MEMS第四章热氧化ppt课件

1、 热氧化的目的热氧化的目的 在在 Si 衬底的表面生长一层衬底的表面生长一层 SiO2 薄膜。薄膜。 SiO2 薄膜的用途薄膜的用途 1、用作选择扩散时的掩蔽膜；、用作选择扩散时的掩蔽膜； 2、用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等；、用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等； 3、用作绝缘介质隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容、用作绝缘介质隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质等）；介质等）； 4、用作表面保护及钝化。、用作表面保护及钝化。 制备制备 SiO2 薄膜的方法薄膜的方法 热氧化、化学汽相淀积热氧化、化学汽相淀积CVD）、物理汽相淀积）、物理汽相淀积PVD）、）、离子注入氧化、阳极氧化等。离

2、子注入氧化、阳极氧化等。 热氧化的基本原理：在热氧化的基本原理：在 T = 900 1200 oC 的高温下，利用的高温下，利用硅与氧化剂之间的氧化反应，在硅衬底上形成硅与氧化剂之间的氧化反应，在硅衬底上形成 SiO2 薄膜。薄膜。 氧化剂可以是纯氧氧化剂可以是纯氧 O2干氧氧化）、水蒸汽干氧氧化）、水蒸汽 H2O水汽水汽氧化或氧和水蒸汽的混合物氧化或氧和水蒸汽的混合物 O2 + H2O湿氧氧化）。湿氧氧化）。 滞流层附面层的概念滞流层附面层的概念 将从衬底表面气体流速将从衬底表面气体流速 v = 0 处到处到 v = 0.99 v0 处之间的这处之间的这一层气体层称为滞流层。式中一层气体层称

3、为滞流层。式中 v0 为主气流流速。为主气流流速。主气流，主气流，v0氧化剂氧化剂基座基座滞流层滞流层xyLCgCsCs/ = CoCitox 1、氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到、氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到 SiO2 外表，外表，gs1gggssl()CCJDh CCt 2、氧化剂从、氧化剂从 SiO2 表面扩散到表面扩散到 SiO2/Si 界面上，界面上， 2oi2SiOoxCCJDt 3、氧化剂到达、氧化剂到达 SiO2/Si 界面后同界面后同 Si 发生化学反应，发生化学反应，3siJk Ctsl 热氧化过程热氧化过程上式中，上式中，hg = Dg/ts1 为为 气相质量输运系数，气

4、相质量输运系数，ks 为氧化剂与硅为氧化剂与硅反应的界面反应的界面 化学反应速率常数化学反应速率常数 。 Co 与与 Cs 的关系可由的关系可由 Henry 定律定律 得到。得到。Henry 定律说定律说明，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中该种物质的明，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中该种物质的分压分压 ，因而，因而 SiO2 表面处的氧化剂浓度表面处的氧化剂浓度 Co 为为 在平衡状态下，在平衡状态下，123JJJJ式中，式中，H 为为 Henry 定律常数，后一个等号是根据理想气体定律。定律常数，后一个等号是根据理想气体定律。ossCHPHkTC 将以上各方程联立求解，可以得到

5、将以上各方程联立求解，可以得到 SiO2/Si 界面处的氧化界面处的氧化剂浓度为剂浓度为22ggiss oxss oxSiOSiO11HkTCHPCkk tkk thDhD式中，式中，h = hg/HkT 。在常压下。在常压下 h ks ，故分母中的第二项可，故分母中的第二项可以忽略。这说明在热氧化时，气流的影响极其微弱。于是可得以忽略。这说明在热氧化时，气流的影响极其微弱。于是可得到到 SiO2/Si 界面处的氧化剂流密度为界面处的氧化剂流密度为2sg3sis oxSiO1k HPJk Ck tD SiO2 膜的生长速率和厚度的计算膜的生长速率和厚度的计算2sg3ox1s ox1SiOdd1

6、k HPJtRNtk tND 将上式的将上式的 SiO2/Si 界面处氧化剂流密度界面处氧化剂流密度 J3 除以单位体积除以单位体积的的 SiO2 所含的氧化剂分子数所含的氧化剂分子数 N1 ，即可得到，即可得到 SiO2 膜的生长速膜的生长速率率 当氧化剂为当氧化剂为 O2 时，时，N1 为为 2.21022/cm3 ；当氧化剂为；当氧化剂为 H2O 时，时，N1 为为 4.41022/cm3。 利用利用 tox(0) = t0 的初始条件，以上微分方程的解是的初始条件，以上微分方程的解是2oxoxtAtB t式中式中2SiOs2DAk2SiOg12DHPBN200tAtBox2112/4A

