微电子工艺(3)-PRINT

1、第四章第四章 热氧化热氧化1微电子工艺（微电子工艺（3 3）主要内容主要内容4.1二氧化硅薄膜概述二氧化硅薄膜概述4.2 硅的热氧化硅的热氧化4.3 初始氧化阶段及薄氧化层制备初始氧化阶段及薄氧化层制备4.4 热氧化过程中杂质再分布热氧化过程中杂质再分布4.5 氧化层的质量及检测氧化层的质量及检测4.6 其它氧化方法其它氧化方法24.14.1二氧化硅薄膜概述二氧化硅薄膜概述二氧化硅是微电子工艺中二氧化硅是微电子工艺中采用最多采用最多的介质薄膜。的介质薄膜。 二氧化硅薄膜的主要制备方法有：热氧化，化学二氧化硅薄膜的主要制备方法有：热氧化，化学气相淀积气相淀积(CVD)(CVD)，物理气相淀积，物

2、理气相淀积(PVD)(PVD)，阳极氧化，阳极氧化4.1.1 二氧化硅结构4.1.2 二氧化硅的理化性质及用途4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质4.1.4 杂质在SiO2中的扩散4.1.5 SiO2的掩蔽作用34TEMTEM照片照片（Transmission electron microscopy，TEM ）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SiO2与与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因4.1.14.1.1二氧化硅结构二氧化硅结构SiO2基本结构单元56热氧化的热氧化的SiOSiO2 2是非晶态，是四面体网络

3、状结构是非晶态，是四面体网络状结构两四面体之间的氧原子称两四面体之间的氧原子称桥联（键）氧原子桥联（键）氧原子，只与一个四面体相联的氧原子称只与一个四面体相联的氧原子称非桥联氧原子非桥联氧原子石英的原子密度石英的原子密度2.2*1022/cm3 石英晶格结构石英晶格结构 非晶态二氧化硅结构非晶态二氧化硅结构 二氧化硅结构二氧化硅结构4.14.1.24.1.2 二氧化硅的理化性质及用途二氧化硅的理化性质及用途密度密度 是是SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程度高，致密程度的标志。密度大表示致密程度高，约约2-2.2g/cm3；熔点熔点 石英晶体石英晶体1732，而非晶态的，而非晶态的SiO2

4、无熔点，软化点无熔点，软化点1500电阻率电阻率 与制备方法及所含杂质有关，高温干氧可达与制备方法及所含杂质有关，高温干氧可达1016cm，一般在，一般在107-1015 cm；介电性介电性 介电常数介电常数3.9；介电强度介电强度 100-1000V/m；折射率折射率 在在1.33-1.37之间；之间；腐蚀性腐蚀性 只和只和HF酸反应，与强碱反应缓慢。酸反应，与强碱反应缓慢。71、作为掩蔽膜、作为掩蔽膜二氧化硅膜用途二氧化硅膜用途82、作为芯片的钝化与保护膜、作为芯片的钝化与保护膜3、互连层间绝缘介质、互连层间绝缘介质P阱阱n阱阱也可用SiO29电隔离膜电隔离膜4、元器件的组成部分、元器件的

5、组成部分4.14.1.3 4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质二氧化硅薄膜中的杂质10PB网络改网络改变者变者网络形成网络形成者者4.14.1.4 4.1.4 杂质在杂质在SiOSiO2 2中的扩散中的扩散 杂质杂质SiO2中在扩散系数：中在扩散系数： DSiO2=D0exp(-E/kT) 是指当浓度为一个单位时，单位时间内通过单位面积是指当浓度为一个单位时，单位时间内通过单位面积的量的量, , 单位单位m m2 2/s/s利用相同情况下，硼、磷等常用杂质在利用相同情况下，硼、磷等常用杂质在SiO2中的中的扩散速度远小于在硅中扩散速度，扩散速度远小于在硅中扩散速度，SiO2层对这些层对这些杂质起到

