復(fù)旦集成電路工藝課件-06

1、INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)1/43集成電路工藝原理 仇志軍邯鄲校區(qū)物理樓435室INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)2/43大綱大綱 第一章第一章 前言前言第二章第二章 晶體生長(zhǎng)晶體生長(zhǎng)第第三章三章 實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗實(shí)驗(yàn)室凈化及硅片清洗第四章第四章 光刻光刻第五章第五章 熱氧化熱氧化第六章第六章 熱擴(kuò)散熱擴(kuò)散第七章第七章 離子注入離子注入第八章第八章 薄膜淀積薄膜淀積第九章第九章 刻蝕刻蝕第十章第十章 后端工藝與集成后端工藝與集成第十一章第十一章 未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)未來(lái)趨勢(shì)與挑戰(zhàn)INF

2、O130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)3/43上兩節(jié)課總結(jié)上兩節(jié)課總結(jié)理論分辨率：理論分辨率：NAkR1短波長(zhǎng)光源短波長(zhǎng)光源大大NA：透鏡系統(tǒng)、浸潤(rùn)：透鏡系統(tǒng)、浸潤(rùn)小小k1：RET及工藝和光刻膠改進(jìn)及工藝和光刻膠改進(jìn)PSMOPCOAI焦深焦深:22)(NAkDOF INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)4/43SiO2與與Si之間完美的界面特性是成就硅之間完美的界面特性是成就硅時(shí)代的主要原因時(shí)代的主要原因硅工藝中的一系列重要硅基材料： SiO2：絕緣柵絕緣柵/絕緣/介質(zhì)材料； Si3N4：介質(zhì)材料，用作鈍

3、化/掩蔽等； 多晶硅：可以摻雜，導(dǎo)電； 硅化物：導(dǎo)電，作為接觸和互連INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)5/43TEMTEM照片照片單晶硅表面熱氧化所得非晶二氧化硅薄膜單晶硅表面熱氧化所得非晶二氧化硅薄膜INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)6/43SiO2的基本性質(zhì) 通常熱氧化生長(zhǎng)的SiO2是非晶的 熔點(diǎn)：1732 C (晶體結(jié)構(gòu)) 重量密度：2.27 g/cm3 原子密度：2.21022 分子/cm3 折射率 (refractive index) n=1.46 介電常數(shù) (dielectric

4、 constant) 3.9INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)7/43 可以方便地利用光刻和刻蝕實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移可以方便地利用光刻和刻蝕實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移 可以作為多數(shù)雜質(zhì)摻雜的掩蔽可以作為多數(shù)雜質(zhì)摻雜的掩蔽 (B, P, As, Sb) 優(yōu)秀的絕緣性能優(yōu)秀的絕緣性能 ( 1016 cm, Eg9 eV) 很高的擊穿電場(chǎng)很高的擊穿電場(chǎng) (107 V/cm) 體電學(xué)性能穩(wěn)定體電學(xué)性能穩(wěn)定 穩(wěn)定、可重復(fù)制造的穩(wěn)定、可重復(fù)制造的Si/ SiO2界面界面SiO2的基本性質(zhì)INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)8/

5、43SiO2的結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為 結(jié)晶型結(jié)晶型 (crystalline)：石英，水晶等 非晶型非晶型（無(wú)定型amorphous）由SiO四面體組成 四面體中心是硅原子，四個(gè)頂角上是氧原子 四面體之間由Si-O-Si連接 與兩個(gè)硅連接的氧原子稱為橋聯(lián)氧或氧橋0.262nm0.262nm0.162nmOSiINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)9/43非橋聯(lián)氧非橋聯(lián)氧橋聯(lián)氧橋聯(lián)氧結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)水晶水晶二氧化硅二氧化硅INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)10/43熱氧化生長(zhǎng)，水存在的情況：熱氧化生長(zhǎng)，水存在

6、的情況：Si:O:Si Si:O:H+ H:O:Si摻雜雜質(zhì)：取代摻雜雜質(zhì)：取代Si的位置，的位置， 網(wǎng)絡(luò)形成體（網(wǎng)絡(luò)形成體（B，P） 占據(jù)間隙位置，網(wǎng)絡(luò)變性體占據(jù)間隙位置，網(wǎng)絡(luò)變性體 （金屬原子（金屬原子Na, K）含雜質(zhì)的含雜質(zhì)的SiO2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)11/43SiO2在在IC中的應(yīng)用中的應(yīng)用熱（生長(zhǎng)）氧化熱（生長(zhǎng)）氧化淀積淀積STI熱（生長(zhǎng)）氧化熱（生長(zhǎng)）氧化INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)12/43不同方法制作的不同方法制作的SiO2的性質(zhì)對(duì)比（定性）的

