集成電路工藝__熱氧化薄膜技術(shù)

1、微電子工藝學(xué)Microelectronic Processing第三章 熱氧化和薄膜制備技術(shù)張道禮張道禮 教授教授Email: Email: zhang-zhang-Voice: 87542894Voice: 87542894在微電子器件中廣泛使用著各種薄膜，這些薄膜可以粗略地分為五大類：熱氧化薄膜、電介質(zhì)薄膜、外延薄膜、多晶硅薄膜以及金屬薄膜。其特點(diǎn)是：一、在微電子器件中用途各異，例如：熱氧化薄膜和電介質(zhì)薄膜 導(dǎo)電層之間的絕緣層，擴(kuò)散和離子注入的掩模，防止摻雜雜質(zhì)損失而覆蓋在摻雜膜上的覆蓋膜或鈍化膜；外延薄膜 器件工作區(qū)；多晶硅薄膜 MOS 器件中的柵級材料，多層金屬化的導(dǎo)電材料以及淺結(jié)器件

2、的接觸材料；金屬膜和金屬硅化物薄膜 形成低電阻內(nèi)連、歐姆接觸及用來調(diào)整金屬與半導(dǎo)體之間的勢壘。3.1 3.1 概述概述二、用于制備薄膜的材料種類繁多，二、用于制備薄膜的材料種類繁多，例如：硅和砷化鎵等半導(dǎo)體材料；金和鋁等金屬材料；二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、氧化鋁等無機(jī)絕緣材料；多晶硅和非晶硅等無機(jī)半絕緣材料；鉬、鎢等難熔金屬硅化物及重?fù)诫s多晶硅等非金屬低阻材料；聚亞酰胺類有機(jī)絕緣樹脂材料等等。正因?yàn)槿绱?，微電子工藝中的薄膜制備方法千差萬別，特點(diǎn)各異。薄膜淀積技術(shù)一直在飛速進(jìn)步，發(fā)展出了很多種類，已經(jīng)成為一門獨(dú)立的工藝技術(shù)學(xué)科，相應(yīng)的理論研究非常深入和廣泛，從經(jīng)典的熱力學(xué)理論到建立在原子級觀測

3、的成核理論，幾乎涉及到薄膜科學(xué)的每個(gè)方面。3.1 3.1 概述概述二氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)二氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)結(jié)晶形和非結(jié)晶形（無定形）二氧化硅都是SiO正四面體結(jié)構(gòu)組成的。這些四面體通過各種不同的橋鍵氧原子連接起來，形成各種不同狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的二氧化硅。微電子工藝中采用的二氧化硅薄膜是由熱氧化法生長的無定形結(jié)構(gòu)(長程無序但短程有序長程無序但短程有序)。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜 橋鍵氧原子：橋鍵氧原子：位于四面體之間，為兩個(gè)硅原子所共有的氧原子稱橋鍵氧原子。 非橋鍵氧原子：非橋鍵氧原子：只與一個(gè)四面體（硅原子）相連的氧原子稱非橋鍵氧原子。它還能接受一個(gè)電子以維持八電子穩(wěn)定結(jié)

4、構(gòu)。橋鍵氧越少，非橋鍵氧越多，二氧化橋鍵氧越少，非橋鍵氧越多，二氧化硅網(wǎng)絡(luò)就越疏松。通常的二氧化硅硅網(wǎng)絡(luò)就越疏松。通常的二氧化硅膜的密度約為膜的密度約為2.20g/cm2.20g/cm33.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜 網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑：網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑：網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑即間隙式雜質(zhì)，處于SiO四面體網(wǎng)絡(luò)空隙中孔洞位置，主要有Na, K, Pb, Ca, Ba等正離子。其特點(diǎn)是離子半徑較大，多以氧化物形式摻入SiO2膜。電離后，雜質(zhì)正離子占據(jù)網(wǎng)絡(luò)空隙位置，而氧離子進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，使得在一個(gè)橋鍵氧處出現(xiàn)兩個(gè)非橋鍵氧。 網(wǎng)絡(luò)形成劑：網(wǎng)絡(luò)形成劑：網(wǎng)絡(luò)形

5、成劑即替位式雜質(zhì)，在SiO四面體中可取代硅原子并形成網(wǎng)絡(luò)，主要有B, P, Sb,等正離子。其特點(diǎn)是離子半徑較與硅原子半徑相近或更小。在無定形SiO2網(wǎng)絡(luò)中，硅在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)比氧的擴(kuò)散系數(shù)小幾個(gè)數(shù)量級。在熱氧化法制備的過程中，是氧或水汽等氧化劑穿過SiO2層，到達(dá)Si- SiO2界面，與硅反應(yīng)生成SiO2 ，而不是硅向SiO2外表面運(yùn)動，在表面與氧化劑反應(yīng)生成SiO23.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜二氧化硅的主要性質(zhì)二氧化硅的主要性質(zhì)密度：密度是SiO2致密程度的標(biāo)志。無定形二氧化硅的密度一般為2.21 g/cm3，結(jié)晶形SiO2的密度為2.65 g/cm3。折射率

6、：折射率是表征SiO2薄膜光學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。不同方法制備的SiO2薄膜由于密度不同，折射率也稍有差別。一般來說，密度大的SiO2薄膜具有較大的折射率。波長為550 nm 時(shí)， SiO2折射率約為1.46。電阻率：SiO2電阻率高低與制備方法及所含雜質(zhì)數(shù)量等因素有關(guān)。高溫干氧氧化制備的SiO2 ，電阻率高達(dá)1017 cm以上。介電強(qiáng)度：當(dāng)SiO2薄膜被用作絕緣介質(zhì)時(shí)，常用介電強(qiáng)度即用擊穿電壓參數(shù)來表示耐壓能力。SiO2薄膜的介電強(qiáng)度與致密程度、均勻性、雜質(zhì)含量等因素有關(guān)，一般為106107 V/cm。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜介電常數(shù)：介電常數(shù)是表征電容性能的重要參數(shù)

7、。對于MOS電容器，其電容量與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為： ，其中SiO2為SiO2的相對介電常數(shù)，其值為3.9。耐腐蝕性： SiO2膜的化學(xué)穩(wěn)定性極高，不溶于水，除氫氟酸外，膜的化學(xué)穩(wěn)定性極高，不溶于水，除氫氟酸外，和別的酸不起作用。氫氟酸腐蝕原理如下：和別的酸不起作用。氫氟酸腐蝕原理如下：六氟化硅溶于水。利用這一性質(zhì)作為掩蔽膜，六氟化硅溶于水。利用這一性質(zhì)作為掩蔽膜，微電子工藝中利用HF光刻出光刻出IC IC 制造中的各種窗口。制造中的各種窗口。SiO2的腐蝕速率與HF的濃度、溫度、 SiO2的質(zhì)量以及所含雜質(zhì)數(shù)量等因素有關(guān)。不同方法制備的SiO2 ，腐蝕速率可能相差很大。20 SiOCA d242

