襯底硅襯底硅襯底硅襯底硅襯底SiO2表面表面原來原來Si表面表面例題例題29經(jīng)熱氧化方式生長厚度為經(jīng)熱氧化方式生長厚度為t toxox的二氧化硅的二氧化硅, ,將要消耗多少硅將要消耗多少硅? ? SiSi的摩爾質(zhì)量是的摩爾質(zhì)量是28.9g28.9g，密度為，密度為2.33g/cm2.33g/cm3 3;

8、 ; SiO SiO2 2的摩爾質(zhì)量是的摩爾質(zhì)量是60.08g60.08g，密度為，密度為2.21g/cm2.21g/cm3 3。tox30ox2tSi 1mol Si1 mol SiO面積面積的體積厚度的體積2ox 1mol Si1 mol S OiitS 厚度的體積的體積1個(gè)個(gè)Si1個(gè)個(gè)SiO2Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)313328.9 g/mol 12.40 cm /mol2.33 g/cm3360.08 g/mol 27.18 cm /mol2.21 /g cm 1mol1mol硅體積硅體積: : 1mol

9、SiO1molSiO2 2體積體積: : SiSi的摩爾質(zhì)量是的摩爾質(zhì)量是28.9g28.9g，密度為，密度為2.33g/cm2.33g/cm3 3: :SiOSiO2 2的摩爾質(zhì)量是的摩爾質(zhì)量是60.08g60.08g，密度為，密度為2.21g/cm2.21g/cm3 3。32oox2oxSix 1mol Six t1 mol SiO12.40 =x t27.18 =0.4 6tt5的體積的體積3328.9 g/mol 12.40 cm /mol2.33 g/cm3360.08 g/mol 27.18 cm /mol2.21 /g cm 1mol1mol硅體積硅體積: : 1molSiO1m

10、olSiO2 2體積體積: : 氧化后體積變化33osix=0.4 6t5tSoxi=2. 9t1tSi的原子密度的原子密度: 5.02x1022cm-3SiO2的分子密度的分子密度: 2.29x1022cm-3LOCOS (Local Oxidation of Silicon)34Birds Beak 影響影響35Birds beak迪爾迪爾- -格羅夫格羅夫(Deal-Grove)(Deal-Grove)氧化模型氧化模型36C0：氧化層氧化層表面該氧化劑的濃度表面該氧化劑的濃度, 近似近似等于在氧化溫度時(shí)氧化劑等于在氧化溫度時(shí)氧化劑在本體的平衡濃度在本體的平衡濃度;平衡時(shí)的濃度一般與氧化膜

11、平衡時(shí)的濃度一般與氧化膜表面的氧化劑分壓成比例表面的氧化劑分壓成比例；Cs：硅硅表面該氧化劑的濃度表面該氧化劑的濃度；迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型371dCFDdx 氧化劑擴(kuò)散穿過二氧化硅層到達(dá)硅表面氧化劑擴(kuò)散穿過二氧化硅層到達(dá)硅表面, 通量通量F1 :#/cm2/s: x：氧化層厚度：氧化層厚度; D: 氧化劑在二氧化硅中的擴(kuò)散系數(shù)氧化劑在二氧化硅中的擴(kuò)散系數(shù);0()sD CCx迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型38 在硅的表面在硅的表面, 氧化劑與硅進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)氧化劑與硅進(jìn)行化學(xué)反應(yīng); 其反應(yīng)速率與硅表面氧化劑濃度成正比其反應(yīng)速率與硅表面氧化劑濃度成正比, 通量通量F

12、2為為:2SF kC=k為硅表面氧化反應(yīng)速率常數(shù)迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型39穩(wěn)態(tài)平衡條件下穩(wěn)態(tài)平衡條件下:12FF0()=ssD CCkCx() oossCCxkD CDCDxkD迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型40穩(wěn)態(tài)平衡條件下穩(wěn)態(tài)平衡條件下: osDCDCxk2S = oFkkDCxDCFk 單位時(shí)間單位面積在硅表面反應(yīng)的氧化劑的個(gè)數(shù)單位時(shí)間單位面積在硅表面反應(yīng)的氧化劑的個(gè)數(shù) =oDCDxk迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型41每立方厘米體積內(nèi)每立方厘米體積內(nèi)SiO2分子數(shù)：分子數(shù)：干氧反應(yīng)干氧反應(yīng):濕氧反應(yīng)濕氧反應(yīng):Si(s) + O2(g) SiO2