7、性質(zhì)對(duì)比（定性）INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)13/430.8 nm柵氧化層?xùn)叛趸瘜与x子注入掩蔽離子注入掩蔽隔離工藝隔離工藝互連互連層間層間絕緣絕緣介質(zhì)介質(zhì)INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)14/43氧化反應(yīng)方程式（氧化反應(yīng)方程式（Overall reaction）這兩種反應(yīng)都在這兩種反應(yīng)都在700 C1200 C之間進(jìn)行之間進(jìn)行水汽氧化比干氧氧化反應(yīng)速率約高水汽氧化比干氧氧化反應(yīng)速率約高10倍倍Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) +

8、 2H2(g)l干氧氧化（干氧氧化（Dry oxidation)l濕氧（濕氧（Wet）/ /水汽氧化（水汽氧化（Steam oxidation）INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)15/43氧化生長(zhǎng)氧化生長(zhǎng)消耗硅消耗硅體積膨脹體積膨脹2.2倍倍1 m mm厚厚SiO2消耗消耗0.45 m mm SiSiO2受壓應(yīng)力作用受壓應(yīng)力作用INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)16/43LOCOS中，氧化硅的體積為所消耗的硅體積的中，氧化硅的體積為所消耗的硅體積的2.2倍倍INFO130024.02集成電路

9、工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)17/43SiO2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)氣體中擴(kuò)散氣體中擴(kuò)散固體中擴(kuò)散固體中擴(kuò)散SiO2 形成形成SiO2Si襯底氣流滯流層氧化劑流動(dòng)方向(如 O2或 H2O）INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)18/43DealGrove模型硅的熱氧化模型 DealGrove模型（線性拋物線模型）(linear-parabolic model)可以用固體理論解釋的一維平面生長(zhǎng)氧化硅的模型。 適用于： 氧化溫度7001200 oC； 局部壓強(qiáng)0.125個(gè)大氣壓； 氧化層厚度為202000 nm的水汽和干法氧化INFO13

10、0024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)19/43F1：氣體：氣體輸運(yùn)流量輸運(yùn)流量F2：通過(guò)：通過(guò)SiO2的擴(kuò)散流量的擴(kuò)散流量F3：在界面處：在界面處的反應(yīng)流量的反應(yīng)流量F: number/(cm2-s)C：number/cm3CG：氣相區(qū)氧化：氣相區(qū)氧化劑濃度；劑濃度；CS：氧化物外表：氧化物外表面氧化劑濃度；面氧化劑濃度；CO：氧化物內(nèi)表：氧化物內(nèi)表面氧化劑濃度；面氧化劑濃度；CI：氧化物生長(zhǎng)：氧化物生長(zhǎng)界面氧化劑濃度界面氧化劑濃度Cs CoINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)20/43F1：從氣相區(qū)到硅片

11、氧化層表面的氧分子流密度：從氣相區(qū)到硅片氧化層表面的氧分子流密度)(1SGgCChFhg：質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)，：質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)，cm/sC：氣流濃度，分子數(shù)：氣流濃度，分子數(shù)/cm3F：氣流密度，分子數(shù)：氣流密度，分子數(shù)/(cm2-s)可求得)()(1HkTCChkTPChFOGgSGg令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，則)(*1OCChF1、理想氣體方程：理想氣體方程：PSVNkT，所以，所以SOHPC 2、亨利定律：亨利定律：固體中溶解的氣體物質(zhì)的平衡固體中溶解的氣體物質(zhì)的平衡濃度與固體表面該處氣體物質(zhì)的分壓強(qiáng)成正比濃度與固體表面該處氣體物質(zhì)的分壓強(qiáng)成正比CSN/V=PS/kTINFO

12、130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)21/43F3：通過(guò)：通過(guò)Si/SiO2界面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的氧分子流密度界面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的氧分子流密度IsCkF 3 ks：界面反應(yīng)：界面反應(yīng)速率，速率，cm/sF2：從氧化物層表面擴(kuò)散到：從氧化物層表面擴(kuò)散到Si/SiO2界面的氧分子流密度界面的氧分子流密度xCCDFIO2根據(jù)費(fèi)克Fick第一定律，有假設(shè)：穩(wěn)態(tài)過(guò)程，假設(shè)：穩(wěn)態(tài)過(guò)程，氧化劑通過(guò)氧化劑通過(guò)SiO2沒(méi)有損耗沒(méi)有損耗D：氧化劑在：氧化劑在SiO2中中的擴(kuò)散系數(shù)，的擴(kuò)散系數(shù)，cm2/sINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理

