第三章-热氧化CVD

1、三、薄膜形成三、薄膜形成 大规模集成电路制造工艺1硅基材料硅基材料2 SiO2与与Si之间完美的界面特性是成就硅时代之间完美的界面特性是成就硅时代 的主要原因。的主要原因。 SiO2：栅绝缘层材料栅绝缘层材料/绝缘绝缘/介质材料；介质材料； Si3N4：介质材料，用作钝化：介质材料，用作钝化/掩蔽等；掩蔽等； 多晶硅多晶硅：可以掺杂，导电；：可以掺杂，导电； 金属硅化物：导电，作为接触和互连金属硅化物：导电，作为接触和互连硅工艺中薄膜材料硅工艺中薄膜材料: : SiOSiO2 2与与SiSi之间界面之间界面3SiO2SiTEM: Transmission Electron Microscope

2、SiOSiO2 2的基本性质的基本性质4 热氧化生长的热氧化生长的SiO2是非晶的是非晶的 熔点：熔点：1732 C (晶体结构晶体结构) 质量密度：质量密度：2.21 g/cm3 分子密度：分子密度：2.2 1022 个个/cm3 折射率折射率 n=1.46 相对介电常数相对介电常数 3.9SiOSiO2 2的基本性质的基本性质5 可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移 可以作为多数杂质掺杂的掩蔽可以作为多数杂质掺杂的掩蔽 (B, P, As) 优秀的绝缘性能优秀的绝缘性能 ( 1016 cm, Eg9eV) 很高的击穿电场很高的击穿电场 (107 V/cm

3、) 电学性能稳定电学性能稳定 稳定、可重复制造的稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面界面SiO2的结构6由由Si-O四面体组成：四面体组成： 四面体中心是硅原子四面体中心是硅原子, 四个顶角上是氧原子四个顶角上是氧原子;SiO2的晶型7按结构特点：按结构特点： 结晶型结晶型 (crystalline): 天然天然(石英石英, 水晶等水晶等)结晶型结晶型非晶型非晶型（2.21 g/cm3）（2.65 g/cm3） 非晶型非晶型(amorphous): 人造人造(热氧化生长、热氧化生长、CVD沉积沉积)SiO2的晶型8按结构特点：按结构特点： 结晶型结晶型 (crystalline): 石英石英

4、, 水晶等水晶等二氧化硅结构二氧化硅结构9非桥联氧非桥联氧 桥联氧桥联氧由由Si-O四面体组成：四面体组成： 四面体之间由四面体之间由Si-O-Si连接连接; 与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥;含杂质的含杂质的SiOSiO2 2结构结构10掺杂杂质取代掺杂杂质取代Si的位置的位置: 网络形成体网络形成体 (B, P)Si:O:Si+H2O Si:O:H+H:O:Si掺杂杂质占据间隙位置掺杂杂质占据间隙位置:网络变性体网络变性体 (Na, K)ICIC中的中的SiOSiO2 211淀积氧化层淀积氧化层热热(生长生长)氧化层氧化层ICIC中中SiOSiO2

5、2的应用的应用12栅氧化层栅氧化层离子注入掩蔽离子注入掩蔽隔离工艺隔离工艺互连互连层间层间绝缘绝缘介质介质12离子注入掩蔽离子注入掩蔽生长热氧化层设备生长热氧化层设备13卧式热氧化炉管卧式热氧化炉管晶圆清洗晶圆清洗14晶圆装载晶圆装载15缺点缺点易碎易碎无法阻挡钠（无法阻挡钠（Na）自动装载自动装载16晶圆装载晶圆装载17炉内温度控制炉内温度控制18升温过程，硅膨胀的更快。升温过程，硅膨胀的更快。自动控制19 待机状态待机状态 逐渐加温至反应温度；逐渐加温至反应温度； 晶圆缓慢推进晶圆缓慢推进 : 1 inch/min;立式反应炉立式反应炉20卧式炉的局限卧式炉的局限: 晶圆尺寸增大晶圆尺寸增

6、大石英舟石英舟/浆必须更大更结实浆必须更大更结实 （力矩越大力矩越大）维持恒温区更难维持恒温区更难 装载更多装载更多炉管更长炉管更长占地越多占地越多立式反应炉原理立式反应炉原理21立式反应炉立式反应炉22立式炉的优点立式炉的优点: 方便自动装卸方便自动装卸 晶圆转动晶圆转动 均匀温度和气流均匀温度和气流 不与炉壁接触不与炉壁接触 产生颗粒少；产生颗粒少； 若有颗粒，若有颗粒， 落在第一个晶圆上落在第一个晶圆上 晶圆水平放置晶圆水平放置力矩为零力矩为零 垂直炉设计垂直炉设计 节省空间节省空间氧化反应方程式氧化反应方程式23Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g)

