半導體第六講氧化工藝

1、氧化工藝內容內容1、列出硅器件中，二氧化硅膜層的基本用途。、列出硅器件中，二氧化硅膜層的基本用途。2、描述熱氧化的機制。、描述熱氧化的機制。3、氧化方法及工藝設備。、氧化方法及工藝設備。4、解釋氧化條件及基底條件對氧化的影響。、解釋氧化條件及基底條件對氧化的影響。5、氧化膜的質量評估。、氧化膜的質量評估。在集成電路工藝中，氧化是必不可少的一項工藝技術。自從早期人們發(fā)現硼、磷、砷、銻等雜質元素在SiO2的擴散速度比在Si中的擴散速度慢得多， SiO2膜就被大量用在器件生產中作為選擇擴散的掩模，并促進了硅平面工藝的出現。同時在Si表面生長的SiO2膜不但能與Si有很好的附著性，而且具有非常穩(wěn)定的化

2、學性質和電絕緣性。因此SiO2在集成電路中起著極其重要的作用。 在平導體器件生產中常用的SiO2膜的生長方法有:熱生長法、化學氣相沉積法、陰極濺射法,HF一HNO3氣相鈍化法、真空蒸發(fā)法、外延生長法、陽極氧化法等。在深亞微米IC制造中，還發(fā)展了快速加熱工藝技術。選擇何種方法來生SiO2層與器件的性能有很大關系。二氧化硅層的用途1、表面鈍化2、摻雜阻擋層3、表面絕緣體4、器件絕緣體5、 緩沖層6、隔離層 作為MQS器件的絕緣柵介質:在集成電路的特征尺寸越來越小的情況下，作為MQS結構中的柵介質的厚度也越來越小。此時SiO2作為器件的一個重要組成部分(如圖1所示)，它的質量直接決定器件的多個電學參

3、數。同樣SiO2也可作為電容的介質材料。 作為選擇性摻雜的掩模: SiO2的掩蔽作用是指SiO2膜能阻擋雜質(例如硼、磷、砷等)向半導體中擴散的能力。利用這一性質，在硅片表面就可以進行有選擇的擴散。同樣對于離子注人，SiO2也可作為注人離子的阻擋層。 作為隔離層:集成電路中，器件與器件之間的隔離可以有PN結隔離和SiO2介質隔離。 SiO2介質隔離比PN結隔離的效果好，它采用一個厚的場氧化層來完成。 作為緩沖層:當Si3N4。直接沉積在Si襯底上時，界面存在極大的應力與極高的界面態(tài)密度，因此多采用Si3N4/ SiO2/ Si結構，如圖2所示。當進行場氧化時，SiO2會有軟化現象?？梢郧宄齋i

4、3N4和襯底Si之間的應力。 作為絕緣層:在芯片集成度越來越高的情況下就需要多層金屬布線。它們之間需要用絕緣性能良好的介電材料加以隔離，SiO2就能充當這種隔離材料。 作為保護器件和電路的鈍化層:在集成電路芯片制作完成后，為了防止機械性的損傷，或接觸含有水汽的環(huán)境太久而造成器件失效，通常在IC制造工藝結束后在表面沉積一層鈍化層，摻磷的SiO2薄膜常用作這一用途。圖1 MOS場效應晶體管結構圖2 場氧化層作為緩沖層O2O2O2100nm Tox=(Bt)1/2 拋物線階段熱氧化的機制受限反應，受限擴散反應Si (S) + O2 (V) SiO2 (S) Si的氧化過程是一個表面過程，即氧化劑是在

5、硅片表面處與Si原子起反應，當表面已形成的SiO2層阻止了氧化劑與Si的直接接觸，氧化劑就必須以擴散的方式穿過SiO2層、到達SiO2一Si界面與Si原子反應，生成新的SiO2層，使SiO2膜不斷增厚，同時SiO2一Si界面向Si內部推進.SiO2的生長示意圖 Dry Oxidation Si (S) + O2 (V) SiO2 (S) Wet Oxidation（stream Oxidation） Si (S) + H2 O (V) SiO2 (S) + H2 (V)氧化率的影響900-1200oC900-1200oC1、氧化源：干氧 濕氧(發(fā)泡、干法) Cl參入氧化干氧氧化優(yōu)點：結構致密、