8、426SiO +4HFSiF2H OSiF +2HFH SiF 3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜SiO2可與強(qiáng)堿發(fā)生極慢的反應(yīng)，生成相應(yīng)硅酸鹽。2232SiO +2NaOH=Na SiO +H OSiO2在高溫下被活潑金屬或非金屬還原： 2223SiO +2MgSi+2MgO3SiO +2Al3Si+2Al O高溫高溫SiO2與碳放入電爐內(nèi)加熱到1800時(shí)，能生成碳化硅 ：1800CSiO+3C2COSiC 空氣較少3.2 3.2 熱生長二氧化硅熱生長二氧化硅薄膜薄膜掩蔽性質(zhì)：B B、P P、AsAs等雜質(zhì)在等雜質(zhì)在SiOSiO2 2的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在Si

9、Si中的中的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)。D DSiSi D DSiO2SiO2 SiO SiO2 2 膜要有足夠的厚度。雜質(zhì)在一定膜要有足夠的厚度。雜質(zhì)在一定的擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散溫度下，有一最小厚度。的擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散溫度下，有一最小厚度。絕緣性質(zhì)：SiO2能帶寬度約9 eV。 熱擊穿、電擊穿、混合擊穿：熱擊穿、電擊穿、混合擊穿： a.a.最小擊穿電場（非本征）針孔、裂縫、雜質(zhì)。最小擊穿電場（非本征）針孔、裂縫、雜質(zhì)。 b.b.最大擊穿電場（本征）厚度、導(dǎo)熱、界面態(tài)電荷等；氧最大擊穿電場（本征）厚度、導(dǎo)熱、界面態(tài)電荷等；氧化層越薄、氧化溫度越高，化層越薄、氧化溫度越高， 擊穿電場越低。擊穿電場越低。 c.c

10、.介電常數(shù)介電常數(shù)3 34 4（3.93.9）3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜不同方法制備的不同方法制備的SiOSiO2 2薄膜的物理參數(shù)薄膜的物理參數(shù)氧化方法密度（g/cm3） 折射率546nm電阻率（cm） 介電常數(shù)介電強(qiáng)度（108V/cm）干氧2.24-2.271.46-1.46631015-210163.49濕氧2.18-2.271.435-1.4583.82水汽2-2.21.452-1.4621015-10173.26.8-9高壓氧化2.321.45-1.487-9熱分解淀積2.09-2.151.43-1.45107-108外延淀積2.31.46-1.477101

11、4-810143.545-63.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜二氧化硅層的主要用途二氧化硅層的主要用途二氧化硅對雜質(zhì)有掩蔽擴(kuò)散作用，能實(shí)現(xiàn)選擇性定域擴(kuò)散摻雜器件表面的保護(hù)和電路的鈍化膜器件的電隔離（絕緣）作用電容的介電材料作MOS MOS 管的絕緣柵材料多層互連的層間絕緣介質(zhì) 緩沖層/熱氧化層3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜1.1.擴(kuò)散時(shí)的掩蔽層，離子注入的擴(kuò)散時(shí)的掩蔽層，離子注入的( (有時(shí)與光刻膠、有時(shí)與光刻膠、SiSi3 3N N4 4層一起使用層一起使用) )阻擋層阻擋層 SiO2對雜質(zhì)擴(kuò)散起到掩蔽作用，利用這個(gè)性質(zhì)結(jié)合光刻工藝，就可以進(jìn)行選擇性擴(kuò)

12、散。 這種掩蔽作用是有條件的。隨著溫度升高擴(kuò)散時(shí)間延長，雜質(zhì)也有可能會擴(kuò)散穿透SiO2膜層，使掩蔽作用失效。因此SiO2起掩蔽作用有兩個(gè)條件(1)厚度足夠；（2）所選雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)要比在硅中的擴(kuò)散系數(shù)小得多。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜2.2.器件和電路的保護(hù)或鈍化膜器件和電路的保護(hù)或鈍化膜 在硅片表面生長一層SiO2膜，可以保護(hù)硅表面和P-N結(jié)的邊緣不受外界影響，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，在制造工藝流程中，防止表面或P-N結(jié)受到機(jī)械損傷和雜質(zhì)玷污，起到了保護(hù)作用。另外，有了這一層SiO2膜，就可以將硅片表面和P-N結(jié)與外界氣氛隔開。降低了外界氣氛對硅

13、的影響，起到鈍化作用。但是，鈍化的前提是膜層的質(zhì)量要好，如果SiO2膜中含有大量納離子或針孔，非但不能起到鈍化作用，反而會造成器件不穩(wěn)定。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜3.3.某些器件的重要組成部分某些器件的重要組成部分(1)MOS(1)MOS管的絕緣柵材料：管的絕緣柵材料：在MOS晶體管中，常以SiO2膜作為柵極，這是因?yàn)镾iO2層的電阻率高，介電強(qiáng)度大，幾乎不存在漏電流。但作為絕緣柵要求極高，因?yàn)镾i-SiO2界面十分敏感（指電學(xué)性能）， SiO2層質(zhì)量不好，這樣的絕緣柵極就不是良好的半導(dǎo)體器件。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜(2)(2)電容器的

14、介質(zhì)材料：電容器的介質(zhì)材料：集成電路中的電容器是以SiO2作介質(zhì)的，因?yàn)镾iO2的介電常數(shù)為3-4，擊穿耐壓較高，電容溫度系數(shù)下，這些性能決定了它是一種優(yōu)質(zhì)的電容器介質(zhì)材料。另外，生長SiO2方法很簡單，在集成電路中的電容器都以SiO2來代替。4.4.集成電路中的隔離介質(zhì)集成電路中的隔離介質(zhì) 集成電路中的隔離有P-N隔離和介質(zhì)隔離兩種，而介質(zhì)隔離中的介質(zhì)就是SiO2 。因?yàn)镾iO2介質(zhì)隔離的漏電流很小，島與島之間的隔離電壓較大，寄生電容較小。因此，用SiO2作介質(zhì)隔離的集成電路的開關(guān)速度較好。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜5.5.用于電極引線和硅器件之間的絕緣介質(zhì)用于電極

15、引線和硅器件之間的絕緣介質(zhì) 在集成電路制備中，電極引線和器件之間，往往有一種絕緣材料，工藝上大多采用SiO2作為這一層絕緣材料，使得器件之間，電極引線之間絕緣。6.6.多層互連的層間絕緣介質(zhì)（多層互連的層間絕緣介質(zhì)（ILDILDIMDIMD）隔離相鄰金屬層之間電連接的絕緣材料。金屬線傳導(dǎo)信號，介質(zhì)層則保證信號不受臨近金屬線影響。通常采用CVD 方法制備。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜7.7.緩沖層緩沖層/ / 熱氧化層熱氧化層當(dāng)?shù)柚苯映练e在硅襯底上時(shí)，界面存在極大應(yīng)力和界面態(tài)密度，多采用Si3N4/SiO2/Si 結(jié)構(gòu)。場氧化時(shí)，SiO2會有軟化現(xiàn)象，可消除氮化硅與襯