13、(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)2.2 1022 分子分子/cm3迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型42每立方厘米體積內(nèi)每立方厘米體積內(nèi)SiO2分子數(shù)分子數(shù):干氧反應(yīng)干氧反應(yīng): O2(g) SiO2(s)濕氧反應(yīng)濕氧反應(yīng): 2H2O(g) SiO2(s)2.2 1022 分子分子/cm3每立方厘米每立方厘米SiO2需要需要O2個(gè)數(shù)個(gè)數(shù): 2.2 1022個(gè)個(gè)每立方厘米每立方厘米SiO2需要需要H2O個(gè)數(shù)個(gè)數(shù): 4.4 1022個(gè)個(gè)Cu: 生成每立方厘米生成每立方厘米SiO2需要氧化劑分子的個(gè)數(shù)。需要氧化劑分子的個(gè)數(shù)。迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅

14、夫氧化模型43 單位時(shí)間、單位面積在硅表面反應(yīng)的氧化劑數(shù)單位時(shí)間、單位面積在硅表面反應(yīng)的氧化劑數(shù): =oDCFDxk 生成單位體積生成單位體積SiO2需要氧化劑個(gè)數(shù)需要氧化劑個(gè)數(shù): Cu SiO2生長速率為生長速率為: 0/ ( / )uudxFDCCdtCxD迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型44SiO2生長速率為生長速率為: 0/ ( / )udxDCCdtxD0 ( / )/uxDdxDCCdt2022 ()uDDCxxtC迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型452022 ()uDDCxxtC2021 1uDC(t)xDC20002/2udDdCDC()迪爾迪爾- -格羅夫

15、氧化模型格羅夫氧化模型462021 1uDC(t)xDC2114112xxx【】0uCx(t)C(t+ 很小時(shí)很小時(shí))*氧化初期，表面反應(yīng)限制生長速率氧化初期，表面反應(yīng)限制生長速率迪爾迪爾- -格羅夫氧化模型格羅夫氧化模型472021 1uDC(t)xDC(t+ 很大時(shí)很大時(shí))2002 2 =uuDC(t)DCC(t)CD*氧化層厚度較厚時(shí)氧化層厚度較厚時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)限制生長速率擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)限制生長速率簡化的氧化表達(dá)式簡化的氧化表達(dá)式480uBCAC2022 ()uDDCxxtC2()xAxB t02uDCBC2DA200dAdB簡化的氧化表達(dá)式簡化的氧化表達(dá)式49()BxtAp 線性區(qū)線性區(qū): :

16、 線性氧化速率常數(shù)線性氧化速率常數(shù)BA0uCx(t)C0uBCAC02uDCBC2DA簡化的氧化表達(dá)式簡化的氧化表達(dá)式502()xB t 拋物線區(qū)拋物線區(qū):B: :拋物線型氧化速率常數(shù)拋物線型氧化速率常數(shù) 02x=uC(t)CD02uDCBC干法氧化干法氧化51濕法氧化濕法氧化5253干氧干氧濕氧濕氧vs線性氧化速率常數(shù)線性氧化速率常數(shù)54()BAxt打斷硅打斷硅-硅鍵需要能量硅鍵需要能量 1.83eV expaEBAkT-拋物線型氧化速率常數(shù)拋物線型氧化速率常數(shù)552()BxtO2在在SiO2中擴(kuò)散的激活能中擴(kuò)散的激活能 1.18eV expaEBkT-H2O在在SiO2中擴(kuò)散的激活能中擴(kuò)散

17、的激活能 0.79eV012DCBC（H2O在在SiO2中溶解度比中溶解度比O2高）高）影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素56 晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懢驅(qū)ρ趸俾实挠绊?壓強(qiáng)對氧化速率的影響壓強(qiáng)對氧化速率的影響 摻氯對氧化速率的影響摻氯對氧化速率的影響 雜質(zhì)對氧化速率的影響雜質(zhì)對氧化速率的影響晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懢驅(qū)ρ趸俾实挠绊?7晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懢驅(qū)ρ趸俾实挠绊?8壓強(qiáng)對氧化速率的影響壓強(qiáng)對氧化速率的影響59012DBCC10BACC()( )iiBBPAABB P()( )iniBBPAABB P濕氧反應(yīng)濕氧反應(yīng):干氧反應(yīng)干氧反應(yīng):要達(dá)到給定的氧化速率, 增加氣壓, 氧化溫度

18、可以降低；在同樣溫度下生長一個(gè)給定的氧化層厚度, 增加氣壓, 則氧化時(shí)間可以減少。高壓氧化高壓氧化60溫度壓力時(shí)間1 大氣壓5 小時(shí)1000 。C5大氣壓1小時(shí)25大氣壓12 分鐘生長生長1m mm SiO2時(shí)間壓力溫度1 大氣壓1000 。C5 小時(shí)10大氣壓700 。C氯對氧化影響氯對氧化影響61 Si-O鍵能鍵能4.25 eV；Si-Cl鍵能鍵能3.75 eV； Cl2先與先與Si反應(yīng)生成氯反應(yīng)生成氯硅化合物；硅化合物； 然后再與氧然后再與氧反應(yīng)反應(yīng)生成生成SiO2； Cl起催化作用。起催化作用。氯對氧化影響氯對氧化影響622222HCl+OH O+Cl氯對氧化影響氯對氧化影響63 Dr

