第二章热氧化

1、第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的结构、性质及应用2.3 热氧化生长动力学2.4 热氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅质量测量方法 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 2.1 引言 为什么硅是目前所有半导体材料中应用最为成功的材料？ Si有一系列的硅基材料： SiO2: 绝缘材料； Si3N4：介质材料； 多晶硅：可以掺杂，导电； 硅化物：导电，作为接触和互连SiO2生长容易，稳定，和Si具有理想的界面特性。这点对硅工艺贡献最大!金属硅化物工艺在深亚微米集成电路工艺中已被广泛采用，其目的是为

2、了降低MOS元件在其源极和漏极的串联电阻。在不采用金属硅化物工艺的条件下，N+扩散区的阻值约为3040，但在金属硅化物工艺条件下其阻值降低到13 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的结构的结构, 性质及应用性质及应用2.3 热氧化生长动力学2.4 热氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅质量测量方法 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 2.2 SiO2的结构的结构, 性质及应用性质及应用qSiO2的结构qSiO2的基本性质qSiO2在集成电路中的应用 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l按结构

3、特点分为结晶型 (Crystallized):石英，水晶等 “长程有序”非晶型（无定型amorphous）l由SiO四面体组成四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子四面体之间由Si-O-Si桥连接，该O原子称为桥联氧，仅和一个四面体（或硅）连接是非桥联氧四面体(Tetrahedra)桥联氧(Bridging Oxygen)桥联氧非桥联氧 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 SiO44- tetrahedraO-Si-O bond 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 杂质在SiO2处于Si-O四面体空隙的，称为网络调节者.取代硅原子的替代型杂质称为网络构成者，常见的有硼，磷等会减少桥联和非桥

4、联氧原子的比例，使氧化层在较低的温度下流动。二氧化硅中的杂质 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 q热氧化生长的SiO2是非晶的q熔点：1700Cq重量密度：2.27g/cm3q原子密度：2.2E22 分子/cm3q折射率 (refractive index) n = 1.46q介电常数 (dielectric constant) 3.8 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 SiO2SiAmorphous SiO2（非晶） 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l良好的电绝缘介质 (Gate Oxide, Field Oxide)Resistivity 1020 ohmcmEnergy G

5、ap 9eVl高的击穿场强 (10MV/cm)l稳定的可重复的Si/SiO2界面特性l在Si表面的均匀的SiO2生长 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 q对大多数杂质来说，SiO2是非常好的扩散掩膜qSi和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率SiSiO2HF DipSi 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 Gate oxide and capacitor dielectric in MOS devices Isolation of individual devices (STI) Masking against implantation and diffusion Passivation

6、of silicon surface 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 TEM image shows Gate Oxide with thickness of only 0.8nm in MOS structure 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 Shallow Trench Isolation (STI) STI 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的结构及性质及应用2.3 热氧化生长动力学

7、热氧化生长动力学2.4 热氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅质量测量方法 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 q氧化反应方程式q热氧化过程中消耗的硅qSiO2生长动力学Deal-Grove 模型初始氧化阶段影响氧化速率的原因氧化时的杂质再分布 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l这两种反应都在800C1200C之间进行l湿氧氧化比干氧氧化快10倍左右Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)l干氧氧化 （Dry Oxidation)l湿氧氧化 (Wet Oxidation) 第二章 热氧化集成电路工 艺

8、原 理 Si + O2 = SiO2氧分子以扩散方式通过SiO2，到达Si-SiO2界面和硅反应，受氧分子在SiO2中的扩散速率和界面处与硅的反应速率限制氧化温度 8001200 C结构致密、均匀性和重复性好干氧氧化的氧化膜生长机理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 水汽氧化的氧化膜生长机理q 2H2O + Si = SiO2 + 2H2q 有两种过程 a)水分子在已生成的SiO2中扩散， 在Si-SiO2界面与Si原子反应 b)水分子先在Si表面反应生成硅烷醇(Si-OH)即非桥联羟基 H2O + Si-O-Si Si-OH + OH-Si 使SiO2网络削弱， 生成的硅烷醇,通过SiO

