微电子工艺-chapter03of第3章热氧化和薄膜制备技术

第3章热氧化和薄 技Dr.DaoliOffice:Room409WestBuildingVoice:: Textbookand列出四种加热描述集成电路制造描述热氧化说明快速加热工艺(RTP本工艺与你的工作或产品集成电路工艺流

定 艺概 BasicSiO2andtheSi/SiO2interfacearetheprincipalreasonsfordominanceintheICEasilyselectivelyetchedusinglithography.Masksmostcommonimpurities(B,P,As,Sb).Excellent(1016cm,Eg9eVHighbreakdownfield(107Vcm-1)ExcellentjunctionStablebulkelectricalStableandreproducibleinterfacewithSi.Nootherknownsemiconductor/insulatorcombinationhaspropertiesthattheSi/SiO2HistoricalDevelopmentandBasicOxidegrowthusingO16andO18identifiestheNeutralO2andH2Oand/orOHare2speciesinoxidation,notatomsorionsO,O-,O-2VolumeofSiO2VolumeofSiO2is30%largerthanvolumeoftheoxidecannotbeinSiliconOxidationinvolvesavolumeexpansion(≈Especiallyin2Dand3Dstructures,stresseffectsplayadominant硬件水平式炉 水平式炉管的布局高温炉控制系统功能

氧氮氢氧化的氧来H2O2TCE扩散B2H6PH3AsH3沉积硅烷,SiH4,会自燃 SiH2Cl2NH3B2H6,PH3和退火 H2OPSGBPSG 排气系 装载晶圆,垂直式系温度控0.5C 0.051000 反应高于1200C 度垂直式高温炉,工艺位

石英炉石英在生产工厂外面,反应室外氢氟酸 NF3碳化硅温度控~800120050C管(反应 度

高温

垂直石英

小的占地面积降低建造成本[costofownership 硬件概 不 硅表面上生成的二氧化硅结氧化前晶粒子 后使用H2SO4:H2O2溶在去离子水洗涤(100125°C)有机污染物去离子 后，使用H2SO4:H2O2或100125°C)无机污染物100125°C)原生氧化层去离子 后，使用H2SO4:H2O2或100125°C)无线电公司(RCA) SC-1–70~80CNH4OH:H2O2:H2O1:1:5SC-2-在70~80CHCl:H2O2:H2O按1:1:6热生长二氧化硅子连接起来，形成各种不同状态和结构的SiO2①桥键氧原子：位于四面体之间，为两个硅原子所共有的氧原子称硅网络就越疏松。通常的二氧化③网络调节剂：网络调节剂即间隙式孔洞位置，主要有Na,K,PbCa,Ba并形成网络，主要有B,P,Sb,等正离 氧或水汽等氧化剂穿过SiO2层，到达Si-SiO2界面，与硅反应生成SiO2，而不是硅向SiO2外表面运动，StructureofSilicaShortrangeorder

Amorphousmaterial Non-bridgingoxygeninfusedSilica(notincrystallineNetworkmodifier---->SicanbereplacedSb=networklargecompressivestress(5*109dynes/cm2)existsinSiO2.Hightemperaturecanreliefstressbyviscousflow.LargedifferenceinthethermalexpansioncoefficientsofSiandSiliconintension→referto2.21g/cm3，结晶形SiO2的密度为2.65g/cm3密度大的SiO2薄膜具有较大的折射率。波长为550nm时， 的SiO2，电阻率高达1017Ω⋅cm以上。均匀性、杂质含量等因素有关，一般为106－107V/cm。22SiO2+4HFSiF42H2OSiF4+2HFH2SiF6光刻出IC制造中的各种窗口。SiO2的腐蚀速率与HF的浓度、温度、SiO2的质量以及所含杂质数量等因素有关。不同方 。SiO2+2NaOH=Na2SiO3SiO2+2MSi+2MgO3SiO2+2A3Si+2Al2O3SiO+3C＝2CO空气较掩蔽性质：B、P、As等杂质在SiO2中的扩散系数远小于在Si中的扩散系数。SiO2膜要有足够的厚度。杂质在绝缘性质：SiO2能带宽度约9eV。氧化层越薄、氧化温度越高，击穿电场越低。介电常数不同方 的SiO2薄膜的物理参氧化方密折射率电阻介电数介电强干2.24-1.46-9湿2.18-1.435-水2-1.452-1015-6.8-高压氧1.45-7-热分解淀2.09-1.43-107-外延淀1.46-5- 作MOS间延长，杂质也有可能会扩散SiO2膜层，使掩蔽 机械损伤和杂质玷污，起到了保护作用。另外，有了这一层界气氛对硅的影响，起到钝化作用。但是，钝化的前提是膜层的质量要好，如果SiO2膜中 钠离子或针孔，非但不能衬垫氧化层；氧化层；牺牲氧化层；阻挡用氧化层(~150Å)氧化