6、均勻性和重復性好、與光 刻膠黏附好且應力小。缺點：生長溫度高、生長速度慢。氧化率的影響2 2、高壓氧化、高壓氧化在實際的工藝過程中增加氧化劑分壓來提高氧化在實際的工藝過程中增加氧化劑分壓來提高氧化速率，或者降低氧化溫度而保持同樣的氧化速率速率，或者降低氧化溫度而保持同樣的氧化速率都是經常采用方法。都是經常采用方法。優(yōu)點：有利于降低材料中的位錯缺陷。優(yōu)點：有利于降低材料中的位錯缺陷。缺點：在利用高壓氧化時要注意安全問題和高壓缺點：在利用高壓氧化時要注意安全問題和高壓系統(tǒng)帶來的污染問題。系統(tǒng)帶來的污染問題。常壓 高壓 硅 硅1200C1100C900C800C700C1000C1010210310

7、4時間（in m）氧化率的影響3 3、晶向、晶向因為不同晶向其原子密度不同，所以在相同的溫度、氧化氣壓等條件下，原子密度大的晶面，氧化生長速率要大，而且在低溫時的線性階段更為明顯。 4 溫度 溫度對氧化速率的影響可以從拋物線速度常數B和線性常數B/A與溫度的關系米看，如表1所示給出了不同氧化氣氛和不同溫度下的A, B, B/A值。表1 不同氧化氣氛和不同溫度下的A,B,B/A值5 氧化的初始階段和模型的修正 從實驗數據中可以發(fā)現氧化的初始階段(20一30nm)有一個快速的偏離線性關系的氧化過程。這意味著有與上述氧化不同的氧化機理。上述氧化模型是建立在中性氧氣分子穿過氧化膜與Si反應的假設基礎上

8、的，而在氧化初始階段，實際上氧在SiO2中的擴散是以離子形式進行的。 氧離子和空穴同時向SiO2一Si界面擴散，由于空穴擴散速率快，就會在SiO2層內產生一內建電場，此電場又加速了O2-1的擴散，如此就解釋了實際與模型曲線的差異。不過這種加速作用只存在于SiO2表面一個很薄的范圍內，因此實際實驗數據只是在氧化初始階段與理論模型存在偏差。6、摻雜物摻雜物氧化率：高摻雜 低摻雜n型摻雜物：P、As、Sbp型摻雜物：B7、多晶硅、多晶硅 與單晶硅相比氧化率更快與單晶硅相比氧化率更快實際工藝中由于各個部分材料不同，造成氧化層厚度不實際工藝中由于各個部分材料不同，造成氧化層厚度不均勻，出現臺階。均勻，出

9、現臺階。氧化方法 制備SiO2的方法很多，在集成電路工藝中最常用的方法為熱氧化法和化學氣相沉積法兩種。下面主要介紹熱氧化法。根據氧化氣氛的不同，熱氧化法又可分為干氧氧化、水汽氧化、濕氧氧化八摻氯氧化和氫氧合成氧化等。下面逐一進行介紹。 干氧氧化 干氧氧化就是在氧化過程中，直接通入O2進行氧化的方法。通過干氧氧化生成的SiO2膜其有結構致密;干燥、均勻性和重復性好;對雜質掩蔽能力強;鈍化效果好;與光刻膠的附著性好等優(yōu)點，該方法的缺點是氧化速率較慢。 水汽氧化 水汽氧化是指硅片一與高溫水蒸汽發(fā)生反應的氧化方法。由于水在SiO2中的平衡濃度N(1019atoms/cm3)比O2在SiO2中的平衡濃度

10、N(1016atoms/cm3)高出3個數量級，所以水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的速率大得多。但水汽氧化法生成的SiO2膜結構疏松、表面有斑點和缺陷、含水量大、對雜質(尤其是磷)掩蔽能力較差，所以現在很少使用這種氧化方法。 濕氧氧化 濕氧氧化法中， O2先通過95一98左右的去離子水，將水汽一起帶人氧化爐內， O2和水汽同時與Si發(fā)生氧化反應。采用這種氧化方法生成的SiO2膜的質量比干氧氧化的略差，但遠好過水汽氧化的效果，而且生長速度較快，因此，當所需氧化層厚度很厚且對氧化層的電學性能要求不高的情況下，為了量產的考慮，常采用這種氧化方法。其缺點是生成的SiO2膜與光刻膠的附著性不良、Si表面存

