第三章 熱生長(zhǎng)二氧化硅膜課件

微電子工藝學(xué)第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜二氧化硅膜的用途：作為摻雜的掩蔽膜；MIS柵介質(zhì)膜；介質(zhì)隔離；保護(hù)層或緩沖層。SiO2Si第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.1二氧化硅膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序。組成單元：硅氧四面體。二氧化硅中也可能存在各種雜質(zhì)，如氫氧根（替代氧）；硼、磷（替代硅）；鉀、鈉、鈣、鋇、鉛、鋁（填隙雜質(zhì)），從而對(duì)其物理性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。SiO第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜硅暴露在空氣中，則在室溫下即可產(chǎn)生二氧化硅層，厚度約為250埃。如果需要得到更厚的氧化層，必須在氧氣氣氛中加熱。硅的氧化反應(yīng)是發(fā)生在Si/SiO2界面，這是因?yàn)椋篠i在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)比O的擴(kuò)散系數(shù)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.2二氧化硅膜的制備方法制備二氧化硅膜的方法有：熱生長(zhǎng)氧化法、化學(xué)氣相沉積等。但目前主要使用的還是熱生長(zhǎng)氧化法。熱生長(zhǎng)氧化法優(yōu)點(diǎn)：致密、純度高、膜厚均勻等；缺點(diǎn)：需要暴露的硅表面、生長(zhǎng)速率低、需要高溫。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜熱生長(zhǎng)二氧化硅的方法干氧法：硅和分子氧反應(yīng)生成SiO2

特點(diǎn)：氧化速度慢，但氧化層致密。水汽氧化：硅和水汽反應(yīng)生成SiO2

特點(diǎn)：氧化速度快，但氧化層疏松。濕氧法：硅同時(shí)和氧分子及水汽反應(yīng)生成SiO2

特點(diǎn)：氧化速度介于干氧和水汽氧化之間。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.3迪爾－格羅夫氧化模型J1J2J3CgCsC0Ci自由氣體層第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜Cg－離硅片表面較遠(yuǎn)處氧濃度；Cs－硅片表面處的氧濃度；Co－硅片表面氧化層中的氧濃度；Ci－在Si/SiO2界面處的氧濃度；hg－質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)；D－是氧在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)；Ks－是硅與氧反應(yīng)生成SiO2的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；H－是亨利氣體常數(shù)；Pg－氧化爐內(nèi)氧氣的分壓。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜氧化層生長(zhǎng)速率為：其中N1是SiO2中氧原子濃度（4.4×1022cm-3