6、杂质起到“掩蔽掩蔽”作用。作用。镓和钠等碱金属扩散在镓和钠等碱金属扩散在SiO2扩散速度快，扩散速度快， SiO2层对这些杂质起不到层对这些杂质起不到“掩蔽掩蔽”作用。作用。114.14.1.5 4.1.5 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用12硅衬底上的硅衬底上的SiO2作掩膜要作掩膜要求求 -杂质在杂质在SiO2层中的扩散深度层中的扩散深度 -SiO2本身的厚度本身的厚度2jS iOx x2SiOxjx不同温度下掩蔽不同温度下掩蔽P、B所需氧化层厚所需氧化层厚度与扩散时间关系图度与扩散时间关系图4.1.54.1.5 SiOSiO2 2掩蔽作用掩蔽作用掩蔽条件掩蔽条件: :D DSiSiDDSiO

7、2SiO2tD.xSiO264min13310sICC所需氧化层的最小厚度所需氧化层的最小厚度若若 杂质的杂质的2SiSiODTD关系曲线关系曲线 4.24.2 硅的热氧化硅的热氧化 以热氧化工艺制备以热氧化工艺制备SiOSiO2 2就是在就是在高温高温和和氧化物质氧化物质（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。长出所需厚度的二氧化硅。4.2.14.2.1 热氧化工艺热氧化工艺4.2.2 4.2.2 热氧化机理热氧化机理4.2.3 4.2.3 硅的硅的DealDealGroveGrove热氧化模型热氧化模型4.2.

8、4 4.2.4 热氧化生长速率热氧化生长速率4.2.5 4.2.5 影响氧化速率的各种因素影响氧化速率的各种因素144.2.1 4.2.1 热氧化工艺热氧化工艺热氧化设备主要有热氧化设备主要有水平式水平式(6(6英寸以下的硅片英寸以下的硅片) )和和直立式直立式(8(8英寸以上的硅片英寸以上的硅片) )两种。两种。 氧化系统由四部分组成：氧化系统由四部分组成：炉体柜炉体柜装片台装片台气源柜气源柜计算机控制系统计算机控制系统1516电阻加热水平式氧化炉电阻加热水平式氧化炉注意注意：在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度的：在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度的变化不能太大，否则硅片

9、会产生扭曲，引起很大的内应力。变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。三种热氧化方法三种热氧化方法干氧氧化：干氧氧化：氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干燥，适合光刻，但是生长速率最慢；燥，适合光刻，但是生长速率最慢；湿氧氧化：湿氧氧化：氧化膜较干氧氧化膜疏松，针孔密度大，表面氧化膜较干氧氧化膜疏松，针孔密度大，表面含水汽，光刻性能不如干氧，容易浮胶。湿氧与干氧比，含水汽，光刻性能不如干氧，容易浮胶。湿氧与干氧比，水温越高，水汽就越多，二氧化硅生长速率也就越快；水温越高，水汽就越多，二氧化硅生长速率也就越快；水蒸汽氧化：水蒸汽氧化：在三种

10、热氧化方法中氧化膜致密性最差，针在三种热氧化方法中氧化膜致密性最差，针孔密度最大，薄膜表面潮湿，光刻难，浮胶。但是，生长孔密度最大，薄膜表面潮湿，光刻难，浮胶。但是，生长速率最快。速率最快。17氧化方式氧化温度（）生长速率常数（m2/min）生长0.5微米SiO2所需时间（min）SiO2的密度（g/mm）备注干氧10001.4810-418002.2712006.210-43602.15湿氧100038.510-4632.21水浴温度951200117.510-4222.12水汽100043.510-4582.08水汽发生器水温102120013310-4182.0518三种热生长方法及三种

11、热生长方法及SiO2薄膜特性的比较薄膜特性的比较 不同氧化工艺制备的SiO2的主要物理性质19氧化方法密 度(g/cm2)折 射 率(=5460)电 阻 率(cm)相对介电常数介电 强度(106V/cm)干 氧2.242.271.4601.46631015210163.4(10kHz)9湿 氧2.182.211.4351.4583.82(1MHz)水 汽2.002.201.4521.462101510173.2(10kHz)6.89热分解淀积2.092.151.431.45107108CVD淀积2.31.461.477810143.54(1MHz)56具体工艺具体工艺掩膜氧化（厚氧化层）掩膜氧