16、底之間的應(yīng)力。通常采用熱氧化生成，厚度很薄。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜二氧化硅的制備二氧化硅的制備硅表面形成SiO2的方法很多：熱氧化、熱分解淀積、濺射、蒸發(fā)等。 由于熱氧化的氧化反應(yīng)發(fā)生在Si- SiO2交界面，接觸到的雜質(zhì)、污染比較少，形成的SiO2質(zhì)量也就較高，所以，多采用熱氧化法生長氧化膜。 熱氧化法包括干氧、水氧和濕氧三種方法，通常采用干濕干的氧化模式。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜（1 1）干氧氧化）干氧氧化干氧氧化是在高溫下，氧分子與硅直接反應(yīng)生成SiO2 ，反應(yīng)為：氧化溫度約為10001200，為了防止外部氣體對氧化的影響，爐內(nèi)的

17、氣壓要高于爐外的氣壓。干氧生長的氧化膜表面干燥、結(jié)構(gòu)致密，光刻時(shí)與光刻 膠接觸良好、不易產(chǎn)生浮膠，但氧化速率極慢，這是由于O2 在SiO2中擴(kuò)散系數(shù)通常小于H2O 在SiO2 中的擴(kuò)散系數(shù)。適用：較薄的氧化層的生長，例如適用：較薄的氧化層的生長，例如MOSMOS器件器件的柵極。的柵極。22SiOOSi （氣體）（固體）3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜干氧氧化系統(tǒng)3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜水汽氧化水汽氧化 水汽氧化是指在高溫下，硅與高純水蒸汽反應(yīng)生成SiO2膜，反應(yīng)式為： 對高純水加熱產(chǎn)生高純水蒸氣，水汽進(jìn)入氧化爐與硅片反應(yīng)生成SiO2膜。水汽氧化氧

18、化速率較快，但膜層不致密，質(zhì)量很差，特別是對雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用較差，所以這種方法基本不采用。22222HSiOOHSi3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜原理：原理：Si + 2H2O SiO2 + 2H21000度度3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜水氧氧化系統(tǒng)3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜水汽氧化的示意圖較高的水溫只增大通過硅片附近的蒸汽流量，并不改變水汽的濃度大小。濕氧氧化濕氧氧化 濕氧氧化中，用攜帶水蒸氣的氧氣代替干氧。氧化劑是氧氣和水的混合物，反應(yīng)過程如下：氧氣通過95的高純水；氧氣攜帶水汽一起進(jìn)入氧化爐在高溫下與硅反應(yīng)。 濕氧

19、氧化相當(dāng)于干氧氧化和水汽氧化的綜合，其速率也介于兩者之間。具體的氧化速率取決于氧氣的流量、水汽的含量。氧氣流量越大，水溫越高，則水汽含量越大，氧化膜的生長速率和質(zhì)量越接近于水汽氧化的情況。反之，就越接近于干氧氧化。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜一般濕氧氧化是由攜帶氣體通過水浴后，含有水汽的氧氣進(jìn)入石英管對硅片進(jìn)行氧化，而水汽的多少由水浴的溫度控制，同時(shí)水浴的質(zhì)量也將影響氧化層質(zhì)量的好壞。一種新的濕氧氧化方法，它是依靠高純的氫氣和氧氣在石英管中按比例混合燃燒成水，氫和氧的比例為2:1 時(shí)為水汽氧化，小于這比例為濕氧氧化，當(dāng)氫氣為零時(shí)，為干氧氧化。3.2 3.2 熱生長二氧化

20、硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜三種氧化方法的比較三種氧化方法的比較 速度速度 均勻重復(fù)性均勻重復(fù)性 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 掩蔽性掩蔽性 水溫水溫干氧：干氧： 慢慢 好好 致密致密 好好濕氧：濕氧： 快快 較好較好 中中 基本滿足基本滿足 9595水汽：最快水汽：最快 差差 疏松疏松 較差較差 1021023.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜生產(chǎn)中經(jīng)常采用干氧-濕氧-干氧結(jié)合的方法，綜合了干氧氧化SiO2干燥致密，濕氧氧化速率快的優(yōu)點(diǎn)，并能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使SiO2層的厚度，質(zhì)量合乎要求。干氧氧化速度慢，氧化層結(jié)構(gòu)致密，表面是非極性的硅-氧烷結(jié)構(gòu)。所以與光刻膠粘附性好，不易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象。水汽氧化的速度

21、快，但氧化層結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)量不如干氧氧化的好，特別是氧化層表面是硅烷醇，存在的羥基極易吸附水，極性的水不易粘潤非極性的光刻膠，所以氧化層表面與光刻膠粘附性差。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜高壓水汽氧化高壓水汽氧化高壓氧化方法主要的優(yōu)點(diǎn)是可以比常壓時(shí)用更低的溫度，更少的時(shí)間得到相同的厚度高壓水汽氧化時(shí)，以氮化硅為氧化掩蔽層。這是超大規(guī)模集成電路制造中進(jìn)行等平面工藝的理想方法同時(shí)高壓氧化也同樣與襯底Si 材料的晶向有關(guān)硅氧化所需的水汽是由氫氣與氧氣燃燒產(chǎn)生的3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜2022202SiSiOSiSiOSiSiXSiOXSiPSiOPSi

22、PX ASiOSiP X A層的厚度; 消耗掉 的厚度的密度; 的密度生長的重量消耗掉的 重量生長1m的氧化層要消耗掉0.46m厚的Si層， SiO2的體積比消耗掉的硅膨脹一倍 3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜例題：如果通過熱氧化生成的例題：如果通過熱氧化生成的SiOSiO2 2層厚度為層厚度為x x，那么被，那么被消耗掉的消耗掉的SiSi的厚度是多少？已知的厚度是多少？已知SiSi的摩爾質(zhì)量為的摩爾質(zhì)量為28.9 28.9 g/molg/mol，密度為，密度為2.33 g/cm2.33 g/cm3 3， SiO SiO2 2摩爾質(zhì)量為摩爾質(zhì)量為60.08 g/mol60.

