集成电路工艺chap

1、第十章 氧 化硅热氧化110.1 前 言硅的自然氧化：自然氧化层很薄，即使长时间暴露在室温下，厚度也仅为40埃左右。自然氧化膜通常不均匀，在半导体工艺中常被认为是一种污染物。硅的热氧化：通过将硅片放在高温（通常 750 1100 ）的氧气或水汽气氛下，使其表面生长一层氧化层（SiO2）的工艺过程。热氧化形成的二氧化硅（SiO2）是一种绝缘介质材料、不导电，并且SiO2热膨胀系数接近Si，能紧紧的依附在硅片表面。210.1 前 言与其它集成电路工艺结合在一起，氧化层可用于器件隔离、选择性掺杂的掩蔽层、应力消除，栅氧、表面钝化等。硅片表面热生长一层高质量氧化层的能力是硅基集成电路制造的工艺基础之一

2、。也是硅集成电路取代锗成为主流集成电路的主要原因之一。3测试/拣选注入扩散刻蚀抛光光刻完成的硅片无图形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端10.1 前 言(氧化)410.2 氧化膜5SiliconOxygen10.2 氧化膜性质分为结晶形和无定形两类：结晶形：Si O四面体在空间规则排列而成，如石英、水晶；无定形：Si - O四面体在空间无规则排列而成，如热生长SiO2、淀积SiO2 等。无定形SiO2中硅原子要运动须打断四个Si - O键，而氧原子的运动最多打断两个Si - O键，因此氧空位的出现易于硅空位。氧化的过程均是含氧的氧化剂穿过SiO2 层到达Si- SiO2界面与Si反应生成SiO2。

3、二氧化硅的原子结构Atomic Structure of Silicon Dioxide6物理性质性质SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁带宽度（eV）1.12 8介电常数11.73.9熔点（）14171732热导率（W/cm.k）1.50.01击穿电场（V/cm）310561010610.2 氧化膜性质710.2 氧化膜性质二氧化硅的化学性质非常稳定，仅被HF 酸腐蚀化学性质SiO2 + 4HF - SiF4 + 2H2OSiF4 + 2HF - H2 (SiF6)二氧化硅腐蚀的速率与HF 酸的浓度、温度、二氧化硅的质量和所含杂质等情况有关。810.2 氧化膜用途保护和隔离 器件

4、保护：SiO2坚硬和无孔。作为有效阻挡层，隔离和保护硅内的灵敏器件； 电隔离方式：LOCOS工艺（热生长厚SiO2）；0.25 m工艺技术以下，用STI浅槽隔离技术。9氮氧化硅，Silicon oxynitride氮化硅掩蔽氧化Nitride oxidation mask 鸟嘴区，Birds beak region选择性氧化Selective oxidation垫氧化层Pad oxideSilicon substrateSilicon dioxide10.2 氧化膜用途保护和隔离LOCOS隔离1010.2 氧化膜用途表面钝化 通过束缚硅的悬挂键，降低表面态密度； 防止电性能的退化，减少由潮湿、

5、离子或其他外部沾污物引起的漏电流通路； 必须有足够厚的氧化层防止在硅表面电荷积累引起的金属层充电。场氧化层厚度： 2500-15000 。11Gate Oxide Dielectric10.2 氧化膜用途栅氧电介质典型栅氧厚度：0.18m 201.5 MOS技术中最重要的栅氧介质：极薄的氧化层； 栅氧具有：高质量、极好膜厚均匀性、无杂质； 采用high-K介质替代栅氧化层，增加栅氧介质厚度。12Oxide Layer Dopant BarrierPhosphorus implantp+ Silicon substratep- Epitaxial layerBarrier Oxiden-well

