半导体制造工艺课件

半导体制造工艺第4章氧化

第4章氧化4.1引言

4.2二氧化硅膜的性质

4.3二氧化硅膜的用途

4.4热氧化原理

4.5氧化设备

4.6氧化膜的质量控制

4.7氧化工艺模拟4.1引言

二氧化硅(SiO2)是一种绝缘介质。它在半导体器件中起着十分重要的作用。硅暴露在空气中，即使在室温条件下，其表面也能生长一层4nm左右的氧化膜。这一层氧化膜结构致密，能防止硅表面继续被氧化，且具有极稳定的化学性质和绝缘性质。正因为二氧化硅膜的这些特性，才引起人们的广泛关注，并在半导体工艺中得到越来越广泛的应用。4.2二氧化硅膜的性质1.二氧化硅的物理性质

(1)密度密度是表示二氧化硅致密程度的标志。图4-1二氧化硅结构平面图4.2二氧化硅膜的性质图4-2硅-氧四面体结构示意图4.2二氧化硅膜的性质表4-1二氧化硅膜主要物理性质(2)折射率折射率是表示二氧化硅光学特性的参数。

(3)电阻率电阻率是表示二氧化硅电学性能的重要参数。

(4)相对介电常数相对介电常数是表示二氧化硅膜电容性能的一个重要参数。4.2二氧化硅膜的性质(5)介电强度介电强度是衡量材料耐压能力大小的，单位为V/cm。

2.二氧化硅的化学性质

1)随着氢氟酸浓度的增加，二氧化硅的腐蚀速率也增加，其关系曲线如图4-3所示。

2)随着腐蚀反应温度的增加，腐蚀速率也加快，其曲线关系如图4-4所示。图4-3二氧化硅的腐蚀速率与氢氟酸浓度的关系4.2二氧化硅膜的性质图4-4二氧化硅腐蚀速率与温度的关系4.3二氧化硅膜的用途1.二氧化硅膜的掩蔽作用