23、08 g/mol，密度為，密度為2.21 g/cm2.21 g/cm3 3。解：1 mol 硅的摩爾體積為： Vsi=28.9/2.33=12.06 (cm3/mol) 同樣，1 mol SiO2的摩爾體積為： VsiO2=60.08/2.21=27.18(cm3/mol)當(dāng)1mol 硅轉(zhuǎn)化為1mol 二氧化硅時(shí)：Vsi/VsiO2=Adsi/AdsiO2=0.44即：dsi/dsiO2=0.44例如產(chǎn)生100 nm 的二氧化硅需消耗44 nm 的硅。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜水汽氯化氫氧化水汽氯化氫氧化（1 1）作用：）作用：減少鈉離子的玷污，抑制氧化垛層錯(cuò)，提高少

24、子壽命，也就是提高器件的電性能和可靠性。在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。SiO2-Si界面未飽和鍵和氯離子結(jié)合，減少其被雜質(zhì)原子的價(jià)鍵所占據(jù)造成的玷污。 在半導(dǎo)體材料中，經(jīng)常存在一些重金屬雜質(zhì)，如銅、金等，另外，在氧化過程中，也很容易引入這些雜質(zhì)。它們在半導(dǎo)體中形成復(fù)合中心，使少子壽命變短，如果面外有氯離子存在，它能與這些金屬雜質(zhì)發(fā)生作用，生成易揮發(fā)的氯化物，而被排除，從而減少了復(fù)合中心。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜（2 2）摻氯氧化機(jī)理）摻氯氧化機(jī)理HCl氧化中的反應(yīng)：氯在Si-SiO2界面處以氯硅氧復(fù)合體形式存在，它們與氧反應(yīng)，釋放出氯氣。因電中性作用氯氣對Na+有吸附作用，將N

25、a+固定在Si SiO2界面附近，改善器件特性及可靠性。2222322224H C l+ O2C l+ 2HO6HC lO+ 13O8C l+ 2H C l+ 2HO + 12C O3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜氯使界面處的硅形成硅空位，吸收本征層錯(cuò)中的氯使界面處的硅形成硅空位，吸收本征層錯(cuò)中的過多的硅原子，減少層錯(cuò)。過多的硅原子，減少層錯(cuò)。（3 3）摻氯氧化膜的負(fù)偏壓不穩(wěn)定性）摻氯氧化膜的負(fù)偏壓不穩(wěn)定性摻氯氧化膜加負(fù)偏壓時(shí)，高溫負(fù)電場會破壞摻氯氧化膜加負(fù)偏壓時(shí)，高溫負(fù)電場會破壞SiSiSiSi、 SiSiOO鍵，變形或破裂，增加固定氧化物鍵，變形或破裂，增加固定氧化物電

26、荷和界面陷阱電荷密度，使電荷和界面陷阱電荷密度，使C CV V曲線向負(fù)方曲線向負(fù)方向移動。向移動。 O Si+ClOOO Si+ + Cl OO3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜其他常用氧化方法其他常用氧化方法(1).(1).氫氧合成氧化氫氧合成氧化氫氧合成水氫氧合成水-汽化汽化=水汽氧化水汽氧化比濕氧優(yōu)比濕氧優(yōu), ,均勻均勻/ /重復(fù)性好重復(fù)性好(2).(2).低溫氧化低溫氧化: :缺陷少缺陷少, ,（10001000以下）但鈍化效以下）但鈍化效果差果差-加加1100N1100N2 2退火退火(3).(3).高壓氧化：指高壓水汽氧化，高密度、高折高壓氧化：指高壓水汽氧化，高

27、密度、高折射率低腐蝕速率，雜質(zhì)分凝效應(yīng)小。射率低腐蝕速率，雜質(zhì)分凝效應(yīng)小。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜熱分解淀積二氧化硅熱分解淀積二氧化硅熱分解淀積是利用硅的化合物熱分解，在襯底上淀積一層SiO2 ，襯底本身不參加反應(yīng)，因此淀積溫度比熱生長SiO2要低得多。作為淀積SiO2的主要化合物是烷氧基硅烷和硅烷。硅烷SiH4 在氧氣中熱分解反應(yīng)如下：SiH4 +2O2 SiO2 +2H2O, 反應(yīng)溫度一般選在300左右0720-750()CSiOC 2正硅酸乙脂氣態(tài)有機(jī)原子團(tuán)SiO3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜熱分解常用的烷氧基硅烷熱分解常用的烷氧基硅烷材

28、料名稱化學(xué)式分子量沸點(diǎn)（） 蒸汽分解溫度（）最佳分解溫度（）四乙氧基硅烷（正硅酸乙脂）Si(OC2H5)4208107728-840750乙基三乙氧基硅烷(C2H5)Si(OC2H5)3192161650-750700戊基三乙氧基硅烷C5H11Si(OC2H5)3234198600-740650苯基三乙氧基硅烷C6H5Si(OC2H5)3240234610-750700二甲基二乙氧基硅烷(CH3)2Si(OC2H5)2148111760-9008003.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜熱氧化原理熱氧化原理1.1.生長機(jī)理：生長機(jī)理：一般認(rèn)為有兩種模式。一種是氧或水汽直接穿過氧表

29、面層上的氧化膜；二是在高溫下，硅原子在SiO2界面處，不斷奪取二氧化硅中的氧，生成新的氧化膜，使得表面處仍是硅與氧進(jìn)行氧化，相當(dāng)于氧原子進(jìn)入硅中，或硅原子逐步擴(kuò)散到表面。持前一觀點(diǎn)人多。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜2.2.熱氧化經(jīng)歷步驟：熱氧化經(jīng)歷步驟： （1）氧化劑從氣體內(nèi)部以擴(kuò)散形式穿過附面層運(yùn)動到氣體與SiO2界面； （2）氧化劑以擴(kuò)散方式穿過SiO2層，到達(dá)SiO2與硅界面； （3）氧化劑在硅表面與硅反應(yīng)生成SiO2 ； （4）反應(yīng)副產(chǎn)物離開界面。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜3.3.硅的熱氧化存在兩個(gè)極限：硅的熱氧化存在兩個(gè)極限： 其一是

30、當(dāng)氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很小時(shí)， SiO2的生長速率主要由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散速度所決定，稱為擴(kuò)散控制； 其二如果擴(kuò)散系數(shù)很大，在這種情況下，氧化劑到達(dá)硅和SiO2界面的速度就快，這時(shí)， SiO2的生長速率就由硅表面的化學(xué)反應(yīng)速度決定，稱為反應(yīng)控制。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜熱氧化生長動力學(xué)（熱氧化生長動力學(xué)（Deal-GroveDeal-Grove迪爾迪爾- -格羅夫模格羅夫模型）型）NG 氣體內(nèi)部氧化劑濃度NGS SiO2表面外側(cè)氧化劑濃度NOS SiO2表面內(nèi)側(cè)氧化劑濃度NS SiO2/Si界面處氧化劑濃度tox SiO2薄膜的厚度3.2 3.2 熱生

31、長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜對溫度7001300C，壓力21041.01105 Pa，氧化層厚度302000nm 范圍內(nèi)的氧氣和水汽氧化，D-G模型都是適用的。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜1GGGSFhNN熱氧化過程包括幾個(gè)連續(xù)的步驟：1. 氧化劑從氣體內(nèi)部以擴(kuò)散形式穿過滯流層到達(dá)氣體SiO2 界面，流密度為F1。滯流層中的流密度取線性近似，表達(dá)式NG是氣體內(nèi)部化劑的濃度，NGS是貼近SiO2 表面上的氧化劑濃度，hG: 氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)；F1：氧化劑由氣體內(nèi)部傳輸?shù)綒怏w和氧化物界面的粒子流密度，即單位時(shí)間通過單位面積的原子數(shù)或分子數(shù)。3.2 3.2 熱生長二氧化硅