9、2再扩散到达Si-SiO2界面与Si反应Si-OH + Si-Si Si-O-Si + H2 Si-OH Si-O-Si水汽氧化过程，SiO2不断受到削弱，所以水汽氧化速率较干氧要快许多 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 q氧化反应方程式q热氧化过程中消耗的硅热氧化过程中消耗的硅q热氧化生长动力学Deal-Grove 模型初始氧化阶段影响氧化速率的原因氧化时的杂质再分布 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 SioxoxSiNNttox322322oxsit44. 0cm/atoms105cm/molecules102 . 2ttMolecular density of SiO2tox S

10、iSiSiO2Original surfaceAtomic density of Si厚度t0 x，面积为一平方厘米的体内含SiO2的分子数为NOx.t0 x,这数值应该与转变为SiO2中的硅原子数Nsi.tsi相等,Nsi.tsi NOx.t0 x 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 复习复习 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 图(a)（b)分别为基区扩散电阻的光刻版图和剖面图。请按照光刻顺序分别画出每次光刻的图形，并说出其作用。习题1 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 什么叫本征吸杂和非本征吸杂工艺？什么

11、叫本征吸杂和非本征吸杂工艺？ 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 本征吸杂本征吸杂不需要外部加工，通过一些热处理过程(在惰性气体中）的一种自吸除技术表面层的氧等杂质外扩散，形成“清洁区”硅片体内氧沉积团的核化，氧沉积团周围的应力场对硅片表面杂质和缺陷有吸除作用 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 非本征吸杂技术非本征吸杂技术硅片背面产生机械损伤，热处理后形成对金属等吸除陷阱 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 1. 热生长的SiO2的是何种晶体形态？2. 热生长的SiO2的空间结构如何？3. SiO2在集成电路中有哪些应用（举出至少3个）， 这些应用

12、是依赖于SiO2具有的何种性质？4. 氧化反应中反应界面在哪里？反应中消耗的硅如 何计算？Review 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 桥联氧原子非桥联氧原子 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 2.27 m SiO21m Si oxidized 0.44m Si oxidized1 m SiO2 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 氧化造成体积膨胀氧化造成体积膨胀 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 q氧化反应方程式q热氧化过程中消耗的硅q热氧化生长动力学热氧化生长动

13、力学Deal-Grove 模型初始氧化阶段影响氧化速率的原因氧化时的杂质再分布 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 Gas DiffusionSolid-State DiffusionSiO2 FormationSiO2Si-SubstrateGas Flow stagnant LayerOxidant Flow(e.g. O2,or H2O 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 lDealGrove模型（线性抛物线模型）(linear-parabolic model)l适用于：氧化温度7001300oC；局部压强0.125个大气压（2*104 1.01*105Pa ）；氧化层厚度为3020

14、00nm的水汽和干氧氧化1965年年DealGrove提出该模型提出该模型不适用非常薄的氧化层！不适用非常薄的氧化层！ 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 doOxideSiliconCiCGGasCsCCoxF1F2F3transportreactionyJ1:气体输运气体输运流量流量J1J2J3J2:通过通过SiO2的扩散流量的扩散流量J3:在界面处在界面处的反应流量的反应流量Cs CoJ: number/cm2secGas/Oxide interfaceCG:气相区氧化气相区氧化剂浓度；剂浓度；Cs:氧化物外表氧化物外表面氧化剂浓度；面氧化剂浓度；Co:氧化物内表氧化物内表面氧化剂浓度

15、；面氧化剂浓度；Ci:氧化物生长氧化物生长界面氧化剂浓界面氧化剂浓度度Oxide/silicon interface 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 J1:从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度slsg2O1XCCDJJ2:从氧化物层扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度OXiO2O2XCCDJJ3:通过Si/SiO2界面产生化学反应的氧分子流密度iS3CKJ )CC(hJsgg1(根据Fick第一定律) hg: 质量质量输运系数输运系数DealGrove模型Xsl 滞流层厚度（气体通过固体时，固体表面总是形成滞流层）Ks化学反应速率常数doOxideSiliconCiCGGasCsCC

