集成电路工艺原理第二章氧化

1、集成电路工艺原理第二章氧化 结构、性质结构、性质 采用热氧化制备的 SiO2膜的原子结构如图所示。它是由一个硅原子被4个氧样原子包围着的四面体单元组成的,是一种无定型的玻璃状结构.无 固 定 熔 点 , 在1700以上. 结构、性质结构、性质n 密度密度 (2.2g/cm3)n 折射率折射率 (波长为波长为0.55m，折射率为，折射率为1.46)l 电阻率电阻率 （高达高达1016cm以上）以上）l 介电强度介电强度 （106-107V/cm)l 介电常数介电常数 (相对介电常数为相对介电常数为3.9)l 腐蚀腐蚀 (HF酸）酸） 尽管硅是一种半导体，但SiO2是一种绝缘材料。是硅器件制造中得

2、到广泛应用的一种膜层，因为SiO2既可以用来处理硅表面，又可以作为掺杂的阻挡层、表面绝缘层及作为器件中的绝缘部分。表面钝化表面钝化 无论采取什么样的措施，器件受污染的影响总是不可避免的。SiO2层在防止硅器件被污染方面起到了一个非常重要的作用。原因是SiO2密度非常高、非常硬，因此硅表面的SiO2层可以扮演一个污染阻挡层的角色。 另一方面，SiO2对器件的保护是原于其化学特性。因为在制造过程中，无论工作室多么洁净，总有一些电特性活跃的污染物最终会 进入或落在硅片表面，在氧化过程中， 污染物在表面形成新的氧化层，是污染物远离了电子活性的硅表面。也就是说污 染物被禁锢在二氧化硅 膜中，从而减小了污

3、染 物对器件的影响。2.1.2 2.1.2 掺杂阻挡层掺杂阻挡层 器件制造过程中的掺杂是定域（有选择的区域）掺杂，那么不需要 掺杂的区域就必须进行 保护而不被掺杂。如图 所示。杂质在杂质在SiO2中的存在形式中的存在形式n网络形成者网络形成者硼硼(B)、磷、磷(P)等（对熔点的影响等（对熔点的影响)n网络改变者网络改变者钠钠(Na) 、钾、钾(K) 、铅、铅(Pb) 、钡、钡(Ba)等。等。Al既是网络改变者又是网络形成者。既是网络改变者又是网络形成者。对熔点的影响对熔点的影响 n实现掩蔽扩散的条件实现掩蔽扩散的条件 二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用，如上图所示，在杂质向S

4、i中扩散的同时，也要向SiO2层中扩散，设在Si中的扩散深度为 在SiO2层中的扩散深度为 式中： 扩散时间， 、 分别表示杂质在SiO2和Si中的扩散系数，显然要实现掩蔽扩散的条件是 ，即当杂质在硅中的扩散深度达到 时杂质在SiO2中的扩散深度应 所以， 氧化层厚度DtAxjtDAxj000t0DD00jxx jx00 xxjDDAAxxxxjjj00000 x 由此可见，实现掩蔽扩散要求的SiO2厚度与杂质在SiO2和Si中的扩散系数有关，原则上讲，只要 能满足上式不等式，就可起到杂质扩散的掩蔽作用，但实际上只有那些 的杂质，用SiO2掩蔽才有实用价值，否则所需的SiO2厚度就很厚，既难于

5、制备，又不利于光刻。 但是，只要按照 的条件选择杂质种类，就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现，B、P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小，所以。常常选择B、P作为扩散的杂质种类。而对于Ga、Al等杂质，情况则相反。 值得注意的是，Au虽然在SiO2中的扩散系数很小，但由于在Si中的扩散系数太大，这样以来横向扩散作用也大，所以也不能选用。0 xDD 0DD 0 二氧化硅另外一个优点是在所有介质膜中它的热膨胀系数与硅最接近。2.1.3 表面绝缘层表面绝缘层 SiO2作为绝缘层也是器件工艺的一个重要组成部分。作为绝缘层要求必须是连续的，膜中间不能有空洞或孔存在。另外要求必须有一定的厚度，绝大多

