MEMS第四章热氧化课件

1、第 4 章 热氧化 热氧化的目的 在 Si 衬底的表面生长一层 SiO2 薄膜。 SiO2 薄膜的用途 1、用作选择扩散时的掩蔽膜； 2、用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等； 3、用作绝缘介质（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质等）； 4、用作表面保护及钝化。 第1页，共37页。 制备 SiO2 薄膜的方法 热氧化、化学汽相淀积（CVD）、物理汽相淀积（PVD）、离子注入氧化、阳极氧化等。 热氧化的基本原理：在 T = 900 1200 oC 的高温下，利用硅与氧化剂之间的氧化反应，在硅衬底上形成 SiO2 薄膜。 氧化剂可以是纯氧 O2（干氧氧化）、水蒸汽 H2O（水汽氧化）或氧和水蒸汽

2、的混合物 O2 + H2O（湿氧氧化）。第2页，共37页。4.1 迪尔和格罗夫氧化模型 滞流层（附面层）的概念 将从衬底表面气体流速 v = 0 处到 v = 0.99 v0 处之间的这一层气体层称为滞流层。式中 v0 为主气流流速。主气流，v0氧化剂基座滞流层xyL第3页，共37页。CgCsCs/ = CoCitox 1、氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到 SiO2 表面， 2、氧化剂从 SiO2 表面扩散到 SiO2/Si 界面上， 3、氧化剂到达 SiO2/Si 界面后同 Si 发生化学反应，tsl 热氧化过程第4页，共37页。上式中，hg = Dg/ts1 为 气相质量输运系数，ks 为氧

3、化剂与硅反应的界面 化学反应速率常数 。 Co 与 Cs 的关系可由 Henry 定律 得到。Henry 定律说明，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中该种物质的分压 ，因此 SiO2 表面处的氧化剂浓度 Co 为 在平衡状态下，式中，H 为 Henry 定律常数，后一个等号是根据理想气体定律。第5页，共37页。 将以上各方程联立求解，可以得到 SiO2/Si 界面处的氧化剂浓度为式中，h = hg/HkT 。在常压下 h ks ，故分母中的第二项可以忽略。这说明在热氧化时，气流的影响极其微弱。于是可得到 SiO2/Si 界面处的氧化剂流密度为第6页，共37页。 SiO2 膜的生长速率和厚度

4、的计算 将上式的 SiO2/Si 界面处氧化剂流密度 J3 除以单位体积的 SiO2 所含的氧化剂分子数 N1 ，即可得到 SiO2 膜的生长速率 当氧化剂为 O2 时，N1 为 2.21022/cm3 ；当氧化剂为 H2O 时，N1 为 4.41022/cm3。第7页，共37页。 利用 tox(0) = t0 的初始条件，以上微分方程的解是式中或方程中的参数 A、B 可利用图 4.2 、图 4.3 直接查到。第8页，共37页。第9页，共37页。第10页，共37页。 要注意的是，当氧化层比较厚时，氧化速率将随氧化层厚度的变化而改变。因此，如果在氧化开始时已存在初始氧化层厚度 t0 ，则氧化完成

5、后的氧化层厚度并不是无 t0 时氧化工艺中生长的氧化层厚度与 t0 之和，而必须先用 t0 确定，再将与 t 相加得到有效氧化时间。第11页，共37页。4.2 线性和抛物线速率系数 在氧化初期且 t0 极薄时，DSiO2/tox ks ，t + A2/4B， 此时 SiO2 的生长由化学反应速率常数 ks 控制，膜厚与时间成正比，称为线性生长阶段，B/A 称为 线性速率系数 。 一、线性速率系数第12页，共37页。 此时 SiO2 的生长由扩散系数 DSiO2 控制，膜厚与 成正比，称为抛物线生长阶段。B 称为 抛物线速率系数 。 当氧化时间较长，tox 较厚时，DSiO2 /tox A2/4

6、B， 二、抛物线速率系数第13页，共37页。 还有一个问题要注意，氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅 。氧化层厚度 tox 与消耗掉的硅厚度 tsi 的关系是 tsi = 0.44 tox tox = 2.27 tsi 对一个平整的硅片表面进行氧化和光刻后，若再进行一次氧化，则下面的 SiO2/Si 面将不再是平整的。第14页，共37页。 不同的氧化剂有不同的氧化速率系数，氧化速率的大小顺序为，水汽 湿氧 干氧。而氧化膜质量的好坏顺序则为，干氧 湿氧 水汽，所以很多情况下采用 “干氧 - 湿氧 - 干氧” 的顺序来进行氧化。例如， 由于 MOSFET 对栅氧化膜质量的要求特别高，而栅氧化膜的厚

