電子科大微電子工藝(第二章)氧化匯編

1、第二章 氧 化共七十二頁典型(dinxng)的硅片處理流程模型共七十二頁氧化主要章節(jié)內(nèi)容： 2.1 引言 2.2 氧化原理 2.3 SiO2在集成電路中的用途 2.4 SiO2Si界面(jimin)及摻氯氧化 2.5 SiO2的質(zhì)量檢查 2.6 氧化設(shè)備 2.7 快速熱處理共七十二頁 氧化是一種自然(zrn)現(xiàn)象2.1 引言(ynyn) Si的自然氧化層（ SiO2 ）很薄, 在40埃左右 鐵、銅、銀等金屬的自然氧化 硅、硫、磷等非金屬的自然氧化共七十二頁SiO2的原子結(jié)構(gòu)（晶體(jngt)和非晶體(jngt)）：2.1 引言(ynyn)晶體結(jié)構(gòu)：Si-O 四面體在空間規(guī)則排列。共七十二頁2.

2、1 引言(ynyn)非晶體（無定形）結(jié)構(gòu)(jigu)：Si-O 四面體在空間無規(guī)則排列。共七十二頁 SiO2的物理性質(zhì)(wl xngzh)：2.1 引言(ynyn)物理性質(zhì)SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁帶寬度（eV）1.12 8相對介電常數(shù)11.73.9熔點（）14171700熱導（W/cm.k）1.50.01擊穿電壓（V/cm）3 1056 106電阻率（/cm）2.5 105 1017共七十二頁SiO2的化學性質(zhì)： SiO2 的化學性質(zhì)非常穩(wěn)定(wndng)，僅被 HF 酸腐蝕。2.1 引言(ynyn)共七十二頁 SiO2的熱脹冷縮特性（與Si有類似(li s)的熱膨脹系

3、數(shù)）：2.1 引言(ynyn)共七十二頁能夠在硅片上熱生長氧化硅是硅基集成電路發(fā)展的基礎(chǔ)。氧化硅可用于器件隔離、選擇性摻雜的掩蔽層、應力消除層、柵氧等。氧化硅的質(zhì)量對器件或電路的性能有很大的影響。氧化硅的形成(xngchng)方式：熱氧化生長或淀積，前者是高溫下高純氧氣與硅襯底發(fā)生化學反應，后者是由外部提供氧氣和硅源產(chǎn)生化學反應。2.1 引言(ynyn)共七十二頁硅的熱氧化：通過將硅片放在高溫（通常(tngchng) 750 1100 ）的氧氣或水汽氣氛下，使其表面生長一層氧化層（SiO2）的過程 。2.1 引言(ynyn)共七十二頁2.2 氧化(ynghu)原理1.氧化的化學反應及過程(gu

4、chng)2.氧化的生長速率3.影響二氧化硅生長的因素4.常規(guī)的氧化工藝5.先進的氧化工藝6.氧化消耗硅共七十二頁2.2 氧化(ynghu)原理干氧氧化：SiO2 SiO2 氧化速度慢，氧化層干燥(gnzo)、致密，均勻性、重復性好，與光刻膠的粘附性好水汽氧化：Si H2O SiO2 H2 氧化速度快，氧化層疏松(因為含氫)，均勻性差，與光刻膠的粘附性差濕氧氧化：Si H2O O2 SiO2 + H2 氧氣攜帶水汽，故既有Si與氧氣反應，又有與水汽反應，氧化速度、氧化質(zhì)量介于上述兩種方法之間。 1.氧化的化學反應及過程共七十二頁硅氧化硅滯留層反應氣體流新的氧化硅生成2.2 氧化(ynghu)原

5、理氧化(ynghu)過程：氧化劑（氧分子或水分子）通過擴散到達Si02與Si界面同Si發(fā)生反應，其過程如下：1、氧化劑擴散穿過滯留層到達SiO2 表面。2、氧化劑擴散穿過SiO2 層到達SiO2-Si界面。3、氧化劑在Si 表面與Si 反應生成SiO2 。4、反應的副產(chǎn)物離開界面。共七十二頁2.2 氧化(ynghu)原理1、氧化劑擴散穿過滯留(zhli)層到達SiO2 表面，其流密度為F1 。2、氧化劑擴散穿過SiO2 層到達SiO2-Si界面，流密度為F2 。3、氧化劑在Si 表面與Si 反應生成SiO2 ，流密度為F3 。氧化硅比較薄時：氧分子、水分子充足，硅原子不足：反應速率決定氧化速率

