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1、第十章 氧化,学习目标： 1、描述半导体制造工艺中氧化膜，包括原子结构、各种 用途以及它的优点； 2、氧化的化学反应以及如何在Si上生长氧化物； 3、解释选择性氧化并给出两个实例； 4、识别三种热氧化工艺设备，描述立式炉体的五部分， 并讨论快速升温立式炉的优点； 5、解释什么是快速热处理、它的用途和设计； 6、描述氧化工艺的经典概念，包括质检和一些常见的故 障检查和排除。,第十章 氧化,1、硅片表面热生长一层氧化层的能力是集成电路制造工 艺的基础之一，也是硅片取代锗片成为微电子工业最 重要基质材料的主要原因之一； 2、氧化物掩蔽技术从而实现对硅衬底选择性扩散掺杂； 3、氧化层具有高质量、稳定的

2、介质特性； 4、用作栅结构（栅氧）、隔离（场氧）、氧化层屏蔽、 应力消除（垫氧）； 5、制备手段：CVD、PVD、SOG以及热生长。,第十章 氧化10.1 引言,1、热生长或淀积； 2、为第一道工序； 3、热预算尽可能低 （降温或减少时间）,第十章 氧化10.1 引言,第十章 氧化10.2 氧化膜,1、无定形（非晶态）； 2、1个Si原子被4个O原 子包围的四面体； 3、无长程序；,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,氧化膜的用途： 1、保护器件免划伤和隔离沾污； 2、限制带电载流子场区隔离（表面钝化）； 3、栅氧或储存器单元结构中的介质材料； 4、掺杂中的注入掩蔽；

3、5、金属导电层间的介质层。,第十章 氧化10.2 氧化膜,表面钝化：,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,掺杂阻挡（不能用于Al、Ga等）：,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,垫氧化层（减少Si3N4和Si衬底之间应力）：,第十章 氧化10.2 氧化膜,注入屏蔽氧化层（减少注入沟道和注入损伤）：,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.3 热氧化生长,1、不同厚度对应不同的颜色（附录D） 2、参数：厚度、均匀性、针孔和

4、空隙 3、干氧、湿氧 4、氧化生长模式,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3 热氧化生长,1、干氧 Si（固）+O2（气） SiO2（固） 2、湿氧 Si（固）+2H2O（水汽） SiO2（固） +2H2（气）,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3 热氧化生长,干氧和湿氧的比较,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,生长1000 nm二氧化硅，需要消耗460 nm硅（为什么？）,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,正常情况下，每个Si原子和4个O原

5、子结合，每个O原子和2个Si原子结合。但是在Si/SiO2界面处有Si原子没有和O原子结合（悬挂键）。界面2nm内硅的不完全氧化是带正电的固定氧化物电荷区。 1、通H2或N2-H2混合气低温退火可减少电荷密度（钝 化悬挂键界面态）； 2、含氯氧化过程也可以生成高质量低界面态的薄膜,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,氧化物生长速率（线性阶段和抛物线阶段）： 1、温度； 2、压力； 3、氧化方式（干氧、湿氧）； 4、硅的晶向； 5、掺杂水平。,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,线性阶段（15 nm，反应速率控制）： X=(B/A)t 抛物线

6、阶段（15 nm，扩散控制）： X=(Bt)1/2,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,影响氧化物生长的因素 1、温度、水汽 2、掺杂效应（重掺的快） 3、（111）（110）（100），但前者界面电荷堆积多 4、压力效应，随压力增大而增大 5、等离子体增强，减少热预算（可低于600为什么？）,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,初始

7、生长阶段：无精确模型，栅氧的生长 选择性氧化：利用SiO2来实现对硅片表面相邻器件的电隔离。0.25m 工艺之前采用LOCOS，用淀积氮化物薄膜作为氧化阻挡层。现在的主流工艺采用STI（浅槽隔离工艺） 二氧化硅的应力、氧化诱生堆垛层错（OISF）【掺氯氧化减少层错】,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.3.2 热氧化生长模式,第十章 氧化10.4 高温炉设备,应用领域：热生长氧化物（栅氧、场氧和垫氧）、退火、烧结、膜淀积、玻璃体的回流和硅化物膜的形成。 基本设备： 1、卧式炉 2、立式炉

8、（自动化，减少颗粒沾污） 3、快速热处理炉（RTP）（辐射源和冷却源）,第十章 氧化10.4 高温炉设备,第十章 氧化10.4 高温炉设备,第十章 氧化10.5 卧式与立式炉,第十章 氧化10.5.1 立式炉,工艺腔 硅片传输系统 气体分配系统 尾气系统 温控系统,第十章 氧化10.5.1 立式炉,工艺中常用气体,第十章 氧化10.5.2 快速升温立式炉,第十章 氧化10.5.3 快速热处理,特点：在非常短（最短几分之一秒）的时间之内，将单个硅片加热到4001300范围内。 主要优点： 1、减少热预算 2、硅中杂质运动最小 3、减少沾污（冷壁加热） 4、更清洁的气氛（小的腔体） 5、更短的加工时间,第十章 氧化10.5.3 快速热处理,第十章 氧化10.5.3 快速热处理,第十章 氧化10.5.3 快速热处理,第十章 氧化10.5.3 快速热处理,RTP主要应用： 1、注入退火，以消除缺陷并激活和扩散杂质 2、淀积膜的致密化 3、硼磷硅玻璃回流（为什么可以？） 4、阻挡层（如TiN）退火 5、硅化物（如TiSi2）形成 6、金属接触合金化,第十章 氧化10.6 氧化工艺,目标：无缺陷、厚度均匀的SiO2薄膜。不同的氧化层采用不同的生长办法。 氧化前的清洗（颗粒和可动离子沾污）： 1、炉体及相关设备的