USGCMP;USG衬垫氧化层的应缓冲氮化硅的高应预防应力产生硅的MOS管的绝缘栅材料：在晶体管中，常以SiO2膜作为栅极，这是因为SiO2层的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流。但作为绝缘栅要求极高，因为Si-SiO2界面十分敏感(指电学性能)，SiO2层质量不好，这样的绝缘栅极就不是良好的半导体器组件绝缘的应3,00010,000全面场区覆盖氧化工

硅的局部氧化

2LOCOSLOCOS硅的局部氧被浅沟 取代牺牲氧化层的应

薄氧化

VD>漏源漏源PP电

集成电路中的介质。集成电路中的有P-N隔离和介质两种，而介质中的介质就是SiO2。因为SiO2介质的漏电流很小，岛与岛之间的用于电极引线和硅器件之间的绝缘介质。在集成电路 。当氮化硅直接沉积在硅衬底上时，界面存在极大应力和界面态密度，多采用Si3N4/SiO2/Si结构。场氧化时，SiO2会有软化现象氧化层名厚应应用的时原生氧化 15-20Å不必要 ~200Å ~5000Å 3000-5000Å 衬垫氧化 -200Å氮化硅应力缓冲层1960年代至 <1000Å缺陷移除 30-120Å栅极电介质 阻挡氧化 100-200Å浅沟 由于热氧化的氧化反应发生在SiSiO2交界面，接触(1)干氧 氧化膜表面干燥、结构致密，光刻时与光刻胶接触良好、不易产生浮胶，但氧化速率极慢，这是由于O2在SiO2中扩散系数通常小于H2OSiO2ll栅极氧化层悬浮键引起的界面状态界面状态电荷(正极悬浮

+Si-SiO2界 原理

Si+2H2O→SiO2+ 水蒸气煮沸式系 水气泡式系N2+N2+水冲洗式系水氢氧燃烧蒸气系 2H2+O22

氢氧燃烧蒸气系典型的H2:O21.8:1工艺炉晶控制调压工艺炉晶控制调压气湿氧湿氧氧化工艺步通入工艺氮气气流以及大量的氧通入工艺氮气气流和氧气：开始升高温度稳定氧气气闲置时通入吹除净化氮气气掩蔽 水干氧：好好湿氧 中基本满足差较 生长SiO2的重量＝SiO2X0消耗掉的Si

SiXSiX-SiO层的厚度; -消耗掉Si的厚 -SiO的密度; 2SiO2的体积比消耗掉的硅膨SiliconConsumptionDuringOxidationDepositedDepositedOriginalSiSiStressattheSi/Si3N4interface的厚度是多少？已知Si的摩尔质量为28.9g/mol，密度为2.33g/cm3SiO2摩尔质量为60.08g/mol，密度为2.21解：1molVsi=28.9/2.33=12.06同样，1molSiO2当1mol1mol：Vsi/VsiO2=Adsi/AdsiO2=0.44例如产生100nm44nm少子，也就是提高器件的电性能和可靠性。在生。它们在半导体中形成复合中心，使少子变短，生长速率可增加4HCl+O2=2Cl2Na+有吸附作用，将Na+固定在Si－SiO2界面附近OO－Si++ClO