32、薄膜熱生長二氧化硅薄膜020ossoxoxDNNdNFDdtt 線性近似2.2.氧化劑穿過氧化劑穿過SiOSiO2 2 層到達(dá)層到達(dá)SiOSiO2 2Si Si 界面，流密度為界面，流密度為F F2 2。假定在已生長的氧化層中沒有氧化劑的源和漏，則氧化劑的濃度呈線性變化。且有：式中，NOS和NO分別表示SiO2層中和SiO2Si 界面處的氧化劑濃度，tox為SiO2層厚度。D0：氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)；F2：氧化劑擴(kuò)散通過已生成的二氧化硅到達(dá)SiO2/Si界面的擴(kuò)散流密度。Ks：表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；F3：SiO2/Si界面處，氧化劑和硅反應(yīng)生成新的SiO2層的反應(yīng)流密度。3.2 3.2

33、 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜3ssFk N3. 3. 氧化劑在氧化劑在Si Si 表面與表面與Si Si 反應(yīng)生成反應(yīng)生成 SiOSiO2 2，流密度為，流密度為F F3 3。應(yīng)速率取決于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)。由于SiO2/Si 界面有充足的硅供應(yīng)，氧化劑與硅反應(yīng)的速率及流密度將與界面處氧化劑濃度成正比：4. 4. 反應(yīng)副產(chǎn)物離開界面反應(yīng)副產(chǎn)物離開界面熱氧化過程中，SiO2/Si 界面不斷內(nèi)移，這是一個(gè)邊界隨時(shí)間變化的擴(kuò)散問題。此時(shí)，可采用準(zhǔn)靜態(tài)近似，即假定所有反應(yīng)立即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這樣變動的邊界對擴(kuò)散過程的影響可以忽略。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜亨利定律：亨利定

34、律：平衡條件下，固體中某種物質(zhì)的濃度正比于該物質(zhì)在固體周圍氣體中的分壓。在氣相平衡時(shí)，二氧化硅中氧化劑的濃度NS 應(yīng)與氣體中氧化劑分壓pg成正比，即： NS Hpg ，其中H 為亨利氣體常數(shù)。假設(shè)氧化過程為平衡過程，且氧化氣體為理想氣體，則平衡態(tài)下應(yīng)有： F1 = F2 = F3。再經(jīng)過一系列，數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到：21/gSsGs oxSiOHpNkHk tD221/1/gs oxSiOGSsGs oxSiOHpk tDNkHk tD當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，N NS S00， N NGS GS HHGGp pg g氧化劑以擴(kuò)散方式通過SiO2層運(yùn)動到SiO2Si 界面處的量極少，以至于到達(dá)界面處的氧化劑與硅

35、立即發(fā)生反應(yīng)生成SiO2 ，界面處沒有氧化劑堆積，其濃度趨于零。而在SiO2表面處，氧化劑因擴(kuò)散速度慢而產(chǎn)生堆積，濃度趨向于氣相平衡時(shí)的濃度Hpg。此時(shí)，熱氧化硅生長速率主要由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散速度決定，這種極限情況稱為擴(kuò)散控制。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜2s oxSiOktD當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，N NS S N NGS GS HpHpg g/(1+k/(1+kS S/h/hGG) )在這種情況下，進(jìn)入SiO2 中的氧化劑快速擴(kuò)散到SiO2 Si 界面。相比之下，界面處氧化劑與硅反應(yīng)生成SiO2的速度很慢，造成氧化劑在界面處堆積，趨近于SiO2 層中的濃度。此時(shí)， S

36、iO2生長速率由硅表面的化學(xué)反應(yīng)速度決定，這種極限情況稱為反應(yīng)控制。氧化劑與硅反應(yīng)，每生長單位體積SiO2所需氧化劑的分子個(gè)數(shù)用Nl 表示。已知每立方厘米SiO2的分子數(shù)為2.21022個(gè)，每生成一分子SiO2需要一個(gè)O2或兩個(gè)H2O。那么，對氧氣氧化，Nl 為2.21022atoms /cm3。對水汽氧化， Nl為4.41022atoms/cm3。此時(shí)，生長速率為：3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜2s oxSiOktD231/sgoxllsGs oxSiOk HpdtFRdtNNkHk tD假設(shè)氧化前已存在厚度為t0 的氧化層，則此微分方程給出SiO2生長厚度與時(shí)間的關(guān)系

37、：于是有氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系：3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜2112/ 4oxAttAB ()oxBttA當(dāng)(t+)A2/4B (B/A線性速率常數(shù))時(shí)有：()oxtB t氧化層厚度足夠薄，反應(yīng)速率控制氧化層厚度足夠厚，擴(kuò)散速率控制2()oxoxtAtB t120112 ()2sggoADkhDHPBNtAtB熱氧化生長的兩個(gè)階段熱氧化生長的兩個(gè)階段 線性階段線性階段 拋物線階段（生長逐漸變慢，直至不可忍受）拋物線階段（生長逐漸變慢，直至不可忍受）簡記為：簡記為： t toxox=B/At=B/At簡記為：簡記為：Btoxt3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化

38、硅薄膜當(dāng)(t+)A2/4B (B/A線性速率常數(shù))時(shí)有：()oxtB tB/AB/A被稱為線性速率系數(shù)；而被稱為線性速率系數(shù)；而B B被稱為拋物線速被稱為拋物線速率系數(shù)率系數(shù)3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜熱氧化生長速率熱氧化生長速率SiO2的生長的快慢將由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散速度以及與Si反應(yīng)速度中較慢的一個(gè)因素來決定。即由擴(kuò)散控制和表面化學(xué)反應(yīng)速率來決定。當(dāng)在氧化物生長的開始階段或氧化時(shí)間很短時(shí)，限制生長速率的主要因素是表面反應(yīng)，氧化服從線性規(guī)律，氧化層厚度隨時(shí)間線性變化，即此時(shí)SiO2的生長速率主要由表面化學(xué)反應(yīng)來決定。當(dāng)氧化層變厚或氧化時(shí)間很長時(shí)，氧化劑必須通過

39、氧化層擴(kuò)散，氧化劑與硅的氧化反應(yīng)服從拋物型規(guī)律，此時(shí)SiO2的生長速率主要由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散快慢來決定。氧化層厚度與氧化時(shí)間的平方根成正比。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜決定氧化速率的各種因素決定氧化速率的各種因素1 1. .氧化時(shí)間：氧化時(shí)間：氧化時(shí)間短時(shí)，氧化速率與時(shí)間呈線性，氧化速率很快，且由表面化學(xué)反應(yīng)控制，氧化層厚度增加快；隨著時(shí)間的增長，氧化速率與時(shí)間成拋物線關(guān)系，氧化速率變慢，改為由擴(kuò)散控制，即氧化層加厚的速度變慢。2.2.氧化劑分壓：氧化劑分壓：拋物線型速率常數(shù)B以及線性速率常數(shù)B/A與氧化劑分壓都是線性關(guān)系，所以在一定的氧化條件下，通過改變氧化劑