7、SiO2(s) + 2H2(g)l干氧氧化干氧氧化(Dry oxidation)l湿氧氧化湿氧氧化(Wet)/ /水汽氧化水汽氧化(Steam oxidation)湿氧氧化湿氧氧化24湿氧氧化湿氧氧化25湿氧氧化湿氧氧化26湿氧氧化湿氧氧化27SiO2生长界面28最终界面位置最终界面位置硅衬底硅衬底硅衬底硅衬底硅衬底硅衬底SiO2表面表面原来原来Si表面表面例题例题29经热氧化方式生长厚度为经热氧化方式生长厚度为t toxox的二氧化硅的二氧化硅, ,将要消耗多少硅将要消耗多少硅? ? SiSi的摩尔质量是的摩尔质量是28.9g28.9g，密度为，密度为2.33g/cm2.33g/cm3 3;

8、 ; SiO SiO2 2的摩尔质量是的摩尔质量是60.08g60.08g，密度为，密度为2.21g/cm2.21g/cm3 3。tox30ox2tSi 1mol Si1 mol SiO面积面积的体积厚度的体积2ox 1mol Si1 mol S OiitS 厚度的体积的体积1个个Si1个个SiO2Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)313328.9 g/mol 12.40 cm /mol2.33 g/cm3360.08 g/mol 27.18 cm /mol2.21 /g cm 1mol1mol硅体积硅体积: : 1mol

9、SiO1molSiO2 2体积体积: : SiSi的摩尔质量是的摩尔质量是28.9g28.9g，密度为，密度为2.33g/cm2.33g/cm3 3: :SiOSiO2 2的摩尔质量是的摩尔质量是60.08g60.08g，密度为，密度为2.21g/cm2.21g/cm3 3。32oox2oxSix 1mol Six t1 mol SiO12.40 =x t27.18 =0.4 6tt5的体积的体积3328.9 g/mol 12.40 cm /mol2.33 g/cm3360.08 g/mol 27.18 cm /mol2.21 /g cm 1mol1mol硅体积硅体积: : 1molSiO1m

10、olSiO2 2体积体积: : 氧化后体积变化33osix=0.4 6t5tSoxi=2. 9t1tSi的原子密度的原子密度: 5.02x1022cm-3SiO2的分子密度的分子密度: 2.29x1022cm-3LOCOS (Local Oxidation of Silicon)34Birds Beak 影响影响35Birds beak迪尔迪尔- -格罗夫格罗夫(Deal-Grove)(Deal-Grove)氧化模型氧化模型36C0：氧化层氧化层表面该氧化剂的浓度表面该氧化剂的浓度, 近似近似等于在氧化温度时氧化剂等于在氧化温度时氧化剂在本体的平衡浓度在本体的平衡浓度;平衡时的浓度一般与氧化膜

11、平衡时的浓度一般与氧化膜表面的氧化剂分压成比例表面的氧化剂分压成比例；Cs：硅硅表面该氧化剂的浓度表面该氧化剂的浓度；迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型371dCFDdx 氧化剂扩散穿过二氧化硅层到达硅表面氧化剂扩散穿过二氧化硅层到达硅表面, 通量通量F1 :#/cm2/s: x：氧化层厚度：氧化层厚度; D: 氧化剂在二氧化硅中的扩散系数氧化剂在二氧化硅中的扩散系数;0()sD CCx迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型38 在硅的表面在硅的表面, 氧化剂与硅进行化学反应氧化剂与硅进行化学反应; 其反应速率与硅表面氧化剂浓度成正比其反应速率与硅表面氧化剂浓度成正比, 通量通量F

12、2为为:2SF kC=k为硅表面氧化反应速率常数迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型39稳态平衡条件下稳态平衡条件下:12FF0()=ssD CCkCx() oossCCxkD CDCDxkD迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型40稳态平衡条件下稳态平衡条件下: osDCDCxk2S = oFkkDCxDCFk 单位时间单位面积在硅表面反应的氧化剂的个数单位时间单位面积在硅表面反应的氧化剂的个数 =oDCDxk迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型41每立方厘米体积内每立方厘米体积内SiO2分子数：分子数：干氧反应干氧反应:湿氧反应湿氧反应:Si(s) + O2(g) SiO2