12、化（厚氧化层） 干氧干氧-湿氧湿氧-干氧干氧薄层氧化（薄层氧化（MOS栅）栅） 干氧干氧 掺氯氧化掺氯氧化 热氧化工艺流程一般遵循热氧化工艺流程一般遵循: :洗片洗片升温升温生长生长取片取片204.24.2.2 4.2.2 热氧化机理热氧化机理222222222.2 100.445 10SiOSiSiOSiSiOSiOnddndd21在热氧化的过程中，在热氧化的过程中，氧化反应将在氧化反应将在SiOSiO2 2-Si-Si界面界面处进行，而不发处进行，而不发生在生在SiOSiO2 2层的外表层层的外表层热氧化是通过热氧化是通过扩散扩散和和化学反应化学反应来完成的，来完成的，氧化反应是由硅片表氧

13、化反应是由硅片表面向硅片纵深依次进面向硅片纵深依次进行的，硅被消耗，所行的，硅被消耗，所以以硅层变薄，氧化层硅层变薄，氧化层增厚，整个硅片增厚增厚，整个硅片增厚了。了。4.2.3 deal-grove4.2.3 deal-grove热氧化模型热氧化模型22vDealGrove模型模型（线性抛物线模型，（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。可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。v适用于：适用于：氧化温度氧化温度7001300 oC；局部压强局部压强0.125个大气压；个大气压；氧化层厚度为氧化层厚度为0.032m的水

14、汽和干法氧化的水汽和干法氧化23 气体中扩散气体中扩散固体中扩散固体中扩散SiO2 形成形成SiO2Si衬底附面层或称滞流层附面层或称滞流层氧化剂流动方向氧化剂流动方向(如如 O2或或 H2O）（1）氧化剂输运）氧化剂输运（2）固相扩散）固相扩散 （3）化学反应）化学反应 （4）反应的副产物离开界面）反应的副产物离开界面 基于基于DG模型模型热氧化可分解为热氧化可分解为热氧化动力学热氧化动力学（迪尔（迪尔-格罗夫模型）格罗夫模型）（1 1）氧化剂输运）氧化剂输运-气体输运流密度气体输运流密度用用F F1 1表示表示 ： F1=hg(Cg-Cs) （2 2）气相扩散）气相扩散：（3）化学反应）化

15、学反应：热氧化是在氧化剂气氛下进行：热氧化是在氧化剂气氛下进行：O2流密度不变，即准平衡态流密度不变，即准平衡态稳定稳定生长生长：F1=F2=F324pgpsF1F2F3SiO2Si-0 xCgCsCoCi主流气体主流气体粘滞层粘滞层O2x0oioxCCDxCDF0SiOSiO222isCkF 3气相质量输运系数气相质量输运系数 化学反应常数化学反应常数 求解求解: c0、ci2SiO*1DxkhkCCossi2SiO*11DxkhkCDxkCossoso25借助：亨利定律：借助：亨利定律：gHPC *00CHP理想气体状态方程：理想气体状态方程：SiOSiO2 2中的氧化剂浓度中的氧化剂浓度

16、C C* *，应与主气流区中氧化剂分压成正，应与主气流区中氧化剂分压成正比：比：00PN kT00CHN kT可得：可得：ghhHkT- -气相质量输运系数气相质量输运系数 Co= C */（1+ks/h）4.2由由F1=F2=F3可得：可得：4.2.44.2.4 热氧化生长速率热氧化生长速率26氧化层生长速率氧化层生长速率v为：为：界面流量除以单位体积界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数的氧分子数N12223111SiOsgsSiOsSiOdxHk pFvNdtk xkNhD假设氧化前硅片表面上存在的初始氧化层厚度为假设氧化前硅片表面上存在的初始氧化层厚度为0 x求解出氧化层生长厚度与生长