40、分壓可以達(dá)到改變二氧化硅生長速率的目的，即所謂的高壓氧化和低壓氧化技術(shù)。3.3.氧化溫度：氧化溫度：B與B/A與溫度成指數(shù)關(guān)系，且在一個(gè)大氣壓下B/A的值由表面化學(xué)反應(yīng)來決定，即由表面化學(xué)反應(yīng)快慢決定氧化速率。只有低壓情況氧化速率才由擴(kuò)散控制。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜氧化速率常數(shù)隨溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系氧化速率常數(shù)隨溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜溫度的影響分析溫度的影響分析1.1. 對于拋物線速率常數(shù)對于拋物線速率常數(shù)B B，溫度的影響，溫度的影響是通過擴(kuò)散系數(shù)是通過擴(kuò)散系數(shù)D D體現(xiàn)的。體現(xiàn)的。具體表現(xiàn)在干氧和水汽氧化具有不同的激活

41、能，這是因?yàn)楦裳鹾退诠柚械臄U(kuò)散激活能不一樣。2.2. 對于線性速率常數(shù)對于線性速率常數(shù)B/AB/A，溫度的影響，溫度的影響則主要是通過反應(yīng)速率常數(shù)則主要是通過反應(yīng)速率常數(shù)KsKs體現(xiàn)的。體現(xiàn)的。具體表現(xiàn)在干氧和濕氧具有相同的激活能，這是因?yàn)楦裳鹾退趸举|(zhì)上都是硅硅鍵的斷裂，具有相同的激活能。1112 ()2sggADkhDHPBN3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜拋物線速率常數(shù)拋物線速率常數(shù)B B隨溫度的隨溫度的變化（阿列尼烏斯曲線）變化（阿列尼烏斯曲線）3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜線性速率常數(shù)線性速率常數(shù)B/AB/A隨溫度的隨溫度的變化（阿列

42、尼烏斯曲線）變化（阿列尼烏斯曲線）影響氧化速率的其他因素影響氧化速率的其他因素1.1.硅表面晶向：硅表面晶向：在氧化劑壓力一定的情況下，B與硅襯底晶向無關(guān)，而（111）面上的B/A比（100）面上的大。隨著氧化溫度升高，晶向?qū)/A影響減小，因?yàn)樵诟邷叵卵趸俾适蹷即擴(kuò)散控制；同樣當(dāng)氧化時(shí)間很長，氧化層很厚時(shí)，氧化速率受B即擴(kuò)散控制，因此晶面取向?qū)/A也不起作用。2.2.雜質(zhì)：雜質(zhì)：(1)硅襯底中摻雜P，B對氧化速率的影響。摻雜濃度增加氧化速率增大， 因此在氧化過程中，同一硅片表面上的重區(qū)域的氧化層厚度可能比輕摻雜區(qū)域的大很多；（2）水汽，鈉。加快氧化速率，使得相同條件下生成的氧化層厚度變大

43、；（3）氯。在氧化氣氛中加入氯可以改善二氧化硅的特性。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜氯氣氛的影響分析氯氣氛的影響分析在氧化氣氛中加入氯可以使SiO2的質(zhì)量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：鈍化可動離子，特別是鈉離子；增加硅中少數(shù)載流子的壽命；減少中的缺陷，提高了抗擊穿能力；降低界面態(tài)密度和固定電荷密度；減少硅中的堆積層錯(cuò)。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜氯對氧化速率的影響氯對氧化速率的影響3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜不均勻的氧化率及氧化步驟不均勻的氧化率及氧化步驟 經(jīng)過一些制作工藝后，晶圓表面的條件會有所不同，

44、有的是場氧化區(qū)，有些是摻雜區(qū)，有些是多晶硅區(qū)等等。每個(gè)區(qū)上面氧化層厚度不同，氧化層厚度的不同被稱為不均勻氧化。 不同的氧化率導(dǎo)致了在晶圓表面形成臺階。圖中顯示的是與比較厚的場氧化區(qū)相鄰的氧化區(qū)形成了一個(gè)臺階，在暴露區(qū)的氧化反應(yīng)較快。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜硅晶片臺階硅晶片再氧化之前再氧化之后(a)(b)自然氧化層自然氧化層迪爾格羅夫模型在薄氧化層范圍內(nèi)不適用。在薄氧化階段，氧化速率非?？?，其氧化機(jī)理至今仍然存在爭議，但可以用經(jīng)驗(yàn)公式來表示。由于薄氧化階段的特殊存在，迪爾格羅夫模型需要用來修正。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜硅（硅（100100）

45、晶面干氧氧化速率與氧化層厚度的關(guān)系）晶面干氧氧化速率與氧化層厚度的關(guān)系3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜薄氧階段的經(jīng)驗(yàn)公式薄氧階段的經(jīng)驗(yàn)公式其中：tox為氧化層厚度；L1和L2是特征距離，C1和C2是比例常數(shù)。12/122oxoxtLtLoxoxdtBC eC edttA3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜硅的氧化系數(shù)硅的氧化系數(shù)溫度溫度()干氧干氧濕氧濕氧A(m)B(m2/h)(h)A(m)B(m2/h)8000.370.001199200.2350.00491.40.50.20310000.1650.01170.370.2260.28711000.090.

46、0270.0760.110.5112000.040.0450.0270.050.72其中：是考慮到自然氧化層的因素，250左右。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜有一硅樣品在溫度為1200下進(jìn)行干氧氧化1小時(shí)，產(chǎn)生的氧化層厚度是多少？在溫度為1200 下再進(jìn)行濕氧氧化生成0.1m 的氧化層需要增加多長時(shí)間？已知在1200下干氧氧化速率常數(shù)A0.04 m，B0.045 m2/h，0.027h。1200下濕氧氧化速率常數(shù)A0.05m，B0.72 m2/h。解：將A、B、 代入方程得到氧化層厚度為0.196 m干氧氧化后再進(jìn)行濕氧氧化，則d00.196 m，此時(shí)： = (d02+A

47、d0)/B = 0.067h最后理想厚度(d0+0.1)0.296 m，得到需增加的氧化時(shí)間為： 0.075h4.5min。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜2()oxoxtAtB t計(jì)算在120分鐘內(nèi)，920水汽氧化（640Torr）過程中生長的二氧化硅層的厚度。假定硅片在初始狀態(tài)時(shí)已有1000埃的氧化層。o2222022(0.10.1=920 CA=0.50 mB=0.203 m /hm) +0.5 mm0.2030.295h()AA4 ()m=0.482/hmAooxoxoxoxtAtBtAtB tB ttt據(jù)公查表得知，時(shí)，式有：，這種情況下不能注意：用近似法。3.2