13、(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)2.2 1022 分子分子/cm3迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型42每立方厘米体积内每立方厘米体积内SiO2分子数分子数:干氧反应干氧反应: O2(g) SiO2(s)湿氧反应湿氧反应: 2H2O(g) SiO2(s)2.2 1022 分子分子/cm3每立方厘米每立方厘米SiO2需要需要O2个数个数: 2.2 1022个个每立方厘米每立方厘米SiO2需要需要H2O个数个数: 4.4 1022个个Cu: 生成每立方厘米生成每立方厘米SiO2需要氧化剂分子的个数。需要氧化剂分子的个数。迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗

14、夫氧化模型43 单位时间、单位面积在硅表面反应的氧化剂数单位时间、单位面积在硅表面反应的氧化剂数: =oDCFDxk 生成单位体积生成单位体积SiO2需要氧化剂个数需要氧化剂个数: Cu SiO2生长速率为生长速率为: 0/ ( / )uudxFDCCdtCxD迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型44SiO2生长速率为生长速率为: 0/ ( / )udxDCCdtxD0 ( / )/uxDdxDCCdt2022 ()uDDCxxtC迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型452022 ()uDDCxxtC2021 1uDC(t)xDC20002/2udDdCDC()迪尔迪尔- -格罗夫

15、氧化模型格罗夫氧化模型462021 1uDC(t)xDC2114112xxx【】0uCx(t)C(t+ 很小时很小时)*氧化初期，表面反应限制生长速率氧化初期，表面反应限制生长速率迪尔迪尔- -格罗夫氧化模型格罗夫氧化模型472021 1uDC(t)xDC(t+ 很大时很大时)2002 2 =uuDC(t)DCC(t)CD*氧化层厚度较厚时氧化层厚度较厚时，扩散运动限制生长速率扩散运动限制生长速率简化的氧化表达式简化的氧化表达式480uBCAC2022 ()uDDCxxtC2()xAxB t02uDCBC2DA200dAdB简化的氧化表达式简化的氧化表达式49()BxtAp 线性区线性区: :

16、 线性氧化速率常数线性氧化速率常数BA0uCx(t)C0uBCAC02uDCBC2DA简化的氧化表达式简化的氧化表达式502()xB t 抛物线区抛物线区:B: :抛物线型氧化速率常数抛物线型氧化速率常数 02x=uC(t)CD02uDCBC干法氧化干法氧化51湿法氧化湿法氧化5253干氧干氧湿氧湿氧vs线性氧化速率常数线性氧化速率常数54()BAxt打断硅打断硅-硅键需要能量硅键需要能量 1.83eV expaEBAkT-抛物线型氧化速率常数抛物线型氧化速率常数552()BxtO2在在SiO2中扩散的激活能中扩散的激活能 1.18eV expaEBkT-H2O在在SiO2中扩散的激活能中扩散

17、的激活能 0.79eV012DCBC（H2O在在SiO2中溶解度比中溶解度比O2高）高）影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素56 晶向对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响 压强对氧化速率的影响压强对氧化速率的影响 掺氯对氧化速率的影响掺氯对氧化速率的影响 杂质对氧化速率的影响杂质对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响57晶向对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响58压强对氧化速率的影响压强对氧化速率的影响59012DBCC10BACC()( )iiBBPAABB P()( )iniBBPAABB P湿氧反应湿氧反应:干氧反应干氧反应:要达到给定的氧化速率, 增加气压, 氧化温度

18、可以降低；在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度, 增加气压, 则氧化时间可以减少。高压氧化高压氧化60温度压力时间1 大气压5 小时1000 。C5大气压1小时25大气压12 分钟生长生长1m mm SiO2时间压力温度1 大气压1000 。C5 小时10大气压700 。C氯对氧化影响氯对氧化影响61 Si-O键能键能4.25 eV；Si-Cl键能键能3.75 eV； Cl2先与先与Si反应生成氯反应生成氯硅化合物；硅化合物； 然后再与氧然后再与氧反应反应生成生成SiO2； Cl起催化作用。起催化作用。氯对氧化影响氯对氧化影响622222HCl+OH O+Cl氯对氧化影响氯对氧化影响63 Dr

19、y O2+1-3%Cl: Cl 去除金属杂质去除金属杂质（生成挥发性的金属氯化物）（生成挥发性的金属氯化物）; 减少界面态，减少界面的电荷堆积减少界面态，减少界面的电荷堆积.氧化对杂质分布的影响氧化对杂质分布的影响64杂质在杂质在SiSi和和SiOSiO2 2中的溶解度不同中的溶解度不同; ;扩散系数不同扩散系数不同; ;热氧化时热氧化时, ,杂质在杂质在SiOSiO2 2-Si-Si两边要重新分布两边要重新分布, , 用用分凝系数分凝系数来表示来表示: :杂质在硅中的平衡浓度杂质在二氧化硅中的平衡浓度 k = C1C2掺杂对氧化的影响掺杂对氧化的影响65k1k1高掺杂区比低掺杂区氧化速度快高

