电子科大微电子工艺(第二章)氧化汇编

1、第二章 氧 化共七十二页典型(dinxng)的硅片处理流程模型共七十二页氧化主要章节内容： 2.1 引言 2.2 氧化原理 2.3 SiO2在集成电路中的用途 2.4 SiO2Si界面(jimin)及掺氯氧化 2.5 SiO2的质量检查 2.6 氧化设备 2.7 快速热处理共七十二页 氧化是一种自然(zrn)现象2.1 引言(ynyn) Si的自然氧化层（ SiO2 ）很薄, 在40埃左右 铁、铜、银等金属的自然氧化 硅、硫、磷等非金属的自然氧化共七十二页SiO2的原子结构（晶体(jngt)和非晶体(jngt)）：2.1 引言(ynyn)晶体结构：Si-O 四面体在空间规则排列。共七十二页2.

2、1 引言(ynyn)非晶体（无定形）结构(jigu)：Si-O 四面体在空间无规则排列。共七十二页 SiO2的物理性质(wl xngzh)：2.1 引言(ynyn)物理性质SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁带宽度（eV）1.12 8相对介电常数11.73.9熔点（）14171700热导（W/cm.k）1.50.01击穿电压（V/cm）3 1056 106电阻率（/cm）2.5 105 1017共七十二页SiO2的化学性质： SiO2 的化学性质非常稳定(wndng)，仅被 HF 酸腐蚀。2.1 引言(ynyn)共七十二页 SiO2的热胀冷缩特性（与Si有类似(li s)的热膨胀系

3、数）：2.1 引言(ynyn)共七十二页能够在硅片上热生长氧化硅是硅基集成电路发展的基础。氧化硅可用于器件隔离、选择性掺杂的掩蔽层、应力消除层、栅氧等。氧化硅的质量对器件或电路的性能有很大的影响。氧化硅的形成(xngchng)方式：热氧化生长或淀积，前者是高温下高纯氧气与硅衬底发生化学反应，后者是由外部提供氧气和硅源产生化学反应。2.1 引言(ynyn)共七十二页硅的热氧化：通过将硅片放在高温（通常(tngchng) 750 1100 ）的氧气或水汽气氛下，使其表面生长一层氧化层（SiO2）的过程 。2.1 引言(ynyn)共七十二页2.2 氧化(ynghu)原理1.氧化的化学反应及过程(gu

4、chng)2.氧化的生长速率3.影响二氧化硅生长的因素4.常规的氧化工艺5.先进的氧化工艺6.氧化消耗硅共七十二页2.2 氧化(ynghu)原理干氧氧化：SiO2 SiO2 氧化速度慢，氧化层干燥(gnzo)、致密，均匀性、重复性好，与光刻胶的粘附性好水汽氧化：Si H2O SiO2 H2 氧化速度快，氧化层疏松(因为含氢)，均匀性差，与光刻胶的粘附性差湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2 + H2 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、氧化质量介于上述两种方法之间。 1.氧化的化学反应及过程共七十二页硅氧化硅滞留层反应气体流新的氧化硅生成2.2 氧化(ynghu)原

5、理氧化(ynghu)过程：氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达Si02与Si界面同Si发生反应，其过程如下：1、氧化剂扩散穿过滞留层到达SiO2 表面。2、氧化剂扩散穿过SiO2 层到达SiO2-Si界面。3、氧化剂在Si 表面与Si 反应生成SiO2 。4、反应的副产物离开界面。共七十二页2.2 氧化(ynghu)原理1、氧化剂扩散穿过滞留(zhli)层到达SiO2 表面，其流密度为F1 。2、氧化剂扩散穿过SiO2 层到达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 。氧化硅比较薄时：氧分子、水分子充足，硅原子不足：反应速率决定氧化速率

6、氧化硅比较厚时：氧分子、水分子不足，硅原子充足：扩散速度决定氧化速率共七十二页硅片上的氧化物生长(shngzhng)模型是由迪尔和格罗夫发展的线性-抛物线性模型。2.2 氧化(ynghu)原理2.氧化的生长速率线性抛物线性模型表述为： t2oxAtoxB(t + ) tox为硅片上生长的SiO2总的厚度(m)； B为抛物线速率系数(m2/h)； B/A为线性速率系数(m/h)； 为生成初始氧化层所用的时间(h)共七十二页氧化物的生长可分为两个阶段：线性阶段和抛物线阶段 线性阶段（厚度小于150埃） tox=(B/A)t 其中(qzhng)：tox为氧化层厚度 B/A为线性速率系数 t为生长时间

7、 线性阶段为反应速率控制2.2 氧化(ynghu)原理共七十二页 抛物线阶段（ 厚度150埃） tox =(Bt)1/2 其中：tox为氧化层厚度 B为抛物线速率(sl)系数 t为生长时间2.2 氧化(ynghu)原理抛物线阶段为扩散速率控制共七十二页水气(shu q)在二氧化硅中的扩散速度和溶解度比氧气的大2.2 氧化(ynghu)原理B/A为线性速率系数，B为抛物线速率系数，B/A和B与温度、氧化剂浓度、反应室压力等因素有关。湿氧抛物线速率系数B比干氧的大湿氧氧化速率大于干氧氧化速率共七十二页氧化物生长(shngzhng)曲线2.2 氧化(ynghu)原理在1100干氧氧化生长的线性和抛物