6、10.2 氧化膜用途掺杂阻挡 保护硅表面，避免杂质扩散，实现选择性杂质注入； 与Si相比，掺杂物在SiO2里的移动缓慢，只需薄氧化层； 磷、硼、砷、锑等杂质在SiO2中扩散慢，而Al、Ga等相反，在SiO2快，不能用SiO2作掩蔽层。13Implant screen oxide10.2 氧化膜用途注入屏蔽 用于减小注入引起的沟道效应和表面损伤。Ion implantationScreen oxide 硅上表面大的损伤+更强的沟道效应p+ Silicon substrate 硅上表面小的损伤+更弱的沟道效应 厚：离子阻挡； 薄：注入穿透，不损伤Si表面。1410.2 氧化膜用途金属间介质层 Si

7、O2不导电，是金属层间有效的绝缘体，防止短路； 通常用化学气相淀积CVD方法获得，不采用热生长。1510.2 氧化膜用途小结目的: 这种氧化硅是沾污并且通常是不需要的。有时用于存储器存储或膜的钝化 说明：在室温下生长速率是每小时15 到最大40p+ Silicon substrate二氧化硅自然氧化层16栅氧化层目的: 用做MOS晶体管栅和源漏之间的介质。说明：通常栅氧化膜厚度从大约20到几百。 干热氧化是优选的生长方法Gate oxideTransistor sitep+ Silicon substrateSourceDrainGate10.2 氧化膜用途小结17目的：用做单个晶休管之间的隔

8、离阻挡层，使它们彼此隔离。Comments：通常场氧化膜厚度从2500 到15000 。湿氧氧化是优选的生长方法.Field oxide晶体管位置p+ Silicon substrate10.2 氧化膜用途小结场氧化层18 阻挡层氧化目的：保护有源器件和硅免受后续工艺的影响.说明：热生长几百埃的厚度阻挡氧化层Diffused resistorsMetalp+ Silicon substrate10.2 氧化膜用途小结19掺杂阻挡层目的：作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料说明：通过选择性扩散，掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区域。掺杂阻挡侧墙Ion implantationGate侧墙保护窄沟道免遭

9、高能注入10.2 氧化膜用途小结20目的：减小氮化硅(Si3N4)应力。说明：热生长并非常薄。垫氧化层10.2 氧化膜用途小结21注入屏蔽氧化层目的：用于减小注入沟道和损伤.说明：热生长Ion implantationScreen oxide 硅上表面大的损伤+更强的沟道效应p+ Silicon substrate 硅上表面小的损伤+更弱的沟道效应10.2 氧化膜用途小结22金属层间绝缘阻挡层目的：用做金属连线间的保护层。说明：这种氧化硅不是热生长的，而是淀积的。10.2 氧化膜用途小结23各种要求下的氧化物厚度范围10.2 氧化膜用途小结2410.3 热氧化生长2510.3 热氧化生长化学反

10、应 氧化的化学反应 干氧：Si（固） O2（气） SiO2(固) 水汽氧化：Si （固） H2O （水汽） SiO2（固）+ H2 （气）湿氧：氧气携带水汽，故既有Si与氧气反应，又有与水汽反应。2610.3 热氧化生长化学反应干氧氧化：Si（固） O2（气） SiO2(固) 氧化温度通常在750一1100之间，而且在不同的氧化工艺步骤中是可变的。 在任一反应里，炉温都是精确控制的。氧化速度慢，氧化层干燥、致密，均匀性、重复性好，与光刻胶的粘附性好。干氧氧化时间Dry Oxidation Time (Minutes)Oxide thickness (mm)(100) SiliconTime (

11、minutes)101041021030.010.11.010.0700C800C900C1000C1,100C1,200C2710.3 热氧化生长化学反应水汽氧化：Si （固） H2O （水汽） SiO2（固）+ H2 （气） 氧化速度快，氧化层疏松，均匀性差，与光刻胶的粘附性差。湿氧氧化：Si （固） H2O （水汽） SiO2（固）+ H2 （气） 用携带水蒸气的氧气代替干氧作为氧化气体。 反应生成的氢分子会束缚在固态的二氧化硅层内，这使得氧化层的密度比干氧要小。氧气携带水汽，故既有Si与氧气反应，又有与水汽反应。氧化速度、氧化质量介于以上两种方法之间。2810.3 热氧化生长化学反应湿

