熱氧化工藝課件

1、 第一章 熱氧化工藝(Thermal Oxidation)微電子制造科學原理與工程技術第4章 熱氧化(電子講稿中出現(xiàn)的圖號是該書中的圖號)硅的熱氧化工藝(Thermal Oxidation) 二氧化硅的性質和用途 熱氧化原理(Deal-Grove 模型) 熱氧化工藝（方法）和系統(tǒng) 熱氧化工藝的質量檢測參考資料：分子數(shù)密度：2.2 1022 cm3一、二氧化硅(Si02)的性質和用途熱氧化方法制備的二氧化硅是無定形結構(硅的密度：2.33gcm3)密度：2.27gcm3分子量：60.09(硅的原子量：28.09)(硅的原子數(shù)密度：5 1022 cm3)（一）SiO2的結構4個O原子位于四面體的頂

2、點，Si位于四面體中心。橋位O原子與2個Si原子鍵合；其它O原子只與1個Si鍵合 介電強度高： 10 MV/cm 最小擊穿電場(非本征擊穿)：由缺陷、雜質引起 最大擊穿電場(本征擊穿)：由SiO2厚度、導熱性、 界面態(tài)電荷等決定； 氧化層越薄、氧化溫度越低，擊穿電場越低1、二氧化硅的絕緣特性 電阻率高： 1 1014 cm 1 1016 cm 禁帶寬度大： 9 eV 介電常數(shù)：3.9 (熱氧化二氧化硅膜)（二）SiO2的性質 B、P、As 等常見雜質在SiO2中的擴散系數(shù)遠小于其 在Si中的擴散系數(shù)。DSi DSiO2 SiO2做掩蔽膜要有足夠的厚度：對特定的雜質、擴散 時間、擴散溫度等條件，

3、有一最小掩蔽厚度。某些雜質，如Ga，Na，O，Cu，Au等，是SiO2中的快速擴散雜質。2、二氧化硅的掩蔽性質 在一定溫度下，能和強堿(如NaOH，KOH等)反 應，也有可能被鋁、氫等還原。3、二氧化硅的化學穩(wěn)定性 二氧化硅是硅的最穩(wěn)定化合物，屬于酸性氧化物， 不溶于水。 耐多種強酸腐蝕，但極易與氫氟酸反應。 （三）二氧化硅在IC中的主要用途 用做雜質選擇擴散的掩蔽膜 用做IC的隔離介質和絕緣介質 用做電容器的介質材料 用做MOS器件的絕緣柵材料SiO2在一個PMOSFET結構中的應用 (剖面示意圖)（四）IC中常見的SiO2生長方法：熱氧化法、淀積法問題：生長厚度為Tox的二氧化硅，估算需要

4、消耗多少厚度的硅?二、熱氧化原理(Deal-Grove 模型)（一） 二氧化硅的生長(化學過程)干氧氧化（二）熱氧化生長動力學 (物理過程)J1：粒子流密度： J2：擴散流密度 J3：反應流密度（三）熱氧化工藝的Deal-Grove 模型C：氧化劑濃度(1) 氧化劑由氣相傳輸至SiO2的表面，其粒子流密度J1 (即單位時間通過單位面積的原子數(shù)或分子數(shù))為：1、D G 模型hG 氣相質量輸運系數(shù)，單位：cm/secCG 氣相(離硅片表面較遠處)氧化劑濃度Cs SiO2表面外側氧化劑濃度D0 氧化劑在SiO2中的擴散系數(shù)，單位：cm2/secC0 SiO2表面內側氧化劑濃度Ci SiO2-Si界面

5、處氧化劑濃度T0 x SiO2厚度(2) 位于SiO2表面的氧化劑穿過已生成的SiO2層擴散到 SiO2-Si界面，其擴散流密度J2為：線性近似，得到Ks 氧化劑在SiO2 -Si界面處的表面化學反應速率常數(shù)， 單位：cm/sec(3) SiO2-Si界面處，氧化劑和硅反應生成新的SiO2 ，其 反應流密度J3為：Ci SiO2-Si界面處氧化劑濃度平衡狀態(tài)下，有得到兩個方程式，但有三個未知量：Cs Co Ci求 解剩下兩個未知量：C0和Ci亨利定律：固體表面吸附元素濃度與固體表面外側氣 體中該元素的分氣壓成正比 理想氣體定律H亨利氣體常數(shù)+ 兩個方程可求解Ci和C0兩個方程式，但有三個未知量