1)二氧化硅层要有足够的厚度，以确保杂质在其内部扩散时能达到理想的掩蔽效果。

2)所选杂质在二氧化硅中的扩散系数要比在硅中的扩散系数小得多。

2.二氧化硅膜的保护和钝化作用

3.二氧化硅的隔离作用

4.二氧化硅在某些器件中的重要作用

(1)MOS器件中的栅极材料在MOS管中，常常以二氧化硅膜作为栅极，这是因为二氧化硅层的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流。4.3二二氧氧化化硅硅膜膜的的用用途途(2)电电容容器器的的介介质质材材料料集集成成电电路路中中的的电电容容器器大大都都是是用用二二氧氧化化硅硅来来做做的的，，因因为为二二氧氧化化硅硅的的相相对对介介电电常常数数为为3~4，，击击穿穿电电压压较较高高，，电电容容温温度度系系数数小小，，这这些些优优越越的的性性能能决决定定了了二二氧氧化化硅硅是是一一种种优优质质的的电电容容器器介介质质材材料料。。5.用用于于电电极极引引线线和和硅硅器器件件之之间间的的绝绝缘缘4.4热热氧氧化化原原理理4.4.1常常用用热热氧氧化化方方法法1.干氧氧氧化图4-5硅干干氧氧化化层厚度度与氧化化时间的的关系4.4热热氧化化原理2.水汽汽氧化解决措施施：经过过吹干氧氧(或干干氮)热热处理，，硅烷醇醇可分解解为硅氧氧烷结构构，并排排除水3.湿氧氧氧化4.掺氯氯氧化(1)掺掺氯氧化化作用掺掺氯氧氧化的主主要作用用是减少少钠离子子的沾污污，抑制制氧化堆堆垛层错错，提高高少子寿寿命，即即提高器器件的性性能和可可靠性。。1)可吸吸收、提提取硅中中的有害害杂质。。2)掺氯氯不仅可可以减少少钠离子子的沾污污，并且且集中分分布在SiO2-Si界界面附近近的氯还还能使迁迁移到这这里来的的钠离子子的正电电荷效应应减弱并并被掐住住不动，，从而使使其丧失失电活性性和不稳稳定性。。4.4热热氧化化原理(2)掺掺氯氧化化的氯源源选择掺掺氯试试剂往往往用氯化化氢(HCl)、三氯氯乙烯(C2HCl3)、四氯氯化碳(CCl4)及氯化化铵(NH4Cl)等等。5.氢氧氧合成氧氧化4.4.2影影响氧化化速率的的因素1.氧化化层厚度度与氧化化时间的的关系1)由上上述各种种热氧化化膜制备备过程可可知，硅硅的热氧氧化过程程是氧化化剂通过过氧化层层向SiO2-Si界界面运动动，再与与界面的的硅发生生反应，，而不是是硅穿透透氧化层层向外运运动的。。①氧化化剂(O2和H2O)从气气相内部部输运到到气体-氧化层层界面(又称膜膜层表面面)；②氧化化剂扩散散穿透已已生成的的二氧化化硅起始始层，抵抵达SiO2-Si界界面；③在界界面处与与硅发生生氧化反反应；4.4热热氧化化原理④生成的的副产物物扩散出出氧化层层，并随随主气流流转移。。2)通过过求解相相关方程程式，可可以得到到氧化层层厚度与与氧化时时间的关关系主要要有以下下两种典典型情况况：①氧化化层厚度度与氧化化时间成成正比，，氧化层层的生长长速率主主要取决决于在硅硅表面上上的氧化化反应的的快慢，，称为表表面反应应控制，，此时的的氧化速速率主要要取决于于化学反反应速率率常数ks的大小。。②氧化化层厚度度与氧化化时间的的平方根根成正比比，氧化化层的生生长速率率主要取取决于氧氧化剂在在氧化层层中扩散散的快慢慢，称为为扩散控控制，此此时的氧氧化速率率主要取取决于扩扩散系数数Dox的大小。。2.氧化化温度的的影响3.氧化化剂分压压的影响响4.4热热氧化化原理图4-6氧化化层厚度度与氧化化温度的的关系曲曲线图4.氧化化气氛的的影响4.4热热氧化化原理5.衬底底表面势势的影响响衬底表面面势的影影响主要要发生在在氧化处处于表面面反应控控制过程程中，这这是因为为化学反反应速率率常数ks与衬底表表面势有有关。而而衬底表表面势除除了与衬衬底取向向、掺杂杂浓度有有关外，，还与氧氧化前的的表面处处理等因因素有关关。4.5氧氧化设设备1.常规规氧化设设备图4-7卧式式氧化炉炉示意图图4.5氧氧化设设备图4-8立式式氧化炉炉的装置置部分4.5氧氧化设设备图4-9掺氯氯氧化设设备示意意图2.掺氯氯氧化设设备4.5氧氧化设设备图4-10氢氢氧合成成氧化设设备示意意图3.