第四章熱氧化

目的 這種氧化硅是沾污并且通常是不需要的 有時(shí)用于存儲(chǔ)器存儲(chǔ)或膜的鈍化 說(shuō)明 在室溫下生長(zhǎng)速率是每小時(shí)15 到最大40 p Siliconsubstrate 二氧化硅 自然氧化層 場(chǎng)氧化層 柵氧化層 阻擋層氧化 目的 保護(hù)有源器件和硅免受后續(xù)工藝的影響 說(shuō)明 熱生長(zhǎng)幾百埃的厚度 阻擋氧化層 摻雜阻擋層 目的 作為摻雜或注入雜質(zhì)到硅片中的掩蔽材料 說(shuō)明 通過(guò)選擇性擴(kuò)散 摻雜物擴(kuò)散到硅片未被掩蔽的區(qū)域 目的 減小氮化硅 Si3N4 應(yīng)力 墊氧化層 注入屏蔽氧化層 金屬層間絕緣阻擋層 10 SiO2層厚度與顏色的關(guān)系 制備SiO2薄膜的方法熱氧化 化學(xué)汽相淀積 CVD 物理汽相淀積 PVD 離子注入氧化 陽(yáng)極氧化等 熱氧化的基本原理 在T 900 1200oC的高溫下 利用硅與氧化劑之間的氧化反應(yīng) 在硅襯底上形成SiO2薄膜 氧化劑可以是純氧O2 干氧氧化 水蒸汽H2O 水汽氧化 或氧和水蒸汽的混合物O2 H2O 濕氧氧化 4 1迪爾和格羅夫氧化模型 滯流層 附面層 的概念將從襯底表面氣體流速v 0處到v 0 99v0處之間的這一層氣體層稱為滯流層 式中v0為主氣流流速 主氣流 v0 氧化劑 基座 滯流層 x y L Cg Cs Cs Co Ci tox 1 氧化劑從主氣流穿過(guò)滯流層擴(kuò)散到SiO2表面 2 氧化劑從SiO2表面擴(kuò)散到SiO2 Si界面上 3 氧化劑到達(dá)SiO2 Si界面后同Si發(fā)生化學(xué)反應(yīng) tsl 熱氧化過(guò)程 上式中 hg Dg ts1為氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù) ks為氧化劑與硅反應(yīng)的界面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù) Co與Cs的關(guān)系可由Henry定律得到 Henry定律說(shuō)明 固體中某種物質(zhì)的濃度正比于其周圍氣體中該種物質(zhì)的分壓 因此SiO2表面處的氧化劑濃度Co為 在平衡狀態(tài)下 式中 H為Henry定律常數(shù) 后一個(gè)等號(hào)是根據(jù)理想氣體定律 將以上各方程聯(lián)立求解 可以得到SiO2 Si界面處的氧化劑濃度為 式中 h hg HkT 在常壓下h ks 故分母中的第二項(xiàng)可以忽略 這說(shuō)明在熱氧化時(shí) 氣流的影響極其微弱 于是可得到SiO2 Si界面處的氧化劑流密度為 SiO2膜的生長(zhǎng)速率和厚度的計(jì)算 將上式的SiO2 Si界面處氧化劑流密度J3除以單位體積的SiO2所含的氧化劑分子數(shù)N1 即可得到SiO2膜的生長(zhǎng)速率 當(dāng)氧化劑為O2時(shí) N1為2 2 1022 cm3 當(dāng)氧化劑為H2O時(shí) N1為4 4 1022 cm3 利用tox 0 t0的初始條件 以上微分方程的解是 式中 或 方程中的參數(shù)A B可利用圖4 2 圖4 3直接查到 要注意的是 當(dāng)氧化層比較厚時(shí) 氧化速率將隨氧化層厚度的變化而改變 因此 如果在氧化開(kāi)始時(shí)已存在初始氧化層厚度t0 則氧化完成后的氧化層厚度并不是無(wú)t0時(shí)氧化得到的氧化層厚度與t0之和 而必須先用t0確定 再將 與t相加得到有效氧化時(shí)間 4 2線性和拋物線速率系數(shù) 當(dāng)tox較薄時(shí) DSiO2 tox ks t A2 4B 此時(shí)SiO2的生長(zhǎng)由化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)ks控制 膜厚與時(shí)間成正比 稱為線性生長(zhǎng)階段 B A稱為線性速率系數(shù) 一 線性速率系數(shù) 此時(shí)SiO2的生長(zhǎng)由擴(kuò)散系數(shù)DSiO2控制 膜厚與成正比 稱為拋物線生長(zhǎng)階段 B稱為拋物線速率系數(shù) 當(dāng)tox較厚時(shí) DSiO2 tox A2 4B 二 拋物線速率系數(shù) 還有一個(gè)問(wèn)題要注意 氧化過(guò)程中要消耗掉一部分襯底中的硅 氧化層厚度tox與消耗掉的硅厚度tsi的關(guān)系是tsi 0 44toxtox 2 27tsi 對(duì)一個(gè)平整的硅片表面進(jìn)行氧化和光刻后 若再進(jìn)行一次氧化 則下面的SiO2 Si面將不再是平整的 三 影響氧化速率的各種因素 1 Thickerathigherthanatlowertemperature 2 Thickerwithwet H2O thanwithdry O2 oxidation 3 Thickeron 111 thanon 100 orientedsurface 不同的氧化劑有不同的氧化速率系數(shù) 氧化速率的大小順序?yàn)?