复旦集成电路工艺课件-07

1、INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)1/43集成电路工艺原理 仇志军邯郸校区物理楼435室INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)2/43大纲大纲 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶体生长晶体生长第第三章三章 实验室净化及硅片清洗实验室净化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 热氧化热氧化第六章第六章 热扩散热扩散第七章第七章 离子注入离子注入第八章第八章 薄膜淀积薄膜淀积第九章第九章 刻蚀刻蚀第十章第十章 后端工艺与集成后端工艺与集成第十一章第十一章 未来趋势与挑战未来趋势与挑战INF

2、O130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)3/43DG模型模型tABxBx/020BAxxii2氧化速率为氧化速率为)2/(00AxBdtdx上节课主要内容上节课主要内容压强、晶向、掺杂和掺氯对氧化速率的影响INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)4/43掺有杂质的硅在热氧化过程中，靠近界面的硅中杂质，将在界面两边的硅和二氧化硅中发生再分布。其决定因素有：v杂质的分凝现象v杂质通过SiO2表面逸散v氧化速率的快慢v杂质在SiO2中的扩散速度热氧化时杂质在界面上的再分布热氧化时杂质在界面上的再分布INFO1300

3、24.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)5/43热氧化时杂质在界面上的再分布的诱因热氧化时杂质在界面上的再分布的诱因杂质在Si和SiO2中的溶解度不同，扩散系数不同，热氧化时，杂质在SiO2Si两边要重新分布，这种规律由来描述杂质在硅中的平衡浓度杂质在二氧化硅中的平衡浓度 k = C1C2INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)6/43A. k1，并且杂质在氧化物中扩散很慢慢。例如B，k=0.3 杂质在杂质在SiO2界面处浓度很界面处浓度很高高B. k1，并且杂质在氧化物中扩散慢慢。例如 P，As，Sb杂质在硅界面处堆

4、积杂质在硅界面处堆积D. k1，并且杂质在氧化杂质在氧化物中扩散物中扩散快快。例如。例如Ga，硅界面处的杂质浓度低硅界面处的杂质浓度低于体浓度于体浓度。INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)8/432D热氧化热氧化由于受到转角处对于热氧化时体由于受到转角处对于热氧化时体积膨胀的限制，积膨胀的限制，2D热氧化不同于平面的热氧化热氧化不同于平面的热氧化INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)9/43氧化硅在凸角和凹角处均比平坦处氧化硅在凸角和凹角处均比平坦处薄薄凹角凹角比凸角影响更大比凸角影响更大氧化滞后

5、与转角的曲率半径氧化滞后与转角的曲率半径 r 相关：相关：r越小，滞后越严重越小，滞后越严重低温下氧化滞后更严重。低温下氧化滞后更严重。1200 C未见滞后。未见滞后。INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)10/43凸角凸角凹角凹角INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)11/43晶向：在薄氧化层区域对氧化速率的作用2D 氧化扩散 2D扩散方程及仿真技术体积膨胀带来的应力：非平坦表面的应力更大物理机理解释物理机理解释硅硅SiO2新生新生SiO2INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热

6、氧化原理热氧化原理 (下下)12/43热氧化方法热氧化炉（热氧化炉（furnace）常规热氧化掺氯氧化氢氧合成氧化高压氧化INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)13/431、常规热氧化、常规热氧化INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)14/43例题例题1、 硅片上表面有硅片上表面有200 nm氧化层氧化层（a）如果上述氧化层在）如果上述氧化层在1100 C干氧中生长，生长时间为干氧中生长，生长时间为多少？多少？（b）如果硅片重新送回氧化炉（往往是另一个炉子），）如果硅片重新送回氧化炉（往往是另一个炉

7、子），继续在继续在1000 C下水汽氧化，多长时间可以增加氧化层厚度下水汽氧化，多长时间可以增加氧化层厚度至至500 nm？关于关于 干氧氧化，用干氧氧化，用xi25 nm计算计算xi 0， 代表的是在现在条件下生长代表的是在现在条件下生长xi 所需的所需的时间，与实际生长的方法无关时间，与实际生长的方法无关水汽氧化，用水汽氧化，用xi0计算，计算， 0 xi0INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)15/43(a)补偿值补偿值3INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)16/43(b).2INFO130

8、024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)17/432、掺氯氧化 氯源 3% HCl，三氯乙烯TCE（C2HCl3），三氯乙烷（TCA），三氯甲烷，Cl2，NH4Cl，CCl4等 方法 最好瓶装HCl气体，使用方便，浓度容易控制 二步TCE或TCA法 850 C 干氧 850 C TCE 或 TCA氧化 1050 C TCE或TCA氧化 1050 C N2中退火 降低QitINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)18/433、氢氧合成氧化2H2 + O2 = 2H2OSi+ 2H2O=SiO2+2H2INFO13002

