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1、第四章第四章 熱氧化熱氧化1微電子工藝(微電子工藝(3 3)主要內(nèi)容主要內(nèi)容4.1二氧化硅薄膜概述二氧化硅薄膜概述4.2 硅的熱氧化硅的熱氧化4.3 初始氧化階段及薄氧化層制備初始氧化階段及薄氧化層制備4.4 熱氧化過(guò)程中雜質(zhì)再分布熱氧化過(guò)程中雜質(zhì)再分布4.5 氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)4.6 其它氧化方法其它氧化方法24.14.1二氧化硅薄膜概述二氧化硅薄膜概述二氧化硅是微電子工藝中二氧化硅是微電子工藝中采用最多采用最多的介質(zhì)薄膜。的介質(zhì)薄膜。 二氧化硅薄膜的主要制備方法有:熱氧化,化學(xué)二氧化硅薄膜的主要制備方法有:熱氧化,化學(xué)氣相淀積氣相淀積(CVD)(CVD),物理氣相淀積,物
2、理氣相淀積(PVD)(PVD),陽(yáng)極氧化,陽(yáng)極氧化4.1.1 二氧化硅結(jié)構(gòu)4.1.2 二氧化硅的理化性質(zhì)及用途4.1.3 二氧化硅薄膜中的雜質(zhì)4.1.4 雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散4.1.5 SiO2的掩蔽作用34TEMTEM照片照片(Transmission electron microscopy,TEM )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SiO2與與Si之間完美的界面特性是成就硅時(shí)代的主要原因之間完美的界面特性是成就硅時(shí)代的主要原因4.1.14.1.1二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu)SiO2基本結(jié)構(gòu)單元56熱氧化的熱氧化的SiOSiO2 2是非晶態(tài),是四面體網(wǎng)絡(luò)
3、狀結(jié)構(gòu)是非晶態(tài),是四面體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)兩四面體之間的氧原子稱兩四面體之間的氧原子稱橋聯(lián)(鍵)氧原子橋聯(lián)(鍵)氧原子,只與一個(gè)四面體相聯(lián)的氧原子稱只與一個(gè)四面體相聯(lián)的氧原子稱非橋聯(lián)氧原子非橋聯(lián)氧原子石英的原子密度石英的原子密度2.2*1022/cm3 石英晶格結(jié)構(gòu)石英晶格結(jié)構(gòu) 非晶態(tài)二氧化硅結(jié)構(gòu)非晶態(tài)二氧化硅結(jié)構(gòu) 二氧化硅結(jié)構(gòu)二氧化硅結(jié)構(gòu)4.14.1.24.1.2 二氧化硅的理化性質(zhì)及用途二氧化硅的理化性質(zhì)及用途密度密度 是是SiO2致密程度的標(biāo)志。密度大表示致密程度高,致密程度的標(biāo)志。密度大表示致密程度高,約約2-2.2g/cm3;熔點(diǎn)熔點(diǎn) 石英晶體石英晶體1732,而非晶態(tài)的,而非晶態(tài)的SiO2
4、無(wú)熔點(diǎn),軟化點(diǎn)無(wú)熔點(diǎn),軟化點(diǎn)1500電阻率電阻率 與制備方法及所含雜質(zhì)有關(guān),高溫干氧可達(dá)與制備方法及所含雜質(zhì)有關(guān),高溫干氧可達(dá)1016cm,一般在,一般在107-1015 cm;介電性介電性 介電常數(shù)介電常數(shù)3.9;介電強(qiáng)度介電強(qiáng)度 100-1000V/m;折射率折射率 在在1.33-1.37之間;之間;腐蝕性腐蝕性 只和只和HF酸反應(yīng),與強(qiáng)堿反應(yīng)緩慢。酸反應(yīng),與強(qiáng)堿反應(yīng)緩慢。71、作為掩蔽膜、作為掩蔽膜二氧化硅膜用途二氧化硅膜用途82、作為芯片的鈍化與保護(hù)膜、作為芯片的鈍化與保護(hù)膜3、互連層間絕緣介質(zhì)、互連層間絕緣介質(zhì)P阱阱n阱阱也可用SiO29電隔離膜電隔離膜4、元器件的組成部分、元器件的