7、ttAB或或方程中的参数方程中的参数 A、B 可利用图可利用图 4.2 、图、图 4.3 直接查到。直接查到。 要注意的是，当氧化层比较厚时，氧化速率将随氧化层厚要注意的是，当氧化层比较厚时，氧化速率将随氧化层厚度的变化而改变。因而，如果在氧化开始时已存在初始氧化层度的变化而改变。因而，如果在氧化开始时已存在初始氧化层厚度厚度 t0 ，则氧化完成后的氧化层厚度并不是无，则氧化完成后的氧化层厚度并不是无 t0 时氧化工艺时氧化工艺中生长的氧化层厚度与中生长的氧化层厚度与 t0 之和，而必须先用之和，而必须先用 t0 确定确定，再将，再将与与 t 相加得到有效氧化时间。相加得到有效氧化时间。ox2

8、112/4AttAB2sgox1s oxSiOdd1/Hk PtRtNk tD200tAtB 在氧化初期且在氧化初期且 t0 极薄时，极薄时，DSiO2/tox ks ，t + A2/4B， 此时此时 SiO2 的生长由化学反应速率常数的生长由化学反应速率常数 ks 控制，膜厚与时控制，膜厚与时间成正比，称为线性生长阶段，间成正比，称为线性生长阶段，B/A 称为称为 线性速率系数线性速率系数 。sgox1k HPBtttANox2112/4AttAB 一、线性速率系数一、线性速率系数 此时此时 SiO2 的生长由扩散系数的生长由扩散系数 DSiO2 控制，膜厚与控制，膜厚与 成正比，称为抛物线

9、生长阶段。成正比，称为抛物线生长阶段。B 称为称为 抛物线速率系数抛物线速率系数 。 当氧化时间较长，当氧化时间较长，tox 较厚时，较厚时，DSiO2 /tox A2/4B，t2SiOgox12DHPtBttNox2112/4AttAB 二、抛物线速率系数二、抛物线速率系数 还有一个问题要注意，氧化过程中要消耗掉一部分衬底中还有一个问题要注意，氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅的硅 。氧化层厚度。氧化层厚度 tox 与消耗掉的硅厚度与消耗掉的硅厚度 tsi 的关系是的关系是 tsi = 0.44 tox tox = 2.27 tsi 对一个平整的硅片表面进行氧化和光刻后，若再进行一次对一个平

10、整的硅片表面进行氧化和光刻后，若再进行一次氧化，则下面的氧化，则下面的 SiO2/Si 面将不再是平整的。面将不再是平整的。 不同的氧化剂有不同的氧化速率系数，氧化速率的大小顺不同的氧化剂有不同的氧化速率系数，氧化速率的大小顺序为，水汽序为，水汽 湿氧湿氧 干氧。而氧化膜质量的好坏顺序则为，干氧。而氧化膜质量的好坏顺序则为，干氧干氧 湿氧湿氧 水汽，所以很多情况下采用水汽，所以很多情况下采用 “干氧干氧 - 湿氧湿氧 - 干氧干氧” 的顺序来进行氧化。例如，的顺序来进行氧化。例如， 由于由于 MOSFET 对栅氧化膜质量的要求特别高，而栅氧化对栅氧化膜质量的要求特别高，而栅氧化膜的厚度较薄，所

11、以膜的厚度较薄，所以 MOSFET 的栅氧化通常采用干氧氧化。的栅氧化通常采用干氧氧化。 三、影响氧化速率的各种因素三、影响氧化速率的各种因素 1、氧化剂的影响、氧化剂的影响2ox1100 CO1.5 L/min1030100.5moTtt流量 在抛物线生长阶段，氧化速率随着氧化膜的变厚而变慢在抛物线生长阶段，氧化速率随着氧化膜的变厚而变慢 ，因此要获得较厚氧化膜就需要很高的温度和很长的时间。这时因此要获得较厚氧化膜就需要很高的温度和很长的时间。这时可采用可采用 高压水汽氧化高压水汽氧化 技术，即在几到几十个大气压下通过增技术，即在几到几十个大气压下通过增大氧化剂分压大氧化剂分压 Pg 来提高

12、氧化速率。来提高氧化速率。 2、氧化剂分压的影响、氧化剂分压的影响gBPA2SiOs2DAk2SiOg12DHPBN 无论在氧化的哪一个阶段，氧化速率系数均与氧化剂的分无论在氧化的哪一个阶段，氧化速率系数均与氧化剂的分压压 Pg 成正比。成正比。gBP 反过来，当需要极薄氧化膜的时候，例如反过来，当需要极薄氧化膜的时候，例如 MOSFET 的栅的栅氧化，可以采用氧化，可以采用 分压热氧化分压热氧化 技术。技术。 3、氧化温度的影响、氧化温度的影响 结论结论222SiOsSiOg1dSiO0ks022expexpDAkDHPBNEDDkTEkkkT2ksdSiOexpexpEBkAkTEBDkT