16、oxF1F2F3transportreactionyj1j2j3 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 在平衡时，应有321JJJ联合上述式子，得到两个方程和三个未知的浓度：Cg，Co和Ci。求解生长速率还需要另外一个方程。这个方程是亨利定律，它说明平衡时溶解在固体中的物质的浓度和该物质在固体表面外的分压成正比。Co = H Ps H ( kT Cs )式中，H 是亨利气体常数，并用理想气体定律代替Pg，这样就有三个方程和三个未知数，经过一些运算可以得到DXKhK1HPDXKhK1CCoxSSgoxSS0i式中h为hg/ HkT 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 N1是指形成单位体积SiO

17、2所需要的氧分子数DXKhK1NPHKdtdXNJROlSS1gSOX1只要把界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数，就可得到生长速率。N1 = 2.2 1022/cm3 当O2是氧化剂时 Si + O2 SiO2N1 = 4.4 1022/cm3 当H2O是氧化剂时 Si + 2H2O SiO2 + 2H2 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 设t=0时，SiO2层厚度为X0，则微分方程的解可写为)t (BAXXOX2OX这里h=hg/(HkT),有h1K1D2AS1gNDHP2B BAXX020A和和B都是速率常数都是速率常数A和和B均和扩散系数成正比，均和扩散系数成正比，因此因此A和和

18、B和温度有指数关系和温度有指数关系B/A这一比例去除了扩散系数，这一比例去除了扩散系数，它的激活能主要和它的激活能主要和KS有关有关X0XoxtSiO2厚度与时间的普遍关系式 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 线性和抛物线速率常数)t (BAXXOX2OX当生长的氧化层足够薄，(t+)D干) B/A也与Co有关 湿氧氧化的线性速率常数大于干氧氧化的线性速率常数Co = H Pg1gNDHP2B hKNhKHPABS1SgCo氧化物内表面氧化剂浓度氧化物内表面氧化剂浓度第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧化温度可以降低如果在同样温度下生长一个给定的氧

19、化层厚度，增加气压，则氧化时间可以降低。B, B/A 和压强成正比和压强成正比hKNhKHPABS1Sg1gNDHP2B 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 qB和B/A与温度T的关系q压强、平衡浓度对氧化速率的影响压强、平衡浓度对氧化速率的影响q晶向对氧化速率的影响q掺杂对氧化速率的影响q掺氯对氧化速率的影响第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 硅原子密度 71014/cm2硅原子密度 8 1014/cm2更多的键可以参加反应第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l化学反应速率常数Ks与晶向有关。因此线性速率常数B/A与晶向有关。在适当温度(111)晶向硅的B/A为(100)硅的1.68倍

20、。l抛物线速率常数B与晶向无关。l高温长时间氧化，抛物线速率常数B起主要作用，晶向影响减弱。第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l抛物线速率常数抛物线速率常数B与晶向无关。与晶向无关。l高温长时间氧化，抛物线速率常数高温长时间氧化，抛物线速率常数B起主要作用，晶向影起主要作用，晶向影响减弱。响减弱。l化学反应速率常数化学反应速率常数Ks与晶向有关。因此线性速率常数与晶向有关。因此线性速率常数B/A与晶向有关。在适当温度与晶向有关。在适当温度(111)晶向硅的晶向硅的B/A为为(100)硅的硅的1.68倍。倍。第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 qB和B/A与温度T的关系q压强、平衡浓度对氧

21、化速率的影响压强、平衡浓度对氧化速率的影响q晶向对氧化速率的影响q掺杂对氧化速率的影响q掺氯对氧化速率的影响第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 900C时干氧氧化速率随表面P浓度的变化。反应速率限制情况。l对反应速率限制，B/A起主要作用，氧化速率取决与硅表面的掺杂浓度l对扩散速率限制，B起主要作用，对重掺杂硅的氧化速率取决于SiO2中的杂质浓度。水汽、钠掺杂的影响看书第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 qB和B/A与温度T的关系q压强、平衡浓度对氧化速率的影响压强、平衡浓度对氧化速率的影响q晶向对氧化速率的影响q掺杂对氧化速率的影响q掺氯对氧化速率的影响第二章 热氧化集成电路工 艺 原

