复旦集成电路工艺课件-06

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 (上上)1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 (上上)2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INFO13002

2、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 (上上)3上两节课总结上两节课总结理论分辨率：理论分辨率：NAkR1短波长光源短波长光源大大NA：透镜系统、浸润：透镜系统、浸润小小k1：RET及工艺和光刻胶改进及工艺和光刻胶改进PSMOPCOAI焦深焦深:22)(NAkDOF 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 (上上)4SiO2与与Si之间完美的界面特性是成就硅之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因时代的主要原因硅工艺中的一系列重要硅基材料： SiO2：绝缘栅绝缘栅/绝缘/介质材料； Si3N4：介质材料，用作钝化/掩蔽等； 多晶硅：可

3、以掺杂，导电； 硅化物：导电，作为接触和互连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 (上上)5TEMTEM照片照片单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜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 (上上)6SiO2的基本性质 通常热氧化生长的SiO2是非晶的 熔点：1732 C (晶体结构) 重量密度：2.27 g/cm3 原子密度：2.21022 分子/cm3 折射率 (refractive index) n=1.46 介电常数 (dielectric constant) 3.9INFO

4、130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)7 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, Sb) 优秀的绝缘性能优秀的绝缘性能 ( 1016 cm, Eg9 eV) 很高的击穿电场很高的击穿电场 (107 V/cm) 体电学性能稳定体电学性能稳定 稳定、可重复制造的稳定、可重复制造的Si/ SiO2界面界面SiO2的基本性质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 (上上)8SiO2的结构按结构特点分为 结晶型结晶型

5、(crystalline)：石英，水晶等 非晶型非晶型（无定型amorphous）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连接 与两个硅连接的氧原子称为桥联氧或氧桥0.262nm0.262nm0.162nmOSiINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)9非桥联氧非桥联氧桥联氧桥联氧结构结构水晶水晶二氧化硅二氧化硅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 (上上)10热氧化生长，水存在的情况：热氧化生长，水存在的情况：Si:O:Si Si:O:H+ H:O:Si掺杂杂质

6、：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） 占据间隙位置，网络变性体占据间隙位置，网络变性体 （金属原子（金属原子Na, K）含杂质的含杂质的SiO2结构结构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 (上上)11SiO2在在IC中的应用中的应用热（生长）氧化热（生长）氧化淀积淀积STI热（生长）氧化热（生长）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 (上上)12不同方法制作的不同方法制作的SiO2的性质对比（定性）的性质对比（定性）INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章

7、热氧化原理热氧化原理 (上上)130.8 nm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 (上上)14氧化反应方程式（氧化反应方程式（Overall reaction）这两种反应都在这两种反应都在700 C1200 C之间进行之间进行水汽氧化比干氧氧化反应速率约高水汽氧化比干氧氧化反应速率约高10倍倍Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)l干氧氧化（干氧氧化（Dry oxidation)l湿氧（湿氧（Wet

8、）/ /水汽氧化（水汽氧化（Steam oxidation）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 (上上)15氧化生长氧化生长消耗硅消耗硅体积膨胀体积膨胀2.2倍倍1 m mm厚厚SiO2消耗消耗0.45 m mm SiSiO2受压应力作用受压应力作用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 (上上)16LOCOS中，氧化硅的体积为所消耗的硅体积的中，氧化硅的体积为所消耗的硅体积的2.2倍倍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 (上上)17SiO2生长动力学气体中扩散气体中扩散固

9、体中扩散固体中扩散SiO2 形成形成SiO2Si衬底气流滞流层氧化剂流动方向(如 O2或 H2O）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 (上上)18DealGrove模型硅的热氧化模型 DealGrove模型（线性抛物线模型）(linear-parabolic model)可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。 适用于： 氧化温度7001200 oC； 局部压强0.125个大气压； 氧化层厚度为202000 nm的水汽和干法氧化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 (上上)19F1：气体：气体输运流量输运流