13、 (上上)22/43在在穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)條件下，應(yīng)有條件下，應(yīng)有321FFF)(11*ssssIkhDxkCDxkhkCC ksx/D1時(shí)，時(shí)，擴(kuò)散控制擴(kuò)散控制ksx/D 1時(shí)，時(shí)，氧化從線性氧化從線性過(guò)渡到拋物過(guò)渡到拋物線性，對(duì)應(yīng)線性，對(duì)應(yīng)的氧化層厚的氧化層厚度在度在50200 nmINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)23/43若若N1是指形成單位體積（是指形成單位體積（ cm3）SiO2所需要的氧化劑分子數(shù)所需要的氧化劑分子數(shù)即對(duì)于O2氧化，N12.21022 cm-3對(duì)于H2O氧化， N14.41022 cm-3 求得生長(zhǎng)速率令令B2DC*/N1

14、，A=2D(1/ks+1/h),則則B/A C*ks/N1，有，有tABxxBxxii/0220h特別大，忽略了特別大，忽略了1/h項(xiàng)項(xiàng)DxkhkNCkdtdxNFRSSS11*1tSxxSSdtCkdxDxkhkNi0*101INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)24/43為了討論方便，上式改寫為為了討論方便，上式改寫為tABxBx/020B 2DC*/N1拋物線速率常數(shù)，表示氧化劑擴(kuò)散流拋物線速率常數(shù)，表示氧化劑擴(kuò)散流F2的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)B/A C*ks/N1線性速率常數(shù)，表示界面反應(yīng)流線性速率常數(shù)，表示界面反應(yīng)流F3的貢獻(xiàn)的貢獻(xiàn)式中式中BAxx

15、ii214/1220BAtAx)(20tBx)(0tABx薄氧化硅時(shí)，線性速率常數(shù)薄氧化硅時(shí)，線性速率常數(shù)B/A兩種極限情況兩種極限情況厚氧化硅時(shí)，拋物線速率常數(shù)厚氧化硅時(shí)，拋物線速率常數(shù)Bxox0tINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)25/43實(shí)驗(yàn)法提取實(shí)驗(yàn)法提取B和和B/A的值的值 有實(shí)驗(yàn)值可供使有實(shí)驗(yàn)值可供使用用. tABxBx/020AxtBx 00 INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)26/43平坦沒(méi)有圖案的輕摻雜襯底上，在單一平坦沒(méi)有圖案的輕摻雜襯底上，在單一O2或或H2O氣氛下，氣

16、氛下，SiO2厚度大于厚度大于20 nm時(shí)，時(shí)，GD模型能很好地描述氧化過(guò)程。模型能很好地描述氧化過(guò)程。B和和B/A可以用可以用Arrhenius表達(dá)式表達(dá)：表達(dá)式表達(dá)：氧化劑的擴(kuò)散：氧化劑的擴(kuò)散：界面反應(yīng)速率：界面反應(yīng)速率：表中數(shù)值為表中數(shù)值為Si（111）在）在總壓強(qiáng)為總壓強(qiáng)為1 atm下的速率下的速率常數(shù)，對(duì)于（常數(shù)，對(duì)于（100），則），則C2應(yīng)除以應(yīng)除以1.68222O2通過(guò)通過(guò)95 C H2O冒冒泡氧化泡氧化H2+O2后端后端反應(yīng)生成反應(yīng)生成H2O氧化氧化INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)27/43INFO130024.02集成電

17、路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)28/43D-G模型的計(jì)算值：模型的計(jì)算值：干干O2氣氛中的熱氧化氣氛中的熱氧化100200 nm常用常用700-1100 C, 25 atm , 1 mm / hr疏松， 擴(kuò)散阻擋能力較差 刻蝕掩膜和場(chǎng)氧化xi0INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)30/43DG模型小結(jié)模型小結(jié)tABxBx/020BAxxii2氧化速率為氧化速率為)2/(00AxBdtdx這個(gè)方程是在下列條件下的氧化這個(gè)方程是在下列條件下的氧化動(dòng)力學(xué)的一般表達(dá)式：動(dòng)力學(xué)的一般表達(dá)式：平坦、無(wú)圖形的平面硅的氧化平坦、無(wú)圖形的

18、平面硅的氧化輕摻雜硅的氧化輕摻雜硅的氧化單一單一O2或或H2O的氧化的氧化初始氧化硅的厚度大于初始氧化硅的厚度大于20 nmINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)31/43對(duì)于超薄熱干氧化，對(duì)于超薄熱干氧化，G-D模型無(wú)法準(zhǔn)確描述，實(shí)模型無(wú)法準(zhǔn)確描述，實(shí)驗(yàn)表明在驗(yàn)表明在20 nm之內(nèi)的熱氧化生長(zhǎng)速度和厚度比之內(nèi)的熱氧化生長(zhǎng)速度和厚度比G-D模型大的多。模型大的多。超薄熱氧化的模擬超薄熱氧化的模擬23nmD-G (= 0) D-G (= 40hr) INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)32/43Mo