6、数晶圆表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来防止从 金属层产生的感应，这 时的SiO2称为场氧化物。 如图所示。金属层氧化层晶片2.1.4 2.1.4 器件绝缘体器件绝缘体 从另一个角度讲，感应现象就是MOS技术，在一个MOS三极管中，栅极区会长一层薄的二氧化硅（见图）。这时的SiO2起的是介电质的作用，不仅厚度而且质量都要求非常严格。 除此之外， SiO2也可用来做硅表面和导电表面之间形成的电容所需的介电质（见图）。场氧化MOS氧化栅金属层氧化层晶片2.1.5 2.1.5 器件氧化物的厚度器件氧化物的厚度 应用在硅材料器件中的二氧化硅随着作用的不同其厚度差别是很大的，薄的氧化层主要是MOS器件里的

7、栅极，厚的氧化层主要用于场氧化层，下面的表列出了不同厚度范围及其相对应的主要用途。隧道栅极栅极氧化，电容绝缘层LOCOS化氧腌膜氧化，表面钝化场氧化二氧化硅厚度 () ?应用6010015050020050020005000300010 0002.2 2.2 热氧化机理热氧化机理 半导体工艺中的二氧化硅大多数是通过热生长氧化法得到的，也就是让硅片（晶园）在高温下，与氧化剂发生反应而生长一层SiO2膜的方法，其化学反应式如下： Si(固态)+O2(气态) SiO2(固态) 化学反应非常简单，但氧化几理并非如此，因为一旦在硅表面有二氧化硅生成，它将阻挡O2原子与Si原子直接接触，所以其后的继续氧化

8、是O2原子通过扩散穿过已生成的二氧化硅层，向Si一侧运动到达界面进行反应而增厚的。通过一定的理论分析可知，在初始阶段，氧化层厚度(X)与时间(t)是线性关系，而后变成抛物线关系。硅硅硅(a)(b)(c)硅的线性氧化硅的抛物线氧化X = 化厚度氧 B = 物线常数抛 B/A = 性常数线 t = 化时间氧 X = B/AtX = Bt生长过程由表面化学反应控制转为扩散控制以上介绍的是干氧氧化，氧化速率较慢。干氧氧化，氧化速率较慢。如果用水蒸气代替氧气做氧化剂，可以提高氧化速率，用水蒸气氧化的工艺通常称为湿氧氧化湿氧氧化。其化学反应式如下： Si(固态)+H2O(气态) SiO2(固态)+2H2(

9、气态）通常采用干氧湿氧干氧结合的氧化方式。n氧化生长模式氧化生长模式 无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗硅，如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的0.44，这就意味着每生长1m的氧化物，就有0.44m的硅消耗（干、湿氧化略有差别）。2.2.1 2.2.1 影响氧化速率的影响氧化速率的因素因素n晶格方向晶格方向 因为不同晶向其原子密度不同，所以在相同的温度、氧化气压等条件下，原子密度大的晶面，氧化生长速率要大，而且在低温时的线性阶段更为明显。如图所示。 硅 硅1200C1100C900C800C700C1000C10102103104时间（in m）n晶圆掺杂物的影响晶圆掺杂物的影响

10、用来制造芯片的晶圆都是经过掺杂的，另外在以后的工艺中，还要用热扩散或离子注入工艺完成掺杂。那么掺杂元素掺杂元素和浓度浓度对氧化生长速率氧化生长速率都有影响。列如，高掺杂浓度的硅表面要比低掺杂浓度的硅表面氧化速率快。而且高掺杂浓度的硅表面上的氧化层比在其他层上生长的氧化层的密度低。 另一个对氧化生长速率有影响的是氧化完成后，硅中掺杂原子的分布。我们知道氧化时O2原子进入Si中与Si原子发生反应生成SiO2，问题是“在硅转化成二氧化硅的同时，掺杂原子发生了什么？”，答案取决与掺杂物的导电类型。N型掺杂物（P、As、Sb）他们在 硅中比在二氧化硅中有更高的溶解度。当氧化层碰到它们时，这些杂质将进入硅

11、中，在硅与二氧化硅之间，就象铲雪机推一个大雪堆一样，结果是，N型掺杂物在硅与二氧化硅之间比在晶体里有更高的密度（称之为二氧化硅的排磷作用二氧化硅的排磷作用）。 当掺杂物是P型材料的硼(B)元素时，就会产生相反的结果。即硼原子被拉入二氧化硅层，导致在SiO2与Si交界处的硅原子被B 原子消耗尽（称之为二氧二氧化硅的吸硼作用化硅的吸硼作用） 。 堆积和消耗对掺杂浓度的精确影响将在第17章中说明。n氧化剂分压的影响氧化剂分压的影响 由于氧化层的生长速率依赖于氧化剂从气相运动到硅界面的速度，所以生长速率将随着氧化剂分压增大而增大。高压强迫氧原子更快地穿越正在生长的氧化层，这对线性和抛物线速率系数的增加