氢氧氧合成氧氧化设备备4.5氧氧化设设备1)氧化化前必须须检查注注入器喷喷口前端端温度是是否在氢氢气的着着火点温温度(585℃)以上，，喷口是是否在石石英管界界面的中中心位置置上，并并从出口口处检查查喷口前前端是否否正常，，检查安安放在喷喷口前端端附近的的热电偶偶是否有有断电现现象。2)定期期检查氢氢气、氮氮气、氧氧气的气气体管道道是否存存在漏气气。3)注意意石英管管是否盖盖紧，不不可有漏漏气现象象发生。。4)在进进行设备备调试时时，必须须充分通通以氮气气后才能能工作。。5)氧化化结束后后要用氮氮气排除除废气，，一定要要把残留留在炉管管内的气气体，特特别是氢氢气，排排除干净净。4.6氧氧化膜膜的质量量控制4.6.1氧氧化膜厚厚度的测测量在生产实实践中，，测量SiO2厚度的方方法有很很多，如如果精度度要求不不高，可可采用比比色法、、腐蚀法法等。如如果有一一定精度度要求，，则可以以采用双双光干涉涉法和电电容电压压法。在在某些研研究分析析领域，，已经采采用了精精度极高高的椭圆圆偏振光光法。下下面分别别介绍一一下几种种常用的的氧化膜膜厚度测测量方法法。1.比色色法4.6氧氧化膜膜的质量量控制表4-2不同同氧化膜膜厚度的的干涉颜颜色4.6氧氧化膜膜的质量量控制图4-11双双光干涉涉法示意意图3.椭圆圆偏振光光法2.双光光干涉法法4.6氧氧化膜膜的质量量控制4.6.2氧氧化膜缺缺陷类型型及检测测1.氧化化膜缺陷陷类型(1)宏宏观缺陷陷宏观观缺陷又又称表面面缺陷，，主要包包括：氧氧化层厚厚度不均均匀、表表面有斑斑点、氧氧化层上上有针孔孔等。1)氧氧化层层厚度度不均均匀。。2)氧氧化层层斑点点。解决方方法是是严格格处理理硅片片表面面，对对石英英管进进行严严格的的清洗洗，严严格控控制水水温和和氧气气流量量。3)氧氧化层层针孔孔。解决方方法是是严格格删除除衬底底材料料，氧氧化前前进行行严格格的清清洗。。(2)微观观缺陷陷氧氧化膜膜的微微观缺缺陷是是指钠钠离子子沾污污和热热氧化化层错错。1)钠钠离子子沾污污。4.6氧氧化膜膜的质质量控控制2)热热氧化化层错错。解决热热氧化化层错错的方方法很很多，，如降降低氧氧化炉炉温，，采用用高温温氧化化，还还可以以采用用化学学吸附附法。。2.氧氧化膜膜缺陷陷的检检测(1)表面面观察察法二二氧氧化硅硅表面面存在在的斑斑点、、裂纹纹、白白雾和和针孔孔等缺缺陷，，以及及膜厚厚的不不均匀匀性，，可以以用肉肉眼或或显微微镜进进行目目检或或镜检检来鉴鉴别。。(2)氯气气腐蚀蚀法二二氧氧化硅硅表面面存在在的针针孔、、裂纹纹等不不连续续缺陷陷，可可用氯氯气腐腐蚀法法检测测。4.6氧氧化膜膜的质质量控控制图4-12氯氯气腐腐蚀法法装置置示意意图4.6氧氧化膜膜的质质量控控制4.6.3不不同方方法生生成的的氧化化膜特特性比比较在工艺艺中，，虽然然采用用干氧氧氧化化、湿湿氧氧氧化和和水汽汽氧化化都可可以制制备二二氧化化硅薄薄膜，，但采采用不不同的的氧化化工艺艺，所所制备备出的的薄膜膜性能能有较较大区区别。。1)干干氧氧氧化中中，氧氧化速速度较较慢，，氧化化层结结构致致密；；表面面是非非极性性的硅硅氧烷烷(Si-O-Si)结结构，，所以以与光光刻胶胶的粘粘附性性能良良好，，不易易产生生浮胶胶现象象。2)水水汽氧氧化速速度较较快，，但由由于水水汽的的进入入，使使得氧氧化层层中大大量的的桥键键氧裂裂变为为非桥桥键氧氧的烃烃基，，所以以氧化化层结结构疏疏松，，质量量不如如干氧氧氧化化的好好，特特别是是其表表面是是极性性的硅硅烷醇醇，它它极易易吸附附水，，极性性的水水不易易沾润润非极极性的的光刻刻胶，，所以以氧化化层表表面与与光刻刻胶粘粘附性性差。。4.6氧氧化膜膜的质质量控控制3)湿湿氧氧氧化兼兼有干干氧氧氧化与与水汽汽氧化化两种种作用用，因因此其其氧化化速度度及氧氧化层层质量量介于于干氧氧氧化化及水水汽氧氧化之之间。。4.7氧氧化工工艺模模拟4.7.1概概述为了得得到良良好的的器件件和集集成电电路性性能，，必须须要选选择合合适的的工艺艺过程程和优优化的的工艺艺条件件。如如果在在工艺艺流水水线上上通过过工艺艺性实实验流流片来来确定定合适适的工工艺条条件，，往往往需要要花费费很长长的周周期和和很高高的成成本，，有时时还不不能得得到预预期的的效果果。