48、 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜熱氧化技術(shù)熱氧化技術(shù) 從氧化反應(yīng)方程式可以看出，氧和硅的反應(yīng)似乎很簡單，但是要達(dá)到硅技術(shù)中的氧化必須附加條件，那就是加熱，給反應(yīng)過程足夠的能量是其滿足要求，所以常稱之為熱氧化。熱氧化。 通常在常壓或高壓條件下生長。有兩種常壓技術(shù)，如圖所示。 熱氧化常壓爐管反應(yīng)爐干氧化濕氧化氣泡發(fā)生器閃光系統(tǒng)干氧化快速熱氧化干氧化高壓爐管反應(yīng)爐干或濕氧化化學(xué)氧化陽極氧化電解槽化學(xué)的3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜水平爐管反應(yīng)爐水平爐管反應(yīng)爐 最早使用也一直延續(xù)至今。主要用在氧化、擴(kuò)散、熱處理及各種淀積工藝中。 水平爐管反應(yīng)爐的截面圖如下： 整個(gè)系

49、統(tǒng)包含反應(yīng)室反應(yīng)室、溫度控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、反應(yīng)爐、氣體柜、反應(yīng)爐、氣體柜、清洗站、裝片站清洗站、裝片站等源區(qū)中央?yún)^(qū)裝載區(qū)消聲器氧化爐管比例控制器溫度平區(qū)距離O3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜快速升溫反應(yīng)爐快速升溫反應(yīng)爐 隨著晶圓尺寸越來越大，升溫降溫時(shí)間會增加，成本也越來越高。解決這個(gè)問題的手段就是確保最大批量，但這又會減慢流程。為了解決這個(gè)問題，引進(jìn)了快速升溫、小批量生產(chǎn)的反應(yīng)爐，這就是大功率加熱的小型水平爐。通常反應(yīng)爐每分鐘升溫幾度，而快速升溫反應(yīng)爐每分鐘升溫十幾度。小容量的低效率缺陷由快速的反應(yīng)時(shí)間來補(bǔ)償。快速加熱工藝（快速加熱工藝（RTPRTP） 快速加熱工藝

50、主要是用在離子注入后的退火，目的是消除由于注入帶來的晶格損傷和缺陷。傳統(tǒng)上的退火工藝由爐管反應(yīng)爐來完成。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜 但是在退火消除缺陷的同時(shí)又會帶來一些其他的負(fù)面影響，比如，摻雜的再分布。這又是不希望發(fā)生的。這就使得人們在尋找其它的退火方式，這個(gè)方式就是快速加熱工藝。 RTP工藝是基于熱輻射原理見右圖。燈型系統(tǒng)工藝氣體排氣口石英托盤十字鎢燈晶圓干燥壓縮空氣通道工藝氣體進(jìn)氣口門循環(huán)水入口傳感器晶圓感應(yīng)高溫計(jì)縱向鎢燈過濾器管型高溫計(jì)3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜 加熱源（十字鎢燈）在晶園的上面，這樣晶園就可被快速加熱。熱輻射偶合進(jìn)入晶

51、園表面并以75125的速度到達(dá)工藝溫度，由于加熱時(shí)間很短，晶園體內(nèi)溫度并未升溫，這在傳統(tǒng)的反應(yīng)爐內(nèi)是不可能實(shí)現(xiàn)的。用這個(gè)工藝進(jìn)行離子注入后的退火，就意味著晶格破壞修復(fù)了，而摻入雜質(zhì)的分布沒有改變。 RTP技術(shù)不只是用在“退火工藝”，對于MOS柵極中薄的氧化層的生長是自然而然的選擇，由于器件尺寸越來越小的趨勢使得加在晶園上的每層的厚度越來越薄，厚度減少最顯著的是柵極氧化層。先進(jìn)的器件要求柵極厚度小于0.01微米。如此薄的氧化層對于普通的反應(yīng)爐來說，是難以實(shí)現(xiàn)的。而RTP系統(tǒng)快速升溫降溫可以提供所需的控制能力。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜7005253501750010 2

52、06560555045403530101969186817671時(shí)間（）sRTP期周溫度（?C高壓氧化高壓氧化 增加氧化劑分壓提高氧化速率前面已經(jīng)提到，在實(shí)際的工藝過程中增加氧化劑分壓來提高氧化速率，或者降低氧化溫度而保持同樣的氧化速率都是經(jīng)常采用方法。因?yàn)闇囟仍礁邥r(shí)間越長越會引起其它負(fù)面影響，比如，晶園表面層中“錯(cuò)位”和溫 度及高溫下的時(shí)間密切相關(guān)，而這種錯(cuò)位對器件特性是很不利的。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜不銹鋼套石英反應(yīng)管高壓惰性氣體高壓氧化氣體和普通水平反應(yīng)爐相似，不同的是爐管是密封的，氧化劑被用1025倍大氣壓的壓力泵入爐管。在這種壓力下，氧化溫度可降到300

53、700而又能保證正常的氧化速率。在這種溫度下晶園的錯(cuò)位生長可降到最小。 高壓氧化也是MOS柵極氧化的優(yōu)選工藝之一，因?yàn)楦邏貉趸猩傻臇艠O氧化層比常壓下生成的絕緣性要強(qiáng)。高壓氧化工藝還可以解決在局部氧化(LOCOS)中產(chǎn)生的“鳥嘴”效應(yīng)問題。 在氧化時(shí)，當(dāng)O2擴(kuò)散穿越已生長的氧化物是，他是在各個(gè)方向上擴(kuò)散的，縱向擴(kuò)散的同時(shí)也橫向擴(kuò)散，這意味著在氮化物掩膜下有著輕微的側(cè)面氧化生長。由于氧化層比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生長將抬高氮化物的邊沿，稱之為“鳥嘴效應(yīng)”。3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜3.2 3.2 熱生

54、長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜 3.2 3.2 熱生長二氧化硅薄膜熱生長二氧化硅薄膜決定雜質(zhì)再分布的主要因素決定雜質(zhì)再分布的主要因素（1）雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象；（2）雜質(zhì)通過SiO2表面逸散；（3）氧化層的產(chǎn)生；（4）雜質(zhì)在SiO2的擴(kuò)散速度 1.1.分凝現(xiàn)象：分凝現(xiàn)象：硅在熱氧化時(shí)所形成的界面隨著熱氧化的進(jìn)行不斷向硅中推進(jìn)，原存在硅中的雜質(zhì)將在界面兩邊再分布，直到達(dá)到在界面兩邊的化學(xué)勢相同，分凝系數(shù) m=雜質(zhì)在硅中的平衡濃度/雜質(zhì)在SiO2中的平衡濃度不同雜質(zhì)的分凝系數(shù)不同：不同雜質(zhì)的分凝系數(shù)不同： 磷、砷等為10左右，鎵約20；硼的隨溫度上升而增大，一般小于1。3.3 3.3 熱氧化熱氧化過程