19、y O2+1-3%Cl: Cl 去除金屬雜質(zhì)去除金屬雜質(zhì)（生成揮發(fā)性的金屬氯化物）（生成揮發(fā)性的金屬氯化物）; 減少界面態(tài)，減少界面的電荷堆積減少界面態(tài)，減少界面的電荷堆積.氧化對雜質(zhì)分布的影響氧化對雜質(zhì)分布的影響64雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiSi和和SiOSiO2 2中的溶解度不同中的溶解度不同; ;擴(kuò)散系數(shù)不同擴(kuò)散系數(shù)不同; ;熱氧化時(shí)熱氧化時(shí), ,雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiOSiO2 2-Si-Si兩邊要重新分布兩邊要重新分布, , 用用分凝系數(shù)分凝系數(shù)來表示來表示: :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 = C1C2摻雜對氧化的影響摻雜對氧化的影響65k1k1高摻雜區(qū)比低摻雜區(qū)氧化速度快高

20、摻雜區(qū)比低摻雜區(qū)氧化速度快 ( (線性階段線性階段). ).超薄熱干氧化超薄熱干氧化66D-G模型不足之處：模型不足之處：實(shí)驗(yàn)表明在實(shí)驗(yàn)表明在20 nm之內(nèi)的熱氧化生長速度和厚度比之內(nèi)的熱氧化生長速度和厚度比D-G 模模型大的多。型大的多。23nmD-G (= 0) 超薄熱干氧化超薄熱干氧化67模型一：模型一：O O2 2- - 擴(kuò)散擴(kuò)散+ +界面電荷產(chǎn)生電場；界面電荷產(chǎn)生電場；模型二：氧化層中的微孔結(jié)構(gòu)；模型二：氧化層中的微孔結(jié)構(gòu)；模型三：熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生氧化層中應(yīng)力，模型三：熱膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生氧化層中應(yīng)力， 幫助氧化劑擴(kuò)散幫助氧化劑擴(kuò)散模型四：氧化界面不是原子級(jí)的突變，模型四：氧化界

21、面不是原子級(jí)的突變， 氧化反應(yīng)而是在一定厚度范圍內(nèi)進(jìn)行氧化反應(yīng)而是在一定厚度范圍內(nèi)進(jìn)行；L L1 1: 1nm: 1nm， L L2 2:7nm:7nm；12122oxoxttLLoxoxdtBC eC edttA超薄氧化層生長超薄氧化層生長68超薄氧化層超薄氧化層 +可重復(fù)性可重復(fù)性: 常壓下以干法在較低的溫度下進(jìn)行氧化；常壓下以干法在較低的溫度下進(jìn)行氧化； 較低的氣壓下進(jìn)行氧化；較低的氣壓下進(jìn)行氧化； 以惰性氣體混合著氧化劑進(jìn)行氧化；以惰性氣體混合著氧化劑進(jìn)行氧化； 快速退火氧化；快速退火氧化；垂直爐管垂直爐管: 常壓下常壓下,800oC-900oC高質(zhì)量高質(zhì)量,可重復(fù)可重復(fù),10nm0.

22、1nm作業(yè)69 (1) 一p型摻雜，方向?yàn)榈墓杈A，置于濕法氧化的系統(tǒng)中，其生長厚度為0.45 m，溫度為1050，計(jì)算所需氧化時(shí)間；(2) 第一次氧化后，在氧化膜上定義一個(gè)有源區(qū)，刻蝕去除所生長的氧化層并準(zhǔn)備生長柵氧化層。將其置于干法氧化系統(tǒng)中，溫度為1000，時(shí)間是20 min。試計(jì)算柵極氧化膜的厚度及場氧化膜的總厚度。 Si/SiO2界面特性界面特性702）固定氧化物電荷固定氧化物電荷, QfFixed oxide charge1）界面陷阱電荷界面陷阱電荷, QitInterface trapped charge4）可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷, QmMobile ionic charge3

23、）氧化物陷阱電荷氧化物陷阱電荷, QotOxide trapped charge界面陷阱電荷界面陷阱電荷/ /界面態(tài)界面態(tài)Qit71位置位置:Si/SiO:Si/SiO2 2 界面界面來源來源: : 在襯底硅指向氧化層的在襯底硅指向氧化層的SiSi表面的懸掛鍵表面的懸掛鍵 （Dangling bond Dangling bond SiSi）電荷電荷：能量處于禁帶中：能量處于禁帶中, ,可以和可以和SiSi交換電荷，交換電荷， 電荷態(tài)依賴于偏壓電荷態(tài)依賴于偏壓, ,可能是正可能是正, ,負(fù)或者中性；負(fù)或者中性； 密度密度10109 9-10-101111 cm cm-2-2eVeV-1-1界面陷