）除以氧源中氧原子數(shù)量。（比如以O(shè)2為氧源，則除以2；以H2O為氧源，則除以1）第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜邊界條件：T＝0時(shí)刻氧化層厚度假設(shè)為t0，則有：其中：1、若氧化層厚度足夠?。?、若氧化層厚度足夠厚：反應(yīng)速率控制擴(kuò)散控制第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜B/A被稱(chēng)為線性速率系數(shù)；而B(niǎo)被稱(chēng)為拋物線速率系數(shù)第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜自然氧化層迪爾－格羅夫模型在薄氧化層范圍內(nèi)不適用。在薄氧化階段，氧化速率非常快，其氧化機(jī)理至今仍然存在爭(zhēng)議，但可以用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示。由于薄氧化階段的特殊存在，迪爾－格羅夫模型需要用τ來(lái)修正。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜硅（100）晶面干氧氧化速率與氧化層厚度的關(guān)系第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜薄氧階段的經(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)。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜硅的氧化系數(shù)溫度(℃)干氧濕氧A(μm)B(μm2/h)τ(h)A(μm)B(μm2/h)8000.370.00119——9200.2350.00491.40.50.20310000.1650.01170.370.2260.28711000.090.0270.0760.110.5112000.040.0450.0270.050.72其中：τ是考慮到自然氧化層的因素，250?左右。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜計(jì)算在120分鐘內(nèi)，920℃水汽氧化（640Torr）過(guò)程中生長(zhǎng)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。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.4影響氧化速率的因素溫度：氧化速率隨溫度升高而增大。氣氛：適量摻氯氣氛可以增加氧化速率。氧化劑分壓：氧化速率與氧化劑分壓成正比。硅襯底摻雜：一般情況下硅中的摻雜會(huì)增加氧化速率。硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)>R(110)>R(100)。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜溫度的影響分析對(duì)于拋物線速率常數(shù)B，溫度的影響是通過(guò)擴(kuò)散系數(shù)D體現(xiàn)的。具體表現(xiàn)在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，這是因?yàn)楦裳鹾退诠柚械臄U(kuò)散激活能不一樣。對(duì)于線性速率常數(shù)B/A，溫度的影響則主要是通過(guò)反應(yīng)速率常數(shù)Ks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。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜拋物線速率常數(shù)B隨溫度的變化（阿列尼烏斯曲線）第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜線性速率常數(shù)B/A隨溫度的變化（阿列尼烏斯曲線）第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜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(dòng)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)。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜氯對(duì)氧化速率的影響第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜氧化劑分壓的影響分析A與氧化劑分壓無(wú)關(guān)，而B(niǎo)與氧化劑分壓成正比。通過(guò)改變氧化劑分壓可以達(dá)到調(diào)整SiO2生長(zhǎng)速率的目的，因此出現(xiàn)了高壓氧化和低壓氧化技術(shù)。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜氧化速率常數(shù)隨溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜硅片晶向的影響分析B與晶向無(wú)關(guān)，因?yàn)榉謮阂欢ǖ那闆r下，氧化速率與氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)D有關(guān)，而SiO2是無(wú)定形的，所以擴(kuò)散具有各向同性。A與晶向有關(guān)，因?yàn)榉磻?yīng)速率常數(shù)嚴(yán)重依賴(lài)于硅表面的鍵密度。顯然，（111）晶面的鍵密度大于（100）晶面，所以（111）晶面上的氧化速率最大。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜摻雜的影響分析硅中常見(jiàn)雜質(zhì)如硼、磷，都傾向于使氧化速率增大。對(duì)于硼來(lái)說(shuō)，氧化過(guò)程中大量的硼進(jìn)入到SiO2中，破壞了SiO2的結(jié)構(gòu)，從而使氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散能力增強(qiáng)，因此增加氧化速率。對(duì)于磷來(lái)說(shuō)，雖然進(jìn)入SiO2的磷不多，但在高濃度時(shí)，高濃度磷摻雜會(huì)改變硅的費(fèi)米能級(jí)，使硅表面空位增多（存在爭(zhēng)議），從而提供了額外的氧化點(diǎn)，增加了氧化速率。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.5熱氧化引起的缺陷氧化誘生層錯(cuò)是熱氧化產(chǎn)生的缺陷，它通常存在于Si/SiO2界面附近硅襯底一側(cè)。產(chǎn)生原因：氧化過(guò)程中產(chǎn)生硅自填隙點(diǎn)缺陷，這些點(diǎn)缺陷凝聚起來(lái)，在（111）面內(nèi)形成層錯(cuò)。減少層錯(cuò)的措施：a）磷、硼摻雜引入晶格失配缺陷作為點(diǎn)缺陷的吸收源；b）摻氯氧化可以吸收點(diǎn)缺陷，阻止點(diǎn)缺陷凝聚長(zhǎng)大；c）采用高壓氧化，從而減少氧化溫度和時(shí)間；d）采用（111）硅片。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.6氧化層質(zhì)量－Si/SiO2界面第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜固定電荷層：存在于Si/SiO2界面附近，是一些過(guò)剩的硅離子。這些過(guò)剩的硅在氧化過(guò)程中與晶格脫開(kāi)，但還沒(méi)有與氧分子反應(yīng)，于是形成固定電荷層。界面陷阱電荷：硅表面出現(xiàn)晶格周期中斷，從而導(dǎo)致界面處出現(xiàn)懸掛鍵，成為電子或空穴的陷阱，并在禁帶中引入能級(jí)，稱(chēng)為界面態(tài)?？梢苿?dòng)離子電荷：來(lái)自鉀、鈉等其它堿金屬離子污染，在高溫和電場(chǎng)的作用下可在氧化層內(nèi)移動(dòng)，非常有害。氧化層陷阱電荷：由氧化層內(nèi)的缺陷引起，這些缺陷可以捕獲電子或空穴。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜改善Si/SiO2界面的方法大多數(shù)氧化工藝在硅片從爐子里面拉出來(lái)之前，有一個(gè)短時(shí)的氮?dú)饣驓鍤馔嘶?，可以顯著改善Si/SiO2界面質(zhì)量。摻氯氧化可以減小可移動(dòng)離子，減小界面態(tài)和固定電荷。注意工藝過(guò)程中的潔凈環(huán)境，盡可能減少可動(dòng)離子。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.7