7、度较薄，所以 MOSFET 的栅氧化通常采用干氧氧化。 三、影响氧化速率的各种因素 1、氧化剂的影响第15页，共37页。 在抛物线生长阶段，氧化速率随着氧化膜的变厚而变慢 ，因此要获得较厚氧化膜就需要很高的温度和很长的时间。这时可采用 高压水汽氧化 技术，即在几到几十个大气压下通过增大氧化剂分压 Pg 来提高氧化速率。 2、氧化剂分压的影响 无论在氧化的哪一个阶段，氧化速率系数均与氧化剂的分压 Pg 成正比。第16页，共37页。 反过来，当需要极薄氧化膜的时候，例如 MOSFET 的栅氧化，可以采用 分压热氧化 技术。第17页，共37页。 3、氧化温度的影响 结论第18页，共37页。 4、硅表

8、面晶向的影响 线性速率系数 B/A 与硅原子晶向有关，即 抛物线速率系数 B 与硅晶向无关。 5、杂质的影响 (1) 氧化层中高浓度 Na+ 将增大 B 和 B/A ； (2) 氧化剂中若含 Cl2、HCl、( C2HCl3 ) 等，则将增大 B 和 B/A ，并且有利于改善 SiO2 质量和 SiO2 /Si 界面性质； (3) 重掺杂硅比轻掺杂氧化快。硅中硼浓度增大，B 增大，B/A 的变化小；硅中磷浓度增大，B/A 增大，B 的变化小。 第19页，共37页。4.3 初始阶段的氧化 实验发现，在氧化膜厚度 tox 30 nm 的氧化初始阶段，氧化速率比由迪尔-格罗夫模型预测的快了 4 倍多

9、。 可以通过对 值进行校正来提高模型的精度，但是这会使在氧化膜极薄时预测的氧化膜厚度比实际的偏厚。 解释氧化初始阶段氧化速率增强机理的模型主要有三种： 模型 1，氧化剂扩散穿过 SiO2 层的速率加快； 模型 2，氧化剂在 SiO2 层的溶解度增加； 模型 3，氧化反应在 SiO2 层的一定厚度内发生，第20页，共37页。4.4 SiO2的结构 SiO2 分为 结晶形 和 无定形 两类。结晶形 SiO2 由 Si-O 四面体 在空间规则排列而成，如水晶 ；无定形 SiO2 是 Si-O 四面体在空间无规则排列而成，为透明的玻璃体、非晶体，其密度低于前者，如热氧化的 SiO2 、CVD 淀积的

10、SiO2 等。 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键，因此氧空位的出现易于硅空位。 Si-O 四面体的结构是，4 个氧原子位于四面体的 4 个角上，1 个硅原子位于四面体的中心。每个氧原子为两个相邻四面体所共有。第21页，共37页。第22页，共37页。4.5 SiO2 的特性物理性质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热导率（W/cm.k）1.50.01击穿电场（V/cm）3 1056 106 一、第23页，共37页。 二、化学性质 SiO2 的化学性质非常稳定，仅

11、被 HF 酸腐蚀第24页，共37页。 三、SiO2 的掩蔽作用 杂质在 SiO2 中有两种存在形式。 B、P、As、Sb 等 、族杂质是替位式杂质，在 SiO2 中替代硅原子，在 SiO2 中的 扩散系数很小。其中 族杂质形成负电中心，使非桥联氧转变成桥联氧，增强 SiO2 网络的强度；族杂质形成正电中心，使桥联氧转变成非桥联氧，减弱 SiO2 网络的强度。 Na、K、Pb、Ca 等的氧化物以离子形式存在于 SiO2 网络的间隙中，是填隙式杂质，在 SiO2 中的 扩散系数很大。网络中氧离子增加使非桥联氧增多，网络强度减弱，熔点降低；间隙式杂质的运动会影响器件的稳定性和可靠性。水汽中的羟基起类