24、阱電荷界面陷阱電荷/ /界面態(tài)界面態(tài)Qit72界面陷阱電荷界面陷阱電荷/ /界面態(tài)界面態(tài)Qit73qQ Qitit和下列因素有關(guān)：和下列因素有關(guān)：氧化溫度，氧化氣氛氧化溫度，氧化氣氛( (濕氧、干氧濕氧、干氧),),晶向等晶向等qQ Qitit和干氧氧化溫度的關(guān)系和干氧氧化溫度的關(guān)系1 1）Q Qit it 隨溫度升高而降低；隨溫度升高而降低；2 2）在能帶中間部分）在能帶中間部分, , Q Qitit(100)(100)比比Q Qitit(111)(111)低約低約5 5倍倍q降低降低Q Qitit的方法的方法 在在H H2 2或或H H2 2/N/N2 2(Forming Gas Anne

25、aling, FGA)(Forming Gas Annealing, FGA)中中350-500350-500 C C 退火退火3030分鐘分鐘q退火前，退火前，Q Qitit約約10101111 cm cm-2-2eVeV-1-1q退火后，退火后，Q Qitit約約10101010 cm cm-2-2eVeV-1-1 - - 可應(yīng)用可應(yīng)用界面態(tài)處理界面態(tài)處理 74Annealing 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

26、 (oC)3.02.52.01.51.00.5024681210120011001000900固定氧化物電荷固定氧化物電荷Qf75 位置：靠近界面氧化層內(nèi)位置：靠近界面氧化層內(nèi)23 nm范圍范圍; 電荷：正電荷電荷：正電荷.電荷密度：電荷密度：109-1011 cm-2.電荷態(tài)在電荷態(tài)在器件工作期間不變化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來源推測：由不完全氧化的帶有凈正電荷的Si引引起的起的. Qf和生長溫度關(guān)系和生長溫度關(guān)系:溫度升高溫度升高,Qf下降下降. 降溫速率越快降溫速率越快,Qf值越低值越低,但硅片直徑大于但硅片直徑大于100 mm的硅片不宜降溫太快的硅片

27、不宜降溫太快. Qf :Qf:Qf =3:2:1 重復(fù)性好重復(fù)性好 SiDeal Deal 三角形關(guān)系三角形關(guān)系76 溫度影響溫度影響 氣氛影響氣氛影響界面態(tài)的影響界面態(tài)的影響 77界面態(tài)和固定電荷界面態(tài)和固定電荷78Qf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（氫鈍化）高溫氬氣退火摻氯氧化摻氯氧化可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷79q位置位置: 可以在氧化層中任意地方可以在氧化層中任意地方. 開始位于柵開始位于柵(金屬或金屬或多晶硅多晶硅)/SiO2界面界面,如在正偏或加溫

28、情況如在正偏或加溫情況,Qm將向?qū)⑾騍i/SiO2界面移動(dòng)。界面移動(dòng)。q來源來源: 金屬化金屬化(Metallization)及其它污染。及其它污染。q堿金屬離子堿金屬離子(Na+, K+)污染引起污染引起(以網(wǎng)絡(luò)變性體形式存以網(wǎng)絡(luò)變性體形式存在在)。q會(huì)引起會(huì)引起MOS器件閾值電壓器件閾值電壓VT的變化和穩(wěn)定性問題。的變化和穩(wěn)定性問題?？蓜?dòng)離子測量可動(dòng)離子測量80qVCNFBoxm 減少減少Q(mào)m的具體方法的具體方法811)1)清洗石英管清洗石英管: : O O2 2-HCl,-HCl, 11501150 C/2 hC/2 h2)2)采用摻氯氧化采用摻氯氧化, HCl-O, HCl-O2 2、

29、三氯乙烯、三氯乙烯(C(C2 2HClHCl3 3,TCE),TCE)、三氯乙烷、三氯乙烷(C(C2 2H H3 3ClCl3 3,TCA).,TCA).3)3)用磷硅玻璃用磷硅玻璃PSG (phosphosilicate glass)PSG (phosphosilicate glass)i3N4作為最后鈍化層氧化物陷阱電荷氧化物陷阱電荷82v 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

30、結(jié)果：這些陷阱會(huì)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300C消除。u加對于輻射不敏感的鈍化層，如Al2O3和Si3N4 氧化層厚度的測量氧化層厚度的測量83氧化層顏色氧化層顏色氧化層厚度（氧化層厚度（）第一周期第一周期第二周期第二周期第三周期第三周期第四周期第四周期灰灰 色色100黃褐色黃褐色300棕棕 色色500藍(lán)藍(lán) 色色800紫紫 色色1000275046506500深藍(lán)色深藍(lán)色1500300049006850綠綠 色色1850330052007200黃黃 色色2100370056007500橙橙 色色22