17、时间之间的关系式为：求解出氧化层生长厚度与生长时间之间的关系式为：222()SiOSiOxAxB t2112SiOsADkh212SiOgDHPBN200 xAxB其中其中221124SiOAtxAB解为解为两种极限情况两种极限情况 2722SiOxB(t)抛物线速率常数抛物线速率常数线性速率常数线性速率常数气体气体C0SiO2Siks0DSiO20CxCi2SiOBx(t )A222()SiOSiOxAxB t氧化时间长，扩散控制阶段氧化时间长，扩散控制阶段:氧化时间很短，化学反应控制阶段氧化时间很短，化学反应控制阶段:扩散控制：扩散控制：DSiO2 0， Ci 0反应控制：反应控制：ks

18、0， Ci Co两种极限情况两种极限情况 图为实测值与计算的图为实测值与计算的对比对比计算公式计算公式: :在两种极限情况下：在两种极限情况下：长时间氧化长时间氧化或或氧化氧化时时间很短，间很短，实测值和计实测值和计算值吻合。算值吻合。28221124SiOAtxAB4.2第七次课主要问题：第七次课主要问题：简述硅表面氧化层的结构特点？简述硅表面氧化层的结构特点？氧化层种杂质有哪几种类？氧化层种杂质有哪几种类？简述热氧化机理？简述热氧化机理？热氧化有几种方法其主要特点是什么？热氧化有几种方法其主要特点是什么？D-GD-G模型将热氧化分为几个步骤？模型将热氧化分为几个步骤？294.2.5 4.2

19、.5 影响氧化速率的各种因素影响氧化速率的各种因素温度温度 影响影响：很大，：很大， H、h、D、ks都与温度有关。都与温度有关。气体分压影响气体分压影响：提高反应器内氧气或水汽的分压能：提高反应器内氧气或水汽的分压能提高线性氧化速率。有高压氧化和低压氧化技术。提高线性氧化速率。有高压氧化和低压氧化技术。硅晶向影响：硅晶向影响：略有不同，（略有不同，（111）晶向速率最快，）晶向速率最快，（100）晶向速率最慢。）晶向速率最慢。杂质影响杂质影响：掺杂：掺杂 浓度越高氧化速率越快，将此现象浓度越高氧化速率越快，将此现象称为称为增强氧化增强氧化。301 1、温度对氧化速率的影响、温度对氧化速率的影

20、响312SiOBx(t )A22SiOxB(t)gOsHPCNCDBhkDA222*SiOSiO2)11(22、气体分压对氧化速率的影响、气体分压对氧化速率的影响氧化剂分压氧化剂分压Pg是通过是通过C*对对B产生影产生影响：响：BPgPg32gOsHPCNCDBhkDA222*SiOSiO2)11(23 3、硅衬底的晶向对氧化速率的影响、硅衬底的晶向对氧化速率的影响 不同晶向的衬底单晶硅由于表面悬挂键密度不同，生长速率也呈现各向异性。空间位阻（Steric Hindrance） 334 4、掺杂情况对氧化速率的影响、掺杂情况对氧化速率的影响 线性和抛物型氧化速率常数对存在于氧化剂线性和抛物型氧

21、化速率常数对存在于氧化剂中或存在于硅衬底中的杂质敏感。中或存在于硅衬底中的杂质敏感。磷磷在较低温度增强氧化明显，而在较低温度增强氧化明显，而硼硼在低温时在低温时增强氧化不明显，高温明显。增强氧化不明显，高温明显。钠钠、水汽、氯水汽、氯都能显著提高氧化速率。都能显著提高氧化速率。 34351) 衬底掺杂对氧化速率的影响衬底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N衬底：衬底：反应速率反应速率限制阶段限制阶段影响大，影响大，B/A起主要作用，起主要作用，氧化速率取决于硅表面的掺氧化速率取决于硅表面的掺杂浓度杂浓度4 4、掺杂情况对氧化速率的影响、掺杂情况对氧化速率的影响 2）

