集成電路工藝第二章氧化

1、集成電路工藝第二章氧化第1頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四氧化工藝目的： 在硅片上生長一層二氧化硅層以保護硅片表面、器件隔離、屏蔽摻雜、形成電介質(zhì)層等。氧化是硅基集成電路的基礎(chǔ)工藝之一第2頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四 氧化原理硅熱氧化的概念：硅熱氧化是氧分子或水分子在高溫下與硅發(fā)生化學反應(yīng)，并在硅片表面生長氧化硅的過程。熱氧化分為干氧、濕氧、水汽氧化，其化學反應(yīng)式： 干氧氧化：SiO2 SiO2 濕氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2 水汽氧化：Si H2O SiO2 H2 硅的氧化溫度：750 1100第3頁，共34頁，2022年，5

2、月20日，1點35分，星期四加熱器第4頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四氧化過程氧化劑（氧分子或水分子）通過擴散到達Si與Si02界面同Si發(fā)生反應(yīng)，其過程如下：1、氧化劑擴散穿過滯留層達到SiO2 表面，其流密度為F1 。2、氧化劑擴散穿過SiO2 層達到SiO2-Si界面，流密度為F2 。3、氧化劑在Si 表面與Si 反應(yīng)生成SiO2 ，流密度為F3 。4、反應(yīng)的副產(chǎn)物離開界面。第5頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四氧化物生長速率氧化層生長第一階段（150 ）線性：氧化層生長第二階段（ 150） 拋物線生長階段：其中X為氧化層厚度B/A為線性速率

3、系數(shù)、B為拋物線速率系數(shù)t為生長時間B/A和B與溫度、氧化劑濃度，反應(yīng)室壓力等因素有關(guān)。第6頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四氧化物生長曲線第7頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四影響二氧化硅生長的因素氧化溫度：氧化時間：摻雜效應(yīng)：重摻雜的硅要比輕摻雜的氧化速率快硅片晶向：硅單晶的氧化速率比稍快反應(yīng)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第8頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四常規(guī)氧化工藝硅片清洗（除去硅片上的各種沾污）進片/出片（進出850溫區(qū)的速度：5cm/分）質(zhì)量檢查（厚度及其均勻性、表面缺陷、固定和可

4、動電荷的檢測）SiO2厚度大約600nm左右 常規(guī)氧化程序曲線第9頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四常規(guī)氧化工藝濕氧氧化 水汽產(chǎn)生裝置第10頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四氫氧合成氧化工藝氫氧合成產(chǎn)生水分子代替去離子水加熱產(chǎn)生水分子氫氧合成的化學反應(yīng)方程式：2H2 O2 = 2H2O（氫氧合成溫度750）氫氧合成工藝中，特別注意H2與O2的流量比！第11頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四熱生長SiO2 Si 系統(tǒng)中的實際電荷情況熱生長SiO2 Si 系統(tǒng)第12頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四在實際的Si

5、O2 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(缺陷、懸掛鍵），可以采用氫氣退火降低。4. 陷阱電荷：由輻射產(chǎn)生。熱生長SiO2 Si 系統(tǒng)第13頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四在氧化工藝中，通常在氧化系統(tǒng)中通入少量的HCl氣體（濃度在3以下）以改善SiO2的質(zhì)量。其優(yōu)點： 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摻氯氧化

6、工藝第14頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四不摻氯熱氧化層 1. 可動電荷（主要是Na離子）密度： 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不摻氯和摻氯氧化層電荷密度的對比第15頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四氧化消耗硅 氧化前 氧化后 氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45左右第16頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四選擇性氧化：常用于硅的局部場氧化LOCOS （LOCa

7、l Oxidation of Silicon）氧化前氧化后第17頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四三種熱氧化層質(zhì)量對比質(zhì)量氧化水溫氧化速率均勻性重復(fù)性結(jié)構(gòu)掩蔽性干氧氧化慢好致密好濕氧氧化95 快較好適中基本滿足水汽氧化102 最快差疏松較差第18頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四1. 結(jié)構(gòu)及質(zhì)量：熱生長的比沉積的結(jié)構(gòu)致密， 質(zhì)量 好。2. 成膜溫度：熱生長的比沉積的溫度高。 可在400獲得沉積氧化層，在第一層金屬布線形成完進行，做為金屬之間的層間介質(zhì)和頂層鈍化層。3. 硅消耗：熱生長的消耗硅，沉積的不消耗硅。熱生長氧化層與沉積氧化層的區(qū)別第19頁，共

8、34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四 SiO2層的質(zhì)量檢查氧化層表面缺陷的檢查 目檢和使用100倍500倍的顯微鏡檢查氧化層厚度及其均勻性的測量 利用光學干涉原理使用膜厚儀、橢偏儀等儀器測量氧化層固定離子電荷和可動離子電荷的測量 使用CV測試儀檢測第20頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四 通過顏色的不同可估算SiO2 層厚度第21頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四SiO2結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途SiO2的原子結(jié)構(gòu)：屬于非晶體、無定形結(jié)構(gòu)，Si-O 四面體在空間無規(guī)則排列。第22頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四物理性質(zhì)Si

9、SiO2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擊穿場強（V/cm）3 1056 106 SiO2的物理性質(zhì)第23頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四SiO2的化學性質(zhì) 無論是結(jié)晶型或無定型的二氧化硅，都有很高的化學穩(wěn)定性，它不溶于水，只能和氫氟酸發(fā)生化學反應(yīng)。在高溫下，能使活潑的金屬或非金屬還原。第24頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四SiO2在集成電路中的用途1. 柵氧層：做MOS結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層（熱生長）2. 場氧層：限制帶電載流子的場區(qū)隔離（

10、熱生長或沉積）3. 保護層：保護器件以免劃傷和離子沾污（熱生長） 4. 注入阻擋層：局部離子注入摻雜時，阻擋注入摻雜（熱生長）5. 墊氧層：減小氮化硅與硅之間應(yīng)力（熱生長）6. 注入緩沖層：減小離子注入損傷及溝道效應(yīng)（熱生長）7. 層間介質(zhì)：用于導電金屬之間的絕緣（沉積）第25頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四氧化層應(yīng)用的典型厚度第26頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四高溫爐設(shè)備臥式爐立式爐快速熱處理（RTP）。單片第27頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四氧化設(shè)備臥式高溫爐第28頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四第29頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四立式爐系統(tǒng)第30頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四高溫爐的組成1、工藝腔2、硅片傳輸系統(tǒng)3、氣體分配系統(tǒng)4、溫控系統(tǒng)5、尾氣系統(tǒng)第31頁，共34頁，2022年，5月20日，1點35分，星期四快速熱處理快速熱處理（RTP）是在非常短的時間內(nèi)（經(jīng)常是幾分之一秒）將單個硅片加熱至4001300溫度范圍的過程。RTP的優(yōu)點： 1. 減少熱預(yù)算 2. 硅中雜質(zhì)運動最小 3. 冷壁加熱減少沾污 4. 腔體小氣氛潔凈 5. 更短的加工時間第32頁，共34頁，2022年，5月2