5、組成部分4.14.1.3 4.1.3 二氧化硅薄膜中的雜質(zhì)二氧化硅薄膜中的雜質(zhì)10PB網(wǎng)絡(luò)改網(wǎng)絡(luò)改變者變者網(wǎng)絡(luò)形成網(wǎng)絡(luò)形成者者4.14.1.4 4.1.4 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiOSiO2 2中的擴(kuò)散中的擴(kuò)散 雜質(zhì)雜質(zhì)SiO2中在擴(kuò)散系數(shù):中在擴(kuò)散系數(shù): DSiO2=D0exp(-E/kT) 是指當(dāng)濃度為一個(gè)單位時(shí),單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積是指當(dāng)濃度為一個(gè)單位時(shí),單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的量的量, , 單位單位m m2 2/s/s利用相同情況下,硼、磷等常用雜質(zhì)在利用相同情況下,硼、磷等常用雜質(zhì)在SiO2中的中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于在硅中擴(kuò)散速度,擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于在硅中擴(kuò)散速度,SiO2層對(duì)這些層對(duì)這些雜質(zhì)起到
6、雜質(zhì)起到“掩蔽掩蔽”作用。作用。鎵和鈉等堿金屬擴(kuò)散在鎵和鈉等堿金屬擴(kuò)散在SiO2擴(kuò)散速度快,擴(kuò)散速度快, SiO2層對(duì)這些雜質(zhì)起不到層對(duì)這些雜質(zhì)起不到“掩蔽掩蔽”作用。作用。114.14.1.5 4.1.5 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用12硅襯底上的硅襯底上的SiO2作掩膜要作掩膜要求求 -雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2層中的擴(kuò)散深度層中的擴(kuò)散深度 -SiO2本身的厚度本身的厚度2jS iOx x2SiOxjx不同溫度下掩蔽不同溫度下掩蔽P、B所需氧化層厚所需氧化層厚度與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系圖度與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系圖4.1.54.1.5 SiOSiO2 2掩蔽作用掩蔽作用掩蔽條件掩蔽條件: :D DSiSiDDSiO
7、2SiO2tD.xSiO264min13310sICC所需氧化層的最小厚度所需氧化層的最小厚度若若 雜質(zhì)的雜質(zhì)的2SiSiODTD關(guān)系曲線關(guān)系曲線 4.24.2 硅的熱氧化硅的熱氧化 以熱氧化工藝制備以熱氧化工藝制備SiOSiO2 2就是在就是在高溫高溫和和氧化物質(zhì)氧化物質(zhì)(氧氣或者水汽)存在條件下,在清潔的硅片表面上生(氧氣或者水汽)存在條件下,在清潔的硅片表面上生長(zhǎng)出所需厚度的二氧化硅。長(zhǎng)出所需厚度的二氧化硅。4.2.14.2.1 熱氧化工藝熱氧化工藝4.2.2 4.2.2 熱氧化機(jī)理熱氧化機(jī)理4.2.3 4.2.3 硅的硅的DealDealGroveGrove熱氧化模型熱氧化模型4.2.