22、掺卤氧化在氧化气氛中加入适量的卤族元素会改善氧化膜及在氧化气氛中加入适量的卤族元素会改善氧化膜及其下面硅的特性。其下面硅的特性。氧化膜特性的改善包括钠离子浓度减少、介质击穿氧化膜特性的改善包括钠离子浓度减少、介质击穿强度增加、界面态密度减少。强度增加、界面态密度减少。实践中应用较多的卤族元素是实践中应用较多的卤族元素是氯氯，在，在Si-SiOSi-SiO2 2界面上界面上或界面附近，氯能使杂质转变成容易挥发的氯化物或界面附近，氯能使杂质转变成容易挥发的氯化物从而起到吸杂的效果，另外也能看到氧化诱生缺陷从而起到吸杂的效果，另外也能看到氧化诱生缺陷减少。减少。36掺氯对氧化速率的影响掺氯对氧化速率

23、的影响37 N型硅（型硅（100）和（）和（111）晶面氧化速率常数与）晶面氧化速率常数与HCl浓度之间关系浓度之间关系（900，1000，1100）3) 3) 水汽的存在对氧化速率的影响水汽的存在对氧化速率的影响在干氧氧化的气氛中，只要存在极小量在干氧氧化的气氛中，只要存在极小量的水汽，就会对氧化速率产生重要影响。的水汽，就会对氧化速率产生重要影响。为了防止高温下水汽通过石英管壁进入为了防止高温下水汽通过石英管壁进入氧化炉内，可用双层石英管是，在两层氧化炉内，可用双层石英管是，在两层中间通高纯氮或氩，这样可以把通过外中间通高纯氮或氩，这样可以把通过外层石英管进入到夹层中的水汽及时排除。层石英

24、管进入到夹层中的水汽及时排除。384.3 4.3 初始氧化阶段及薄氧化层制备初始氧化阶段及薄氧化层制备D-GD-G模型对模型对30nm30nm以以下的干氧氧化不准。下的干氧氧化不准。自然氧化物不是连自然氧化物不是连续生长而是阶段的续生长而是阶段的生长。轻掺杂生长。轻掺杂0.8nm;0.8nm;重掺杂重掺杂1.3nm1.3nm。初始氧化阶段的氧初始氧化阶段的氧化机制仍是日前研化机制仍是日前研究热点。究热点。39用途：用途：薄层氧化主要作为薄层氧化主要作为MOS ICMOS IC的栅的栅要求：要求：低缺陷密度；低缺陷密度；好的抗杂质扩散的势垒持性；好的抗杂质扩散的势垒持性；低的界面态密度和固定电荷

25、，高质量的低的界面态密度和固定电荷，高质量的Si-SiOSi-SiO2 2界界面；面；在热载流子应力和辐射条件下的稳定性好；在热载流子应力和辐射条件下的稳定性好；工艺过程中具有较低的热开销。工艺过程中具有较低的热开销。404.3 4.3 初始氧化阶段及薄氧化层制备初始氧化阶段及薄氧化层制备工艺条件：工艺条件：对氧化层质量有重大影响对氧化层质量有重大影响生长必须足够慢，才能保证获得均匀性和重复性生长必须足够慢，才能保证获得均匀性和重复性好好与清洗工艺有着密切的关系与清洗工艺有着密切的关系所用试剂的纯度有着密切的关系所用试剂的纯度有着密切的关系工艺方法：工艺方法：干氧氧化、含有干氧氧化、含有HCl

26、HCl的干氧氧化的干氧氧化减压氧化减压氧化低温高压氧化等。低温高压氧化等。414.3 4.3 初始氧化阶段及薄氧化层制备初始氧化阶段及薄氧化层制备4.4 4.4 热氧化过程中杂质的再分布热氧化过程中杂质的再分布由四方面因素决定：由四方面因素决定：杂质的分凝现象；杂质的分凝现象；杂质在杂质在SiO2表面逸出；表面逸出；杂质在杂质在SiO2、Si中的扩散系数；中的扩散系数；界面移动（氧化速率）界面移动（氧化速率） 42分凝分凝逸出逸出扩散扩散界面界面移动移动4.4.1 杂质的分凝效应杂质的分凝效应k1，在，在SiO2/Si界面杂质向界面杂质向Si内扩散，内扩散，Si面杂面杂质浓度高，质浓度高，堆积

