电子科大微电子工艺(第二章)氧化汇编

1、第二章 氧 化典型的硅片处理流程模型氧化主要章节内容： 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 氧化是一种自然现象2.1 引言 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SiO2的原子结构（晶体和非晶体）：2.1 引言晶体结构：Si-O 四面体在空间规则排列。2.1 引言非晶体（无定形）结构：Si-O 四面体在空间无规则排列。 SiO2的物理性质：2.1 引言物理性质SiSiO2比重（g/cm3）2

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 1017SiO2的化学性质： SiO2 的化学性质非常稳定，仅被 HF 酸腐蚀。2.1 引言 SiO2的热胀冷缩特性（与Si有类似的热膨胀系数）：2.1 引言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

3、部提供氧气和硅源产生化学反应。2.1 引言硅的热氧化：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）的过程 。2.1 引言2.2 氧化原理1.氧化的化学反应及过程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2.2 氧化原理干氧氧化：SiO2 SiO2 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

4、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硅氧化硅滞留层反应气体流新的氧化硅生成2.2 氧化原理氧化过程：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。2.2 氧化原理1、氧化剂扩散穿过滞留层到达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

5、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硅片上的氧化物生长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)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：tox为氧化层厚度 B/A

6、为线性速率系数 t为生长时间 线性阶段为反应速率控制2.2 氧化原理 抛物线阶段（ 厚度150埃） tox =(Bt)1/2 其中：tox为氧化层厚度 B为抛物线速率系数 t为生长时间2.2 氧化原理抛物线阶段为扩散速率控制水气在二氧化硅中的扩散速度和溶解度比氧气的大2.2 氧化原理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氧化物生长曲线2.2 氧化原理在1100干氧氧化生长的线性和抛物线阶段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快（掺杂改变了氧化剂的扩散速率）硅片晶

7、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 氧化原理3.影响二氧化硅生长的因素（100）硅干氧氧化速率曲线2.2 氧化原理2.2 氧化原理（100）硅湿氧氧化速率曲线2.2 氧化原理（111）硅湿氧氧化速率曲线高压氧化2.2 氧化原理SiO2-Si界面的杂质分凝（Dopant Segregation）现象： 高温过程中，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）氧化对硅表面杂质分布的影响：2.2 氧化原理硅

8、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 氧化原理4.常规的氧化工艺温度时间850oC850oC10oC/min5oC/min1100oCO2+H2O60 minN2N2氧化程序控制曲线O220 minO2+HCl20 min 湿氧氧化 水汽产生 装置2.2 氧化原理斜坡降温（以5 /min从1100 降到850 ）出片（手动或自动以5cm/min的速度移出850的恒温区）质量检查（厚度及其均

9、匀性、表面缺陷、固定和可动电荷的检测）2.2 氧化原理 上述工艺SiO2厚度大约600nm左右温度时间850oC850oC10oC/min5oC/min1100oCO2+H2O60 minN2N2氧化程序控制曲线O220 minO2+HCl20 min2.2 氧化原理水汽氧化： Si H2O SiO2 H25.先进的氧化工艺（氢氧合成氧化工艺）2.2 氧化原理湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2水汽氧化：Si H2O SiO2 H2湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H22.2 氧化原理 H2 O2 H2O氢氧合成工艺氢氧合成产生水分子代替去离子水加热产生水分子2.2 氧化原理 气

10、体流量比很重要！氧化水温氧化速率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 氧化原理 三种热氧化层质量对比： 氧化前 氧化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2.3 SiO2在集成电路中的用途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氧化层7. 导电金属之间的层间介质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

11、法形成2.3 SiO2在集成电路中的用途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淀积方法形成厚度2500-15000 2.3 SiO2在集成电路中的用途 厚度2500-15000 (2) 硅局域氧化LOCOS/选择性氧化 注：使用干湿干热氧化方式形成2.3 SiO2在集成电路中的用途硅局域氧化（LOCOS：local oxidation of silicon)氧化后氧化前2.3 SiO2在集成电路中的用途3. 保护层/钝化层：保护有源器件和硅表面免受后续工艺的影响2.3 SiO

12、2在集成电路中的用途4. 掺杂阻挡层：作为注入或扩散掺杂杂质到硅中的掩蔽材料2.3 SiO2在集成电路中的用途5. 垫氧层：做氮化硅与硅之间的缓冲层以减小氮化硅与硅之间的应力2.3 SiO2在集成电路中的用途2.3 SiO2在集成电路中的用途6. 注入屏蔽氧化层：用于减小注入损伤及减小沟道效应2.3 SiO2在集成电路中的用途减小沟道效应2.3 SiO2在集成电路中的用途沿晶向的硅晶格视图7. 金属间的绝缘层：用作金属连线间的层间介质，起绝缘作用（使用淀积法形成）2.3 SiO2在集成电路中的用途2.3 SiO2在集成电路中的用途1.MOS结构的电介质层（栅氧化层）2.限制带电载流子的场区隔离

13、（场氧化层）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）氧化层应用的典型厚度：2.3 SiO2在集成电路中的用途热生长SiO2 Si 系统中的实际电荷情况2.4 SiO2Si界面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

14、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界面及掺氯氧化掺氯氧化： 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界面及掺氯氧化不掺氯热氧化层 1). 可动电荷（主要是Na离子）密度： 3101211013/cm2 2). 固定电荷密度： 11012/cm2掺氯热氧化层 1).

15、可动电荷（主要是Na离子）密度： 2101011011/cm2 2). 固定电荷密度： （13）1011/cm2不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比：2.4 SiO2Si界面及掺氯氧化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 使用CV测试仪检测观察氧化硅片，通过颜色的不同估算SiO2 层厚度：2.5 SiO2的质量检查纯硅片表面生长有二氧化硅膜的硅片2.5 SiO2的质量检查- 需要刻蚀掉部分薄膜才能测量- 竖直方向台阶测

16、量非常精确2.5 SiO2的质量检查台阶仪：膜厚仪（光学干涉法）：硅氧化硅入射光（）出射光2.5 SiO2的质量检查 - 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 方向偏振强度的变化 2.5 SiO2的质量检查椭偏仪：2.5 SiO2的质量检查氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量：2.6 氧化设备1. 卧式高温炉2. 立式高温炉3. 快速升温炉2.6 氧化设备1. 卧式高温炉2. 立式高温炉：节约净化室面积、提高自动化处理水平2.6 氧化设备立式高温炉系统2.6 氧化设备3. 快速升温炉传统立式炉与快速升温立式炉的温度曲线对比2.6 氧化设

17、备升温速率：15 /min降温速率：5 /min升温速率：100/min降温速率：60 /min1、工艺腔2、硅片传输系统3、气体分配系统4、温控系统5、尾气系统2.6 氧化设备高温炉的组成：2.7 快速热处理快速热处理（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.阻挡层退火（如TiN） 5.硅化物形成（如TiSi2） 6.接触合金2.7 快速热处理R