6、：Cs Co Ci定義則有：其中N1是形成單位體積SiO2所需的氧化劑分子數(shù)或原子數(shù)。通過解方程，可以得到因此，有，將J3與氧化速率聯(lián)系起來，有N1=2.21022cm-3(干氧O2) N1=4.4 1022cm-3(水汽H2O)邊界條件上述方程式的解可以寫為：其中， 介于(1)、(2)兩者之間的情況，Tox t關系要用求根公式表示：（1）氧化層厚度與氧化時間的關系式： 氧化層足夠薄(氧化時間短)時，可忽略二次項，此時Tox t為線性關系：其中B/A為線性氧化速率常數(shù) 氧化層足夠厚(氧化時間長)時，可忽略一次項，此時Tox t為拋物線關系：其中B為拋物線氧化速率常數(shù)2、主要結論（2）氧化速率與

7、氧化層厚度的關系氧化速率隨著氧化層厚度的增加（氧化時間的增加）而下降圖4.6 各種薄干氧氧化情況下，氧化速率與氧化層厚度之間 的關系，襯底是輕微摻雜的 (1 0 0) 硅。 線性氧化區(qū)： 拋物線氧化區(qū)：討 論也稱反應限制氧化區(qū)也稱擴散限制氧化區(qū) D-G模型在很寬的參數(shù)范圍內與實際氧化速率吻合， 但對于薄干氧氧化層的生長，D-G模型嚴重低估氧化層厚度。 根據D-G模型，氧化層厚度趨于零(氧化時間接近于零)時， 氧化速率接近于一個常數(shù)值：初始快速氧化階段但實際工藝結果顯示，初始氧化速率比預計值大了4倍或更多。D-G干氧模型中給出一個值，來補償初始階段的過度生長。3、D G 模型的修正濕氧工藝的氧化

8、速率常數(shù)干氧工藝的氧化速率常數(shù)參數(shù)B和B/A可寫成Arrhenius函數(shù)形式。 參數(shù)B的激活能EA取決于氧化劑的擴散系數(shù)(D0)的激活能；B和B/A4、參數(shù)B和B/A的溫度依賴關系在各種氧化工藝條件下，參數(shù)B和B/A都可以確定下來，并且是擴散系數(shù)、反應速率常數(shù)和氣壓等工藝參數(shù)的函數(shù)。 參數(shù)B/A的激活能取決于Ks，基本上與SiSi鍵合力一致。B/A:線性速率常數(shù)B:拋物線速率常數(shù)圖4.2 氧化系數(shù)B的阿列尼烏斯圖，濕氧氧化參數(shù)取決于水汽濃度(進而取決于氣流量和高溫分解條件)圖4.3 氧化系數(shù)B/A的阿列尼烏斯圖I 氧化速率常數(shù)的實驗獲取方法補 充氧化層厚度氧化時間關系圖II 計算熱氧化工藝生長

9、SiO2厚度的方法(例子)(1) 查表4.1得到1100下濕氧氧化的B，B/A數(shù)值，并結合Toxi 值計算出 求解Tox即可方法 1：(2) 將B，A， 及氧化時間t代入方程式(3) 再在氧化厚度氧化時間圖 上直接查找1100下，濕氧 氧化57分鐘所得到的氧化層 厚度為6500A左右。方法 2(1) 在氧化厚度-氧化時間圖上可直接查找1100下，濕氧 氧化Toxi=4000所需的氧化時間是24分鐘；(2) 因此例題中總的有效氧化 時間為(24+33)=57分鐘 (此處即假設初始氧化層厚度為0)；利用氧化厚度-氧化時間圖5、影響氧化速率的因素(1) 溫度對氧化速率的影響：(2) 氧化氣氛對氧化速

10、率的影響：(3) 氧化劑氣壓對氧化速率的影響：當氧化劑氣壓變大時，氧化反應會被加速進行。(4) 硅片表面晶向對氧化速率的影響：由于Ks取決于硅表面的密度和反應的活化能，而的硅表面原子密度較高，Ks相對較大；所以的氧化速率比快。溫度 B和B/A 氧化速率 C*(H2O氣氛) C*(O2氣氛) H2O氧化速率遠大于O2 氧化速率B C* PG圖4.5 高壓水汽氧化中的拋物線和線性速率系數(shù)(引自Razouk等人文獻，經電化學協(xié)會準許重印) 雜質的增強氧化效應 高濃度襯底雜質一般都傾向于提高氧化速率注意：雜質的增強氧化不僅造成硅片表面氧化層厚度的差異，也形成新的硅臺階。(5) 襯底摻雜對氧化的影響圖4

