實驗-硅熱氧化工藝

1、實驗硅熱氧化工藝在硅片外表生長一層優(yōu)質(zhì)的氧化層對整個半導(dǎo)體集成電路制造過程具有極 為重要的意義。它不僅作為離子注入或熱擴散的掩蔽層，而且也是保證器件外表 不受周圍氣氛影響的鈍化層，它不光是器件與器件之間電學(xué)隔離的絕緣層， 而且 也是MOS工藝以及多層金屬化系統(tǒng)中保證電隔離的主要組成局部。因此了解硅 氧化層的生長機理，控制并重復(fù)生長優(yōu)質(zhì)的硅氧化層方法對保證高質(zhì)量的集成電 路可靠性是至關(guān)重要的。在硅片外表形成SiO2的技術(shù)有很多種：熱氧化生長，熱分解淀積即 VCD 法，外延生長，真空蒸發(fā)，反響濺射及陽極氧化法等。其中熱生長氧化在集成 電路工藝中用得最多，其操作簡便，且氧化層致密，足以用作為擴散掩蔽

2、層，通 過光刻易形成定域擴散圖形等其它應(yīng)用。一、實驗?zāi)康?、掌握熱生長SiO2的工藝方法干氧、濕氧、水汽。2、熟悉SiO2層在半導(dǎo)體集成電路制造中的重要作用。3、了解影響氧化層質(zhì)量有哪些因素。4、能建立起厚度d和時間t的函數(shù)關(guān)系。5、了解形成SiO2層的幾種方法及它們之間的不同之處。二、實驗原理熱生長二氧化硅法是將硅片放在高溫爐內(nèi)，在以水汽、濕氧或干氧作為氧化 劑的氧化氣氛中，使氧與硅反響來形成一薄層二氧化硅。 圖1和圖2分別給出了 干氧和水汽氧化裝置的示意圖。圖1、干氧氧化裝置示意圖圖2、水汽氧化裝置示意圖將經(jīng)過嚴格清洗的硅片外表處于高溫的氧化氣氛 干氧、濕氧、水汽中時, 由于硅片外表對氧原

3、子具有很高的親和力，所以硅外表與氧迅速形成SiO2層。硅的常壓干氧和水汽氧化的化學(xué)反響式分別為：Si+02> SiO2 2 1Si+2H2O> SiO2+2H2 T 2 2如果生長的二氧化硅厚度為 x卩m,所消耗的硅厚度為 x那么由定量分析可 知：0.46 2 30即生長1ym的SiO2,要消耗掉的Si。由于不同熱氧化法所得二氧化硅的密度不 同，故 值亦不同。圖3示出了硅片氧化前后外表位置的變化。圖3、SiO2生長對應(yīng)硅片外表位置的變化當硅片外表生長一薄層SiO2以后，它阻擋了 O2或H2O直接與硅外表接觸， 此時氧原子和水分子必須穿過 SiO2薄膜到達Si SiO2界面才能與硅繼

4、續(xù)反響生 長SiO2。顯然，隨著氧化層厚度的增長，氧原子和水分子穿過氧化膜進一步氧 化就越困難，所以氧化膜的增厚率將越來越小。Deal Grove的模型描述了硅氧化的動力學(xué)過程。他們的模型對氧化溫度700E至1300C,壓強至1個大氣壓也 許更高些，生長厚度300?至20000?的干氧和濕氧氧化證明是適宜的。通過多種實驗已經(jīng)證明，硅片在熱氧化過程中是氧化劑穿透氧化層向Si SiO2界面運動并與硅進行反響，而不是硅向外運動到氧化膜的外外表進行反 應(yīng)，其氧化模型如圖4所示。氧化劑要到達硅外表并發(fā)生反響， 必須經(jīng)歷以下三 個連續(xù)的步驟：圖4、Deal Grove熱氧化模型 從氣體內(nèi)部輸運到氣體氧化物