11、在較多位錯缺陷。 在實際的制造工藝中，通常采用干氧一濕氧一干氧這種多步交替的氧化方法制備氧化層，這樣既能保證較好的SiO2膜質量，又能有較快的氧化速率。 摻氯氧化 摻氯氧化是指在干氧氧化通人O2的同時，通人含氯的化合物氣體，從而生成含氯的SiO2膜。這樣能減少SiO2中的鈉離子污染，提高器件的電學性能和可靠性。 氫氧合成氧化 氫氧合成氧化是指在常壓下，把高純H2和O2通人石英管內，使之在一定溫度下燃燒生成水，水在高溫下氣化，然后水汽與Si反應生成SiO2的氧化方法。為了安全起見，通人的O2必須過量，因此，實際上是水汽和O2同時參與氧化反應。因為氣體純度高，所以燃燒生成的水純度很高，這就避免了濕

12、氧氧化過程中水蒸氣帶來的污染。這種氧化方法氧化效率高，生成的SiO2膜質量好、均勻性和重復性好。 其他的氧化 除了以上幾種熱氧化方法外，還有幾種特殊的氧化方法。例如：為了制備高質量的薄柵氧化層，出現了低溫薄柵氧化（ 900）和分壓氧化(在氧氣中通入一定比例的不活潑氣體，降低氧氣的分壓，以降低氧化速率); 為了制備厚的氧化層，出現了高壓氧化方法。熱氧化工藝的設備 熱氧化的設備主要有水平式和直立式兩種，6英寸以下的硅片都用水平式氧化爐,8英寸以上的硅片都采用直立式氧化爐。氧化爐管和裝載硅片的晶舟都用石英材料制成。在氧化過程中，要防止雜質污染和金屬污染，為了減少人為的因素，現代IC制造中氧化過程都采

13、用自動化控制。如圖3和圖4所示分別是典型的水平式氧化爐系統(tǒng)和直立式氧化爐系統(tǒng)。 影響氧化均勻性的重要工藝參數是氧化區(qū)域的溫度分布。在水平式氧化爐中采用五段加熱器進行控溫即是為了達到最佳的溫度分布曲線，通常溫度誤差控制在士0.5。 與水平式氧化爐系統(tǒng)相比，直立式氧化系統(tǒng)有一個很大的優(yōu)點，就是氣體的向上熱流性，使得氧化的均勻性比水平式的要好，同時它體積小、占地面積小，可以節(jié)省凈化室的空間。 在硅片進出氧化區(qū)域的過程中，要注意硅片上溫度的變化不能太大，否則硅片會產生扭曲，引起很大的內應力。一個氧化過程的主要步驟如圖5所示。 步驟1:硅片送至爐管口，通人N2及少量O2 步驟2:硅片被推至恒溫區(qū)，升溫速

14、率為5一30/Min步驟步驟3:通人大量O2 ，氧化反應開始。 步驟4:加人一定比例的含氯氣體(干氧化方式)，或通人H2(濕氧化方式)。 步驟5:通O2 ，以消耗殘留的含氯氣體或H2 步驟6:改通N2 ，做退火處理。 步驟7:硅片開始拉至爐口，降溫速率為2 - 10 /Min 步驟8:將硅片拉出爐管。圖3水平式氧化爐系統(tǒng)圖4直立式氧化爐系統(tǒng)圖5一個氧化程序的主要步驟氧化膜的質量評價 以熱氧化法生長的SiO2薄膜，在半導體器件的結構中具有多種用途，其中最主要的應用是作為MOSFET器件的柵氧化層。下面將針對作為柵氧化層的Si仇膜來探討薄膜品質對MOSFET器件的影響。氧化層的電荷 作為MOSFE