6、氧化硅比較厚時：氧分子、水分子不足，硅原子充足：擴散速度決定氧化速率共七十二頁硅片上的氧化物生長(shngzhng)模型是由迪爾和格羅夫發(fā)展的線性-拋物線性模型。2.2 氧化(ynghu)原理2.氧化的生長速率線性拋物線性模型表述為： t2oxAtoxB(t + ) tox為硅片上生長的SiO2總的厚度(m)； B為拋物線速率系數(shù)(m2/h)； B/A為線性速率系數(shù)(m/h)； 為生成初始氧化層所用的時間(h)共七十二頁氧化物的生長可分為兩個階段：線性階段和拋物線階段 線性階段（厚度小于150埃） tox=(B/A)t 其中(qzhng)：tox為氧化層厚度 B/A為線性速率系數(shù) t為生長時間

7、 線性階段為反應速率控制2.2 氧化(ynghu)原理共七十二頁 拋物線階段（ 厚度150埃） tox =(Bt)1/2 其中：tox為氧化層厚度 B為拋物線速率(sl)系數(shù) t為生長時間2.2 氧化(ynghu)原理拋物線階段為擴散速率控制共七十二頁水氣(shu q)在二氧化硅中的擴散速度和溶解度比氧氣的大2.2 氧化(ynghu)原理B/A為線性速率系數(shù)，B為拋物線速率系數(shù)，B/A和B與溫度、氧化劑濃度、反應室壓力等因素有關(guān)。濕氧拋物線速率系數(shù)B比干氧的大濕氧氧化速率大于干氧氧化速率共七十二頁氧化物生長(shngzhng)曲線2.2 氧化(ynghu)原理在1100干氧氧化生長的線性和拋物

8、線階段共七十二頁氧化溫度氧化時間摻雜效應：重摻雜的硅要比輕摻雜的氧化速率(sl)快（摻雜改變了氧化劑的擴散速率(sl)）硅片晶向：硅單晶的氧化速率比稍快（適用于線性階段，而拋物線階段氧化速率無差別）反應室的壓力：壓力越高氧化速率越快氧化方式：濕氧氧化比干氧氧化速度快，摻氯氧化比不摻氯的氧化速率快2.2 氧化(ynghu)原理3.影響二氧化硅生長的因素共七十二頁（100）硅干氧氧化速率(sl)曲線2.2 氧化(ynghu)原理共七十二頁2.2 氧化(ynghu)原理（100）硅濕氧氧化速率(sl)曲線共七十二頁2.2 氧化(ynghu)原理（111）硅濕氧氧化速率(sl)曲線共七十二頁高壓氧化2

9、.2 氧化(ynghu)原理共七十二頁SiO2-Si界面的雜質(zhì)分凝（Dopant Segregation）現(xiàn)象： 高溫過程(guchng)中，雜質(zhì)在兩種材料中重新分布 氧化硅吸引受主雜質(zhì)（B）、排斥施主雜質(zhì)（P、 As）（二氧化硅吸硼排磷）氧化對硅表面雜質(zhì)(zzh)分布的影響：2.2 氧化原理共七十二頁硅片清洗（除去硅片上的各種沾污）裝片進爐（手動或自動以5cm/min的速度進入850的恒溫(hngwn)區(qū)）斜坡升溫（以10 /min從850 升到1100 ）氧化（溫度：1100恒溫） 時間：t20min干O260min濕O220min干（O2HCl）2.2 氧化(ynghu)原理4.常規(guī)的氧

10、化工藝溫度時間850oC850oC10oC/min5oC/min1100oCO2+H2O60 minN2N2氧化程序控制曲線O220 minO2+HCl20 min共七十二頁 濕氧氧化 水汽(shu q)產(chǎn)生 裝置2.2 氧化(ynghu)原理共七十二頁斜坡降溫（以5 /min從1100 降到850 ）出片（手動或自動(zdng)以5cm/min的速度移出850的恒溫區(qū)）質(zhì)量檢查（厚度及其均勻性、表面缺陷、固定和可動電荷的檢測）2.2 氧化(ynghu)原理 上述工藝SiO2厚度大約600nm左右溫度時間850oC850oC10oC/min5oC/min1100oCO2+H2O60 minN2