20、掺杂区比低掺杂区氧化速度快 ( (线性阶段线性阶段). ).超薄热干氧化超薄热干氧化66D-G模型不足之处：模型不足之处：实验表明在实验表明在20 nm之内的热氧化生长速度和厚度比之内的热氧化生长速度和厚度比D-G 模模型大的多。型大的多。23nmD-G (= 0) 超薄热干氧化超薄热干氧化67模型一：模型一：O O2 2- - 扩散扩散+ +界面电荷产生电场；界面电荷产生电场；模型二：氧化层中的微孔结构；模型二：氧化层中的微孔结构；模型三：热膨胀系数不匹配产生氧化层中应力，模型三：热膨胀系数不匹配产生氧化层中应力， 帮助氧化剂扩散帮助氧化剂扩散模型四：氧化界面不是原子级的突变，模型四：氧化界

21、面不是原子级的突变， 氧化反应而是在一定厚度范围内进行氧化反应而是在一定厚度范围内进行；L L1 1: 1nm: 1nm， L L2 2:7nm:7nm；12122oxoxttLLoxoxdtBC eC edttA超薄氧化层生长超薄氧化层生长68超薄氧化层超薄氧化层 +可重复性可重复性: 常压下以干法在较低的温度下进行氧化；常压下以干法在较低的温度下进行氧化； 较低的气压下进行氧化；较低的气压下进行氧化； 以惰性气体混合着氧化剂进行氧化；以惰性气体混合着氧化剂进行氧化； 快速退火氧化；快速退火氧化；垂直炉管垂直炉管: 常压下常压下,800oC-900oC高质量高质量,可重复可重复,10nm0.

22、1nm作业69 (1) 一p型掺杂，方向为的硅晶圆，置于湿法氧化的系统中，其生长厚度为0.45 m，温度为1050，计算所需氧化时间；(2) 第一次氧化后，在氧化膜上定义一个有源区，刻蚀去除所生长的氧化层并准备生长栅氧化层。将其置于干法氧化系统中，温度为1000，时间是20 min。试计算栅极氧化膜的厚度及场氧化膜的总厚度。 Si/SiO2界面特性界面特性702）固定氧化物电荷固定氧化物电荷, QfFixed oxide charge1）界面陷阱电荷界面陷阱电荷, QitInterface trapped charge4）可动离子电荷可动离子电荷, QmMobile ionic charge3

23、）氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷, QotOxide trapped charge界面陷阱电荷界面陷阱电荷/ /界面态界面态Qit71位置位置:Si/SiO:Si/SiO2 2 界面界面来源来源: : 在衬底硅指向氧化层的在衬底硅指向氧化层的SiSi表面的悬挂键表面的悬挂键 （Dangling bond Dangling bond SiSi）电荷电荷：能量处于禁带中：能量处于禁带中, ,可以和可以和SiSi交换电荷，交换电荷， 电荷态依赖于偏压电荷态依赖于偏压, ,可能是正可能是正, ,负或者中性；负或者中性； 密度密度10109 9-10-101111 cm cm-2-2eVeV-1-1界面陷

24、阱电荷界面陷阱电荷/ /界面态界面态Qit72界面陷阱电荷界面陷阱电荷/ /界面态界面态Qit73qQ Qitit和下列因素有关：和下列因素有关：氧化温度，氧化气氛氧化温度，氧化气氛( (湿氧、干氧湿氧、干氧),),晶向等晶向等qQ Qitit和干氧氧化温度的关系和干氧氧化温度的关系1 1）Q Qit it 随温度升高而降低；随温度升高而降低；2 2）在能带中间部分）在能带中间部分, , Q Qitit(100)(100)比比Q Qitit(111)(111)低约低约5 5倍倍q降低降低Q Qitit的方法的方法 在在H H2 2或或H H2 2/N/N2 2(Forming Gas Anne

25、aling, FGA)(Forming Gas Annealing, FGA)中中350-500350-500 C C 退火退火3030分钟分钟q退火前，退火前，Q Qitit约约10101111 cm cm-2-2eVeV-1-1q退火后，退火后，Q Qitit约约10101010 cm cm-2-2eVeV-1-1 - - 可应用可应用界面态处理界面态处理 74Annealing 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