55、中的雜質(zhì)再分布過程中的雜質(zhì)再分布 2.2.雜質(zhì)通過雜質(zhì)通過SiOSiO2 2表面逸散：表面逸散：影響雜質(zhì)再分布的第二個(gè)因素是雜質(zhì)會迅速通過SiO2層進(jìn)行擴(kuò)散并逃逸至氣體環(huán)境。如果SiO2中的雜質(zhì)擴(kuò)散速率非常大，這個(gè)因素將會變得更加重要。3.3.氧化層的產(chǎn)生：氧化層的產(chǎn)生：隨著氧化層的產(chǎn)生， Si/SiO2界面按時(shí)間函數(shù)向硅推進(jìn)。相關(guān)的推進(jìn)速率與雜質(zhì)通過氧化層的擴(kuò)散速率之比對雜質(zhì)的再分布程度影響非常大。如果假設(shè)硅中雜質(zhì)分布是均勻的，且氧化氣氛中不含任何雜質(zhì)，則有四種可能的再分布過程。這些過程可以分為兩組，一組是氧化層吸收雜質(zhì)，另一組是氧化層排斥雜質(zhì)。每一例中，雜質(zhì)再分布取決于雜質(zhì)通過氧化層的擴(kuò)散

56、速率。3.3 3.3 熱氧化熱氧化過程中的雜質(zhì)再分布過程中的雜質(zhì)再分布 再分布對硅表面雜質(zhì)濃度的影響再分布對硅表面雜質(zhì)濃度的影響 再分布后的硅表面附近的雜質(zhì)濃度，只與雜質(zhì)的分凝系數(shù)；雜質(zhì)在SiO2與在硅中的擴(kuò)散系數(shù)之比；以及氧化速率與雜質(zhì)的擴(kuò)散速率之比有關(guān)。1.1.摻雜摻雜P P：在一定溫度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度大；在同一氧化氣氛中，氧化溫度越高，雜質(zhì)在硅表面濃度與在硅內(nèi)溫度趨于平衡。2.2.摻雜摻雜B B：在相同溫度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度大；溫度升高，CS/CB（雜質(zhì)在硅表面濃度與硅內(nèi)濃度之比）變大。3.3 3.3 熱氧化熱氧化過程

57、中的雜質(zhì)再分布過程中的雜質(zhì)再分布 再分布的四種可能再分布的四種可能 (1)m1(1)m1，在，在SiO2中是慢擴(kuò)散的雜質(zhì)，如硼中是慢擴(kuò)散的雜質(zhì)，如硼 (2)m1(2)m1(3)m1，在，在SiO2中是慢擴(kuò)散的雜質(zhì)，如磷中是慢擴(kuò)散的雜質(zhì)，如磷 (4)m1(4)m1，在，在SiO2中是快擴(kuò)散的雜質(zhì)中是快擴(kuò)散的雜質(zhì)3.3 3.3 熱氧化熱氧化過程中的雜質(zhì)再分布過程中的雜質(zhì)再分布 SiO2在微電子器件制造中的重要用途之一，就是作為選擇擴(kuò)散的掩蔽膜。選擇擴(kuò)散是根據(jù)某些雜質(zhì)（例如B 、P）在SiO2中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散速度這一性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。3.3 3.3 二氧化硅二氧化硅的掩模特性的掩模特性雜質(zhì)

58、在雜質(zhì)在SiOSiO2 2中的擴(kuò)散系數(shù)中的擴(kuò)散系數(shù)1.1.選擇擴(kuò)散的掩蔽膜選擇擴(kuò)散的掩蔽膜 在各種器件制造中往往是通過硅表面特定區(qū)域向硅內(nèi)摻入一定數(shù)量的某種雜質(zhì)，其余區(qū)域不進(jìn)行摻雜。即選擇擴(kuò)散。 選擇擴(kuò)散是根據(jù)某些雜質(zhì)，在條件相同的情況下，在SiO2中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散速度的性質(zhì)來完成，即利用SiO2層對某些雜質(zhì)起到“掩蔽”作用來達(dá)到。在相同條件下，雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散深度已達(dá)到要求時(shí)，而在二氧化硅中的擴(kuò)散深度還非常淺，沒有擴(kuò)透預(yù)先生長的SiO2層，因而在SiO2層保護(hù)的硅內(nèi)沒有雜質(zhì)進(jìn)入，客觀上就起到了掩蔽作用。3.3 3.3 二氧化硅二氧化硅的掩模特性的掩模特性2.2.服從擴(kuò)散規(guī)律服從

59、擴(kuò)散規(guī)律硼、磷：在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很小， SiO2薄膜對這類雜質(zhì)是一種理想的擴(kuò)散掩蔽膜；鎵：擴(kuò)散系數(shù)非常大， SiO2對這類雜質(zhì)起不到掩蔽作用；鈉、鉀等堿金屬離子：在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)和遷移率都非常大，即使在很低溫度下也如此。應(yīng)盡量避免被這類離子玷污。氧化掩模層的厚度一般采用實(shí)驗(yàn)測量方法獲得，典型厚度為0.51.0 m。3.3.避免鈉一類離子的玷污避免鈉一類離子的玷污，因?yàn)樗赟iO2中的擴(kuò)散系數(shù)和遷移率都很大，鈉離子的玷污是造成雙極器件和MOS器件性能不穩(wěn)定的重要原因。 3.3 3.3 二氧化硅二氧化硅的掩模特性的掩模特性一定雜質(zhì)含量下，常用雜質(zhì)在SiO2層中的擴(kuò)散系數(shù)3.3 3.3

60、二氧化硅二氧化硅的掩模特性的掩模特性實(shí)現(xiàn)掩模遮蔽的條件實(shí)現(xiàn)掩模遮蔽的條件1，所選用的擴(kuò)散源在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)必須比在硅中的擴(kuò)散系數(shù)小的多；2， SiO2層必須具有足夠的厚度，以確保雜質(zhì)在擴(kuò)散區(qū)達(dá)到預(yù)定的結(jié)深時(shí)， SiO2層還遠(yuǎn)沒有被擴(kuò)透。 3.3 3.3 二氧化硅二氧化硅的掩模特性的掩模特性以熱氧化法生長的SiO2膜，在微電子器件結(jié)構(gòu)中具有多種用途，其中最主要的是作為MOSFET 器件的的柵氧化層。 SiO2膜的質(zhì)量直接關(guān)系到半導(dǎo)體器件及集成電路的性能。因此，對SiO2膜的質(zhì)量要求是很嚴(yán)格的。從宏觀上看，要求表面無斑點(diǎn)、裂紋、白霧及發(fā)花現(xiàn)象以及沒有針孔等缺陷存在。其膜質(zhì)量要符合要求而且均勻