31、5040006000紅紅 色色2500430062501. 表面顏色表面顏色氧化層厚度的測量氧化層厚度的測量842、臺(tái)階儀（臺(tái)階儀（Step Profilor）氧化層厚度的測量氧化層厚度的測量85 由光的相干原理由光的相干原理, 膜表面與界面反射二束光相干涉。膜表面與界面反射二束光相干涉。 由光學(xué)原理由光學(xué)原理, 兩束光的光程差為入射光的波長整數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)加兩束光的光程差為入射光的波長整數(shù)倍時(shí)出現(xiàn)加強(qiáng)的亮度強(qiáng)的亮度nmx20n：二氧化硅折射率：入射光波長 如 =589.6 nmm：干涉級(jí)數(shù)垂直入射時(shí)垂直入射時(shí): 3 光干涉法（光干涉法（Interferometry）氧化層厚度的測量氧化層厚度的測

32、量86Light sourceFilterPolarizerQuarter wave plateSubstrateFilm being measuredDetectorAnalyzer橢圓偏振光，照射樣品，再經(jīng)過膜的反射、檢偏后進(jìn)入光電管橢圓偏振光，照射樣品，再經(jīng)過膜的反射、檢偏后進(jìn)入光電管; ;兩個(gè)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)兩個(gè)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(dòng)計(jì)算）可得到厚度。4 4 橢偏法橢偏法(Ellipsometry)(Ellipsometry)氧化層厚度測量方法氧化層厚度測量方法87正電壓加在金屬電

33、極上，相當(dāng)于積累區(qū)（accumulation）負(fù)電壓引起襯底部分耗盡（depletion）進(jìn)一步加負(fù)電壓，使得反型層（inversion）出現(xiàn)。QG=qNDxD+QI5 C-V測量測量氧化層厚度測量方法氧化層厚度測量方法886 擊穿電壓法擊穿電壓法氧化層厚度的測量氧化層厚度的測量897、TEM 90線性速率常數(shù)線性速率常數(shù)B/A拋物線速率常數(shù)拋物線速率常數(shù)B氧化氣壓（水汽氧化）氧化氣壓（水汽氧化）隨氧氣氣壓呈線性隨氧氣氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性氧化氣壓（干氧化）氧化氣壓（干氧化）隨氧氣氣壓呈亞線性隨氧氣氣壓呈亞線性隨氧化氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性水汽氧化水汽氧化 和干氧化對比和

34、干氧化對比水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大硅襯底取向硅襯底取向B/A(111):B/A(100)=1.68:1和襯底取向無關(guān)和襯底取向無關(guān)硅中摻雜類型和濃度硅中摻雜類型和濃度隨摻雜濃度增加隨摻雜濃度增加關(guān)系不大關(guān)系不大氧化氣氛中摻氯氧化氣氛中摻氯增加增加增加增加B/A B 和工藝參數(shù)的關(guān)系和工藝參數(shù)的關(guān)系總結(jié)總結(jié) 91壓強(qiáng)、晶向、摻雜濃度、摻氯壓強(qiáng)、晶向、摻雜濃度、摻氯壓強(qiáng)越高，氧化速率越快。水汽氧壓強(qiáng)越高，氧化速率越快。水汽氧化線形關(guān)系，干氧化指數(shù)關(guān)系?；€形關(guān)系，干氧化指數(shù)關(guān)系。晶向氧化最快，晶向氧化最快，最慢。最慢。k ks s與與硅價(jià)鍵密度有關(guān)。硅價(jià)鍵密

35、度有關(guān)。B B不受晶向影響，厚不受晶向影響，厚氧化層，晶向作用下降。氧化層，晶向作用下降。20 nm20 nm以下的干氧化，以下的干氧化，D-GD-G模型計(jì)算模型計(jì)算厚度遠(yuǎn)小于實(shí)際厚度。修正方法：附厚度遠(yuǎn)小于實(shí)際厚度。修正方法：附加一個(gè)隨厚度增加而指數(shù)衰減項(xiàng)。加一個(gè)隨厚度增加而指數(shù)衰減項(xiàng)?？梢栽黾臃磻?yīng)速度，減少界面固定電可以增加反應(yīng)速度，減少界面固定電荷和界面態(tài)（電荷中和作用），可以荷和界面態(tài)（電荷中和作用），可以實(shí)現(xiàn)對堿金屬離子的吸雜作用實(shí)現(xiàn)對堿金屬離子的吸雜作用哪一種晶向的硅氧哪一種晶向的硅氧化速率最快，哪種化速率最快，哪種最慢？為什么？最慢？為什么？影響氧化速率的因素有影響氧化速率的因素