9、4.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)19/434、高压氧化：一种低温快速的氧化方法B和B/A与氧化剂分压近似成正比在一个大气压下，每增加一个大气压氧化速率增加一倍如速率不变，则每增加一个大气压，温度下降30 C但在VLSI工艺中，尚未广泛使用，原因：1）安全问题，一般设备需要25 atm2）设备占地太大，生产产量小3）厚度不均匀INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)20/43INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)21/43Si/SiO2界面特性1）固定氧化物电荷，Qf

10、Fixed Oxide Charge2）界面陷阱电荷，QitInterface trapped charge3）可动离子电荷，QmMobile ionic charge4）氧化物陷阱电荷，QotOxide trapped chargeINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)22/431、固定氧化物电荷，Qf （fixed oxide charge） 位置：靠近界面氧化层内23 nm范围 电荷：正电荷。电荷密度：109-1011 cm-2。电荷态在器件工作期间不变化。 来源推测：由不完全氧化的带有净正电荷的Si引起的。特点： Si中的杂质浓度、导电类

11、型及SiO2厚度与Qf关系不大 Qf和生长温度关系：温度升高，Qf下降。 降温速率越快，Qf值越低，但硅片直径大于100 mm的硅片不宜降温太快。 氧化速率越快， Qf越高 Qf :Qf:Qf =3:2:1 重复性好 SiINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)23/43Deal 三角关系三角关系（Deal Qf Triangle）斜边代表了Qf和温度的关系温度升高，Qf降低垂直边表示氧化温度不变，只要改变气氛（N2或Ar）会使Qf大大降低水平边表示在惰性气体中的降温过程适于（适于（111）硅）硅（100）硅约小）硅约小3倍倍INFO130024.

12、02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)24/432、界面陷阱电荷/界面态，Qit（Interface trapped charge）位置位置: Si/SiO2 界面界面来源推测来源推测: 1)在衬底硅指向氧化层的在衬底硅指向氧化层的Si表面的悬挂键（表面的悬挂键（Dangling bond Si ）2)可以束缚载流子的界面电离杂质（荷电中心）可以束缚载流子的界面电离杂质（荷电中心）电荷：能量处于禁带中，可以和电荷：能量处于禁带中，可以和Si交换电荷，电荷态依赖于偏压，交换电荷，电荷态依赖于偏压，可能是正，负或者中性；密度可能是正，负或者中性；密度109-1011 cm

13、-2eV-1与与Qf为同一来源：高为同一来源：高Qf一定高一定高Qit。INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)25/43INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)26/43q Qit和下列因素有关：氧化温度，氧化气氛（湿氧、干氧），晶向等q Qit和干氧氧化温度的关系1）Qit 随温度升高而降低； 2）干氧Qit高于湿氧3）在能带中间部分， Qit(100)比Qit(111)低约5倍q 降低Qit的方法低温金属化后退火（PMA） （low temperature post-metallization a

14、nneal)在H2或H2N2（Forming Gas Annealing, FGA）中350500 C退火30分钟q退火前，Qit约1011 cm-2eV-1q退火后，Qit约1010 cm-2eV-1 - 可应用INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)27/43Annealing w/o H2500 oC/10 min/10% H2 in N2450 oC/10 min/25% H2 in N2Midgap Qit (1011 cm-2 eV-1)Oxidation temperature (oC)3.02.52.01.51.00.5024681

15、210120011001000900通过FGA有效地降低Qit的实例INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)28/43Qf和和Qit与晶向的关系与晶向的关系（100）最低）最低Qit & Qf：温度越高，越小温度越高，越小界面越粗糙，越大界面越粗糙，越大比比小得多小得多低温合金退火低温合金退火（氢钝化）（氢钝化）高温氩气退火高温氩气退火掺氯氧化掺氯氧化INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)29/43q位置：可以在氧化层中任意地方。开始位于栅（金属或多晶硅）/SiO2界面，如在正偏或加温情况，Q

16、m将向Si/SiO2界面移动。q来源：金属化(Metallization)及别的污染。q碱金属离子（Na+, K+）玷污引起（以网络变性体形式存在）。q会引起MOS器件阈值电压VT的变化和稳定性问题。3、可动离子电荷，Qm（mobile ionic charge）INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)30/43减少Qm的具体方法1)清洗石英管 O2-HCl气体 1150 C/2 h2)采用掺氯氧化，源有HCl-O2、TCE、TCA等3)用磷硅玻璃PSG （phosphosilicate glass）4)Si3N4作为最后钝化层Not an iss

17、ue anymore!INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)31/43v 位置：位于氧化层中任意地方。v 来源: 1）氧化层中一些断裂的Si-O、Si-Si、Si-H、Si-OH 电离辐照（ionization irradiation） VLSI工艺过程引入：如电子束蒸发、溅射、等离子体刻蚀、电子束或X射线光刻、离子注入v 结果：这些陷阱会捕获空穴或电子，影响器件的工作u1000 C干氧化可以改善SiO2结构，使其不易打断抗辐射氧化u可通过在H2或惰性气体中300 C消除。u加对于辐射不敏感的钝化层，如Al2O3和Si3N4 4、氧化物陷阱电荷，