26、 (oC)3.02.52.01.51.00.5024681210120011001000900固定氧化物电荷固定氧化物电荷Qf75 位置：靠近界面氧化层内位置：靠近界面氧化层内23 nm范围范围; 电荷：正电荷电荷：正电荷.电荷密度：电荷密度：109-1011 cm-2.电荷态在电荷态在器件工作期间不变化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来源推测：由不完全氧化的带有净正电荷的Si引引起的起的. Qf和生长温度关系和生长温度关系:温度升高温度升高,Qf下降下降. 降温速率越快降温速率越快,Qf值越低值越低,但硅片直径大于但硅片直径大于100 mm的硅片不宜降温太快的硅片

27、不宜降温太快. Qf :Qf:Qf =3:2:1 重复性好重复性好 SiDeal Deal 三角形关系三角形关系76 温度影响温度影响 气氛影响气氛影响界面态的影响界面态的影响 77界面态和固定电荷界面态和固定电荷78Qf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（氢钝化）高温氩气退火掺氯氧化掺氯氧化可动离子电荷可动离子电荷79q位置位置: 可以在氧化层中任意地方可以在氧化层中任意地方. 开始位于栅开始位于栅(金属或金属或多晶硅多晶硅)/SiO2界面界面,如在正偏或加温

28、情况如在正偏或加温情况,Qm将向将向Si/SiO2界面移动。界面移动。q来源来源: 金属化金属化(Metallization)及其它污染。及其它污染。q碱金属离子碱金属离子(Na+, K+)污染引起污染引起(以网络变性体形式存以网络变性体形式存在在)。q会引起会引起MOS器件阈值电压器件阈值电压VT的变化和稳定性问题。的变化和稳定性问题。可动离子测量可动离子测量80qVCNFBoxm 减少减少Qm的具体方法的具体方法811)1)清洗石英管清洗石英管: : O O2 2-HCl,-HCl, 11501150 C/2 hC/2 h2)2)采用掺氯氧化采用掺氯氧化, HCl-O, HCl-O2 2、

29、三氯乙烯、三氯乙烯(C(C2 2HClHCl3 3,TCE),TCE)、三氯乙烷、三氯乙烷(C(C2 2H H3 3ClCl3 3,TCA).,TCA).3)3)用磷硅玻璃用磷硅玻璃PSG (phosphosilicate glass)PSG (phosphosilicate glass)i3N4作为最后钝化层氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷82v 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

30、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300C消除。u加对于辐射不敏感的钝化层，如Al2O3和Si3N4 氧化层厚度的测量氧化层厚度的测量83氧化层颜色氧化层颜色氧化层厚度（氧化层厚度（）第一周期第一周期第二周期第二周期第三周期第三周期第四周期第四周期灰灰 色色100黄褐色黄褐色300棕棕 色色500蓝蓝 色色800紫紫 色色1000275046506500深蓝色深蓝色1500300049006850绿绿 色色1850330052007200黄黄 色色2100370056007500橙橙 色色22

31、5040006000红红 色色2500430062501. 表面颜色表面颜色氧化层厚度的测量氧化层厚度的测量842、台阶仪（台阶仪（Step Profilor）氧化层厚度的测量氧化层厚度的测量85 由光的相干原理由光的相干原理, 膜表面与界面反射二束光相干涉。膜表面与界面反射二束光相干涉。 由光学原理由光学原理, 两束光的光程差为入射光的波长整数倍时出现加两束光的光程差为入射光的波长整数倍时出现加强的亮度强的亮度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: 3 光干涉法（光干涉法（Interferometry）氧化层厚度的测量氧化层厚度的测

32、量86Light sourceFilterPolarizerQuarter wave plateSubstrateFilm being measuredDetectorAnalyzer椭圆偏振光，照射样品，再经过膜的反射、检偏后进入光电管椭圆偏振光，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。4 4 椭偏法椭偏法(Ellipsometry)(Ellipsometry)氧化层厚度测量方法氧化层厚度测量方法87正电压加在金属电

33、极上，相当于积累区（accumulation）负电压引起衬底部分耗尽（depletion）进一步加负电压，使得反型层（inversion）出现。QG=qNDxD+QI5 C-V测量测量氧化层厚度测量方法氧化层厚度测量方法886 击穿电压法击穿电压法氧化层厚度的测量氧化层厚度的测量897、TEM 90线性速率常数线性速率常数B/A抛物线速率常数抛物线速率常数B氧化气压（水汽氧化）氧化气压（水汽氧化）随氧气气压呈线性随氧气气压呈线性随氧化气压呈线性随氧化气压呈线性氧化气压（干氧化）氧化气压（干氧化）随氧气气压呈亚线性随氧气气压呈亚线性随氧化气压呈线性随氧化气压呈线性水汽氧化水汽氧化 和干氧化对比和