27、堆积。P , kp= 10， As , kAs=10，Ga, kGa=20。43SiO2/Si界面界面分凝现象分凝现象-指杂质在指杂质在SiO2和和Si中平衡中平衡浓度不同的现象。浓度不同的现象。分凝系数分凝系数-指衡量分凝效应强弱的参数：指衡量分凝效应强弱的参数：2SiSiOnKn杂质在杂质在SiO2/Si界面分布界面分布44SiO2/ SiSiO2/ SiSiO2/ SiSiO2/ Sik1杂质在硅杂质在硅一侧堆积一侧堆积4.4.24.4.2 再分布对硅表面杂质浓度的影响再分布对硅表面杂质浓度的影响45热氧化后硅中磷的表面浓度热氧化后硅中磷的表面浓度热氧化后硅中硼的表面浓度热氧化后硅中硼的

28、表面浓度46计算得到的在不同温度下氧化后硅中硼的分布曲线 高温氧化对杂质浓度分布的影响 4.5 4.5 氧化层的质量及检测氧化层的质量及检测质量要求：质量要求：厚度及均匀性应满足要求厚度及均匀性应满足要求成膜质量：表面无斑点，裂纹，白雾，发花；成膜质量：表面无斑点，裂纹，白雾，发花；内部针孔密度等。内部针孔密度等。检测：检测：厚度测量厚度测量成膜质量测量：表面缺陷；结构缺陷；氧化成膜质量测量：表面缺陷；结构缺陷；氧化层中的电荷；热应力层中的电荷；热应力474.5.1 氧化层厚度测量氧化层厚度测量比色法：估算厚度比色法：估算厚度光学方法：干涉条纹法；椭圆偏振法光学方法：干涉条纹法；椭圆偏振法探针

29、轮廓仪探针轮廓仪481 1、比色法、比色法49可根据氧化层表面颜色和表中所列颜色进行比较，来确定氧化层的厚度可根据氧化层表面颜色和表中所列颜色进行比较，来确定氧化层的厚度2 2、干涉条纹法、干涉条纹法原理原理：测定氧化层台阶上的干涉条纹数目求：测定氧化层台阶上的干涉条纹数目求氧化层厚度的方法。当用单色光垂直照射氧氧化层厚度的方法。当用单色光垂直照射氧化层表面时，由于是透明介质，所以入射光化层表面时，由于是透明介质，所以入射光将分别在表面和硅界面处反射。将分别在表面和硅界面处反射。测量方法测量方法：试片表面涂一小滴黑胶，然后在试片表面涂一小滴黑胶，然后在HFHF中未被保护中未被保护的腐蚀掉，丙酮

30、除去黑胶，这样在硅片表面出的腐蚀掉，丙酮除去黑胶，这样在硅片表面出现一个台阶。用干涉显微镜观察表面时，在台现一个台阶。用干涉显微镜观察表面时，在台阶处就出现的明暗相同的干涉条纹，根据干涉阶处就出现的明暗相同的干涉条纹，根据干涉条纹数目，可计算出的氧化层厚度条纹数目，可计算出的氧化层厚度 50 x2nd 51n：二氧化膜的折射率，约为：二氧化膜的折射率，约为1.5；x：干条纹的条数。：干条纹的条数。 从一个最亮到相邻的从一个最亮到相邻的一个最亮条（或最暗条一个最亮条（或最暗条到相邻的另一个最暗条）到相邻的另一个最暗条）就算一个干涉条纹。而就算一个干涉条纹。而从最暗到相邻最亮条则从最暗到相邻最亮条

31、则可算为半根。可算为半根。2 2、干涉条纹法、干涉条纹法4.5.2 SiO4.5.2 SiO2 2层成膜质量的测量层成膜质量的测量52表面无斑点，裂纹，白雾，发花和针孔等毛病；表面无斑点，裂纹，白雾，发花和针孔等毛病；针孔密度检测方法针孔密度检测方法腐蚀法：腐蚀液为邻苯二酚，胺，水腐蚀法：腐蚀液为邻苯二酚，胺，水(PAW) (PAW) ，通过针，通过针孔化学腐蚀衬底硅。孔化学腐蚀衬底硅。氯气腐蚀法：氯气腐蚀法：900900以上，氯气对针孔部位的以上，氯气对针孔部位的SiSi腐蚀。腐蚀。铜缀法：含铜电解液，电流通过针孔流通，电化学反铜缀法：含铜电解液，电流通过针孔流通，电化学反应在针孔析出铜。应