8、线阶段共七十二页氧化温度氧化时间掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率(sl)快（掺杂改变了氧化剂的扩散速率(sl)）硅片晶向：硅单晶的氧化速率比稍快（适用于线性阶段，而抛物线阶段氧化速率无差别）反应室的压力：压力越高氧化速率越快氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快，掺氯氧化比不掺氯的氧化速率快2.2 氧化(ynghu)原理3.影响二氧化硅生长的因素共七十二页（100）硅干氧氧化速率(sl)曲线2.2 氧化(ynghu)原理共七十二页2.2 氧化(ynghu)原理（100）硅湿氧氧化速率(sl)曲线共七十二页2.2 氧化(ynghu)原理（111）硅湿氧氧化速率(sl)曲线共七十二页高压氧化2

9、.2 氧化(ynghu)原理共七十二页SiO2-Si界面的杂质分凝（Dopant Segregation）现象： 高温过程(guchng)中，杂质在两种材料中重新分布 氧化硅吸引受主杂质（B）、排斥施主杂质（P、 As）（二氧化硅吸硼排磷）氧化对硅表面杂质(zzh)分布的影响：2.2 氧化原理共七十二页硅片清洗（除去硅片上的各种沾污）装片进炉（手动或自动以5cm/min的速度进入850的恒温(hngwn)区）斜坡升温（以10 /min从850 升到1100 ）氧化（温度：1100恒温） 时间：t20min干O260min湿O220min干（O2HCl）2.2 氧化(ynghu)原理4.常规的氧

10、化工艺温度时间850oC850oC10oC/min5oC/min1100oCO2+H2O60 minN2N2氧化程序控制曲线O220 minO2+HCl20 min共七十二页 湿氧氧化 水汽(shu q)产生 装置2.2 氧化(ynghu)原理共七十二页斜坡降温（以5 /min从1100 降到850 ）出片（手动或自动(zdng)以5cm/min的速度移出850的恒温区）质量检查（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可动电荷的检测）2.2 氧化(ynghu)原理 上述工艺SiO2厚度大约600nm左右温度时间850oC850oC10oC/min5oC/min1100oCO2+H2O60 minN2

11、N2氧化程序控制曲线O220 minO2+HCl20 min共七十二页2.2 氧化(ynghu)原理水汽氧化： Si H2O SiO2 H25.先进的氧化工艺(gngy)（氢氧合成氧化工艺(gngy)）共七十二页2.2 氧化(ynghu)原理湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2共七十二页水汽氧化：Si H2O SiO2 H2湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H22.2 氧化(ynghu)原理 H2 O2 H2O氢氧合成工艺氢氧合成(hchng)产生水分子代替去离子水加热产生水分子共七十二页2.2 氧化(ynghu)原理 气体流量(liling)比很重要！共七十二页氧化水温氧化速率

12、均匀性重复性结构掩蔽性干氧氧化慢好致密好水汽氧化100 最快差疏松较差湿氧氧化95 快较好适中基本满足2.2 氧化(ynghu)原理 三种热氧化层质量(zhling)对比：共七十二页 氧化(ynghu)前 氧化(ynghu)后氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45左右2.2 氧化原理6.氧化消耗硅共七十二页2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途1. MOS结构的电介质层2. 限制带电载流子的场区隔离3. 保护器件以免划伤和离子沾污4. 掺杂过程中的注入阻挡层5. 减小氮化硅与下层之间应力的垫氧化层6. 减小注入损伤及沟道效应的注入屏蔽(pngb)氧化层7. 导电金属之间的层间

13、介质共七十二页1. 栅氧化层：用做MOS晶体管栅和源漏衬底之间的电介质层 注：用热氧化生长方法(fngf)形成2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途共七十二页2. 场氧化层：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此之间电气隔离。 (1) 浅槽隔离STI：Shallow Trench Isolation 注：用CVD淀积方法(fngf)形成厚度(hud)2500-15000 2.3 SiO2在集成电路中的用途共七十二页 厚度(hud)2500-15000 (2) 硅局域氧化LOCOS/选择性氧化 注：使用干湿干热(n r)氧化方式形成2.3 SiO2在集成电路中的用途共七十二

14、页硅局域氧化(ynghu)（LOCOS：local oxidation of silicon)氧化(ynghu)后氧化前2.3 SiO2在集成电路中的用途共七十二页3. 保护层/钝化层：保护有源器件和硅表面免受后续工艺(gngy)的影响2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途共七十二页4. 掺杂阻挡层：作为注入或扩散掺杂杂质到硅中的掩蔽(ynb)材料2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途共七十二页5. 垫氧层：做氮化硅与硅之间的缓冲(hunchng)层以减小氮化硅与硅之间的应力2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途共七十二页2.3 Si