18、Qot （oxide trapped charge）INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)32/43二氧化硅质量的检验二氧化硅质量的检验一、氧化膜的缺陷检查1、氧化膜针孔的检测EPW（邻苯二酚乙二胺水腐蚀法）阳极氧化法氯气腐蚀法 MOS 二极管法2、氧化导致的层错的检测（OISF：Oxidation induced stacking faults)氧化后，用HF去除SiO2, 用Sirtl溶液腐蚀Sirtl溶液：100ml H2O + 50 g Cr2O3 +75 ml HF3、氧化膜中钠离子含量测定（在后面电学测量中讲到）观察衬底腐蚀情况观察衬

19、底染色情况INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)33/43OISF Oxidation Induced Stacking Fault氧化时产生大量的间隙原子。这些点缺陷易于聚集为大的氧化时产生大量的间隙原子。这些点缺陷易于聚集为大的2D缺陷缺陷层错。层错位于界面，成为重金属的吸杂中心，导层错。层错位于界面，成为重金属的吸杂中心，导致器件漏电。高压氧化（低温）和掺氯氧化，均有利于抑制致器件漏电。高压氧化（低温）和掺氯氧化，均有利于抑制OISF。INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)34/43厚度测量

20、机械法机械法 比色法比色法 椭偏法椭偏法 光干涉法光干涉法 C-V测量测量Stylus1、机械法、机械法二氧化硅质量的检验二氧化硅质量的检验台阶仪-profilometerINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)35/432、比色法、比色法INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)36/433、光干涉法（、光干涉法（Interferometry） 由光的相干原理，膜表面与界面反射二束光相干涉。由光的相干原理，膜表面与界面反射二束光相干涉。由光学原理，两束光的光程差为由光学原理，两束光的光程差为入入射光的波

21、长整数倍时射光的波长整数倍时出现加强的亮度出现加强的亮度nmx20n：二氧化硅折射率：入射光波长 如 =589.6 nmm：干涉级数垂直入射时垂直入射时: INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)37/434、椭偏法（、椭偏法（Ellipsometry）Light sourceFilterPolarizerQuarter wave plateSubstrateFilm being measuredDetectorAnalyzer单色光经过起偏器变成偏振光，再经单色光经过起偏器变成偏振光，再经1/4波片变成椭圆偏振波片变成椭圆偏振光，照射样品，再经过

22、膜的反射、检偏后进入光电管。光，照射样品，再经过膜的反射、检偏后进入光电管。两个相互垂直的偏振光的分量的振幅与相位变化是与膜厚度及折射率有关，查图表（软件自动计算）可得到厚度。INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)38/43椭偏法是一种非常精确、非常灵活的测试方法椭偏法是一种非常精确、非常灵活的测试方法厚度测量厚度测量: 测量结果给出周期性的厚度结果测量结果给出周期性的厚度结果 需要知道薄膜的一些性质需要知道薄膜的一些性质 多种波长测量多种波长测量厚度和折射率（厚度和折射率（refractive index）：）： 可以决定不同材料的厚度及折射率

23、可以决定不同材料的厚度及折射率多层薄膜：多层薄膜： 可以用多波长和多角度来决定多层薄膜的厚度可以用多波长和多角度来决定多层薄膜的厚度INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)39/43(a) 正电压加在金属电极上，相当于积累区（accumulation）(b) 负电压引起衬底部分耗尽（depletion）(c) 进一步加负电压，使得反型层（inversion）出现。三、电学测量三、电学测量QG=qNDxD+QIINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)40/43低频时，低频时，QI完完全平衡了栅上全平衡了栅

24、上电荷，因此电荷，因此Cinv=Cox在高频时，由于在高频时，由于QI跟不跟不上频率的变化，所以上频率的变化，所以Cinv为为Cox和和CD的串联。的串联。LF1Hz深耗尽：在快速扫描时，由于深耗尽：在快速扫描时，由于QI跟不上扫描速度的变化，因此跟不上扫描速度的变化，因此xD必须增加来与栅上电荷平衡必须增加来与栅上电荷平衡INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)41/43Qit的作用下，的作用下，C-V曲线的曲线的畸变畸变界面电荷对于界面电荷对于MOS电容电容C-V曲线的作用曲线的作用Q=Qf+Qot+QmINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (下下)42/43氧化膜中可动离子氧化膜中可动离子(Na+)含量测定（含量测定（B-T）1、初次测量、初次测量C-V曲线曲线2、栅极加约、栅极加约1 MV/cm的正向偏的正向偏压，同时器件加热至压，同时器件加热至2