5、界面，其流密度用Fi表示。 擴散穿透已生成的氧化層，到達 Si02 Si界面，其流密度用F2表示。 在Si外表發(fā)生反響生成Si02，其流密度用F3表示。在氧化過程中，由于Si02層不斷生長，所以Si02Si界面也就不斷向Si內(nèi) 移動，因此，這里所碰到的是邊界隨時間變化的擴散問題。我們可以采用準靜態(tài)近似，即假定所有反響實際上都立即到達穩(wěn)定條件，這樣變動的邊界對擴散過程的影響可以忽略。在準靜態(tài)近似下，上述三個流密度應(yīng)該相等，那么有Fi=F2=F3 24附面層中的流密度取線性近似，即從氣體內(nèi)部到氣體 氧化物界面處的氧 化劑流密度Fi正比于氣體內(nèi)部氧化劑濃度Cg與貼近Si02外表上的氧化劑濃度 Cs的

6、差，數(shù)學(xué)表達式為Fi hg(Cg Cs) 2 5其中hg是氣相質(zhì)量輸運轉(zhuǎn)移系數(shù)。假定在我們所討論的熱氧化過程中， 亨利定律是成立的：即認為在平衡條件下，固體中某種物質(zhì)的濃度正比于該物質(zhì)在固體周圍的氣體中的分壓。于是SiO2Ps,那么有(26)C*應(yīng)與氣體主氣流外表的氧化劑濃度Co正比于貼近SiO2外表的氧化劑分壓210是C° HPsC =HPg27由理想氣體定律可以得到CgPgKT28CS空KT2 9把式26 29代入式25中，那么有Fi*h(CCo)210h -hg211HKT其中h是用固體中的濃度表示的氣相質(zhì)量輸運轉(zhuǎn)移系數(shù)，【 用固體中的濃度表示的附面層中的流密度。通過SiO2層

7、的流密度F2就是擴散流密度，數(shù)學(xué)表達式為H為亨利定律常數(shù)。在平衡情況下，Si02中氧化劑的濃度 區(qū)中的氧化劑分壓Pg成正比，即有*F2212D為氧化劑在SiO2中的擴散系數(shù)，Co和Ci分別表示SiO2外表和SiO2 Si界面 處的氧化劑濃度，Xo為SiO2的厚度。如果假定在SiO2 Si界面處，氧化劑與Si反響的速率正比于界面處氧化劑 的濃度Ci，于是有F3 KsG 213Ks為氧化劑與Si反響的化學(xué)反響常數(shù)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件F1 = F2=F3，再經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)運算，可得到 Ci和Co的具體表 達式Ci1 KS hKsXoDKsX o 亠 *1-CDKS1 S hKsX-DCCO214215D極

8、大或極小時，硅的熱氧化存在兩種極限情況。* 、 - .一. 一、_ . > > .當上面兩式中擴散系數(shù)當D非常小時，Ci0，CoC*，這種情況稱為擴散控制態(tài)。它導(dǎo)致通過氧化層 的氧化輸運流量比在SiSiO2界面處反響的相應(yīng)流量來得小因為D小，因此 氧化速率取決于界面處提供的氧。第二種極限情況是D非常大時，216CiCoCi1 Ksh此時稱為反響控制態(tài)。因為在SiSiO2界面處提供足夠的氧，氧化速率是由反應(yīng)速率常數(shù)Ks和Ci等于Co所控制。為了計算氧化層生長的速率，我們定義N1為進入單位體積氧化層中氧化的分子數(shù)，由于每立方厘米氧化層中SiO2分子密度為2.2 X022個，每生成一個S

9、iO2 分子需要一個氧分子，或者兩個水分子，這樣對氧氣氧化來說N1為2.2 X022/cm3, 對水汽氧化來說N1為4.4 X022/cm3。隨著SiO2不斷生長，界面處的Si也就不斷轉(zhuǎn)化為SiO2中的成份，因此Si 外表處的流密度也可表示為F3 N1-dX° 217dt把214式代入到213式中，并與上式聯(lián)立，那么得到 SiO2層的生長厚 度與生長時間的微分方程NidXodtF3KsCKsKsX。h D218這個微分方程的初始條件是 Xo0=Xi, Xi代表氧化前硅片上原有的SiO2厚度這樣的初始條件適合兩次或?qū)掖芜B續(xù)氧化的實際情況。微分方程218的解給出了 SiO2的生長厚度與時