19、del of Massoud et al：C=C0exp(-EA/kT)C0 3.6108 m mm/hrEA 2.35 eVL 7 nmSUPREM IV使用模型使用模型目前機(jī)理不明，仍無(wú)公認(rèn)的模型來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題！目前機(jī)理不明，仍無(wú)公認(rèn)的模型來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題！INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)33/43影響氧化速率的因素 壓強(qiáng)對(duì)氧化速率的影響 晶向?qū)ρ趸俾实挠绊?摻雜對(duì)氧化速率的影響 摻氯對(duì)氧化速率的影響INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)34/431NkHPABSG 12NDHPBG實(shí)驗(yàn)表

20、明：對(duì)于實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于H2O氧化，氧化硅生長(zhǎng)氧化，氧化硅生長(zhǎng)速率正比于速率正比于PG，而，而O2的氧化無(wú)法完全用的氧化無(wú)法完全用線性關(guān)系描述。線性關(guān)系描述。PBBPABABii)()(在水汽氧化時(shí)：在水汽氧化時(shí)：在氧氣氧化時(shí)：在氧氣氧化時(shí)：PBBPABABini)()(n 0.70.8。上標(biāo)。上標(biāo)i表示表示1 atm下的相應(yīng)值下的相應(yīng)值壓強(qiáng)對(duì)氧化速率的影響壓強(qiáng)對(duì)氧化速率的影響1) 如果要達(dá)到給定的氧化速率，增加氣壓，則氧化溫度可以降低2) 如果在同樣溫度下生長(zhǎng)一個(gè)給定的氧化層厚度，增加氣壓，則氧化時(shí)間可以減少。INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上

21、)35/43INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)36/43晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懢驅(qū)ρ趸俾实挠绊懟瘜W(xué)反應(yīng)速率常數(shù)ks與晶向有關(guān)。因此線性速率常數(shù)B/A與晶向有關(guān)。在適當(dāng)溫度(111)晶向硅的B/A為(100)硅的1.68倍，（110）晶向?yàn)?.45倍的（100）晶向值。拋物線速率常數(shù)B與晶向無(wú)關(guān)。高溫長(zhǎng)時(shí)間氧化，拋物線速率常數(shù)B起主要作用，晶向影響減弱。INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)37/43襯底取向?qū)ρ趸俾视绊懙脑?B與晶向無(wú)關(guān)與晶向無(wú)關(guān)（B/A)111= 1.68（B/A)100

22、)/exp(0kTEkkass ks0是常數(shù)，與單是常數(shù)，與單位晶面上能與氧位晶面上能與氧化劑反應(yīng)的硅價(jià)化劑反應(yīng)的硅價(jià)鍵數(shù)成正比。鍵數(shù)成正比。INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)38/43（100）Si，in H2O at 900 C for 30 minINFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)39/43摻雜對(duì)氧化速率的影響900 C時(shí)干氧氧化速率隨表面磷濃度的變化。反應(yīng)速率限制情況。n：反應(yīng)速率反應(yīng)速率限制，限制，B/A起起主要作用，氧化速率取決于主要作用，氧化速率取決于硅表面的摻雜濃度硅表面的摻

23、雜濃度INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)40/43SiO2 SiO2H2OVII擴(kuò)散擴(kuò)散（12 ）Si2OI2 VSiO22 I應(yīng)力應(yīng)力空位空位V：N型非本征重?fù)诫s中型非本征重?fù)诫s中V遠(yuǎn)高于輕摻雜遠(yuǎn)高于輕摻雜 )1)(1 . 1exp(1062. 21 ()(3 TiTVViCCkTeVABAB氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)P型摻雜效應(yīng)不明顯型摻雜效應(yīng)不明顯!INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)41/43摻氯對(duì)氧化速率的影響v 摻氯能增大B/A和B。Si-O鍵能4.25 eV, Si-Cl鍵能0.5 eV, Cl2先與Si反應(yīng)生成氯硅化合物，然后再與氧反應(yīng)生成SiO2，起催化作用v Cl-還可以中和界面的電荷堆積,減少界面態(tài),BB/ADry O2 + 1-3% Cl; Cl is a metal getter cleaner oxide.INFO130024.02集成電路工藝原理第五章第五章 熱氧化原理熱氧化原理 (上上)42/43線性速率常數(shù)線性速率常數(shù)B/A拋物線速率常數(shù)拋物線速率常數(shù)B氧化氣壓（水汽氧化）氧化氣壓（水汽氧化）隨氧氣氣壓呈線性隨氧氣氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性氧化氣