34、干氧化对比水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大硅衬底取向硅衬底取向B/A(111):B/A(100)=1.68:1和衬底取向无关和衬底取向无关硅中掺杂类型和浓度硅中掺杂类型和浓度随掺杂浓度增加随掺杂浓度增加关系不大关系不大氧化气氛中掺氯氧化气氛中掺氯增加增加增加增加B/A B 和工艺参数的关系和工艺参数的关系总结总结 91压强、晶向、掺杂浓度、掺氯压强、晶向、掺杂浓度、掺氯压强越高，氧化速率越快。水汽氧压强越高，氧化速率越快。水汽氧化线形关系，干氧化指数关系。化线形关系，干氧化指数关系。晶向氧化最快，晶向氧化最快，最慢。最慢。k ks s与与硅价键密度有关。硅价键密

35、度有关。B B不受晶向影响，厚不受晶向影响，厚氧化层，晶向作用下降。氧化层，晶向作用下降。20 nm20 nm以下的干氧化，以下的干氧化，D-GD-G模型计算模型计算厚度远小于实际厚度。修正方法：附厚度远小于实际厚度。修正方法：附加一个随厚度增加而指数衰减项。加一个随厚度增加而指数衰减项。可以增加反应速度，减少界面固定电可以增加反应速度，减少界面固定电荷和界面态（电荷中和作用），可以荷和界面态（电荷中和作用），可以实现对碱金属离子的吸杂作用实现对碱金属离子的吸杂作用哪一种晶向的硅氧哪一种晶向的硅氧化速率最快，哪种化速率最快，哪种最慢？为什么？最慢？为什么？影响氧化速率的因素有影响氧化速率的因素

36、有那些？那些？氧化速率和压强有什么氧化速率和压强有什么样的关系？样的关系？对于非常薄的氧化层，对于非常薄的氧化层，应用应用Deal-GroveDeal-Grove模型计模型计算厚度和实际厚度有何算厚度和实际厚度有何不同？如何修正？不同？如何修正？掺氯氧化工艺对提高氧掺氯氧化工艺对提高氧化膜质量有哪些作用？化膜质量有哪些作用？CVD&PVD 大规模集成电路制造工艺92MOSFET结构结构 93两类主要沉积方式两类主要沉积方式941) 1) 化学气相淀积化学气相淀积 : : ChemicalChemical Vapor Deposition (CVD) Vapor Deposition (

37、CVD) 一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发一种或数种物质的气体，以某种方式激活后，在衬底表面发生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。生化学反应，并淀积出所需固体薄膜的生长技术。 例如: APCVD, LPCVD, PECVD, HDPCVD 2) 2) 物理气相淀积物理气相淀积 : : PhysicalPhysical Vapor Deposition (PVD) Vapor Deposition (PVD) 利用物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬利用物理过程实现物质的转移，即将原子或分子转移到衬底（硅）表面上，并淀积成薄膜的技术。底（硅）表面上，并淀积成

38、薄膜的技术。 例如: 蒸发(evaporationevaporation),溅射(sputtering) sputtering) CVD反应反应95CVDCVD反应必须满足三个挥发性标准反应必须满足三个挥发性标准: : 在淀积温度下在淀积温度下, ,反应剂必须具备足够高的蒸汽压反应剂必须具备足够高的蒸汽压; ; 除淀积物质外除淀积物质外, ,反应产物必须是挥发性的反应产物必须是挥发性的; ; 淀积物本身必须具有足够低的蒸气压淀积物本身必须具有足够低的蒸气压 ; ;(1)(1)反应剂被携带气体引入反应器后反应剂被携带气体引入反应器后, ,在衬底表面附近形成在衬底表面附近形成“滞留层滞留层”, ,

39、然后然后, ,在主气流中的反应剂越过边界层扩散到在主气流中的反应剂越过边界层扩散到 硅片表面硅片表面(2)(2)反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应反应剂被吸附在硅片表面，并进行化学反应 (3)(3)化学反应生成的固态物质化学反应生成的固态物质, ,即所需要的淀积物即所需要的淀积物, ,在硅片表在硅片表面成核、生长成薄膜面成核、生长成薄膜 . .(4)(4)反应后的气相副产物反应后的气相副产物, ,离开衬底表面离开衬底表面, ,扩散回边界扩散回边界. .APCVD96沉积速度快沉积速度快: 1000A/min；Atmosphere Pressure Chemical Vapor Deposi

40、tion均匀性差均匀性差; 粒子污染粒子污染;台阶覆盖差台阶覆盖差LPCVD97Low Pressure Chemical Vapor Deposition优点：沉积均匀；颗粒少；优点：沉积均匀；颗粒少；缺点：沉积速率低；缺点：沉积速率低；PECVD98Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition优点优点: 温度低；温度低；缺点：缺点： 容量有限，腔壁上沉积物疏松容量有限，腔壁上沉积物疏松二氧化硅的沉积二氧化硅的沉积99低温淀积时低温淀积时( (300 500):): 4222SiH +OSiO +2H322524PH5O2P O6HAPCVD反应炉中或反