层SiO2，衬底本身不参加反应，因此淀积温度比热正硅酸乙脂气态有机原子团硅烷SiH4在氧气中热分解反

2SiH4+2O2SiO22H2O,反应温度一般选热分解常用的烷氧材料名化学温度温度728-乙基三乙氧基硅650-戊基三乙氧基硅600-苯基三乙氧基硅610-二甲基二乙氧基硅760-生长机理：一般认为有两种模式。一是氧或水汽直接穿过氧表面层上的氧化膜；二是在高温下，硅原子在SiO2界面处不断夺取二氧化硅中的氧，生成新的氧化膜，使得表面处仍是硅与氧进行氧化，相当于氧原子进入硅中，或硅原子逐步扩散到表面。持前一观点的Si+ 热氧化经历步骤：(1)氧化剂从气体以扩散形式穿式穿过SiO2层，到达SiO2与硅界面；(3)氧化剂在硅表面与硅反应生成SiO2；(4)反应副产物离开界面。SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2SiO2SiO2的生长速率就由硅热氧化生长动力学(Deal-Grove迪尔 NG气体NGSSiO2表面外侧氧化剂浓度NOSSiO2表面内侧氧化剂浓度NSSiO2/Si界面处氧化剂浓度toxSiO2薄膜的厚度对温度700－1300°C，压力2×104－1.01×105Pa，氧 F1hGNGNGSNG是气体化剂的浓度，NGS是贴近SiO2表面上的氧化剂浓度，hG:气相质量转移系数；F1：氧化剂由气体传氧化剂穿过SiO2SiO2－Si界面，流密度为F2。F dN线性近似D0

Ns 式中，NOS和NO分别表示SiO2层中和SiO2－Si界面处的氧化剂浓剂在SiO2中的扩散系数；F2：氧化剂扩散通过已生成的二氧化硅氧化剂在SiSiSiO2，流密度为F3。应速率取决于化学反应动力学。由于SiO2/SiF3ksNs Ks：表面化学反应速率常数；F3：SiO2/Si界面处，氧化剂和硅中氧化剂的浓度NS应与气体中氧化剂分压pg成正比，即：衡态下应有：F1=F2=F3。再经过一系列 NS

Hg21ks/Hgkstox/2Hg2 2

/ 21ks/Hgkstox/222氧化剂以扩散方式通过SiO2层运动到SiO2－Si界面处的应生成SiO222

时，NS→NGS在这种情况下，进入SiO2中的氧化剂快速扩散到SiO2－Si界面。氧化剂在界面处堆积，趋近于SiO2SiO2生子个数用Nl表示。已知每立方厘米SiO2的分子数为2.2×1022个化，Nl2.2×1022atoms/cm3Nl为RdtoxF3

ksHg2 2

Nl1ks/

kstox/ 22

B(tttA2/tox2

1

A2D(1 1 Hg B2DHgt2t

B热氧化生长的两①线性阶段。当(t+τ)<<A2/4B(B/A线性速率 B(t

B(B(ttox

X= AX= AX=B<100>硅干氧氧化反105010009501200900)) <100>硅湿氧氧化反10501000950900)) ，改为由扩散控制，即氧化层，即所谓的高压氧化和低压氧化技术B2DHB2DHgA2D(1 1Hg对于抛物线速率常数B，温度的影响是通过扩散系数D体现的。具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在

湿氧氧化速120012001100100092095°C))0

杂质：(1)硅衬底中掺杂P，B对氧化速率的影响。掺杂浓度增加氧化速率增大，因此在氧化过程中，同一硅片表面上的重区域的氧化层厚度可能比轻掺杂区域的大很多；(2)水汽，钠。加快氧化速率，使得相同条件下生成的氧化层厚度变大；(3)氯。在氧化气氛中加入解度,当SiO2生长，他们会移动渗入硅中，像铲雪空乏效应和堆积

氯气氛的影响分 经过一些制作工艺后，晶不同的氧化率导致了在晶自然氧化迪尔 硅(100)晶面薄氧阶段的经验dtox

Cetox/L1Cetox/ 2tox 其中：tox为氧化层厚度；L1和L2是特征距离，C1硅的氧化9——层厚度是多少？在温度为1200℃下再进行湿氧氧化生成化速率常数A＝0.04μm，B＝0.045μm2/h，τ＝0.027h。1200℃下湿氧氧化速率常数A＝0.05μm，B＝0.72μm2/h。解：将A、B、τ得到氧化层厚度为0.196

t2 B(t0o＝0.19oμm0τ=(d02+Ad0)/B=最后理想厚度(d0+0.1)＝0.296τ＝0.075h＝4.5min的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000查表得知920oC时，A=0.50m，B=0.203m22to2 (0.1m)+0.5m2= = 0.203m2