22、理 干氧加少量（15）卤素（最常用是氯）是常用的一种氧化气氛，会增加氧化速率第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 v掺氯能增加B/A和B vSi-O键能4.25eV, Si-Cl键能0.5eV, Cl2先与Si反应生成氯硅化合物，然后再与氧反应生成SiO2，起催化作用v会产生H2O 增加 氧化速率4HCl+O22H2O+2Cl2第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 大多数重金属原子与氯反应生成挥发性的金属氯化物氯有清洗环境气体和制备优质氧化层的功能 improve oxide properties * Reduction of the mobile ions * Gettering of me

23、tallics * Lifetime enhancement * Improve SiO2breakdown strength * Reduction in interface & fixed charge density * Suppression of oxidation-induced stacking faults第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 2.3 q氧化反应方程式q热氧化过程中消耗的硅qSiO2生长动力学生长动力学Deal-Grove 模型影响氧化速率的原因薄氧化层的生长氧化时的杂质再分布氧化时的杂质再分布第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 掺有杂质的硅在热氧化过

24、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中的扩散速度第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l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 m = C1C2第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 m1, 杂质在氧化物中扩散很慢。例如B，m=0.3 杂质在杂质在Si界面耗尽界面耗尽 m1,杂质在氧化物中扩散慢。例如 P, As, Sb杂质在硅界面处堆积杂质在硅界面处堆积 m

25、1,杂质在氧化物中杂质在氧化物中扩散快。例如扩散快。例如Ga第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 各种类型氧化中，硼的分凝系数和温度依赖关系第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 图中说明，硼被分凝到SiO2中，SiO2网络结构强度变弱，氧化剂扩散系数增加，氧化速率增加。第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 铝、镓、铟 杂质分凝到氧化膜中，又扩散掉，故影响不大。 在掺磷情况，大部分磷跑到硅表面，因此在低温(920C)短时间氧化，是反应速率限制情况，氧化速率强烈依赖于掺杂浓度。相反，在高温长时间氧化，掺杂影响不大。第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l影响氧化速率的原因有那些？l氧化速率和压强有

26、什么样的关系l哪一种晶向的Si氧化速率最快，为什么？l对于非常薄的氧化层，应用Deal-Grove模型计算厚度和实际厚度有何不同？l掺氯氧化工艺对提高氧化膜质量有哪些作用？ 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 线性和抛物线速率常数)t (BAXXOX2OX当生长的氧化层足够薄，(t+) A2/4B ,可忽略平方项，得到)t (ABXOX当氧化层足够厚，t和tA2/4B, 则有)t (BX2OXB/A称为线性速率常数，称为线性速率常数，Reaction rate controlledB称为抛物线速率常数称为抛物线速率常数Diffusion controlled1gNDHP2B hKNhKHPA

27、BS1Sg两个极限情况！第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的结构及性质及应用2.3 氧化反应2.4 热氧化方法热氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅质量测量方法第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 q常规热氧化q掺氯氧化q氢氧合成氧化q高压氧化Horizontal furnace（水平炉）第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l氯源 3% HCl, 三氯乙烯(C2HCl3)简称TCE,

28、三氯乙烷(TCA),三氯甲烷,Cl2, NH4Cl, CCl4l方法 最好瓶装HCl气体,使用方便,浓度容易控制,渗透法l二步TCE或TCA法,850C 干氧850C TCE 或 TCA氧化1050C TCE或TCA氧化1050C N2中退火第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 3.氢氧合成氧化2H2 + O2 = 2H2O, 生成的水纯度高.氧需过量第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 4. 高压氧化：一种快速低温的氧化方法C*和氧化剂（例如水汽）分压成正比，则：B和/A也和氧化剂分压成正比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

29、，温度下降30C但在VLSI工艺中，尚未广泛使用，原因：1）安全问题，一般设备25大气压2）设备占地太大，生产产量小3）厚度不均匀1gNDHP2B hKNhKHPABS1SgCo = H Pg第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 lRTO (rapid thermal oxidation,快速热氧化)单晶片过程 (Single wafer process)快速升温过程 (fast ramp) (100C/sec)第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化Thermal O