36、有那些？那些？氧化速率和壓強(qiáng)有什么氧化速率和壓強(qiáng)有什么樣的關(guān)系？樣的關(guān)系？對于非常薄的氧化層，對于非常薄的氧化層，應(yīng)用應(yīng)用Deal-GroveDeal-Grove模型計(jì)模型計(jì)算厚度和實(shí)際厚度有何算厚度和實(shí)際厚度有何不同？如何修正？不同？如何修正？摻氯氧化工藝對提高氧摻氯氧化工藝對提高氧化膜質(zhì)量有哪些作用？化膜質(zhì)量有哪些作用？CVD&PVD 大規(guī)模集成電路制造工藝92MOSFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 93兩類主要沉積方式兩類主要沉積方式941) 1) 化學(xué)氣相淀積化學(xué)氣相淀積 : : ChemicalChemical Vapor Deposition (CVD) Vapor Deposition (

37、CVD) 一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體，以某種方式激活后，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)。生化學(xué)反應(yīng)，并淀積出所需固體薄膜的生長技術(shù)。 例如: APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD 2) 2) 物理氣相淀積物理氣相淀積 : : PhysicalPhysical Vapor Deposition (PVD) Vapor Deposition (PVD) 利用物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯利用物理過程實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，即將原子或分子轉(zhuǎn)移到襯底（硅）表面上，并淀積成薄膜的技術(shù)。底（硅）表面上，并淀積成

38、薄膜的技術(shù)。 例如: 蒸發(fā)(evaporationevaporation),濺射(sputtering) sputtering) CVD反應(yīng)反應(yīng)95CVDCVD反應(yīng)必須滿足三個(gè)揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)必須滿足三個(gè)揮發(fā)性標(biāo)準(zhǔn): : 在淀積溫度下在淀積溫度下, ,反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓反應(yīng)劑必須具備足夠高的蒸汽壓; ; 除淀積物質(zhì)外除淀積物質(zhì)外, ,反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物必須是揮發(fā)性的; ; 淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓淀積物本身必須具有足夠低的蒸氣壓 ; ;(1)(1)反應(yīng)劑被攜帶氣體引入反應(yīng)器后反應(yīng)劑被攜帶氣體引入反應(yīng)器后, ,在襯底表面附近形成在襯底表面附近形成“滯留層滯留層”, ,

39、然后然后, ,在主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界層擴(kuò)散到在主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界層擴(kuò)散到 硅片表面硅片表面(2)(2)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)劑被吸附在硅片表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) (3)(3)化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì), ,即所需要的淀積物即所需要的淀積物, ,在硅片表在硅片表面成核、生長成薄膜面成核、生長成薄膜 . .(4)(4)反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物反應(yīng)后的氣相副產(chǎn)物, ,離開襯底表面離開襯底表面, ,擴(kuò)散回邊界擴(kuò)散回邊界. .APCVD96沉積速度快沉積速度快: 1000A/min；Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposi

40、tion均勻性差均勻性差; 粒子污染粒子污染;臺(tái)階覆蓋差臺(tái)階覆蓋差LPCVD97Low Pressure Chemical Vapor Deposition優(yōu)點(diǎn)：沉積均勻；顆粒少；優(yōu)點(diǎn)：沉積均勻；顆粒少；缺點(diǎn)：沉積速率低；缺點(diǎn)：沉積速率低；PECVD98Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 溫度低；溫度低；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 容量有限，腔壁上沉積物疏松容量有限，腔壁上沉積物疏松二氧化硅的沉積二氧化硅的沉積99低溫淀積時(shí)低溫淀積時(shí)( (300 500):): 4222SiH +OSiO +2H322524PH5O2P O6HAPCVD反應(yīng)爐中或反

41、應(yīng)爐中或LPCVD反應(yīng)爐反應(yīng)爐；PECVD反應(yīng)爐：反應(yīng)爐：42222SiH +2N OSiO +2N +2H O無摻雜激活能為無摻雜激活能為0.6eV; 有磷摻雜幾乎為有磷摻雜幾乎為0；二氧化硅的沉積二氧化硅的沉積100中等溫度中等溫度( (500 800) 2524Si OC HSiO副產(chǎn)物四乙氧基硅烷四乙氧基硅烷Si(OC2H5)4 , 簡稱為簡稱為TEOS TEOSTEOS為液態(tài)，可避免難處理的氣體的使用；為液態(tài)，可避免難處理的氣體的使用； 無摻雜激活能為無摻雜激活能為1.9eV; 1.9eV; 有磷摻雜有磷摻雜1.4eV1.4eV； 沉積速率和沉積速率和TEOSTEOS分壓分壓p p的