10、量F2：通过：通过SiO2的扩散流量的扩散流量F3：在界面处：在界面处的反应流量的反应流量F: number/(cm2-s)C：number/cm3CG：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；面氧化剂浓度；CI：氧化物生长：氧化物生长界面氧化剂浓度界面氧化剂浓度Cs CoINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)20F1：从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度：从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度)(1SGgCChFhg：质量输运系数，：质量输运系数，

11、cm/sC：气流浓度，分子数：气流浓度，分子数/cm3F：气流密度，分子数：气流密度，分子数/(cm2-s)可求得)()(1HkTCChkTPChFOGgSGg令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，则)(*1OCChF1、理想气体方程：理想气体方程：PSVNkT，所以，所以SOHPC 2、亨利定律：亨利定律：固体中溶解的气体物质的平衡固体中溶解的气体物质的平衡浓度与固体表面该处气体物质的分压强成正比浓度与固体表面该处气体物质的分压强成正比CSN/V=PS/kTINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)21F3：通过：通过Si/SiO2界面产生

12、化学反应的氧分子流密度界面产生化学反应的氧分子流密度IsCkF 3 ks：界面反应：界面反应速率，速率，cm/sF2：从氧化物层表面扩散到：从氧化物层表面扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度界面的氧分子流密度xCCDFIO2根据费克Fick第一定律，有假设：稳态过程，假设：稳态过程，氧化剂通过氧化剂通过SiO2没有损耗没有损耗D：氧化剂在：氧化剂在SiO2中中的扩散系数，的扩散系数，cm2/sINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)22在在稳态稳态条件下，应有条件下，应有321FFF)(11*ssssIkhDxkCDxkhkCC ksx/D1时，

13、时，扩散控制扩散控制ksx/D 1时，时，氧化从线性氧化从线性过渡到抛物过渡到抛物线性，对应线性，对应的氧化层厚的氧化层厚度在度在50200 nmINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)23若若N1是指形成单位体积（是指形成单位体积（ cm3）SiO2所需要的氧化剂分子数所需要的氧化剂分子数即对于O2氧化，N12.21022 cm-3对于H2O氧化， N14.41022 cm-3 求得生长速率令令B2DC*/N1，A=2D(1/ks+1/h),则则B/A C*ks/N1，有，有tABxxBxxii/0220h特别大，忽略了特别大，忽略了1/h项项D

14、xkhkNCkdtdxNFRSSS11*1tSxxSSdtCkdxDxkhkNi0*101INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)24为了讨论方便，上式改写为为了讨论方便，上式改写为tABxBx/020B 2DC*/N1抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流F2的贡献的贡献B/A C*ks/N1线性速率常数，表示界面反应流线性速率常数，表示界面反应流F3的贡献的贡献式中式中BAxxii214/1220BAtAx)(20tBx)(0tABx薄氧化硅时，线性速率常数薄氧化硅时，线性速率常数B/A两种极限情况两种极限情况厚氧化硅

15、时，抛物线速率常数厚氧化硅时，抛物线速率常数Bxox0tINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)25实验法提取实验法提取B和和B/A的值的值 有实验值可供使有实验值可供使用用. tABxBx/020AxtBx 00 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 (上上)26平坦没有图案的轻掺杂衬底上，在单一平坦没有图案的轻掺杂衬底上，在单一O2或或H2O气氛下，气氛下，SiO2厚度大于厚度大于20 nm时，时，GD模型能很好地描述氧化过程。模型能很好地描述氧化过程。B和和B/A可以用可以用Arrhenius表达式表达

16、：表达式表达：氧化剂的扩散：氧化剂的扩散：界面反应速率：界面反应速率：表中数值为表中数值为Si（111）在）在总压强为总压强为1 atm下的速率下的速率常数，对于（常数，对于（100），则），则C2应除以应除以1.68222O2通过通过95 C H2O冒冒泡氧化泡氧化H2+O2后端后端反应生成反应生成H2O氧化氧化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 (上上)27INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)28D-G模型的计算值：模型的计算值：干干O2气氛中的热氧化气氛中的热氧化100200 nm常用常用700-