41、应炉中或LPCVD反应炉反应炉；PECVD反应炉：反应炉：42222SiH +2N OSiO +2N +2H O无掺杂激活能为无掺杂激活能为0.6eV; 有磷掺杂几乎为有磷掺杂几乎为0；二氧化硅的沉积二氧化硅的沉积100中等温度中等温度( (500 800) 2524Si OC HSiO副产物四乙氧基硅烷四乙氧基硅烷Si(OC2H5)4 , 简称为简称为TEOS TEOSTEOS为液态，可避免难处理的气体的使用；为液态，可避免难处理的气体的使用； 无掺杂激活能为无掺杂激活能为1.9eV; 1.9eV; 有磷掺杂有磷掺杂1.4eV1.4eV； 沉积速率和沉积速率和TEOSTEOS分压分压p p的

42、关系的关系: p: p0 0=30Pa =30Pa 01-ppe 分压较高时，速率与分压无关；分压较高时，速率与分压无关；二氧化硅的沉积二氧化硅的沉积101高淀积温度高淀积温度(900)：22222SiH C12N OSiO2N2HCl 均匀性极佳；均匀性极佳； 可以用作多晶硅的覆盖层；可以用作多晶硅的覆盖层； 激活能为激活能为1.8eV1.8eV二氧化硅薄膜特性二氧化硅薄膜特性102台阶覆盖性台阶覆盖性1033arctanWl TEOSTEOS分解生成的二氧化硅在表面快速迁移，台阶覆盖性好；分解生成的二氧化硅在表面快速迁移，台阶覆盖性好； 高温下二氯硅烷反应生成二氧化硅，台阶覆盖性好；高温下

43、二氯硅烷反应生成二氧化硅，台阶覆盖性好； CVD SiHCVD SiH4 4+O+O2 2，台阶覆盖性性差；，台阶覆盖性性差； PECVDPECVD 生成生成SiOSiO2 2台阶覆盖性差；台阶覆盖性差；台阶覆盖性比较台阶覆盖性比较104TEOSSiH4空洞空洞(Void)形成形成金属介电质介电质金属介电质空洞金属磷硅玻璃回流磷硅玻璃回流(Reflow)1060%2.2%4.6%7.2%,252348 P OH OH PO超超过过, 6%o45磷磷含含量量需需要要高高于于；回流条件：回流条件： 1100oC 20min N2氮化硅生长氮化硅生长107LPCVD(700-800oC)完全的化学组

44、成完全的化学组成(Si(Si3 3N N4 4) )，密度较高密度较高(2.9(2.9 3.1g3.1g/cm/cm3 3););表面氧化速率很慢，可作为遮蔽物，以实现选择性氧化表面氧化速率很慢，可作为遮蔽物，以实现选择性氧化; ;LPCVD生长氮化硅生长氮化硅108 薄膜均匀性好、产量高薄膜均匀性好、产量高; ; 淀积氮化硅的激活能为淀积氮化硅的激活能为1.8eV;1.8eV; 属非晶介质，含氢量可达属非晶介质，含氢量可达8%(8%(原子个数百分比原子个数百分比);); 在室温下，电阻率约为在室温下，电阻率约为10101616 cmcm； 相对相对介电常数为介电常数为7;7; 介电强度约为介

45、电强度约为10107 7 V/cm V/cm。 在缓冲的氢氟酸溶液中，其腐蚀速率低于在缓冲的氢氟酸溶液中，其腐蚀速率低于1 nm/min1 nm/min； 薄膜具有非常高的薄膜具有非常高的张应力张应力，约为，约为10105 5N/cmN/cm2 2，几乎是，几乎是TEOSTEOS淀积氧化膜的淀积氧化膜的1010倍之多。厚度超过倍之多。厚度超过200 nm200 nm时，将容易破时，将容易破裂裂；2233423SiH C14NHSi N6HC16H 700至至800, LPCVD, LPCVD沉积；沉积； 氮化硅生长氮化硅生长109 薄膜无正确化学组成比薄膜无正确化学组成比; ; 密度只有密度只