42、關(guān)系的關(guān)系: p: p0 0=30Pa =30Pa 01-ppe 分壓較高時(shí)，速率與分壓無關(guān)；分壓較高時(shí)，速率與分壓無關(guān)；二氧化硅的沉積二氧化硅的沉積101高淀積溫度高淀積溫度(900)：22222SiH C12N OSiO2N2HCl 均勻性極佳；均勻性極佳； 可以用作多晶硅的覆蓋層；可以用作多晶硅的覆蓋層； 激活能為激活能為1.8eV1.8eV二氧化硅薄膜特性二氧化硅薄膜特性102臺(tái)階覆蓋性臺(tái)階覆蓋性1033arctanWl TEOSTEOS分解生成的二氧化硅在表面快速遷移，臺(tái)階覆蓋性好；分解生成的二氧化硅在表面快速遷移，臺(tái)階覆蓋性好； 高溫下二氯硅烷反應(yīng)生成二氧化硅，臺(tái)階覆蓋性好；高溫下

43、二氯硅烷反應(yīng)生成二氧化硅，臺(tái)階覆蓋性好； CVD SiHCVD SiH4 4+O+O2 2，臺(tái)階覆蓋性性差；，臺(tái)階覆蓋性性差； PECVDPECVD 生成生成SiOSiO2 2臺(tái)階覆蓋性差；臺(tái)階覆蓋性差；臺(tái)階覆蓋性比較臺(tái)階覆蓋性比較104TEOSSiH4空洞空洞(Void)形成形成金屬介電質(zhì)介電質(zhì)金屬介電質(zhì)空洞金屬磷硅玻璃回流磷硅玻璃回流(Reflow)1060%2.2%4.6%7.2%,252348 P OH OH PO超超過過, 6%o45磷磷含含量量需需要要高高于于；回流條件：回流條件： 1100oC 20min N2氮化硅生長氮化硅生長107LPCVD(700-800oC)完全的化學(xué)組

44、成完全的化學(xué)組成(Si(Si3 3N N4 4) )，密度較高密度較高(2.9(2.9 3.1g3.1g/cm/cm3 3););表面氧化速率很慢，可作為遮蔽物，以實(shí)現(xiàn)選擇性氧化表面氧化速率很慢，可作為遮蔽物，以實(shí)現(xiàn)選擇性氧化; ;LPCVD生長氮化硅生長氮化硅108 薄膜均勻性好、產(chǎn)量高薄膜均勻性好、產(chǎn)量高; ; 淀積氮化硅的激活能為淀積氮化硅的激活能為1.8eV;1.8eV; 屬非晶介質(zhì)，含氫量可達(dá)屬非晶介質(zhì)，含氫量可達(dá)8%(8%(原子個(gè)數(shù)百分比原子個(gè)數(shù)百分比);); 在室溫下，電阻率約為在室溫下，電阻率約為10101616 cmcm； 相對相對介電常數(shù)為介電常數(shù)為7;7; 介電強(qiáng)度約為介

45、電強(qiáng)度約為10107 7 V/cm V/cm。 在緩沖的氫氟酸溶液中，其腐蝕速率低于在緩沖的氫氟酸溶液中，其腐蝕速率低于1 nm/min1 nm/min； 薄膜具有非常高的薄膜具有非常高的張應(yīng)力張應(yīng)力，約為，約為10105 5N/cmN/cm2 2，幾乎是，幾乎是TEOSTEOS淀積氧化膜的淀積氧化膜的1010倍之多。厚度超過倍之多。厚度超過200 nm200 nm時(shí)，將容易破時(shí)，將容易破裂裂；2233423SiH C14NHSi N6HC16H 700至至800, LPCVD, LPCVD沉積；沉積； 氮化硅生長氮化硅生長109 薄膜無正確化學(xué)組成比薄膜無正確化學(xué)組成比; ; 密度只有密度只

46、有2.4g/cm2.4g/cm3 3 2.8g2.8g/cm/cm3 3; ; 淀積溫度較低，抗刮性極佳適合作最后的保護(hù)層；淀積溫度較低，抗刮性極佳適合作最后的保護(hù)層； 作為防止外界水氣與鈉離子擴(kuò)散至器件的材料作為防止外界水氣與鈉離子擴(kuò)散至器件的材料; ;PECVD(300oC)PECVD生長氮化硅生長氮化硅110 反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度 300300o oC C 氫含量約為氫含量約為20%20% 25%;25%; 張應(yīng)力較?。s張應(yīng)力較小（約2 210104 4 N/cm N/cm2 2）; ; 電阻率與氮化硅中硅與氮的比例有關(guān)，電阻率與氮化硅中硅與氮的比例有關(guān)， 范圍在范圍在10105 5 10

47、102121 cm;cm; 介電強(qiáng)度約為介電強(qiáng)度約為1 110106 6 6 610106 6 V/cm;V/cm;43x242x2SiH +NHSiN :H+3H2SiH +N2SiN :H+3H多層金屬之間的互聯(lián)多層金屬之間的互聯(lián)111減小減小RC Delay的途徑的途徑112C=R信號(hào)延遲：減小減小C：連線電容：連線電容C A =d0=k0; k相對介電常數(shù)為真空介電常數(shù)低低k材料材料113減小減小RC Delay的途徑的途徑114CR=信號(hào)延遲：減小減小R：連線電阻：連線電阻 RLS0=k0; k相對介電常數(shù)為真空介電常數(shù)金屬電阻率金屬電阻率115延遲時(shí)間延遲時(shí)間116 延遲時(shí)間計(jì)算1