13、,BTBA 4、硅表面晶向的影响、硅表面晶向的影响)100()111(ABAB 5、杂质的影响、杂质的影响 (1) 氧化层中高浓度氧化层中高浓度 Na+ 将增大将增大 B 和和 B/A ； (2) 氧化剂中若含氧化剂中若含 Cl2、HCl、( C2HCl3 ) 等，则将增大等，则将增大 B 和和 B/A ，并且有利于改善，并且有利于改善 SiO2 质量和质量和 SiO2 /Si 界面性质；界面性质； (3) 重掺杂硅比轻掺杂氧化快。硅中硼浓度增大，重掺杂硅比轻掺杂氧化快。硅中硼浓度增大，B 增大，增大，B/A 的变化小；硅中磷浓度增大，的变化小；硅中磷浓度增大，B/A 增大，增大，B 的变化小

14、。的变化小。 实验发现，在氧化膜厚度实验发现，在氧化膜厚度 tox 30 nm 的氧化初始阶段，氧的氧化初始阶段，氧化速率比由迪尔化速率比由迪尔-格罗夫模型预测的快了格罗夫模型预测的快了 4 倍多。倍多。 可以通过对可以通过对 值进行校正来提高模型的精度，但是这会使值进行校正来提高模型的精度，但是这会使在氧化膜极薄时预测的氧化膜厚度比实际的偏厚。在氧化膜极薄时预测的氧化膜厚度比实际的偏厚。 解释氧化初始阶段氧化速率增强机理的模型主要有三种：解释氧化初始阶段氧化速率增强机理的模型主要有三种： 模型模型 1，氧化剂扩散穿过，氧化剂扩散穿过 SiO2 层的速率加快；层的速率加快； 模型模型 2，氧化

15、剂在，氧化剂在 SiO2 层的溶解度增加；层的溶解度增加； 模型模型 3，氧化反应在，氧化反应在 SiO2 层的一定厚度内发生，层的一定厚度内发生，ox1ox2ox12oxdeed2tLtLtBCCttA SiO2 分为分为 结晶形结晶形 和和 无定形无定形 两类。结晶形两类。结晶形 SiO2 由由 Si-O 四四面体面体 在空间规则排列而成，如水晶在空间规则排列而成，如水晶 ；无定形；无定形 SiO2 是是 Si-O 四面四面体在空间无规则排列而成，为透明的玻璃体、非晶体，其密度体在空间无规则排列而成，为透明的玻璃体、非晶体，其密度低于前者，如热氧化的低于前者，如热氧化的 SiO2 、CVD

16、 淀积的淀积的 SiO2 等。等。 SiO2 中硅原子要运动须打断四个中硅原子要运动须打断四个 Si-O 键，而氧原子的运键，而氧原子的运动最多打断两个键，因此氧空位的出现易于硅空位。动最多打断两个键，因此氧空位的出现易于硅空位。 Si-O 四面体的结构是，四面体的结构是，4 个氧原子位于四面体的个氧原子位于四面体的 4 个角上，个角上，1 个硅原子位于四面体的中心。每个氧原子为两个相邻四面体个硅原子位于四面体的中心。每个氧原子为两个相邻四面体所共有。所共有。24 242 6S i O + 4 H FS i F + 2 H OS i F + 2 H FH ( S i F )SiSiO2比重比重

17、g/cm3）2.232.20禁带宽度禁带宽度eV）1.12 8相对介电常数相对介电常数11.73.9熔点（熔点（）14171700热导率热导率（W/cm.k）1.50.01击穿电场击穿电场（V/cm）3 1056 106 一、一、 二、化学性质二、化学性质 SiO2 的化学性质非常稳定，仅被的化学性质非常稳定，仅被 HF 酸腐蚀酸腐蚀 四、氧化膜的质量检测四、氧化膜的质量检测 1、氧化膜厚度的测量方法、氧化膜厚度的测量方法 (1) 光干涉法光干涉法ox2tN oxoxoxt CA (2) 椭圆偏振光法椭圆偏振光法 (4) 击穿电压法击穿电压法 (5) 电容法电容法 (6) 比色法比色法 (3)

18、 台阶法台阶法 SiO2 层厚度与颜色的关系层厚度与颜色的关系颜色颜色氧化层厚度氧化层厚度）灰灰200 黄黄褐褐400 蓝蓝800 紫紫10002750465065008500蓝蓝13003000490068008800绿绿17003300520072009300黄黄20003700560075009600橙橙22504000600079009900红红250043506250820010200 2、氧化膜缺陷的检测、氧化膜缺陷的检测 包括氧化膜针孔、氧化诱生层错的检测包括氧化膜针孔、氧化诱生层错的检测2S iS iOm 杂 质 在 中 的 平 衡 浓 度分 凝 系 数杂 质 在中 的 平 衡