11、N2氧化程序控制曲線O220 minO2+HCl20 min共七十二頁2.2 氧化(ynghu)原理水汽氧化： Si H2O SiO2 H25.先進的氧化工藝(gngy)（氫氧合成氧化工藝(gngy)）共七十二頁2.2 氧化(ynghu)原理濕氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2共七十二頁水汽氧化：Si H2O SiO2 H2濕氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H22.2 氧化(ynghu)原理 H2 O2 H2O氫氧合成工藝氫氧合成(hchng)產(chǎn)生水分子代替去離子水加熱產(chǎn)生水分子共七十二頁2.2 氧化(ynghu)原理 氣體流量(liling)比很重要！共七十二頁氧化水溫氧化速率

12、均勻性重復性結(jié)構(gòu)掩蔽性干氧氧化慢好致密好水汽氧化100 最快差疏松較差濕氧氧化95 快較好適中基本滿足2.2 氧化(ynghu)原理 三種熱氧化層質(zhì)量(zhling)對比：共七十二頁 氧化(ynghu)前 氧化(ynghu)后氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45左右2.2 氧化原理6.氧化消耗硅共七十二頁2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途1. MOS結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層2. 限制帶電載流子的場區(qū)隔離3. 保護器件以免劃傷和離子沾污4. 摻雜過程中的注入阻擋層5. 減小氮化硅與下層之間應力的墊氧化層6. 減小注入損傷及溝道效應的注入屏蔽(pngb)氧化層7. 導電金屬之間的層間

13、介質(zhì)共七十二頁1. 柵氧化層：用做MOS晶體管柵和源漏襯底之間的電介質(zhì)層 注：用熱氧化生長方法(fngf)形成2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁2. 場氧化層：用做單個晶體管之間的隔離阻擋層使它們彼此之間電氣隔離。 (1) 淺槽隔離STI：Shallow Trench Isolation 注：用CVD淀積方法(fngf)形成厚度(hud)2500-15000 2.3 SiO2在集成電路中的用途共七十二頁 厚度(hud)2500-15000 (2) 硅局域氧化LOCOS/選擇性氧化 注：使用干濕干熱(n r)氧化方式形成2.3 SiO2在集成電路中的用途共七十二

14、頁硅局域氧化(ynghu)（LOCOS：local oxidation of silicon)氧化(ynghu)后氧化前2.3 SiO2在集成電路中的用途共七十二頁3. 保護層/鈍化層：保護有源器件和硅表面免受后續(xù)工藝(gngy)的影響2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁4. 摻雜阻擋層：作為注入或擴散摻雜雜質(zhì)到硅中的掩蔽(ynb)材料2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁5. 墊氧層：做氮化硅與硅之間的緩沖(hunchng)層以減小氮化硅與硅之間的應力2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁2.3 Si

15、O2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁6. 注入屏蔽(pngb)氧化層：用于減小注入損傷及減小溝道效應2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁減小溝道效應2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途沿晶向的硅晶格(jn )視圖共七十二頁7. 金屬間的絕緣層：用作金屬連線間的層間介質(zhì)，起絕緣(juyun)作用（使用淀積法形成）2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途1.MOS結(jié)構(gòu)(jigu)的電介質(zhì)層（柵氧化層）2.限制帶電載流子的場區(qū)隔離（場氧化層）

16、3.保護器件以免劃傷和離子沾污（保護層/鈍化層）4.摻雜過程中的注入阻擋層（摻雜阻擋層）5.減小氮化硅與下層之間應力的墊氧化層（墊氧層）6.減小注入損傷及溝道效應的注入屏蔽氧化層（注入屏蔽 氧化層）7.導電金屬之間的層間介質(zhì)（金屬間的絕緣層）共七十二頁氧化(ynghu)層應用的典型厚度：2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁熱生長SiO2 Si 系統(tǒng)(xtng)中的實際電荷情況2.4 SiO2Si界面(jimin)及摻氯氧化界面突變導致各種缺陷的產(chǎn)生，從而引發(fā)各種電荷共七十二頁在實際的SiO2 Si 系統(tǒng)中，存在四種電荷：1. 可動電荷： 指Na、K離子，來源于工