据公式toxtox

B(t)AA A24B(t2至今。主要用在氧化、扩散、热处理及各、温度控制系统、反应炉、气体柜、站、装片站随着晶圆尺寸越来越大，升温降温时间会增加，成本也越来越高。解决这个问题的就是确保最大批快速但是在退火消除缺陷的同时又会带来一些其他的影响，比如，掺杂的再分布。这又是不希望发生的。这就使得人们在寻找其它的退火方式，这个方式就是快速加热工艺。RTP工艺是基于热辐射原理见加热源(钨灯)在晶圆的上面，这样晶圆就可被快速加热。热辐射偶合进入晶圆表面并以75℃～125℃的速度到达工艺温度，由于加热时间很短，晶圆体内温度并未升温，这在传统的反应炉内是不可能实现的。用这个工艺进行离子注入后的退火，就RTP技术不只是用在“退艺的生长是自然而然的选择，由于器件尺寸越来越小的趋势使得加在晶圆上的每层的厚度越来越薄，厚度减少最显著的是栅极氧化层。先进的器件要求栅极厚度小于0.01微米。如此薄的氧化层对于普通的反应炉来说，是难以实现的。而RTP系统快速升温降温快速加30快速加热氧化(RTO)工艺示装 升温1晶 升温

晶O2流 温N2N2时高压其它影响，比如，晶圆表面层中“错位”和温度及高温下的时 在氧化时，当O2扩散穿越已生长的氧化物是，他是在各个方向上高压氧130°高压氧温压时温压时1气55大气125大气12时压温51气10大气高压氧化系统示 热氧化过程中的杂质再行不断向硅中推进，原存在硅中的杂质将在界面两边分凝系数m=杂质在硅中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平不同杂质的分凝系数不同：磷、砷等为10左右，镓约20氧化层的产生：Si/SiO2界面按时再分布对硅表面杂质浓度的影二氧化硅的掩模入一定数量的某种杂质，其余区域不进行掺杂，即选择扩散。选择扩散是根据某些杂质，在条件相同的情况下，在SiO2中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度的性质来完成，即利用SiO2层对某些杂质起到“掩蔽作用来达到。在相同条件下，杂质在硅中的扩散深度已达到要求时，而在二氧化硅中的扩散深度还非常浅没有扩透预先生长的SiO2层，因而在SiO2层保护的硅硼、磷：在SiO2SiO2薄膜对这类杂为0.5～1.0μm。实现掩模遮蔽的二氧化硅层质量具有多种用途，其中最主要的是作为MOSFET一、氧化层的电SiO2isamorphouseventhoughitgrowsonacrystallinesubstrate. WebFourchargesareassociatedwithQf-fixedoxideQit-interfacetrappedQm-mobileoxideQot-oxidetrappedSiO2/SiSystem:Structureandamorphous/crystalline–interfaceflat.RoughnesswithgrowthrateandTrappedchargesQotimportantwhenisolationradiationispresent(spaceplasmaprocessing)

Detectdensityatinterfacesis~109–1011cm-Fixedcharge~109–1011cm-2is+anddoesnotchangeindeviceoperation.Interfacecharge=trapsduetodanglingSibonds→changeinoperationQpQit–bothrelatedtounoxidizedSiatoms.Reducechargessincetheydegradedeviceoperation→T,H2anneal..界面势阱电荷Qn：在Si-SiO2界面的正或负的电荷， 氧化层固定电荷Qf位于Si-SiO2界面SiO2层约3nm件以及硅的晶向，电荷密度约为1010～1012cm-2。固定电荷会使器件的C-V曲线向负方向平移，但不改变其形状。由于其面密度可移动离子。可在氧化前通入含氯的化合物炉管，氧化方氧化层的厚度和密 。使用SEM或TEM测量台阶高度。例如，表面光度法100nm到5μm间的薄膜厚度。

dN/不同氧化层厚度 色黄褐蓝紫深蓝绿黄橙红椭圆偏光仪线性偏振入射

psn1,k1,n2,反射光及相差(反射光谱仪1212t

曲线，由于C-V曲线与氧化层的厚度及膜中含有的杂确定氧化层中可动电荷密度N C0

d0 真空的介电常数，0d-氧化层厚度，C0

q电子电荷