19、 浓 度 5、氧化膜应力的测量、氧化膜应力的测量 圆盘弯曲法、基片弯曲法、圆盘弯曲法、基片弯曲法、X 射线法和电子衍射技术。射线法和电子衍射技术。 3、氧化膜介电系数的测量、氧化膜介电系数的测量 4、氧化膜击穿特性的测量、氧化膜击穿特性的测量 在热氧化过程中，硅衬底中的杂质分布会发生改变，这称在热氧化过程中，硅衬底中的杂质分布会发生改变，这称为为 衬底杂质的再分布。引起衬底杂质再分布的原因有衬底杂质的再分布。引起衬底杂质再分布的原因有 1、杂质在、杂质在 Si、SiO2 中平衡浓度不同中平衡浓度不同 2、杂质在、杂质在 Si、SiO2 中扩散速度不同中扩散速度不同 3、氧化速度与氧化层厚度、氧

20、化速度与氧化层厚度 热氧化时杂质在热氧化时杂质在 SiO2/Si 界面再分布的界面再分布的 4 种情况种情况(a)氧化层中慢扩散硼）；氧化层中慢扩散硼）； (b)氧化层中快扩散硼，氧化层中快扩散硼， H2 气氛下）；气氛下）；(c)氧化层中慢扩散磷）；氧化层中慢扩散磷）；(d)氧化层中快扩散镓）氧化层中快扩散镓） 热氧化过程中硅中杂质再分布的规律热氧化过程中硅中杂质再分布的规律 1、硅中掺硼、硅中掺硼 (1) 温度一定时，水汽氧化湿氧氧化导致杂质再分布温度一定时，水汽氧化湿氧氧化导致杂质再分布 程度增大，其程度增大，其 CS/CB 小于干氧氧化；小于干氧氧化； (2) 相同氧化气氛下，氧化温度

21、越高，硼向硅表面扩散速度相同氧化气氛下，氧化温度越高，硼向硅表面扩散速度加快，补偿了杂质的损耗，加快，补偿了杂质的损耗，CS/CB 趋于趋于 1 。 2、硅中掺磷、硅中掺磷 (1) 温度一定时，水汽氧化湿氧氧化导致杂质再分布温度一定时，水汽氧化湿氧氧化导致杂质再分布程度增大，其程度增大，其 CS/CB 大于干氧氧化；大于干氧氧化； (2) 相同氧化气氛下，氧化温度越高，磷向硅内扩散的速相同氧化气氛下，氧化温度越高，磷向硅内扩散的速度越快，表面堆积现象减小，度越快，表面堆积现象减小，CS/CB 趋于趋于 1 。 热氧化有一种副效应，即释放出高密度的自填隙硅原子。热氧化有一种副效应，即释放出高密度

22、的自填隙硅原子。这些过剩的填隙原子构成了点缺陷，并延伸成氧化诱生堆垛层这些过剩的填隙原子构成了点缺陷，并延伸成氧化诱生堆垛层错错OSF）。）。OSF 是一种二维缺陷是一种二维缺陷 ，是插入到晶格中有限范围，是插入到晶格中有限范围的额外原子面，并终止于位错，通常存在于的额外原子面，并终止于位错，通常存在于111面。当原来面。当原来存在如离子注入引起的缺陷时，很容易诱生出存在如离子注入引起的缺陷时，很容易诱生出 OSF。NoImage 降低氧化温度，采用高压氧化，在氧气中加入少量降低氧化温度，采用高压氧化，在氧气中加入少量 HCl 等等措施，可以抑制氧化诱生堆垛层错的产生。措施，可以抑制氧化诱生堆

23、垛层错的产生。 MOSFET 的栅氧化层厚度一直在不断减薄，但是进一步的栅氧化层厚度一直在不断减薄，但是进一步的减薄将受到下面几个因素的限制。的减薄将受到下面几个因素的限制。 首先，当栅氧化层非常薄时，栅极与沟道之间的首先，当栅氧化层非常薄时，栅极与沟道之间的 电子直接电子直接隧穿电流隧穿电流 将显著增大，导致栅电流的增大和输入阻抗的下降。将显著增大，导致栅电流的增大和输入阻抗的下降。 其次，太薄的栅氧化层难以掩蔽杂质向沟道区的扩散。其次，太薄的栅氧化层难以掩蔽杂质向沟道区的扩散。 采用采用 高介电常数高介电常数 的材料代替的材料代替 SiO2 作为栅绝缘层，可以在作为栅绝缘层，可以在不降低栅绝缘层厚度的情况下，获得足够大的栅电容。氮氧化不降低栅绝缘层厚度的情况下，获得足够大的栅电容。氮氧化硅硅SiOxNy是这类替代材料之一。是这类替代材料之一。 根据集成电路的要求确定氧化工艺根据集成电路的要求确定氧化工