15、T器件結構中的一部分，對柵氧化層的要求是非常高的。但是由于在SiO2一Si界面因為氧化的不連續(xù)性，有一個過渡區(qū)的存在，各種不同的電荷和缺陷會隨著熱氧化而出現在這一過渡區(qū)，如鈉離子進人SiO2層成為可動電荷。氧化層中這些電荷存在會極大地影響MOSFET器件的參數，并降低器件的可靠性。在氧化層中各種電荷的分布如圖所示。電荷在氧化層內的分布 這四種電荷的產生原因、數量、對MOSFET器件性能的影響和減少的方法。 界面陷阱電荷Qit。它是在Si一SiO2界面的正的或負的電荷，起源于Si - SiO2界面結構缺陷、氧化感生缺陷以及金屬雜質和輻射等因素引起的其他缺陷。它的能級在Si的禁帶中，電荷密度在10

16、10/cm2左右。 Si一SiO2界面的Si原子懸掛鍵是一種主要的結構缺陷，通過釋放或束縛電子的方式與Si表面層交換電子和空穴，進而調制Si的表面勢，造成器件參數的不穩(wěn)定性。此外，它還會導致器件表面漏電流和it/f噪聲的增加以及四暗流增益(跨導)的降低。通?？赏ㄟ^氧化后適當的退火來降低Qit的濃度。 氧化層固定電荷Qf，這種電荷是指位于距離Si一SiO2界面3 nm的氧化層內的正電荷，又稱界面電荷，是由氧化層中的缺陷引起的，電荷密度在1010-1012/cm2固定電荷的影響是使MOSFET結構的C一V曲線向負方向平移，但不改變其形狀;山于其面密度Qf是固定的，所以僅影響閥值電壓的大小，而不會導

17、致閥值電壓的不穩(wěn)定性。適當的退火及冷卻速率能減少Qf 可動離電荷Qm:由氧化系統(tǒng)中的堿金屬離子(如K+,Na+,Li+等)進入氧化層引起的，電荷密度在1010-1012/cm2 在溫度偏壓實驗中，Na+能在SiO2中橫向及縱向移動，從而調制了器件有關表面的表面勢，引起器件參數的不穩(wěn)定。要減少此類電荷，可在氧化前先通人含氯的化合物氣體清洗爐管，氧化方法采用摻氯氧化。 氧化層陷阱電荷Qot : 這是由氧化層內的雜質或不飽和鍵捕捉到加工過程中產生的電子或空穴所引起的，可能是正電荷，也可能是負電荷。電荷密度在109-1013/cm2左右。通過低溫H2退火能降低其濃度，以至消除。 這些電荷的檢測可采用電

18、容一電壓法，也就是通常所說的C-V測量技術，在這里不作詳細介紹了。氧化層的厚度和密度 在集成電路的加工工藝中，氧化層厚度的控制也是十分重要的。如柵氧化層的厚度在亞微米工藝中僅幾十納米，甚至幾納米。另外SiO2膜是否致密可通過折射率來反映，厚度與折射率檢測多采用橢圓偏振法。這種方法鍘量精度高，是一種非破壞性的測量技術，能同時測出膜厚和折射率。氧化層的缺陷 氧化層的缺陷主要是針孔和層錯，他們是MOSFET器件柵氧化層漏電流的主要根源。針孔產生的原因主要有:1.氧化過程中在硅片表面產生缺陷、損傷、污染等;2，在光刻時，掩模板上有小島或光刻膠中有雜質微粒，使刻蝕后的氧化膜上出現針孔;3.高溫氧化后在氧化層中形成層錯。 要減少這些缺陷，就要提高氧化系統(tǒng)中的潔凈程度，還要在氧化前將硅片清洗干凈。改進氧化條件則是減少層錯的有效方法。熱應力 因為SiO2 與Si的熱膨脹系數不同(Si是2.6 x 10-6 K-1 ,SiO2是5x10-7K-1 ) ,因此在結束氧化退出高溫過程后，會產生很大的熱應力，對Si仇膜來說是來自Ss的壓縮應力。這會造成硅片發(fā)生彎曲并產生缺陷。嚴重時，氧化層會產生破裂，從而使硅片報廢。所以在加熱或冷卻過程中要使硅