30、xidation2.1 引言2.2 SiO2的结构及性质及应用2.3 氧化反应2.4 热氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅质量测量方法第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 2.5 Si/SiO2界面特性在在SiO2内或内或Si/SiO2界面界面存在各种电荷和缺陷。存在各种电荷和缺陷。这些电荷和缺陷对器件这些电荷和缺陷对器件特性影响很大。特性影响很大。第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 2.5 Si/SiO2界面特性1.可动离子电荷Qm(Mobile ionic charge)2. 界面陷阱电荷(Qit)(Interface trapped charge)3. 氧化层固定电

31、荷(Qf)(Fixed Oxide Charge) 4. 氧化层陷阱电荷(Qot)Oxide trapped charge第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 1 可动离子电荷可动离子电荷Qm第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 q位置：可以在氧化层中任意地方。开始位置：可以在氧化层中任意地方。开始位于栅（金属或多晶硅）位于栅（金属或多晶硅）/SiO2界面，如界面，如在正偏或加温在正偏或加温(BT)情况，情况，Qm将向将向Si/SiO2界面移动界面移动q来源：金属化来源：金属化(Metallization)及别的污染及别的污染q碱金属离子碱金属离子(Na+, K+)沾污引起沾污引起q会引起会引

32、起MOS器件阈值电压器件阈值电压Vt的变化。的变化。1 可动离子电荷可动离子电荷QmNot so important today!第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 减少减少Qm必须减少必须减少Na+的沾污的沾污Na的来源：的来源：1) 栅或接触金属栅或接触金属2）氧化和退火过程及气体）氧化和退火过程及气体3）扩散炉，氧化管）扩散炉，氧化管4）光刻胶的烘陪过程）光刻胶的烘陪过程5）清洗硅片的化学试剂）清洗硅片的化学试剂6）器件存贮过程中也会引入）器件存贮过程中也会引入Na+减少减少Qm的具体方法的具体方法1）清洗石英管）清洗石英管O2-HCl气体气体1150C/2h2)采用掺氯氧化，采用掺氯

33、氧化，3)用磷硅玻璃用磷硅玻璃PSG(phosphosilicate glass )4）Si3N4作为最后钝化层作为最后钝化层.第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 位置位置: Si/SiO2 界面界面本质本质: 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)电荷：可能是正，负或者中性；可以和电荷：可能是正，负或者中性；可以和Si交换电荷，交换电荷，电荷态依赖于偏压。密度电荷态依赖于偏压。密度109-1011cm-2eV-1第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 硅表面存在未配对的悬空电子，硅氧化后，悬空键

34、密度大大降低，但仍然存在少量悬空键第三章 热氧化集成电路工 艺 原 理 可以和可以和Si交换电荷，交换电荷，可能是正，负或者可能是正，负或者中性中性第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 界面态分布在硅的界面态分布在硅的禁带之中，呈禁带之中，呈U字形。字形。靠近导带的态是受主靠近导带的态是受主态，接收电子带负电态，接收电子带负电靠近价带的态是施主靠近价带的态是施主态，给出电子带正电态，给出电子带正电位于禁带中央的位于禁带中央的界面态密度更重要，界面态密度更重要，它将增加器件表面复它将增加器件表面复合，合，晶体管放大系数下降，晶体管放大系数下降，MOS管跨导降低管跨导降低界面陷阱密度随能量的变化关

35、系界面陷阱密度随能量的变化关系第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 qQit和下列因素有关：氧化温度，氧化气氛(湿氧、干氧），压力，晶向qQit和干氧氧化温度的关系1）Qit随温度升高而降低；2）(100)比(111)低 MOS器件一般用（100）晶向材料q降低Qit的方法1）低温合金化退火（the low temperature post-metallization anneal)PMA例：在H2气或H2N2(Forming Gas)或氩气中350500C退火30分钟。q退火前，Qit约1011cm-2eV-1q退火后，Qit约1010cm-2eV-1 - 可应用第二章 热氧化集成电路工 艺