SiO2氧化層的替代品隨著微電子器件的小型化，SiO2氧化層已經(jīng)不能滿足需求，其矛盾在于：當(dāng)SiO2層薄到一定程度時(shí)，其漏電流大幅度增加，從而造成器件的不穩(wěn)定性及高功耗。而目前Intel公司新一代45nmCPU工藝中即將采用氧化鉿高K值絕緣層代替SiO2，并采用金屬柵極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多晶硅柵極。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.8氧化層厚度測(cè)量方法臺(tái)階法：腐蝕部分SiO2膜得到臺(tái)階，然后用電鏡或顯微鏡觀測(cè)得到膜厚。光學(xué)法：包括橢偏光法和干涉法。電學(xué)測(cè)量：包括電壓擊穿法和電容－電壓法等。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.9氧化系統(tǒng)高壓氧化系統(tǒng)普通氧化系統(tǒng)第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜氧化爐實(shí)物圖第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜預(yù)清洗裝載硅片氧化N2退火冷卻柵氧化步驟在O2和HCl混合氣氛中，1100℃下60分鐘的氧化爐清洗，然后用N2吹掃，并降溫到800℃。在O2和N2混合氣氛中裝載硅片。在O2和HCl混合氣氛中，1000℃下進(jìn)行氧化。1050℃，N2下進(jìn)行退火以減少氧化層固定電荷。800℃以下再拉出硅片。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.10二氧化硅的擴(kuò)散掩蔽作用實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散掩蔽對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的要求：雜質(zhì)在二氧化硅中的擴(kuò)散系數(shù)要??；雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散系數(shù)要大。雜質(zhì)鎵和鋁在二氧化硅中的擴(kuò)散系數(shù)比在硅中大數(shù)百倍，而硼、磷、砷在二氧化硅中的擴(kuò)散系數(shù)比在硅中小，所以二氧化硅可用于硼、磷、砷等雜質(zhì)的擴(kuò)散掩蔽，而不能用于鎵、鋁的擴(kuò)散掩蔽。鎵、鋁可以采用氮化硅作為掩蔽膜。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜4.11硅的局部氧化（LOCOS）

（localoxidationofsilicon）當(dāng)需要在硅片上進(jìn)行局部氧化時(shí)，一般用氮化硅作掩蔽膜，因?yàn)橹旅艿牡枘茏钃跹鹾退?。由于硅氧化成二氧化硅后體積會(huì)膨脹，所以窗口會(huì)形成高度約為0.55tox的臺(tái)階，而Si3N4膜受上述臺(tái)階的影響會(huì)翹起，形成所謂的“鳥(niǎo)嘴效應(yīng)”。為消除鳥(niǎo)嘴，可在局部氧化之前，先將窗口處的硅腐蝕掉，然后進(jìn)行氧化。第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜第三章熱生長(zhǎng)二氧化硅膜習(xí)題在某個(gè)雙極工藝中，為了隔離晶體管，需要生長(zhǎng)1μm厚的場(chǎng)氧化層，由于考慮到雜質(zhì)擴(kuò)散和堆跺層錯(cuò)的形成，氧化必須在1050℃下進(jìn)行。如果工