32、在针孔析出铜。1 1、一般要求、一般要求2、结构缺陷、结构缺陷53界面硅侧有大量界面硅侧有大量自填隙硅自填隙硅原子，这原子，这些点缺陷些点缺陷结团结团形成堆垛层错，一般形成堆垛层错，一般位于位于111面中。面中。Si腐蚀后，显露的腐蚀后，显露的OSF，继续，继续腐蚀将显露更多缺陷腐蚀将显露更多缺陷氧化诱生堆垛层错（氧化诱生堆垛层错（OSF）第八次课主要问题：第八次课主要问题：若氧化时间极短，氧化速率服从什么规律；若氧化时间极短，氧化速率服从什么规律；而氧化时间很长呢？而氧化时间很长呢？影响氧化速率的主要因素有哪几个？哪个影影响氧化速率的主要因素有哪几个？哪个影响最大？响最大？热氧化过程中杂质再

33、分布由几方面因素引起热氧化过程中杂质再分布由几方面因素引起? ?薄层氧化与薄层氧化与D-GD-G模型是否吻合？模型是否吻合？热氧化后在界面硅一侧会出现什么结构问题热氧化后在界面硅一侧会出现什么结构问题？543 3、氧化层中的电荷、氧化层中的电荷 55* * * * * * * * * *界面陷阱电荷界面陷阱电荷 QitSiO2Si+ + + + + + + + + +氧化层固定电荷氧化层固定电荷 Qf氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷 Qot+ + + + - - - - - 可动离子电荷可动离子电荷 QmK+Na+1）可动离子电荷（）可动离子电荷（Qm ）可动离子电荷（可动离子电荷（Qm）-在二氧

34、化硅中都是网在二氧化硅中都是网络改变者存在、荷正电的碱金属离子杂质，主络改变者存在、荷正电的碱金属离子杂质，主要是要是Na+、K+、H+ 等。等。其中主要是其中主要是Na+。在人体与环境中大量存在。在人体与环境中大量存在Na+，热氧化时容易发生，热氧化时容易发生Na+沾污。沾污。降低方法降低方法 加强工艺卫生，避免加强工艺卫生，避免Na+沾污；也沾污；也可采用掺氯氧化，固定可采用掺氯氧化，固定Na+离子；高纯试剂。离子；高纯试剂。56偏温实验（偏温实验（BTBT）对对MOS电容进行电容进行C-V测试；测试；在栅极上加约在栅极上加约1MV/cm的正向（反向）偏压，的正向（反向）偏压，同时加热到同

35、时加热到200-300，l0-30min，确保可动离，确保可动离子都到达子都到达SiO2/Si界面；界面；保持偏压冷却至室温，保持偏压冷却至室温，再测再测C-V 。V=Nm/qCox57+V2）固定离子）固定离子Qf（电荷）（电荷）固定离子电荷固定离子电荷Qf -主要是氧空位，不随表面势和主要是氧空位，不随表面势和时间的变化而变化时间的变化而变化存在机理存在机理-一般认为固定电荷与界面一个很薄的一般认为固定电荷与界面一个很薄的（约（约30）过渡区有关，过渡区有过剩的硅离子，）过渡区有关，过渡区有过剩的硅离子，过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但未与氧完过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但未与氧完全

36、反应。全反应。降低方法：降低方法：干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。热氧化时，干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。热氧化时，首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象。首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象。氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定电荷。氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定电荷。583）界面陷阱电荷）界面陷阱电荷Qit界面态（界面陷阱电荷）界面态（界面陷阱电荷）Qit是能量处于硅禁带中、是能量处于硅禁带中、可以与价带或导带交换可以与价带或导带交换电荷的陷阱能级或电荷电荷的陷阱能级或电荷状态。状态。与衬底晶向、氧化条件与衬底晶向、氧化条件和退火条件密切有关。和退火条件密切有关。 (