36、 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第三章 热氧化集成电路工 艺 原 理 过剩的Si原子，固定正电荷第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 l位置：位置：靠近界面靠近界面3.0nm3.0nm范围，存在一些位置相对范围，存在一些位置相对固定的正表面电荷。固定的正表面电荷。SiOSiO2 2中过剩硅原子是中过剩硅原子是固定氧化物电荷的来源。固定氧化物电荷的来源。电荷：正电荷。电荷密度：电荷：正电荷。电荷密度：109-1011cm-2lQf和下面一些因素有关：和下面一些因素有关：不完全氧化的不完全氧化的Si原子原子氧化物气氛氧化物气氛(H2O或或O2)，氧化温度，硅晶向，降温速率，氧化温度

37、，硅晶向，降温速率，降温时的气氛，退火处理热过程。降温时的气氛，退火处理热过程。lQf和温度关系：温度升高，和温度关系：温度升高，Qf下降。下降。l降温速率越快，降温速率越快，Qf值越低，但硅片直径大于值越低，但硅片直径大于100mm的硅片的硅片不宜降温太快。不宜降温太快。第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 Deal 三角关系(Deal Triangle)斜边代表了斜边代表了Qf和温度的关系和温度的关系温度越高，温度越高，Qf降低降低垂直边表示氧化温度不垂直边表示氧化温度不变，只要改变气氛变，只要改变气氛(N2或或Ar)会使会使Qf大大降低大大降低水平边

38、表示在惰性气水平边表示在惰性气体中的降温过程体中的降温过程Qf和氧化温度和条件的关系和氧化温度和条件的关系第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 4 氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷Qot第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 4 氧化物陷阱电荷氧化物陷阱电荷Qotv 位置：位于位置：位于SiO2或界面附近，如或界面附近，如Y射线能进入射线能进入SiO2，产生电子、空穴对，并被氧化层中的缺陷俘获。产生电子、空穴对，并被氧化层中的缺陷俘获。v 来源来源: 氧化层中一些断裂的氧化层中一些断裂的Si-O键键(broken Si-O bonds 电离辐照电离辐照(ionization radiation) V

39、LSI工艺过程引入工艺过程引入: 如电子束蒸发、溅射、等离子如电子束蒸发、溅射、等离子体刻蚀、电子束或体刻蚀、电子束或X射线光刻、离子注入。射线光刻、离子注入。v Effect: 这些陷阱会捕获空穴或电子，在器件工作时会这些陷阱会捕获空穴或电子，在器件工作时会注入到氧化层中。注入到氧化层中。v 可通过在可通过在H2或惰性气体中或惰性气体中150-400C退火消除。退火消除。 第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 第二章 热氧化Thermal Oxidation2.1 引言2.2 SiO2的结构及性质及应用2.3 氧化反应2.4 热氧化方法2.5 Si/SiO2界面特性2.6 二氧化硅质量测量方

40、法第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 一、氧化膜的缺陷检查1.氧化膜针孔的检测PAV（苯二酚已二胺水腐蚀法）阳极氧化法氯气腐蚀法 MOS 二极管法2. 氧化层错的检测（Oxidation induce stacking faults)第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 OSF 的生长一般是硅中过剩硅原子在核化中心位置的集聚，它和下面因素有关衬底晶向衬底导电类型缺陷氧化温度第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 氧化引入的层错（Oxidation induce stacking faults)氧化后，用HF去除SiO2, 用Sirtl溶液腐蚀Sirtl溶液：100ml H2O + 50g Cr

41、2O3 +75ml HFCr2O3 氧化铬检测方法第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 正电压加在金属电正电压加在金属电极上，相当于积累极上，相当于积累区区(accumulation)负电压引起衬底部负电压引起衬底部分耗尽分耗尽(depletion)进一步加负电压，进一步加负电压，使得反型层使得反型层(inversion)出现。出现。二.氧化膜中钠离子含量测定理想的C-V曲线（衬底为N型硅）MOS电容可以看为是二电容可以看为是二氧化硅介质电容和半导氧化硅介质电容和半导体势垒电容的串连，半体势垒电容的串连，半导体势垒电容随电压发导体势垒电容随电压发生变化生变化第二章 热氧化集成电路工 艺 原 理 氧化膜中钠离子含量测定氧化膜中钠离子含量测定1. 1. 初始状态曲线初始状态曲线(A)(A)P P型衬底型衬底2. 1502. 150 C 10V C 10V 金属接正，钠离子在电极作用