10、間的普遍關(guān)系式。XO AXo B(t )其中2DWh)2DC2Xi AXiBA和B都是速率常數(shù)。方程2 19的解為Xot219220221(222)2 23在氧化過程中，首先是氧化劑由氣體內(nèi)部擴散到二氧化硅界面處。因為在 汽相中擴散速度要比在固相中大得多，所以擴散到二氧化硅與氣體界面處的氧化 劑是充足的，也就是說 SiO2的生長速率不會受到氧化劑在汽相中輸運轉(zhuǎn)移 速度的影響。因此，SiO2生長的快慢將由氧化劑在SiO2種的擴散速度以及與Si 反響速度中較慢的一個因素所決定，。即存在上面表達過的擴散控制和外表化學(xué) 反響控制兩種極限情況。從SiO2厚度與生長時間的普遍關(guān)系式223中也可以得到上述兩

11、種極限 情況。當氧化時間很長，即t >>和t>> A2 4B時，那么SiO2生長厚度與時間的關(guān) 系式可簡化為2Xo B(t ) 224這種情況下的氧化規(guī)律稱拋物型規(guī)律， B為拋物型速率常數(shù)。由221式可 以看到，B與D成正比，所以SiO2的生長速率主要由氧化劑在 SiO2中的擴散快 慢所決定，即為擴散控制。當氧化時間很短，即t + vvA2. 4B,那么SiO2的厚度與時間的關(guān)系式可簡 化為XoB7(t這種極限情況下的氧化規(guī)律稱線性規(guī)律,225B/A為線性速率常數(shù)，具體表達式為2 26A Ks h Ni表1:硅的濕氧氧化速率BKshC氧化溫度 CA卩m拋物線型速率常數(shù)B

12、血 / h線性型速率常數(shù)B / A卩 m h1200011000100009200表2:硅的干氧氧化速率氧化溫度A卩m拋物線型速率常數(shù)B血 / h線性型速率常數(shù)B / A卩 m h120011001000920800700表1和表2分別為硅濕氧氧化和干氧氧化的速率常數(shù)。 圖5和圖6分別為干氧氧化層厚度與時間的關(guān)系和濕氧氧化層厚度與時間的關(guān)系。訊聞Hlpn圖5、 111硅干氧氧化層厚度與時間的關(guān)系let 34« ft IQ12I b t IO5時 Kl.niini圖6、 111硅濕氧氧化層厚度與時間的關(guān)系由表1和表2以及圖5和圖6可見，濕氧氧化速率比干氧氧化速率快得多。 雖然干氧方法的

13、生長速度很慢，但生長的SiO2薄膜結(jié)構(gòu)致密，枯燥，均勻性和重復(fù)性好，且由于SiO2外表與光刻膠接觸良好，光刻時不易浮膠。而濕氧氧化 速率雖然快，但在氧化后的 Si片外表存在較多的位錯和腐蝕坑，而且還存在著 一層使SiO2外表與光刻膠接觸差的硅烷醇Si OH，因此在生產(chǎn)實踐中，普遍 采用干氧濕氧干氧交替的氧化方式。這種干、濕氧的交替氧化方式解決了生 長速率和質(zhì)量之間的矛盾，使生長的 SiO2薄膜更好地滿足實際生產(chǎn)的要求。氧化層質(zhì)量的檢測包括：測量膜厚、折射率、氧化層中可動正電荷密度、 Si SiO2界面態(tài)密度、氧化層的漏電及介質(zhì)擊穿等。三、實驗裝置1、擴散氧化爐2、橢偏儀3、高頻CV測試儀四、實驗步驟1、取5片清洗的Si樣片，用鑷子夾到石英舟上。將爐溫控制在 1150C，并 通入干O2，流量為500ml /分鐘。將石英舟緩慢推入爐中恒溫區(qū)，分別以 5分 鐘、10分鐘、20分鐘、40分鐘、60分鐘五種不同時間生長厚度不同的 SiO2層。2、 另外取一片清潔Si片，再同樣溫度下，通濕 O2進行氧化，水溫控制在 95C，時間為20分鐘。3、 用橢偏儀并結(jié)合干預(yù)法分別測量上述各氧化層的厚度，并作圖求出1150C 下干氧氧化