17、藝中的化學試劑、器皿和各種沾污等。2. 固定電荷：指位于SiO2 Si 界面2nm以內(nèi)的未氧化的過剩硅離子，可采用摻氯氧化降低。3. 界面態(tài)：指界面陷阱電荷(結(jié)構(gòu)缺陷、氧化誘生缺陷、懸掛(xungu)鍵），可以采用氫氣退火降低。4. 陷阱電荷：由輻射產(chǎn)生。2.4 SiO2Si界面(jimin)及摻氯氧化共七十二頁摻氯氧化： 在氧化工藝中通常在氧化系統(tǒng)中通入少量的氯氣（濃度在3以下）以改善SiO2的質(zhì)量。其作用(zuyng)有二： 1、氯離子進入SiO2Si界面與正電荷中和以減少界面處的電荷積累 2、氧化前通入氯氣處理氧化系統(tǒng)以減少可動離子沾污2.4 SiO2Si界面(jimin)及摻氯氧化共七

18、十二頁不摻氯熱氧化層 1). 可動電荷（主要是Na離子）密度(md)： 3101211013/cm2 2). 固定電荷密度： 11012/cm2摻氯熱氧化層 1). 可動電荷（主要是Na離子）密度： 2101011011/cm2 2). 固定電荷密度： （13）1011/cm2不摻氯和摻氯氧化(ynghu)層電荷密度的對比：2.4 SiO2Si界面及摻氯氧化共七十二頁2.5 SiO2的質(zhì)量檢查1. 氧化層表面缺陷的檢查 目檢和使用100倍500倍的顯微鏡檢查2. 氧化層厚度及其均勻性的測量 使用觀察法或利用(lyng)臺階儀、膜厚儀、橢偏儀等儀器測量3. 氧化層固定離子電荷和可動離子電荷的測量

19、 使用CV測試儀檢測共七十二頁觀察氧化硅片，通過顏色(yns)的不同估算SiO2 層厚度：2.5 SiO2的質(zhì)量檢查共七十二頁純硅片表面(biomin)生長有二氧化硅膜的硅片2.5 SiO2的質(zhì)量檢查共七十二頁- 需要刻蝕掉部分薄膜才能測量- 豎直方向(fngxing)臺階測量非常精確2.5 SiO2的質(zhì)量檢查臺階(tiji)儀：共七十二頁膜厚儀（光學(gungxu)干涉法）：硅氧化硅入射光（）出射光2.5 SiO2的質(zhì)量檢查共七十二頁 - 測量薄膜厚度非常精確（0.1nm幾個um） - 原理類似膜厚儀，只是測量的是反射光平行和垂直 方向偏振(pin zhn)強度的變化 2.5 SiO2的質(zhì)量

20、檢查橢偏儀：共七十二頁2.5 SiO2的質(zhì)量檢查氧化層固定(gdng)離子電荷和可動離子電荷的測量：共七十二頁2.6 氧化(ynghu)設(shè)備1. 臥式高溫(gown)爐2. 立式高溫爐3. 快速升溫爐共七十二頁2.6 氧化(ynghu)設(shè)備1. 臥式高溫(gown)爐共七十二頁2. 立式高溫爐：節(jié)約凈化室面積、提高(t go)自動化處理水平2.6 氧化(ynghu)設(shè)備共七十二頁立式高溫(gown)爐系統(tǒng)2.6 氧化(ynghu)設(shè)備共七十二頁3. 快速(kui s)升溫爐傳統(tǒng)立式爐與快速升溫立式爐的溫度曲線(qxin)對比2.6 氧化設(shè)備升溫速率：15 /min降溫速率：5 /min升溫速率

21、：100/min降溫速率：60 /min共七十二頁1、工藝腔2、硅片傳輸系統(tǒng)(xtng)3、氣體分配系統(tǒng)4、溫控系統(tǒng)5、尾氣系統(tǒng)2.6 氧化(ynghu)設(shè)備高溫爐的組成：共七十二頁2.7 快速(kui s)熱處理快速熱處理（RTA）是在非常短的時間內(nèi)（幾分之一秒）將單個硅片加熱至4001300溫度范圍的一種方法。RTA的優(yōu)點： 1.減少熱預算（硅工藝過程中需要的熱能：溫度*時間） 2.硅中雜質(zhì)(zzh)運動最小 3.冷壁加熱減少沾污 4.腔體小氣氛潔凈 5.更短的加工時間共七十二頁RTA的應用： 1.離子注入退火，以減小注入損傷和電激活雜質(zhì) 2.沉積氧化膜增密 3.硼磷硅玻璃（BPSG）回流 4.阻