46、有2.4g/cm2.4g/cm3 3 2.8g2.8g/cm/cm3 3; ; 淀积温度较低，抗刮性极佳适合作最后的保护层；淀积温度较低，抗刮性极佳适合作最后的保护层； 作为防止外界水气与钠离子扩散至器件的材料作为防止外界水气与钠离子扩散至器件的材料; ;PECVD(300oC)PECVD生长氮化硅生长氮化硅110 反应温度反应温度 300300o oC C 氢含量约为氢含量约为20%20% 25%;25%; 张应力较小（约张应力较小（约2 210104 4 N/cm N/cm2 2）; ; 电阻率与氮化硅中硅与氮的比例有关，电阻率与氮化硅中硅与氮的比例有关， 范围在范围在10105 5 10

47、102121 cm;cm; 介电强度约为介电强度约为1 110106 6 6 610106 6 V/cm;V/cm;43x242x2SiH +NHSiN :H+3H2SiH +N2SiN :H+3H多层金属之间的互联多层金属之间的互联111减小减小RC Delay的途径的途径112C=R信号延迟：减小减小C：连线电容：连线电容C A =d0=k0; k相对介电常数为真空介电常数低低k材料材料113减小减小RC Delay的途径的途径114CR=信号延迟：减小减小R：连线电阻：连线电阻 RLS0=k0; k相对介电常数为真空介电常数金属电阻率金属电阻率115延迟时间延迟时间116 延迟时间计算1

48、17mt() ()d.i14161484RC1 100 5 10102 7 103 9 8 85 100 25 100 5 10 2mt .ps3 71试估算两平行铝导线间本征试估算两平行铝导线间本征RC值值: 铝导线的横截面为铝导线的横截面为0.5m mm 0.5m mm,长度为长度为1mm, 铝导线的电阻率为铝导线的电阻率为2.7m mcm; 导线间介质材料为导线间介质材料为SiO2, 其介电常数为其介电常数为3.9, 厚度为厚度为0.5m mm。 延迟时间计算118mt()()d.( .).2mt i14161484RC1 100 510101 7101 98 85100 25100 5

49、10.ps1 14试估算两平行试估算两平行铜铜导线间本征导线间本征RCRC值值: : 铜铜导线的横截面为导线的横截面为0.50.5m mmm0.50.5m mm,m,长度为长度为1mm,1mm, 铜铜导线的电阻率为导线的电阻率为1.71.7m m cm;cm; 导线间介质材料为导线间介质材料为特氟龙特氟龙, , 其介电常数为其介电常数为1.9, 1.9, 厚度为厚度为0.50.5m mmm。高介电常数栅绝缘层高介电常数栅绝缘层119栅电极栅电极120多晶硅沉积多晶硅沉积121600600650650沉积：沉积：42SiHSi2H与温度压强的关系：与温度压强的关系：aexp()=1.7eVaEk

50、TE多晶硅掺杂多晶硅掺杂122掺杂方法：掺杂方法： 注入；注入； 扩散；扩散； 临场临场/原位掺杂；原位掺杂；影响电阻值的因素：影响电阻值的因素：注入的剂量注入的剂量；退火时温度退火时温度；退火时间退火时间；注入能量：注入能量：30keV金属金属CVD沉积沉积W123优点：优点：良好台阶覆盖的共形覆盖层良好台阶覆盖的共形覆盖层；一次可同时覆盖许多晶圆一次可同时覆盖许多晶圆；5.3cm)金属钨：电阻率低(，熔点高；利用利用WF6: 气态源，可被气态源，可被Si，H2，SiH4还原：还原：62WF + 3HWF + 6H极佳的表面覆盖性；极佳的表面覆盖性；选择性生长；选择性生长；较高的速率；较高的

51、速率；较小的晶粒；较小的晶粒；64 2WF + 32W + Si3SiF6442 2WF + 3SiH2W + 3SiF + 6H金属金属CVD沉积沉积TiN124用途：金属扩散的阻挡层；用途：金属扩散的阻挡层； 氧化物上氧化物上金属薄膜金属薄膜粘附层粘附层；4324324226TiC18NH6TiN24HC1N2TiC12NHH2TiN8HC12TiC1N4H2TiN8HC1CVD反应：反应：NH3还原温度范围约为还原温度范围约为400 700；N2/H2还原温度则高于还原温度则高于 700;淀积温度越高，得到的薄膜品质越好，淀积温度越高，得到的薄膜品质越好，TiN膜中的氯残留膜中的氯残留也越少（约也越少（约5%）。）。 多腔多腔CVD系统系统125原子层沉积原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）126可以沉积单分子层薄膜的可以沉积单分子层薄膜的化学气相沉积技术化学气相沉积技术：主要用于特征尺寸小于主要用于特征尺寸小于100nm100nm、高宽比在、高宽比在20:1100:120:1100:1的结构的保形沉积。的结构的保形沉积。CVDCVD：时间和空间上都：