12、似的作用。 第25页，共37页。 四、氧化膜的质量检测 1、氧化膜厚度的测量方法 (1) 光干涉法第26页，共37页。 (2) 椭圆偏振光法 (4) 击穿电压法 (5) 电容法 (6) 比色法 (3) 台阶法第27页，共37页。 SiO2 层厚度与颜色的关系颜色氧化层厚度（）灰200黄褐400蓝800紫10002750465065008500蓝13003000490068008800绿17003300520072009300黄20003700560075009600橙22504000600079009900红250043506250820010200第28页，共37页。 2、氧化膜缺陷的检测

13、包括氧化膜针孔、氧化诱生层错的检测 5、氧化膜应力的测量 圆盘弯曲法、基片弯曲法、X 射线法和电子衍射技术。 3、氧化膜介电系数的测量 4、氧化膜击穿特性的测量第29页，共37页。4.6 掺杂杂质对氧化过程的影响 在热氧化过程中，硅衬底中的杂质分布会发生改变，这称为 衬底杂质的再分布。引起衬底杂质再分布的原因有 1、杂质在 Si、SiO2 中平衡浓度不同 2、杂质在 Si、SiO2 中扩散速度不同 3、氧化速度与氧化层厚度第30页，共37页。 热氧化时杂质在 SiO2/Si 界面再分布的 4 种情况(a)氧化层中慢扩散（硼）； (b)氧化层中快扩散（硼， H2 气氛下）；(c)氧化层中慢扩散（

14、磷）；(d)氧化层中快扩散（镓）第31页，共37页。 热氧化过程中硅中杂质再分布的规律 1、硅中掺硼 (1) 温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布 程度增大，其 CS/CB 小于干氧氧化； (2) 相同氧化气氛下，氧化温度越高，硼向硅表面扩散速度加快，补偿了杂质的损耗，CS/CB 趋于 1 。 2、硅中掺磷 (1) 温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布程度增大，其 CS/CB 大于干氧氧化； (2) 相同氧化气氛下，氧化温度越高，磷向硅内扩散的速度越快，表面堆积现象减小，CS/CB 趋于 1 。第32页，共37页。4.7 氧化诱生堆垛层错 热氧化有一种副效应，即释放出高密度

15、的自填隙硅原子。这些过剩的填隙原子构成了点缺陷，并延伸成氧化诱生堆垛层错（OSF）。OSF 是一种二维缺陷 ，是插入到晶格中有限范围的额外原子面，并终止于位错，通常存在于（111）面。当原来存在如离子注入引起的缺陷时，很容易诱生出 OSF。 降低氧化温度，采用高压氧化，在氧气中加入少量 HCl 等措施，可以抑制氧化诱生堆垛层错的产生。第33页，共37页。4.8 栅绝缘层的替代物 MOSFET 的栅氧化层厚度一直在不断减薄，但是进一步的减薄将受到下面几个因素的限制。 首先，当栅氧化层非常薄时，栅极与沟道之间的 电子直接隧穿电流 将显著增大，导致栅电流的增大和输入阻抗的下降。 其次，太薄的栅氧化层

16、难以掩蔽杂质向沟道区的扩散。 采用 高介电常数 的材料代替 SiO2 作为栅绝缘层，可以在不降低栅绝缘层厚度的情况下，获得足够大的栅电容。氮氧化硅（SiOxNy）是这类替代材料之一。 第34页，共37页。 4.9 氧化系统 根据集成电路的要求确定氧化工艺 1、高质量氧化：干氧氧化或分压氧化； 2、厚层的局部氧化或场氧化：干氧+湿氧+干氧，或高压水汽氧化； 3、低界面态氧化：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）。 主要采用卧式氧化炉，要求温度可在 400 1200 oC 的范围内设定，并在足够长的区域（称为恒温区）内达到小于 0.5 oC的均匀性。第35页，共37页。 4.10 小结 本章首先介绍了热氧化的迪尔-格罗夫模型，它能精确预测各种氧化条件下的氧化层厚度。对于薄氧化层，观察到生长速率增强现象，给出了解释这个现象的几种模型。介绍了 SiO2 的结构和特性。讨论了氧化过程对硅中杂质浓度及其分布的影响。氧化会在硅内产生氧化诱生堆垛层错，其原因是工艺过程中产生的高密度自填隙硅原子。最后介绍了氧化系统。第36页，共37页。 习 题