11、.19 900下，干氧氧化的速率系數(shù)與磷表面濃度的函數(shù)關系曲線(引自Ho等人文獻，經電化學協(xié)會準許重印)高濃度的磷在硅表面增加空位密度，從而提高硅的表面反應速率。圖4.18 在三種不同的硼表面濃度下，二氧化硅厚度與濕氧氧化時間的關系(引白DeaI等人文獻，經電化學協(xié)會準許重印)高濃度的硼進入SiO2中可增強分子氧擴散率，從而提高其拋物線氧化速率。氧化過程中硅內的雜質會在硅和新生長的SiO2之界面處重新分布，這是由于雜質在硅和SiO2中的固溶度不同引起的。 分凝效應 干氧氧化的氧化劑 O2 濕氧氧化的氧化劑 O2 + 水的混合氣體。（一）熱氧化工藝(方法) O2加少量鹵素（1%-3%），最常用的

12、鹵素是氯 高溫下O2和H2混合點火燃燒形成水蒸汽(H2O) 1、最常見的氧化方法：2、其他常用的氧化環(huán)境：三、熱氧化工藝（方法）和系統(tǒng)（按氧化劑分類）干氧氧化和濕氧氧化1) 硅片送入爐管，通入N2及小流量O2； 2) 升溫，升溫速度為530/分鐘；3) 通大流量O2，氧化反應開始；4) 通大流量O2及TCE (0.52)；5) 關閉TCE，通大流量O2，以消 除殘余的TCE；6) 關閉O2，改通N2，作退火；7) 降溫，降溫速度為21 0/分鐘；8) 硅片拉出爐管。3、氧化工藝的主要步驟TCE：三氯乙烯以干氧氧化為例(1) 干氧氧化：氧化速率慢，SiO2膜結構致密、干燥(與光 刻膠粘附性好)，

13、掩蔽能力強。(2) 濕氧氧化：氧化速率快，SiO2膜結構較疏松，表面易有缺 陷，與光刻膠粘附性不良。 (濕氧環(huán)境中O2和 H2O的比例是關鍵參數(shù))(3) 氫氧合成氧化：氧化機理與濕氧氧化類似，SiO2膜質量取 決于H2，O2純度(一般H2純度可達99.9999，O2純度 可達 99.99)；氧化速率取決于H2和O2的比例。(3) 摻氯氧化：減少鈉離子沾污，提高SiO2Si界面質量；氧 化速率略有提高。 (常用的氯源：HCI，TCE，TCA等)4、不同氧化方法的特點圖4.4 氯對氧化速率系數(shù)的影響1、局部氧化(LOCOS，Local Oxidation of Si)（二）lC制造中常用的氧化工藝

14、(技術)：(1) 柵氧化工藝是CMOS IC制造的關鍵工藝，基本要求： 柵氧化層?。啥龋?； 柵氧化溫度低（保證氧化工藝的均勻性和重復性）。(2) 摻氯氧化可使氧化物缺陷密度顯著減少，但溫度低于1000 時氯的鈍化效果差。一般的柵氧化工藝采取兩步氧化法： 800900，O2+HCl氧化； 升溫到10001100，N2 + HCl退火(3) 對于100及更薄厚度的氧化層，通常采用的氧化工藝還有： 稀釋氧化：氧化氣氛為O2和惰性氣體(如Ar)的混合物 低壓氧化：降低氧化爐中的氣壓(改用CVD設備) 快速熱氧化(Rapid Oxidation)：采用快速熱處理設備(4) 在柵氧化層厚度縮小到20后

15、：需要發(fā)展替代的柵介質層材料，如氮氧化硅、高K介質材料等。2、柵氧化工藝 降低氧化溫度，縮短氧化時間，使IC制造可采用低溫工藝； 氧化層質量較好，降低漏電流，改善電特性； 氧化層密度高于常壓氧化，表面態(tài)密度低于常壓氧化； 局部氧化時Si3N4轉化成SiO2的速度隨壓力上升而下降，因 此可采用更薄的Si3N4及消氧，這有利于減小“鳥嘴效應。 3、高壓氧化一般的氧化工藝都是在常壓下進行，高壓氧化是指提高氧化劑氣壓的氧化方法。高壓氧化工藝特別適于生長厚氧化層，(1) 優(yōu)點：(2) 高壓氧化可采用干氧、濕氧和氫氧合成氧化的方法進行。 但因為設備昂貴，故尚未被廣泛采用。1、常見的熱氧化設備主要有臥式和立

