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(yè)典型(dinxng)的硅片處理流程模型共七十二頁(yè)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(yè) 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(yè)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(yè)2.

2、1 引言(ynyn)非晶體（無(wú)定形）結(jié)構(gòu)(jigu)：Si-O 四面體在空間無(wú)規(guī)則排列。共七十二頁(yè) 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(duì)介電常數(shù)11.73.9熔點(diǎn)（）14171700熱導(dǎo)（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(yè)SiO2的化學(xué)性質(zhì)： SiO2 的化學(xué)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(yè) SiO2的熱脹冷縮特性（與Si有類(lèi)似(li s)的熱膨脹系

3、數(shù)）：2.1 引言(ynyn)共七十二頁(yè)能夠在硅片上熱生長(zhǎng)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(yīng)力消除層、柵氧等。氧化硅的質(zhì)量對(duì)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(zhǎng)或淀積，前者是高溫下高純氧氣與硅襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，后者是由外部提供氧氣和硅源產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。2.1 引言(ynyn)共七十二頁(yè)硅的熱氧化：通過(guò)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(zhǎng)一層氧化層（SiO2）的過(guò)程 。2.1 引言(ynyn)共七十二頁(yè)2.2 氧化(ynghu)原理1.氧化的化學(xué)反應(yīng)及過(guò)程(gu

4、chng)2.氧化的生長(zhǎng)速率3.影響二氧化硅生長(zhǎng)的因素4.常規(guī)的氧化工藝5.先進(jìn)的氧化工藝6.氧化消耗硅共七十二頁(yè)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(fù)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?yàn)楹瑲?，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(yīng)，又有與水汽反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)及過(guò)程共七十二頁(yè)硅氧化硅滯留層反應(yīng)氣體流新的氧化硅生成2.2 氧化(ynghu)原

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

6、氧化硅比較厚時(shí)：氧分子、水分子不足，硅原子充足：擴(kuò)散速度決定氧化速率共七十二頁(yè)硅片上的氧化物生長(zhǎng)(shngzhng)模型是由迪爾和格羅夫發(fā)展的線(xiàn)性-拋物線(xiàn)性模型。2.2 氧化(ynghu)原理2.氧化的生長(zhǎng)速率線(xiàn)性?huà)佄锞€(xiàn)性模型表述為： t2oxAtoxB(t + ) tox為硅片上生長(zhǎng)的SiO2總的厚度(m)； B為拋物線(xiàn)速率系數(shù)(m2/h)； B/A為線(xiàn)性速率系數(shù)(m/h)； 為生成初始氧化層所用的時(shí)間(h)共七十二頁(yè)氧化物的生長(zhǎng)可分為兩個(gè)階段：線(xiàn)性階段和拋物線(xiàn)階段 線(xiàn)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(xiàn)性速率系數(shù) t為生長(zhǎng)時(shí)間

7、 線(xiàn)性階段為反應(yīng)速率控制2.2 氧化(ynghu)原理共七十二頁(yè) 拋物線(xiàn)階段（ 厚度150埃） tox =(Bt)1/2 其中：tox為氧化層厚度 B為拋物線(xiàn)速率(sl)系數(shù) t為生長(zhǎng)時(shí)間2.2 氧化(ynghu)原理拋物線(xiàn)階段為擴(kuò)散速率控制共七十二頁(yè)水氣(shu q)在二氧化硅中的擴(kuò)散速度和溶解度比氧氣的大2.2 氧化(ynghu)原理B/A為線(xiàn)性速率系數(shù)，B為拋物線(xiàn)速率系數(shù)，B/A和B與溫度、氧化劑濃度、反應(yīng)室壓力等因素有關(guān)。濕氧拋物線(xiàn)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(yè)氧化物生長(zhǎng)(shngzhng)曲線(xiàn)2.2 氧化(ynghu)原理在1100干氧氧化生長(zhǎng)的線(xiàn)性和拋物

8、線(xiàn)階段共七十二頁(yè)氧化溫度氧化時(shí)間摻雜效應(yīng)：重?fù)诫s的硅要比輕摻雜的氧化速率(sl)快（摻雜改變了氧化劑的擴(kuò)散速率(sl)）硅片晶向：硅單晶的氧化速率比稍快（適用于線(xiàn)性階段，而拋物線(xiàn)階段氧化速率無(wú)差別）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，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(zhǎng)的因素共七十二頁(yè)（100）硅干氧氧化速率(sl)曲線(xiàn)2.2 氧化(ynghu)原理共七十二頁(yè)2.2 氧化(ynghu)原理（100）硅濕氧氧化速率(sl)曲線(xiàn)共七十二頁(yè)2.2 氧化(ynghu)原理（111）硅濕氧氧化速率(sl)曲線(xiàn)共七十二頁(yè)高壓氧化2

9、.2 氧化(ynghu)原理共七十二頁(yè)SiO2-Si界面的雜質(zhì)分凝（Dopant Segregation）現(xiàn)象： 高溫過(guò)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(duì)硅表面雜質(zhì)(zzh)分布的影響：2.2 氧化原理共七十二頁(yè)硅片清洗（除去硅片上的各種沾污）裝片進(jìn)爐（手動(dòng)或自動(dòng)以5cm/min的速度進(jìn)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(shí)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(shí)間850oC850oC10oC/min5oC/min1100oCO2+H2O60 minN2N2氧化程序控制曲線(xiàn)O220 minO2+HCl20 min共七十二頁(yè) 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(yè)斜坡降溫（以5 /min從1100 降到850 ）出片（手動(dòng)或自動(dòng)(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(dòng)電荷的檢測(cè)）2.2 氧化(ynghu)原理 上述工藝SiO2厚度大約600nm左右溫度時(shí)間850oC850oC10oC/min5oC/min1100oCO2+H2O60 minN2