12、很重要。这就允许降低温度但仍保持不变的氧化速率，或者在相同温度下获得更快的氧化生长。经验表明，每增加一个大气压的压力，相当于炉体温度降低30。这样就可以用增加压力来降低温度而节省成本，并可以解决高温工艺带来的负面影响。有关高压氧化后面在介绍。n氧化杂质氧化杂质 特定的杂质，特别是氯化氢(HCl)中的氯，若氧化环境中含有氯，它将影响氧化生长速率，实践证明在有氯化氢的情况下，生长速率可提高1%5%。n多晶硅氧化多晶硅氧化 与单晶硅相比，多晶硅可以更快、更低或相似，主要取决于多晶硅的生长方法，若用化学气相淀积化学气相淀积法生长多晶硅，则与淀积温度、淀积压力、掺杂的类型和浓度有关。n不均匀的氧化率及氧

13、化步骤不均匀的氧化率及氧化步骤 经过一些制作工艺后，晶园表面的条件会有所不同，有的是场氧化区，有些是掺杂区，有些是多晶硅区等等。每个区上面氧化层厚度不同，氧化层厚度的不同被称为不均匀氧化。 不同的氧化率导致了在晶 园表面形成台阶(见图) 。 图中显示的是与比较厚的 场氧化区相邻的氧化区形 成了一个台阶，在暴露区 的氧化反应较快。硅晶片台阶硅晶片再氧化之前再氧化之后(a)(b).3 .3 热氧化方法热氧化方法 从氧化反应方程式可以看出，氧和硅的反应似乎很简单，但是要达到硅技术中的氧化必须附加条件，那就是加热，给反应过程足够的能量是其满足要求，所以常称之为热氧化。热氧化。 通常在常压或高压条件下生

14、长。有两种常压技术，如图所示。 热氧化常压炉管反应炉干氧化湿氧化气泡发生器闪光系统干氧化快速热氧化干氧化高压炉管反应炉干或湿氧化化学氧化阳极氧化电解槽化学的.4 .4 水平炉管反应炉水平炉管反应炉 最早使用也一直延续至今。主要用在氧化、扩散、热处理及各 种淀积工艺中。 水平炉管反应炉 的截面图如下： 整个系统包含 反应室、温度反应室、温度 控制系统、反控制系统、反 应炉、气体柜应炉、气体柜 、清洗站、装、清洗站、装 片站片站等源区中央区装载区消声器氧化炉管比例控制器温度平区距离O.6 .6 快速升温反应炉快速升温反应炉 随着晶园尺寸越来越大，升温降温时间会增加，成本也越来越高。解决这个问题的手

15、段就是确保最大批量，但这又会减慢流程。为了解决这个问题，引进了快速升温、小批量生产的反应炉，这就是大功率加热的小型水平炉。通常反应炉每分钟升温几度，而快速升温反应炉每分钟升温十几度。小容量的低效率缺陷由快速的反应时间来补偿。.7 .7 快速加热工艺（快速加热工艺（RTPRTP） 快速加热工艺主要是用在离子注入后的退火，目的是消除由于注入带来的晶格损伤和缺陷。传统上的退火工艺由炉管反应炉来完成。 但是在退火消除缺陷的同时又会带来一些其他的负面影响，比如，掺杂的再分布。这又是不希望发生的。这就使得人们在寻找其它的退火方式，这个方式就是快速加热工艺。 RTP工艺是基于热辐射原理，参见下图灯型系统工艺

16、气体排气口石英托盘十字钨灯晶圆干燥压缩空气通道工艺气体进气口门循环水入口传感器晶圆感应高温计纵向钨灯过滤器管型高温计 由示意图可看出，加热源（十字钨灯）在晶园的上面，这样晶园就可被快速加热。热辐射偶合进入晶园表面并以75125的速度到达工艺温度，由于加热时间很短，晶园体内温度并未升温，这在传统的反应炉内是不可能实现的。用这个工艺进行离子注入后的退火，就意味着晶格破坏修复了，而掺入杂质的分布没有改变。 RTP技术不只是用在“退火工艺”，对于MOS栅极中薄的氧化层的生长是自然而然的选择，由于器件尺寸越来越小的趋势使得加在晶园上的每层的厚度越来越薄，厚度减少最显著的是栅极氧化层。先进的器件要求栅极厚