37、111) (111) 最高，最高，(100) (100) 最最低。低。降低方法降低方法-在金属化在金属化后退火（后退火（PMAPMA）；低温、）；低温、惰性气体退火可降低惰性气体退火可降低。594）氧化层陷阱电荷）氧化层陷阱电荷Qot存在于存在于SiOSiO2 2中和中和Si-SiOSi-SiO2 2界面附近，陷阱界面附近，陷阱俘获电子或空穴后分别荷负电或正电。俘获电子或空穴后分别荷负电或正电。产生方式主要有电离辐射和热电子注入。产生方式主要有电离辐射和热电子注入。降低方法降低方法-选择适当的氧化工艺条件；选择适当的氧化工艺条件；在惰性气体中进行低温退火；采用对辐在惰性气体中进行低温退火；采用

38、对辐照不灵敏的钝化层可降低。照不灵敏的钝化层可降低。604 4、热应力、热应力SiOSiO2 2与与SiSi的热膨胀系数不同，在结束氧化退的热膨胀系数不同，在结束氧化退出高温过程后，会产生很大的热应力出高温过程后，会产生很大的热应力 SiSi：2.62.61010-6-6 K K-1-1，SiOSiO2 2：5 51010-7-7 K K-1-1 在加热或冷却过程中要使硅片受热均匀，同在加热或冷却过程中要使硅片受热均匀，同时，升温和降温速率不能太大。时，升温和降温速率不能太大。 614.64.6 其它热氧化方法其它热氧化方法 ICIC进步对热氧化工艺不断提出新要求：进步对热氧化工艺不断提出新要

39、求：降低工艺温度；提高氧化层质量。因此热氧降低工艺温度；提高氧化层质量。因此热氧化技术不断发展化技术不断发展4.6.14.6.1 掺氯氧化掺氯氧化4.6.24.6.2 高压氧化高压氧化624.6.1 4.6.1 掺氯氧化掺氯氧化钝化可动离子，尤其是钠离子；钝化可动离子，尤其是钠离子；减少减少SiOSiO2 2中缺陷，提高了氧化层的抗击穿能力；中缺陷，提高了氧化层的抗击穿能力；降低了界面态密度和表面固定电荷密度；降低了界面态密度和表面固定电荷密度；减少了氧化导致的减少了氧化导致的堆垛层错堆垛层错，增加了氧化层下面，增加了氧化层下面硅中少数载流子的寿命。硅中少数载流子的寿命。氯气有毒，对管路有腐蚀

40、，氯气有毒，对管路有腐蚀，HClHCl对硅有腐蚀。对硅有腐蚀。63氯的掺入可改善氯的掺入可改善SiO2 层和层和 SiO2 /Si界面的性质界面的性质4.6.24.6.2 高压氧化高压氧化 氧化剂的压力在几个到几百个大气压之间的氧化剂的压力在几个到几百个大气压之间的热氧化称高压热氧化。热氧化称高压热氧化。 高压热氧化的主要特点是氧化速率快，反应高压热氧化的主要特点是氧化速率快，反应温度低（常用温度为温度低（常用温度为650650950950，仍可保持，仍可保持高的氧化速率），减小了杂质的再分布和高的氧化速率），减小了杂质的再分布和pnpn结的位移，又可抑制氧化过程的诱生缺陷、结的位移，又可抑制氧化过程的诱生缺陷、应力和杂质再分布效应。应力和杂质再分布效应。 64SiO2 生长方法特点主要用途1热生长设备简单，操作方便，SiO2 薄膜较致密。采用湿氧干氧交替方法，可获得既厚又较致密的层。缺点：氧化需在高温（10001200下进行，容易引起P-N结特性退化。广泛用于硅外延平面晶体管、双极型集成电路、MOS集成电路生产，作为选择扩散的掩蔽膜，作为器件表面和P-N结的钝化膜以及集成电路的隔