16、式兩種。臥式爐系統(tǒng)組成示意圖（三）氧化設備(系統(tǒng))2、一個氧化爐管系統(tǒng)主要由四部分組成： 控制器、硅片裝卸區(qū)、爐管主體區(qū)和氣體供應柜(1) 爐溫控制：精度、穩(wěn)定度、恒溫區(qū)、對溫度變化響應。先 進設備的溫度偏差可控制在0.5。(2) 推拉舟系統(tǒng)：凈化環(huán)境，粉塵沾污少(3) 氣路系統(tǒng)： 可靠性、控制精度和響應速度、氣流狀況(密封性)(4) 安全性。3、一個優(yōu)良的氧化系統(tǒng)應具備的特點：4、立式氧化爐管，其類似于豎起來的臥式爐。三管臥式爐系統(tǒng)ASM A412 300mm雙體立式爐系統(tǒng) (1) 易實現(xiàn)自動化。(2) 硅片水平放置，承載舟不會因重力而發(fā)生彎曲；熱氧 化工藝均勻性比臥式爐好。(3) 潔凈度高

17、，產塵密度小。(4) 設備體積小，在潔凈室占地少，安排靈活。 立式氧化爐管的優(yōu)點： 立式爐管在大尺寸硅片(200mm/300mm)的氧化工藝中 已取代了臥式爐管，成為工業(yè)界標準設備。 質量檢測是氧化工藝的一個關鍵步驟 氧化層質量的含義包括：厚度、介電常數(shù)、折射率、 介電強度、缺陷密度等 質量檢測需要對上述各項指標的絕對值、其在片內及片間 的均勻性進行測量 質量檢測的方法一般可分為：物理測量、光學測量、 電學測量四、熱氧化工藝的質量檢測 臺階法： HF腐蝕出SiO2臺階后，探針掃描過臺階，取得硅 片表面輪廓，確定臺階高度。精度較高。 SEM(掃描電子顯微鏡)1000；TEM(透射電子顯微鏡)技術

18、 橢圓偏振光法：精度高，非破壞性測量。（一）氧化膜厚度的檢測方法 干涉法：非破壞性測量，適于測量數(shù)百以上的薄膜。 (Nanospec) 比色法：不同厚度的SiO2膜呈現(xiàn)不同顏色。 (見教材75頁表4.2) 電容法：通過測量固定面積MOS結構的電容，來推算氧化層厚度。（二）氧化膜的電學測量方法：1、擊穿電壓2、電荷擊穿特性：3、電容-電壓(C-V)測試：增加電容器電壓，測量通過氧化層的電流熱氧化硅的介電強度大約為12MV/cm；給氧化層加剛好低于擊穿電場的電應力，測量電流隨時間的變化關系。TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown) 測試根據C-V曲線及其溫

19、偏特性，可以判斷氧化層厚度、氧化層中的固定電荷密度、可動電荷密度和界面態(tài)密度等。本征擊穿取決于厚度，非本征擊穿取決于缺陷；擊穿電壓的統(tǒng)計分布反映氧化層質量。 擊穿電壓： 電荷擊穿特性：擊穿由電荷在氧化層中的積累而造成。 電容-電壓(C-V)測試：偏溫應力法：1) 提取MOS電容C-V曲線；2) 樣品加熱到 100C，在柵極加2-5meV/cm,保持10-20分鐘,冷卻到室溫做C-V曲線；3) 加負偏壓，重復上述過程。 Si-SiO2的界面特性比較穩(wěn)定，重復性好。 Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷影響器件性能和可靠性1、Si-SiO2系統(tǒng)中的電荷和界面特性(2) 固定氧化層電荷Qf：在距Si-SiO2界面約30的SiO2里面， 通常帶正電，是由于SiO2中存在過剩的Si原子引起的。數(shù) 量大約在10101012/cm2。 高溫退火和加速氧化層的冷卻可以降低Qf。 氧化溫度越高，Si-SiO2的