12、氧氧化：湿法氧化Wet Oxygen OxidationHClN2O2H2气体仪表盘Gas panel高温炉FurnaceBurn boxScrubberExhaust湿氧氧化时间Wet Oxidation Time (Minutes)29干氧和湿氧的比较 1. 生长的反应式不同: Dry Oxidation Si(s)+O2(g)SiO2(s) Wet Oxidation Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g)2. 反应所需温度不同：湿氧方式稍低于干氧方式3. 生长速度不同: 干氧方式比较慢,一般用于1000以下。4. 膜的质量不同: 干氧膜质量优于湿氧方式。5. 应用的膜层

13、不同: 对MOS来讲，干氧方式常用于比较关键的Gate Oxide，湿氧方式常用于非关键的电学隔离或作为掩膜层。6. 厚的氧化层采用: DryWetDry 的顺序。10.3 热氧化生长化学反应30干氧和湿氧的比较10.3 热氧化生长化学反应31 根据器件要求确定氧化方法 高质量氧化：干氧氧化或分压氧化； 厚层的局部氧化或场氧化：干氧（10min）+ 湿氧+干氧(10min)或高压氧化；(兼顾生长速度、界面特性、氧化层质量以及与光刻胶的粘附性） 低表面态氧化：掺氯氧化、湿氧氧化加掺氯气氛退火或分压氧化（ H2O 或O2+N2 或Ar 或He等）。10.3 热氧化生长化学反应32氧化层厚度与消耗掉

14、的硅厚度的关系10.3 热氧化生长氧化生长模式33氧化过程对Si的消耗1:0.44Before oxidationt0.56t0.44tAfter oxidation10.3 热氧化生长氧化生长模式34热氧化机制生长动力学 1、氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2表面，其流密度为F1 ； 2、氧化剂扩散穿过SiO2 层达到SiO2/Si界面，流密度为F2 ； 3、氧化剂在Si 表面与Si 反应生成SiO2 ，流密度为F3 ； 4、反应的副产物离开界面。10.3 热氧化生长氧化生长模式35氧化速率：描述氧化物在硅片上生长的快慢1) 氧化初期，SiO2膜厚与时间成正比，称为线性生长阶段 氧化物生长模型

15、是由迪尔（Deal）和格罗夫（Grove）发展的线性一抛物线性模型； 氧化物由两个生成阶段描述:线性阶段和抛物线阶段。B/A为线性速率常数，SiO2生长速率由SiO2/Si表面化学反应速率决定（反应速率控制）。 10.3 热氧化生长氧化生长模式36氧化速率：描述氧化物在硅片上生长的快慢2）氧化进行一段时间后， t ， t A2 /4B， 为抛物线氧化规律 (氧化层厚度在150以后开始) X 氧化物厚度，B 抛物线速率系数，t生长时间.SiO2生长速率由氧扩散过氧化物的速率决定（扩散控制）。湿氧的B大于干氧。（？） 10.3 热氧化生长氧化生长模式37穿过氧化层的氧扩散SiSiO2O2氧化硅一硅

16、界面氧一氧化硅界面供应到反应表面的氧抛物线阶段的氧化物生长比在线性阶段慢得多：当氧化层变厚，参与反应的氧扩散必须通过更长的距离才能达到Si/SiO2界面。氧化物生长的抛物线阶段被称为扩散控制。当抛物线速率系数变大时，氧化物生长的速率也会增大。10.3 热氧化生长氧化生长模式38在1100干氧氧化生长的线性和抛物线阶段100200300400500Oxidation time (minutes)4000200030001000Oxidation thickness Approximate linear region10.3 热氧化生长氧化生长模式39 影响氧化层生长的因素温度：T越大，氧化速度越