17、度小于0.01微米。如此薄的氧化层对于普通的反应 炉来说，是难以实现的。而RTP系统快速升温降温可以提供所需的控制能力。 RTP时间/温度曲线如下：7005253501750010 206560555045403530101969186817671时间（）sRTP期周温度（?C.8 .8 高压氧化高压氧化 增加氧化剂分压提高氧化速率前面已经提到，在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速率，或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率都是经常采用方法。因为温度越高时间越长越会引起其它负面影响，比如，晶园表面层中“错位”和温 度及高温下的时间密 切相关，而这种错位 对器件特性是很不利 的。高温氧化系统

18、如 图所示。不锈钢套石英反应管高压惰性气体高压氧化气体 和普通水平反应炉相似，不同的是炉管是密封的，氧化剂被用1025倍大气压的压力泵入炉管。在这种压力下，氧化温度可降到300700而又能保证正常的氧化速率。在这种温度下晶园的错位生长可降到最小。 高压氧化也是MOS栅极氧化的优选工艺之一，因为高压氧化中生成的栅极氧化层比常压下生成的绝缘性要强。 高压氧化工艺还可以解决在局部氧化(LOCOS)中产生的“鸟嘴”效应问题。 在氧化时，当O2扩散穿越已生长的氧化物是，他是在各个方向上扩散的，纵向扩散的同时也横向扩散，这意味着在氮化物掩膜下有着 轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物

19、掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边沿。我们称之为“鸟嘴效应”。n选择性氧化选择性氧化/局部氧化（局部氧化（LOCOS） 硅片上的选择性氧化区域是利用SiO2来实现对硅表面相邻器件间的电隔离。传统的.025m工艺以上的器件隔离方法是硅的局部氧化。n浅槽隔离（浅槽隔离（STI） 用于亚0.25m工艺的选择性氧化的主要技术是浅槽隔离。STI技术中的主要绝缘材料是淀积氧化物。 .9 氧化工艺氧化工艺n干氧干氧 氧气直接通向高温氧化炉与硅反应，特点是氧化速率小，氧化层致密，非常适合MOS器件中栅极氧化中低于0.1微米的薄氧化层的生长。n湿氧湿氧 先让氧气通过气泡发生器，使氧中携带一定量的水汽（水汽含 量一

20、般由水浴温度和气 原压力决定）。饱和情 况下氧化速率主要由温 度决定。承载气体加热器n特点特点：氧化速率大，但氧化层结构疏松，质量 不如干氧。为了既保证氧化质量又提高氧化速率，通常采用：干氧干氧+ +湿氧湿氧+ +干氧干氧 的氧化工艺n加氯氧化加氯氧化 薄的MOS栅极氧化层质量要求很高，为了满足这一要求，通常采用加氯氧化法。在氧气中加入氯后，氯可以减少氧化层里的移动离子（Na）电荷，从而减少硅表面及氧化层的结构缺陷，即减少硅氧结合处的电荷。氧化时的氯气可以使用氯化氢、三氯乙烯、氯方等分解得到，也是通过气泡发生器以气态形式进入反应室。从安全和方便的角度讲，氯仿是比较好的氯源。nSiO2-SiSi

21、O2-Si界面界面 从单晶硅到无定形SiO2间的SiOSiO2 2/Si/Si界面上存在突变。我们知道，在SiOSiO2 2分之中，每个硅原子和四个氧原子键合，每个氧原子和2个硅原子键合，但在SiOSiO2 2/Si/Si界面上有些硅原子并没有和氧原子键合（见下图）。距SiOSiO2 2/Si/Si界面2nm以内的硅不完全氧化是带正电荷的固定氧化物电荷区。界面处积累的其他一些电荷包括界面陷阱电荷、可移动氧化物电荷。前者由结构缺陷、氧化诱生缺陷或者金属杂质引起的正的或负的电荷组成，后者是由于可动离子沾污引起的，在远离界面的氧化物体内，也可能有正的或负的电荷氧化物陷阱电荷。对于器件的正常工作，界面处的电荷堆积是不受欢迎的，它会导致MOS器件的开启 电压值变得无法接受，通过在氢气或氢氮混合气体中低温（450）退火可以减少这种不可接受的电荷。