11、N2氧化程序控制曲線(xiàn)O220 minO2+HCl20 min共七十二頁(yè)2.2 氧化(ynghu)原理水汽氧化： Si H2O SiO2 H25.先進(jìn)的氧化工藝(gngy)（氫氧合成氧化工藝(gngy)）共七十二頁(yè)2.2 氧化(ynghu)原理濕氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2共七十二頁(yè)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(yè)2.2 氧化(ynghu)原理 氣體流量(liling)比很重要！共七十二頁(yè)氧化水溫氧化速率

12、均勻性重復(fù)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(mǎn)足2.2 氧化(ynghu)原理 三種熱氧化層質(zhì)量(zhling)對(duì)比：共七十二頁(yè) 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(yè)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(chǎng)區(qū)隔離3. 保護(hù)器件以免劃傷和離子沾污4. 摻雜過(guò)程中的注入阻擋層5. 減小氮化硅與下層之間應(yīng)力的墊氧化層6. 減小注入損傷及溝道效應(yīng)的注入屏蔽(pngb)氧化層7. 導(dǎo)電金屬之間的層間

13、介質(zhì)共七十二頁(yè)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(zhǎng)方法(fngf)形成2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁(yè)2. 場(chǎng)氧化層：用做單個(gè)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(yè) 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(yè)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(yè)3. 保護(hù)層/鈍化層：保護(hù)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(yè)4. 摻雜阻擋層：作為注入或擴(kuò)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(yè)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(yīng)力2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁(yè)2.3 Si

15、O2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁(yè)6. 注入屏蔽(pngb)氧化層：用于減小注入損傷及減小溝道效應(yīng)2.3 SiO2在集成電路(jchng-dinl)中的用途共七十二頁(yè)減小溝道效應(yīng)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(yè)7. 金屬間的絕緣層：用作金屬連線(xiàn)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(yè)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(chǎng)區(qū)隔離（場(chǎng)氧化層）

16、3.保護(hù)器件以免劃傷和離子沾污（保護(hù)層/鈍化層）4.摻雜過(guò)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(yīng)力的墊氧化層（墊氧層）6.減小注入損傷及溝道效應(yīng)的注入屏蔽氧化層（注入屏蔽 氧化層）7.導(dǎo)電金屬之間的層間介質(zhì)（金屬間的絕緣層）共七十二頁(yè)氧化(ynghu)層應(yīng)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(yè)熱生長(zhǎng)SiO2 Si 系統(tǒng)(xtng)中的實(shí)際電荷情況2.4 SiO2Si界面(jimin)及摻氯氧化界面突變導(dǎo)致各種缺陷的產(chǎn)生，從而引發(fā)各種電荷共七十二頁(yè)在實(shí)際的SiO2 Si 系統(tǒng)中，存在四種電荷：1. 可動(dòng)電荷： 指Na、K離子，來(lái)源于工

17、藝中的化學(xué)試劑、器皿和各種沾污等。2. 固定電荷：指位于SiO2 Si 界面2nm以?xún)?nèi)的未氧化的過(guò)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(yè)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(jìn)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(dòng)離子沾污2.4 SiO2Si界面(jimin)及摻氯氧化共七

18、十二頁(yè)不摻氯熱氧化層 1). 可動(dòng)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(dòng)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(duì)比：2.4 SiO2Si界面及摻氯氧化共七十二頁(yè)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(cè)量 使用觀(guān)察法或利用(lyng)臺(tái)階儀、膜厚儀、橢偏儀等儀器測(cè)量3. 氧化層固定離子電荷和可動(dòng)離子電荷的測(cè)量

19、 使用CV測(cè)試儀檢測(cè)共七十二頁(yè)觀(guān)察氧化硅片，通過(guò)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(yè)純硅片表面(biomin)生長(zhǎng)有二氧化硅膜的硅片2.5 SiO2的質(zhì)量檢查共七十二頁(yè)- 需要刻蝕掉部分薄膜才能測(cè)量- 豎直方向(fngxing)臺(tái)階測(cè)量非常精確2.5 SiO2的質(zhì)量檢查臺(tái)階(tiji)儀：共七十二頁(yè)膜厚儀（光學(xué)(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(yè) - 測(cè)量薄膜厚度非常精確（0.1nm幾個(gè)um） - 原理類(lèi)似膜厚儀，只是測(cè)量的是反射光平行和垂直 方向偏振(pin zhn)強(qiáng)度的變化 2.5 SiO2的質(zhì)量

20、檢查橢偏儀：共七十二頁(yè)2.5 SiO2的質(zhì)量檢查氧化層固定(gdng)離子電荷和可動(dòng)離子電荷的測(cè)量：共七十二頁(yè)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(yè)2.6 氧化(ynghu)設(shè)備1. 臥式高溫(gown)爐共七十二頁(yè)2. 立式高溫爐：節(jié)約凈化室面積、提高(t go)自動(dòng)化處理水平2.6 氧化(ynghu)設(shè)備共七十二頁(yè)立式高溫(gown)爐系統(tǒng)2.6 氧化(ynghu)設(shè)備共七十二頁(yè)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(xiàn)(qxin)對(duì)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(yè)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(yè)2.7 快速(kui s)熱處理快速熱處理（RTA）是在非常短的時(shí)間內(nèi)（幾分之一秒）將單個(gè)硅片加熱至4001300溫度范圍的一種方法。RTA的優(yōu)點(diǎn)： 1.減少熱預(yù)算（硅工藝過(guò)程中需要的熱能：溫度*時(shí)間） 2.硅中雜質(zhì)(zzh)運(yùn)動(dòng)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(shí)間共七十二頁(yè)RTA的應(yīng)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