水汽 濕氧 干氧 而氧化膜質(zhì)量的好壞順序則為 干氧 濕氧 水汽 所以很多情況下采用 干氧 濕氧 干氧 的順序來(lái)進(jìn)行氧化 例如 由于MOSFET對(duì)柵氧化膜質(zhì)量的要求特別高 而柵氧化膜的厚度較薄 所以MOSFET的柵氧化通常采用干氧氧化 1 氧化劑種類的影響 在拋物線生長(zhǎng)階段 氧化速率隨著氧化膜的變厚而變慢 因此要獲得較厚氧化膜就需要很高的溫度和很長(zhǎng)的時(shí)間 這時(shí)可采用高壓水汽氧化技術(shù) 即在幾到幾十個(gè)大氣壓下通過(guò)增大氧化劑分壓Pg來(lái)提高氧化速率 2 氧化劑分壓的影響 無(wú)論在氧化的哪一個(gè)階段 氧化速率系數(shù)均與氧化劑的分壓Pg成正比 1 BothBandB AdependedonPg 2 Pressureincrease Pg Fasteroxidation 反過(guò)來(lái) 當(dāng)需要極薄氧化膜的時(shí)候 例如MOSFET的柵氧化 可以采用分壓熱氧化技術(shù) 3 氧化溫度的影響 結(jié)論 4 硅表面晶向的影響 線性速率系數(shù)B A與硅原子晶向有關(guān) 即 拋物線速率系數(shù)B與硅晶向無(wú)關(guān) 5 雜質(zhì)的影響 1 氧化層中高濃度的Na 將增大B和B A 2 氧化劑中若含Cl2 HCl DCE TCE TCA等 將有利于改善SiO2質(zhì)量和SiO2 Si界面性質(zhì) 并會(huì)增大B和B A 3 重?fù)诫s硅比輕摻雜氧化快 硅中硼濃度增大 B增大 B A的變化不大 硅中磷濃度增大 B A增大 B的變化不大 4 3初始階段的氧化 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 在氧化膜厚度tox 30nm的氧化初始階段 氧化速率比由迪爾 格羅夫模型預(yù)測(cè)的快了4倍多 可以通過(guò)對(duì) 值進(jìn)行校正來(lái)提高模型的精度 但是這會(huì)使在氧化膜極薄時(shí)預(yù)測(cè)的氧化膜厚度比實(shí)際的偏厚 解釋氧化初始階段氧化速率增強(qiáng)機(jī)理的模型主要有三種 模型1 氧化劑擴(kuò)散穿過(guò)SiO2層的速率加快 模型2 氧化劑在SiO2層中的溶解度增加 模型3 氧化反應(yīng)在SiO2層的一定厚度內(nèi)發(fā)生 4 4SiO2的結(jié)構(gòu) SiO2分為結(jié)晶形和無(wú)定形兩類 結(jié)晶形SiO2由Si O四面體在空間規(guī)則排列而成 如水晶 無(wú)定形SiO2是Si O四面體在空間無(wú)規(guī)則排列而成 為透明的玻璃體 非晶體 其密度低于前者 如熱氧化的SiO2 CVD淀積的SiO2等 Si O四面體的結(jié)構(gòu)是 4個(gè)氧原子位于四面體的4個(gè)角上 1個(gè)硅原子位于四面體的中心 每個(gè)氧原子為兩個(gè)相鄰四面體所共有 SiO2中硅原子要運(yùn)動(dòng)須打斷四個(gè)Si O鍵 而氧原子的運(yùn)動(dòng)最多打斷兩個(gè)鍵 因此硅空位的出現(xiàn)比氧空位要困難得多 4 5SiO2的特性 一 二 化學(xué)性質(zhì)SiO2的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定 僅被HF酸腐蝕 三 SiO2的掩蔽作用雜質(zhì)在SiO2中有兩種存在形式 B P As Sb等 族雜質(zhì)是替位式雜質(zhì) 在SiO2中替代硅原子 在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很小 其中 族雜質(zhì)形成負(fù)電中心 使非橋聯(lián)氧轉(zhuǎn)變成橋聯(lián)氧 增強(qiáng)SiO2網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度 族雜質(zhì)形成正電中心 使橋聯(lián)氧轉(zhuǎn)變成非橋聯(lián)氧 減弱SiO2網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度 Na K Pb Ca等的氧化物以離子形式存在于SiO2網(wǎng)絡(luò)的間隙中 是填隙式雜質(zhì) 