8、4 4.2.4 熱氧化生長(zhǎng)速率熱氧化生長(zhǎng)速率4.2.5 4.2.5 影響氧化速率的各種因素影響氧化速率的各種因素144.2.1 4.2.1 熱氧化工藝熱氧化工藝熱氧化設(shè)備主要有熱氧化設(shè)備主要有水平式水平式(6(6英寸以下的硅片英寸以下的硅片) )和和直立式直立式(8(8英寸以上的硅片英寸以上的硅片) )兩種。兩種。 氧化系統(tǒng)由四部分組成:氧化系統(tǒng)由四部分組成:爐體柜爐體柜裝片臺(tái)裝片臺(tái)氣源柜氣源柜計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)1516電阻加熱水平式氧化爐電阻加熱水平式氧化爐注意注意:在硅片進(jìn)出氧化區(qū)域的過(guò)程中,要注意硅片上溫度的:在硅片進(jìn)出氧化區(qū)域的過(guò)程中,要注意硅片上溫度的變化不能太大,否則硅片
9、會(huì)產(chǎn)生扭曲,引起很大的內(nèi)應(yīng)力。變化不能太大,否則硅片會(huì)產(chǎn)生扭曲,引起很大的內(nèi)應(yīng)力。三種熱氧化方法三種熱氧化方法干氧氧化:干氧氧化:氧化膜致密性最好,針孔密度小,薄膜表面干氧化膜致密性最好,針孔密度小,薄膜表面干燥,適合光刻,但是生長(zhǎng)速率最慢;燥,適合光刻,但是生長(zhǎng)速率最慢;濕氧氧化:濕氧氧化:氧化膜較干氧氧化膜疏松,針孔密度大,表面氧化膜較干氧氧化膜疏松,針孔密度大,表面含水汽,光刻性能不如干氧,容易浮膠。濕氧與干氧比,含水汽,光刻性能不如干氧,容易浮膠。濕氧與干氧比,水溫越高,水汽就越多,二氧化硅生長(zhǎng)速率也就越快;水溫越高,水汽就越多,二氧化硅生長(zhǎng)速率也就越快;水蒸汽氧化:水蒸汽氧化:在三種
10、熱氧化方法中氧化膜致密性最差,針在三種熱氧化方法中氧化膜致密性最差,針孔密度最大,薄膜表面潮濕,光刻難,浮膠。但是,生長(zhǎng)孔密度最大,薄膜表面潮濕,光刻難,浮膠。但是,生長(zhǎng)速率最快。速率最快。17氧化方式氧化溫度()生長(zhǎng)速率常數(shù)(m2/min)生長(zhǎng)0.5微米SiO2所需時(shí)間(min)SiO2的密度(g/mm)備注干氧10001.4810-418002.2712006.210-43602.15濕氧100038.510-4632.21水浴溫度951200117.510-4222.12水汽100043.510-4582.08水汽發(fā)生器水溫102120013310-4182.0518三種熱生長(zhǎng)方法及三種
11、熱生長(zhǎng)方法及SiO2薄膜特性的比較薄膜特性的比較 不同氧化工藝制備的SiO2的主要物理性質(zhì)19氧化方法密 度(g/cm2)折 射 率(=5460)電 阻 率(cm)相對(duì)介電常數(shù)介電 強(qiáng)度(106V/cm)干 氧2.242.271.4601.46631015210163.4(10kHz)9濕 氧2.182.211.4351.4583.82(1MHz)水 汽2.002.201.4521.462101510173.2(10kHz)6.89熱分解淀積2.092.151.431.45107108CVD淀積2.31.461.477810143.54(1MHz)56具體工藝具體工藝掩膜氧化(厚氧化層)掩膜氧
12、化(厚氧化層) 干氧干氧-濕氧濕氧-干氧干氧薄層氧化(薄層氧化(MOS柵)柵) 干氧干氧 摻氯氧化摻氯氧化 熱氧化工藝流程一般遵循熱氧化工藝流程一般遵循: :洗片洗片升溫升溫生長(zhǎng)生長(zhǎng)取片取片204.24.2.2 4.2.2 熱氧化機(jī)理熱氧化機(jī)理222222222.2 100.445 10SiOSiSiOSiSiOSiOnddndd21在熱氧化的過(guò)程中,在熱氧化的過(guò)程中,氧化反應(yīng)將在氧化反應(yīng)將在SiOSiO2 2-Si-Si界面界面處進(jìn)行,而不發(fā)處進(jìn)行,而不發(fā)生在生在SiOSiO2 2層的外表層層的外表層熱氧化是通過(guò)熱氧化是通過(guò)擴(kuò)散擴(kuò)散和和化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)來(lái)完成的,來(lái)完成的,氧化反應(yīng)是由硅片表氧