17、快。杂质：水汽：水汽压越大，氧化速度越快。硼、磷：重掺杂硅氧化比轻掺杂硅快。硅中掺硼浓度增大，B增大，B/A 变化小；硅中掺磷浓度增大，B/A 增大，B 变化小。氯：氧化剂中Cl2、HCl、C2HCl3将增大氧化速度Na：氧化层中高浓度Na+ 将增大B 和B/A( Na+打破Si-O-Si键)； 10.3 热氧化生长氧化生长模式40 晶向 在线性阶段，(111)硅单晶的氧化速率将比(100)稍快，但是(111)的电荷堆积要多； 在抛物线阶段，抛物线速率系数B不依赖于硅衬底的晶向。对于(111) 和(100)晶向，氧化生长速率没有差别。 压力效应 生长速率将随着压力增大而增大； 高压强迫氧原子更

18、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很重要。4.3 热氧化生长氧化生长模式41 等离子增强 一种低温下提高氧化速率的方法，可在300埃的氧化生长。 300埃时，干氧氧化速度比模型快的多。4.3 热氧化生长氧化生长模式42SiO2/Si界面的电荷积累OxygenSiliconPositive charge积累SiliconSiO2 距Si/SiO2界面2nm以内的Si的不完全氧化是带正电的固定氧化物电荷区； 对于器件的正常工作，界面处的电荷堆积是不受欢迎的； 通过在氢气或氢一氮混合气中低温450退火，可以减少这种不可接受的电荷。10.3 热氧化生长氧化生长模式43氯化物在氧化

19、中的应用 在氧化工艺中用含氯气体可以中和界面处的电荷堆积，氯离子能扩散进入正电荷层，并形成中性层； 在热氧化工艺中加入氯化物离子的另一重要优点是它们能使氧化速率提升10%一15%； 氯的存在实际上能固定称为俘获)来自炉体、工艺原材料和处理的可动离子沾污。10.3 热氧化生长氧化生长模式44SiO2 层厚度与颜色的关系颜色氧化层厚度（）灰100黄褐300蓝800紫10002750465065008500深蓝14003000490068008800绿18503300520072009300黄20003700560075009600橙22504000600079009900红250043506250

20、82001020010.3 热氧化生长氧化生长模式45选择性氧化 选择性氧化是利用SiO2来实现对硅表面相邻器件间的电隔离。 局部氧化工艺LOCOS（Local oxidation of silicon）工艺；0.25m以上工艺常用 浅槽隔离技术STI（Shallow Trench Isolation）工艺。 0.25m以下工艺常用10.3 热氧化生长氧化生长模式46LOCOS Process1. Nitride depositionSiliconPad oxide(initial oxide)2. Nitride mask & etchSiliconSiliconNitride3. Loca

21、l oxidation of siliconSiO2 growthSiliconSiO24. Nitride stripSiliconCross section of LOCOS field oxide(Actual growth of oxide is omnidirectional)SiO2NitrideSilicon10.3 热氧化生长选择性氧化47Selective Oxidation and Birds Beak Effect氮氧化硅，Silicon oxynitride氮化硅掩蔽氧化Nitride oxidation mask 鸟嘴区，Birds beak region选择性氧化S

22、elective oxidation垫氧化层Pad oxideSilicon substrateSilicon dioxide10.3 热氧化生长LOCOS 普遍采用SiO2/Si3N4覆盖开窗口，进行局部氧化。问题: 1.存在鸟嘴，氧扩散到Si3N4 膜下面生长SiO2，有效栅宽变窄，增加电容； 2. 缺陷增加。48STI Process-浅槽隔离工艺1. Nitride depositionSiliconPad oxide(initial oxide)2. Trench mask & etchSiliconSiliconNitride3. Sidewall oxidation and tr

23、ench fillOxide over nitrideSilicon4. Oxide planarization (CMP)Silicon5. Nitride stripOxideCross section of shallow trench isolation (STI)SiliconTrench filled with deposited oxideSidewall liner10.3 热氧化生长选择性氧化4910.4 高温炉设备50高温炉设备Furnace Equipment 卧式炉Horizontal Furnace 立式炉Vertical Furnace 快速退火设备Rapid Th