17、1100 C, 25 atm , 1 mm / hr疏松， 扩散阻挡能力较差 刻蚀掩膜和场氧化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 (上上)30DG模型小结模型小结tABxBx/020BAxxii2氧化速率为氧化速率为)2/(00AxBdtdx这个方程是在下列条件下的氧化这个方程是在下列条件下的氧化动力学的一般表达式：动力学的一般表达式：平坦、无图形的平面硅的氧化平坦、无图形的平面硅的氧化轻掺杂硅的氧化轻掺杂硅的氧化单一单一O2或或H2O的氧化的氧化初始氧化硅的厚度大于初始氧化硅的厚度大于20 nmINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第

18、五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)31对于超薄热干氧化，对于超薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实模型无法准确描述，实验表明在验表明在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G-D模型大的多。模型大的多。超薄热氧化的模拟超薄热氧化的模拟23nmD-G (= 0) D-G (= 40hr) 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 (上上)32Model of Massoud et al：C=C0exp(-EA/kT)C0 3.6108 m mm/hrEA 2.35 eVL 7 nmSUPREM IV使用模型使用模型目前机理不明，

19、仍无公认的模型来解决这个问题！目前机理不明，仍无公认的模型来解决这个问题！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 (上上)33影响氧化速率的因素 压强对氧化速率的影响 晶向对氧化速率的影响 掺杂对氧化速率的影响 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 (上上)341NkHPABSG 12NDHPBG实验表明：对于实验表明：对于H2O氧化，氧化硅生长氧化，氧化硅生长速率正比于速率正比于PG，而，而O2的氧化无法完全用的氧化无法完全用线性关系描述。线性关系描述。PBBPABABii)()(在水汽氧化时：

20、在水汽氧化时：在氧气氧化时：在氧气氧化时：PBBPABABini)()(n 0.70.8。上标。上标i表示表示1 atm下的相应值下的相应值压强对氧化速率的影响压强对氧化速率的影响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化层厚度，增加气压，则氧化时间可以减少。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 (上上)35INFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)36晶向对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响化学反应速率常数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

21、度(111)晶向硅的B/A为(100)硅的1.68倍，（110）晶向为1.45倍的（100）晶向值。抛物线速率常数B与晶向无关。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。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 (上上)37衬底取向对氧化速率影响的原因 B与晶向无关与晶向无关（B/A)111= 1.68（B/A)100)/exp(0kTEkkass ks0是常数，与单是常数，与单位晶面上能与氧位晶面上能与氧化剂反应的硅价化剂反应的硅价键数成正比。键数成正比。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 (上上)

22、38（100）Si，in H2O at 900 C for 30 minINFO130024.02集成电路工艺原理第五章第五章 热氧化原理热氧化原理 (上上)39掺杂对氧化速率的影响900 C时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化。反应速率限制情况。n：反应速率反应速率限制，限制，B/A起起主要作用，氧化速率取决于主要作用，氧化速率取决于硅表面的掺杂浓度硅表面的掺杂浓度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 (上上)40SiO2 SiO2H2OVII扩散扩散（12 ）Si2OI2 VSiO22 I应力应力空位空位V：N型非本征重掺杂中型非本征重掺杂中V远高于轻掺

23、杂远高于轻掺杂 )1)(1 . 1exp(1062. 21 ()(3 TiTVViCCkTeVABAB氧化反应氧化反应P型掺杂效应不明显型掺杂效应不明显!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 (上上)41掺氯对氧化速率的影响v 掺氯能增大B/A和B。Si-O键能4.25 eV, Si-Cl键能0.5 eV, 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 Cl-还可以中和界面的电荷堆积,减少界面态,BB/ADry O2 + 1-3% Cl; Cl is a metal getter cleaner oxide.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 (上上)42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