在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很大 網(wǎng)絡(luò)中氧離子增加使非橋聯(lián)氧增多 網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度減弱 熔點(diǎn)降低 間隙式雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響器件的穩(wěn)定性和可靠性 水汽中的羥基起類似的作用 四 氧化膜的質(zhì)量檢測(cè)1 氧化膜厚度的測(cè)量方法 1 光干涉法 42 SiO2層厚度與顏色的關(guān)系 2 橢圓偏振光法 4 擊穿電壓法 5 電容法 6 比色法 3 臺(tái)階儀法 2 氧化膜缺陷的檢測(cè)包括氧化膜針孔 氧化誘生層錯(cuò)的檢測(cè) 5 氧化膜應(yīng)力的測(cè)量圓盤彎曲法 基片彎曲法 X射線法和電子衍射技術(shù) 3 氧化膜介電系數(shù)的測(cè)量 4 氧化膜擊穿特性的測(cè)量 4 6摻雜雜質(zhì)對(duì)氧化過(guò)程的影響 在熱氧化過(guò)程中 硅襯底中的雜質(zhì)分布會(huì)發(fā)生改變 這稱為襯底雜質(zhì)的再分布 引起襯底雜質(zhì)再分布的原因有 1 雜質(zhì)在Si SiO2中平衡濃度不同 2 雜質(zhì)在Si SiO2中擴(kuò)散速度不同 3 氧化速度與氧化層厚度 熱氧化時(shí)雜質(zhì)在SiO2 Si界面再分布的4種情況 a 氧化層中慢擴(kuò)散 硼 b 氧化層中快擴(kuò)散 硼 H2氣氛下 c 氧化層中慢擴(kuò)散 磷 d 氧化層中快擴(kuò)散 鎵 熱氧化過(guò)程中硅中雜質(zhì)再分布的規(guī)律1 硅中摻硼 1 溫度一定時(shí) 水汽氧化 濕氧氧化 導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度增大 其NS NB小于干氧氧化 2 相同氧化氣氛下 氧化溫度越高 硼向硅表面擴(kuò)散速度加快 補(bǔ)償了雜質(zhì)的損耗 NS NB趨于1 2 硅中摻磷 1 溫度一定時(shí) 水汽氧化 濕氧氧化 導(dǎo)致雜質(zhì)再分布程度增大 其NS NB大于干氧氧化 2 相同氧化氣氛下 氧化溫度越高 磷向硅內(nèi)擴(kuò)散的速度越快 表面堆積現(xiàn)象減小 NS NB趨于1 4 7氧化誘生堆垛層錯(cuò) 熱氧化有一種副效應(yīng) 即釋放出高密度的自填隙硅原子 這些過(guò)剩的填隙原子構(gòu)成了點(diǎn)缺陷 并延伸成氧化誘生堆垛層錯(cuò) OSF OSF是一種二維缺陷 是插入到晶格中有限范圍的額外原子面 并終止于位錯(cuò) 通常存在于 111 面 當(dāng)原來(lái)存在如離子注入引起的缺陷時(shí) 很容易誘生出OSF 降低氧化溫度 采用高壓氧化 在氧氣中加入少量HCl等措施 可以抑制氧化誘生堆垛層錯(cuò)的產(chǎn)生 3 8柵絕緣層的替代物 MOSFET的柵氧化層厚度一直在不斷減薄 但是進(jìn)一步的減薄將受到下面幾個(gè)因素的限制 首先 當(dāng)柵氧化層非常薄時(shí) 柵極與溝道之間的電子直接隧穿電流將顯著增大 導(dǎo)致柵電流的增大和輸入阻抗的下降 其次 太薄的柵氧化層難以掩蔽雜質(zhì)向溝道區(qū)的擴(kuò)散 采用高介電常數(shù)的材料代替SiO2作為柵絕緣層 可以在不降低柵絕緣層厚度的情況下 獲得足夠大的柵電容 SiOxNy或HfO2是這類替代材料 4 9氧化系統(tǒng) 根據(jù)集成電路的要求確定氧化工藝1 高質(zhì)量氧化 干氧氧化或分壓氧化 2 厚層的局部氧化或場(chǎng)氧化 干氧 濕氧 干氧 或高壓水汽氧化 3 低界面態(tài)氧化 摻氯氧化 濕氧氧化加摻氯氣氛退火或分壓氧化 H2O或O2 N2或Ar或He等 主要采用臥式氧化爐 要求溫度可在400 1200oC的范圍內(nèi)設(shè)定 并在足夠長(zhǎng)的區(qū)域 稱為恒溫區(qū) 內(nèi)達(dá)到小于0 5oC的均勻性 4 10小結(jié) 本章首先介紹了熱氧化的迪爾 格羅夫模型 它能精確預(yù)測(cè)各種氧化條件下的氧化層厚度 對(duì)于薄氧化層 觀察到生長(zhǎng)速率增強(qiáng)現(xiàn)象 給出了解釋這個(gè)現(xiàn)象的幾種模型 介紹了SiO2的結(jié)構(gòu)和特性 討論了氧化過(guò)程對(duì)硅中雜質(zhì)濃度及其分布的影響 氧化會(huì)在硅內(nèi)產(chǎn)生氧化誘生堆垛層錯(cuò) 其原因是工藝過(guò)程中產(chǎn)生的高密度自填隙硅原子 最后介紹了氧化系統(tǒng) 習(xí)