48、17mt() ()d.i14161484RC1 100 5 10102 7 103 9 8 85 100 25 100 5 10 2mt .ps3 71試估算兩平行鋁導(dǎo)線間本征試估算兩平行鋁導(dǎo)線間本征RC值值: 鋁導(dǎo)線的橫截面為鋁導(dǎo)線的橫截面為0.5m mm 0.5m mm,長度為長度為1mm, 鋁導(dǎo)線的電阻率為鋁導(dǎo)線的電阻率為2.7m mcm; 導(dǎo)線間介質(zhì)材料為導(dǎo)線間介質(zhì)材料為SiO2, 其介電常數(shù)為其介電常數(shù)為3.9, 厚度為厚度為0.5m mm。 延遲時(shí)間計(jì)算118mt()()d.( .).2mt i14161484RC1 100 510101 7101 98 85100 25100 5

49、10.ps1 14試估算兩平行試估算兩平行銅銅導(dǎo)線間本征導(dǎo)線間本征RCRC值值: : 銅銅導(dǎo)線的橫截面為導(dǎo)線的橫截面為0.50.5m mmm0.50.5m mm,m,長度為長度為1mm,1mm, 銅銅導(dǎo)線的電阻率為導(dǎo)線的電阻率為1.71.7m m cm;cm; 導(dǎo)線間介質(zhì)材料為導(dǎo)線間介質(zhì)材料為特氟龍?zhí)胤? , 其介電常數(shù)為其介電常數(shù)為1.9, 1.9, 厚度為厚度為0.50.5m mmm。高介電常數(shù)柵絕緣層高介電常數(shù)柵絕緣層119柵電極柵電極120多晶硅沉積多晶硅沉積121600600650650沉積：沉積：42SiHSi2H與溫度壓強(qiáng)的關(guān)系：與溫度壓強(qiáng)的關(guān)系：aexp()=1.7eVaEk

50、TE多晶硅摻雜多晶硅摻雜122摻雜方法：摻雜方法： 注入；注入； 擴(kuò)散；擴(kuò)散； 臨場臨場/原位摻雜；原位摻雜；影響電阻值的因素：影響電阻值的因素：注入的劑量注入的劑量；退火時(shí)溫度退火時(shí)溫度；退火時(shí)間退火時(shí)間；注入能量：注入能量：30keV金屬金屬CVD沉積沉積W123優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：良好臺(tái)階覆蓋的共形覆蓋層良好臺(tái)階覆蓋的共形覆蓋層；一次可同時(shí)覆蓋許多晶圓一次可同時(shí)覆蓋許多晶圓；5.3cm)金屬鎢：電阻率低(，熔點(diǎn)高；利用利用WF6: 氣態(tài)源，可被氣態(tài)源，可被Si，H2，SiH4還原：還原：62WF + 3HWF + 6H極佳的表面覆蓋性；極佳的表面覆蓋性；選擇性生長；選擇性生長；較高的速率；較高的

51、速率；較小的晶粒；較小的晶粒；64 2WF + 32W + Si3SiF6442 2WF + 3SiH2W + 3SiF + 6H金屬金屬CVD沉積沉積TiN124用途：金屬擴(kuò)散的阻擋層；用途：金屬擴(kuò)散的阻擋層； 氧化物上氧化物上金屬薄膜金屬薄膜粘附層粘附層；4324324226TiC18NH6TiN24HC1N2TiC12NHH2TiN8HC12TiC1N4H2TiN8HC1CVD反應(yīng)：反應(yīng)：NH3還原溫度范圍約為還原溫度范圍約為400 700；N2/H2還原溫度則高于還原溫度則高于 700;淀積溫度越高，得到的薄膜品質(zhì)越好，淀積溫度越高，得到的薄膜品質(zhì)越好，TiN膜中的氯殘留膜中的氯殘留也越少（約也越少（約5%）。）。 多腔多腔CVD系統(tǒng)系統(tǒng)125原子層沉積原子層沉積（Atomic Layer Deposition, ALD）126可以沉積單分子層薄膜的可以沉積單分子層薄膜的化學(xué)氣相沉積技術(shù)化學(xué)氣相沉積技術(shù)：主要用于特征尺寸小于主要用于特征尺寸小于100nm100nm、高寬比在、高寬比在20:1100:120:1100:1的結(jié)構(gòu)的保形沉積。的結(jié)構(gòu)的保形沉積。CVDCVD：時(shí)間和空間上都：