而而此时时如果果用软软件来来进行行模拟拟就可可以很很好地地改善善这一一问题题。4.7.2工工艺模模型不同的的工艺艺过程程对应应不同同的工工艺模模型，，工艺艺模型型就是是用数数学方方法表表示工工艺过过程，，目前前的很很多模模型都都是经经验公公式。。工艺艺模型型的好好坏直直接影影响工工艺模模拟的的结果果和精精度，，因此此是工工艺模模拟的的关键键。4.7.3工艺模模拟器简介介目前提供工工艺模拟器器的主要厂厂家有Synopsys和Sivaco公司。。4.7氧氧化工艺模模拟1.Synopsys公司的的TCAD系统(1)Device模块组此此模块作作为业界标标准器件的的仿真工具具，可以用用来预测半半导体器件件的电学、、温度和光光学特性，，通过一、、二、三维维的方式对对多种器件件进行建模模，包括MOSFET、StrainSilicon、SiGe、BiCMOS、HBT、IGBT等，从从简单的二二极管、晶晶体管到复复杂的CMOS器件件、光电器器件、功率率器件、射射频器件、、存储器件件等都有准准确的模型型。(2)Process模块组组Process是业界标标准的工艺艺仿真工具具，可以对对IC生产产工艺进行行优化以缩缩短产品开开发周期和和产品定型型。(3)DeviceEditor模模块组此此模块具有有三个操作作模式：二二维器件编编辑，三维维器件编辑辑和三维工工艺流程模模拟。4.7氧氧化工艺模模拟(4)Workbench模模块组此此模块集成成了Synopsys的TCAD各模模块工具的的图形前端端集成环境境，用户可可以通过图图形界面来来进行半导导体研究及及其制备工工艺模拟和和器件仿真真的设计、、组织和运运行，使用用户可以很很容易建立立IC工艺艺流程，以以便TCAD进行模模拟，还可可以绘制器器件的各端端口电学性性能等重要要参数。2.Silvaco公司的TCAD系系统4.7.4Athena基基础Athena工艺模模拟器是目目前比较常常用的工艺艺模拟器。。1.语法基基础1)每一个个语法命令令占用一行行，如果一一行放不下下，结尾处处用一个加加号“+””表示继续续下一行；；每一行不不超过80个字符。。2)大部分分命令的参参数要按照照一定的顺顺序。4.7氧氧化工艺模模拟3)两行之之间的空行行和参数之之间的多余余的空格会会忽略掉。。4)以符号号“#”开开头的行是是注释行。。5)输入文文件可以包包含英文大大小写，且且不区分大大小写(特特殊字符除除外)。2.语法命命令(1)结构构和格点初初始化语句句结构和和格点初始始化语句用用于定义初初始结构的的尺寸、边边界、格点点密度和材材料类型。。1)base.mesh：规规定初始格格点的网格格参数。2)boundary：规定定矩形格点点与空气的的边界。3)initialize：：设置初始始格点、材材料的类型型及掺杂条条件。4)line：规定定矩形拟合合时的x和和y方向位位置。5)region：：规定矩形形网格和材材料的区域域。4.7氧氧化工艺模模拟(2)结构构和网格处处理语句结结构和网网格处理语语句主要控控制结构的的几何结构构和属性以以及产生输输出文件的的类型。1)adapt.mesh：：启动自适适应网格划划分算法。。2)adapt.par：设设定自适应应网格划分分参数。3)base.par：定义义自动生成成基本网格格时相邻网网格特性。。4)electrode：给给电极区命命名。5)Gridmodel：：定义一个个包含自适适应网格划划分命令的的临时文件件。6)Profile：使atnena读入一个个包含掺杂杂信息的ASCII文件。7)stretch：通过水水平或垂直直方向的拉拉伸改变结结构的几何何形状。8)structure：将将网格划分分及其结果果信息存入入指定的文文件。(3)仿真真语句仿仿真语句将将工艺过程程的物理基基本模型应应用于设计计的各种结结构。4.7氧氧化工艺模模拟1)bake：曝光光后烘焙或或光刻胶刻刻蚀后烘焙焙。2)deposite：淀积积材料。3)develop：转移曝曝光过的正正胶和没有有曝光的负负胶，即显显影。4)diffuse：设定氧氧化和杂质质扩散的时时间和温度度等，并计计算结果。。5)epitaxy：高温条条件下的硅硅外延生长长。6)etch：实现现结构上几几何或机械械类的刻蚀蚀。