15、O2在集成电路(jchng-dinl)中的用途共七十二页6. 注入屏蔽(pngb)氧化层：用于减小注入损伤及减小沟道效应2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途共七十二页减小沟道效应2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途沿晶向的硅晶格(jn )视图共七十二页7. 金属间的绝缘层：用作金属连线间的层间介质，起绝缘(juyun)作用（使用淀积法形成）2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途共七十二页2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途1.MOS结构(jigu)的电介质层（栅氧化层）2.限制带电载流子的场区隔离（场氧化层）

16、3.保护器件以免划伤和离子沾污（保护层/钝化层）4.掺杂过程中的注入阻挡层（掺杂阻挡层）5.减小氮化硅与下层之间应力的垫氧化层（垫氧层）6.减小注入损伤及沟道效应的注入屏蔽氧化层（注入屏蔽 氧化层）7.导电金属之间的层间介质（金属间的绝缘层）共七十二页氧化(ynghu)层应用的典型厚度：2.3 SiO2在集成电路(jchng-dinl)中的用途共七十二页热生长SiO2 Si 系统(xtng)中的实际电荷情况2.4 SiO2Si界面(jimin)及掺氯氧化界面突变导致各种缺陷的产生，从而引发各种电荷共七十二页在实际的SiO2 Si 系统中，存在四种电荷：1. 可动电荷： 指Na、K离子，来源于工

17、艺中的化学试剂、器皿和各种沾污等。2. 固定电荷：指位于SiO2 Si 界面2nm以内的未氧化的过剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。3. 界面态：指界面陷阱电荷(结构缺陷、氧化诱生缺陷、悬挂(xungu)键），可以采用氢气退火降低。4. 陷阱电荷：由辐射产生。2.4 SiO2Si界面(jimin)及掺氯氧化共七十二页掺氯氧化： 在氧化工艺中通常在氧化系统中通入少量的氯气（浓度在3以下）以改善SiO2的质量。其作用(zuyng)有二： 1、氯离子进入SiO2Si界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累 2、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾污2.4 SiO2Si界面(jimin)及掺氯氧化共七

18、十二页不掺氯热氧化层 1). 可动电荷（主要是Na离子）密度(md)： 3101211013/cm2 2). 固定电荷密度： 11012/cm2掺氯热氧化层 1). 可动电荷（主要是Na离子）密度： 2101011011/cm2 2). 固定电荷密度： （13）1011/cm2不掺氯和掺氯氧化(ynghu)层电荷密度的对比：2.4 SiO2Si界面及掺氯氧化共七十二页2.5 SiO2的质量检查1. 氧化层表面缺陷的检查 目检和使用100倍500倍的显微镜检查2. 氧化层厚度及其均匀性的测量 使用观察法或利用(lyng)台阶仪、膜厚仪、椭偏仪等仪器测量3. 氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量

19、 使用CV测试仪检测共七十二页观察氧化硅片，通过颜色(yns)的不同估算SiO2 层厚度：2.5 SiO2的质量检查共七十二页纯硅片表面(biomin)生长有二氧化硅膜的硅片2.5 SiO2的质量检查共七十二页- 需要刻蚀掉部分薄膜才能测量- 竖直方向(fngxing)台阶测量非常精确2.5 SiO2的质量检查台阶(tiji)仪：共七十二页膜厚仪（光学(gungxu)干涉法）：硅氧化硅入射光（）出射光2.5 SiO2的质量检查共七十二页 - 测量薄膜厚度非常精确（0.1nm几个um） - 原理类似膜厚仪，只是测量的是反射光平行和垂直 方向偏振(pin zhn)强度的变化 2.5 SiO2的质量

20、检查椭偏仪：共七十二页2.5 SiO2的质量检查氧化层固定(gdng)离子电荷和可动离子电荷的测量：共七十二页2.6 氧化(ynghu)设备1. 卧式高温(gown)炉2. 立式高温炉3. 快速升温炉共七十二页2.6 氧化(ynghu)设备1. 卧式高温(gown)炉共七十二页2. 立式高温炉：节约净化室面积、提高(t go)自动化处理水平2.6 氧化(ynghu)设备共七十二页立式高温(gown)炉系统2.6 氧化(ynghu)设备共七十二页3. 快速(kui s)升温炉传统立式炉与快速升温立式炉的温度曲线(qxin)对比2.6 氧化设备升温速率：15 /min降温速率：5 /min升温速率

21、：100/min降温速率：60 /min共七十二页1、工艺腔2、硅片传输系统(xtng)3、气体分配系统4、温控系统5、尾气系统2.6 氧化(ynghu)设备高温炉的组成：共七十二页2.7 快速(kui s)热处理快速热处理（RTA）是在非常短的时间内（几分之一秒）将单个硅片加热至4001300温度范围的一种方法。RTA的优点： 1.减少热预算（硅工艺过程中需要的热能：温度*时间） 2.硅中杂质(zzh)运动最小 3.冷壁加热减少沾污 4.腔体小气氛洁净 5.更短的加工时间共七十二页RTA的应用： 1.离子注入退火，以减小注入损伤和电激活杂质 2.沉积氧化膜增密 3.硼磷硅玻璃（BPSG）回流 4.阻