24、ermal Processor (RTP)10.4 高温炉设备5110.4 高温炉设备性能对比性能参数性能目标卧式炉立式炉常规装载硅片数目小200片/炉100片/炉净化室占地面积小，节约空间较大较小并行处理工艺灵活性无工艺中的装卸舟，可提高产量气流动力学(GFD)在一致性方面最优化较差。气流分布不均较高的GFD和气流分布均匀。一致舟旋转，提高膜均匀性理想的状态不可能设计很容易包括在内硅片温度梯度相当小大小装/卸硅片中颗粒控制颗粒最小化相对差通过上下装片方式，改善颗粒控制石英更换短时间容易完成涉及更多并且慢更容易和更快，导致停机时间缩短装载硅片技术自动化自动化困难使用机器人技术使自动化更容易工艺

25、前后炉管气氛控制控制令人满愈较难控制极好的控制，真空或中性气氛52Horizontal Diffusion Furnace10.4 高温炉设备卧式扩散炉53Vertical Diffusion Furnace10.4 高温炉设备立式扩散炉 更易自动化，更易安全操作以及减少颗粒沾污； 更好的控制温度和均匀性； 一次可以加工100200片。54MicrocontrollerHeater 1Heater 2Heater 3PressurecontrollerGas flowcontrollerWafer handlercontrollerBoatloaderExhaustcontrollerTemp

26、eraturecontrollerWafer load/unload systemBoat motor drive systemQuartz boatQuartz process chamberThree-zone heaterGas panelProcess gas cylinderExhaust10.4 高温炉设备立式炉系统5510.4 高温炉设备立式炉系统 工艺腔 硅片传输系统 气体分配系统 尾气系统 温控系统56Vertical Furnace Process Tube加热管套Heating jacket石英管-Quartz tube三区加热单元Three-zone heating e

27、lements管帽-End cap10.4 高温炉设备工艺腔 炉管容器石英器皿 可采用SiC材料，但价格昂贵。57加热单元的变压器Heater element transformer204 - 480 VAC 3fSCRsSCRsSCRs触发电路Trigger circuitZone 1Zone 2Zone 3高温炉加热单元Furnace heater elements10.4 高温炉设备加热单元加热单元是缠绕在炉管外部的金属电阻丝。加热时，通过加热区，它可提供均匀的热量。58温度控制高温炉中的热电耦Heater 1Heater 2Heater 3热电偶测量Thermocouple measu

28、rementsTemperaturecontroller侧热电偶ProControl TCsOvertemperature TCsSystem controllerTC10.4 高温炉设备温度控制5910.4 高温炉设备气体分配系统60O2O2燃烧室过滤器残渣多余可燃气体燃烧 来自高温炉工艺腔的气体至工厂的尾气系统湿洗涤器循环水10.4 高温炉设备燃烧室6110.4 高温炉设备快速升温炉 快速升温炉能迅速将一批硅片温度升到加工温度(上升时间)，减少工艺稳定需要的时间，工艺结束后快速冷却（下降时间）； 快速升温炉的发展使得硅片以100/分的升温速率和60/分的冷却速率，同时处理100片成为可能。

29、快速升温炉的主要差别在于其快速升温元件、特殊的硅片装载装置，强迫空气冷却以及更好的温度控制器。快速升温炉：特点62Thermal Pro Conventional Versus Fast Ramp Vertical Furnace0204060801001201401601800204060801001201401601801200100080060040012001000800600400Time (minutes)Time (minutes)Temperature (C)Temperature (C)Fast RampConventional传统与快速升温立式炉的温度曲线10.4 高温炉设

30、备快速升温炉63快速热处理（RTP）：几分之一秒内将单个硅片加热到400130010.4 高温炉设备快速热处理 减少热预算Reduced thermal budget硅中的杂质运动最小减少沾污，这归功于冷壁加热较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛更短的加工时间64立式炉与 RTP的对比10.4 高温炉设备快速热处理65快速热处理器Rapid Thermal ProcessorTemperature controller轴对称排列的灯陈列Axisymmetric lamp arrayWafer反射板Reflector plate光纤Optical fibers高温计Pyrometer加热头Heater head反馈电压Feedback voltages设定电压Setpoint voltages10.4 高温炉设备快速热处理器