7)expose：：光刻胶曝曝光。8)image：计计算2D或或1D图像像。9)implant：离子注注入。10)polish：模拟外外延生长时时的化学机机械损伤。。11)Stress：计算热热应力。12)strip：：移除光刻刻胶或用户户自定义的的其他材料料。4.7氧氧化工艺模模拟(4)DeckBuild专专用语句DeckBuild专用语语句用来调调用DeckBuild运行行环境下的的特定操作作。1)autoelectrode：定定义版图中中存在的电电极。2)extract：提取参参数。3)go：：指定不同同的仿真器器间的接口口。4)mask：通过过掩膜视窗窗实现光刻刻胶的沉淀淀和刻蚀。。5)set：设定用用户定义的的变量值。。6)system：：允许执行行C-Shell命命令，Windows版本无无此功能。。7)tonyplot：生成成图形结果果。(5)可执执行控制语语句控制制语句提供供了帮助(help)、注释释(comment)以及退退出Athena仿仿真系统等等辅助功能能。3.Athena主主界面4.7氧氧化工艺模模拟图4-13Athena程程序的主界界面4.7氧氧化工艺模模拟4.7.5氧化工工艺模拟实实例Silvaco公司司的TCAD系统除除了Windows版本的以以外，其他他版本的软软件将所有有的工艺采采用菜单的的方式来完完成。本书书以Windows版本的Athena为例，，给出文本本输入方式式下实现NMOS器器件制作的的工艺设计计过程，并并给出部分分仿真示意意图。1.网格划划分图4-14网格划划分示意图图4.7氧氧化工艺模模拟2.初始化化硅衬底3.栅氧化化图4-15氧化后后的结构示示意图4.7氧氧化工艺模模拟图4-16提取氧氧化层厚度度的结果示示意图9、静夜四无无邻，荒居居旧业贫。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。04:39:3804:39:3804:3912/29/20224:39:38AM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2204:39:3804:39Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。04:39:3804:39:3804:39Thursday,December29,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2204:39:3904:39:39December29,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。29十二二月20224:39:39上上午04:39:3912月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/294:39:3904:39:3929December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。4:39:39上午午4:39上午午04:39:3912月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。04:39:3904:39:3904:3912/29/20224:39:39AM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2204:39:3904:39Dec-2229-Dec-2212、世间成成事，不不求其绝绝对圆满满，留一一份不足足，可得得无限完完美。。。04:39:3904:39:3904:39Thursday,December29,202213、不知香积积寺，数里里入云峰。。。12月-2212月-2204:39:3904:39:39December29,202214、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。29十二二月20224:39:39上上午04:39:3912月-2215、楚塞三三湘接，