13、化反應(yīng)是由硅片表面向硅片縱深依次進(jìn)面向硅片縱深依次進(jìn)行的,硅被消耗,所行的,硅被消耗,所以以硅層變薄,氧化層硅層變薄,氧化層增厚,整個(gè)硅片增厚增厚,整個(gè)硅片增厚了。了。4.2.3 deal-grove4.2.3 deal-grove熱氧化模型熱氧化模型22vDealGrove模型模型(線性拋物線模型,(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。可以用固體理論解釋的一維平面生長(zhǎng)氧化硅的模型。v適用于:適用于:氧化溫度氧化溫度7001300 oC;局部壓強(qiáng)局部壓強(qiáng)0.125個(gè)大氣壓;個(gè)大氣壓;氧化層厚度為氧化層厚度為0.032m的水
14、汽和干法氧化的水汽和干法氧化23 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襯底附面層或稱滯流層附面層或稱滯流層氧化劑流動(dòng)方向氧化劑流動(dòng)方向(如如 O2或或 H2O)(1)氧化劑輸運(yùn))氧化劑輸運(yùn)(2)固相擴(kuò)散)固相擴(kuò)散 (3)化學(xué)反應(yīng))化學(xué)反應(yīng) (4)反應(yīng)的副產(chǎn)物離開(kāi)界面)反應(yīng)的副產(chǎn)物離開(kāi)界面 基于基于DG模型模型熱氧化可分解為熱氧化可分解為熱氧化動(dòng)力學(xué)熱氧化動(dòng)力學(xué)(迪爾(迪爾-格羅夫模型)格羅夫模型)(1 1)氧化劑輸運(yùn))氧化劑輸運(yùn)-氣體輸運(yùn)流密度氣體輸運(yùn)流密度用用F F1 1表示表示 : F1=hg(Cg-Cs) (2 2)氣相擴(kuò)散)氣相擴(kuò)散:(3)化學(xué)反應(yīng))化
15、學(xué)反應(yīng):熱氧化是在氧化劑氣氛下進(jìn)行:熱氧化是在氧化劑氣氛下進(jìn)行:O2流密度不變,即準(zhǔn)平衡態(tài)流密度不變,即準(zhǔn)平衡態(tài)穩(wěn)定穩(wěn)定生長(zhǎng)生長(zhǎng):F1=F2=F324pgpsF1F2F3SiO2Si-0 xCgCsCoCi主流氣體主流氣體粘滯層粘滯層O2x0oioxCCDxCDF0SiOSiO222isCkF 3氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù) 化學(xué)反應(yīng)常數(shù)化學(xué)反應(yīng)常數(shù) 求解求解: c0、ci2SiO*1DxkhkCCossi2SiO*11DxkhkCDxkCossoso25借助:亨利定律:借助:亨利定律:gHPC *00CHP理想氣體狀態(tài)方程:理想氣體狀態(tài)方程:SiOSiO2 2中的氧化劑濃度中的氧化劑濃度
16、C C* *,應(yīng)與主氣流區(qū)中氧化劑分壓成正,應(yīng)與主氣流區(qū)中氧化劑分壓成正比:比:00PN kT00CHN kT可得:可得:ghhHkT- -氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù)氣相質(zhì)量輸運(yùn)系數(shù) Co= C */(1+ks/h)4.2由由F1=F2=F3可得:可得:4.2.44.2.4 熱氧化生長(zhǎng)速率熱氧化生長(zhǎng)速率26氧化層生長(zhǎng)速率氧化層生長(zhǎng)速率v為:為:界面流量除以單位體積界面流量除以單位體積SiO2的氧分子數(shù)的氧分子數(shù)N12223111SiOsgsSiOsSiOdxHk pFvNdtk xkNhD假設(shè)氧化前硅片表面上存在的初始氧化層厚度為假設(shè)氧化前硅片表面上存在的初始氧化層厚度為0 x求解出氧化層生長(zhǎng)厚度與生長(zhǎng)
17、時(shí)間之間的關(guān)系式為:求解出氧化層生長(zhǎng)厚度與生長(zhǎng)時(shí)間之間的關(guān)系式為:222()SiOSiOxAxB t2112SiOsADkh212SiOgDHPBN200 xAxB其中其中221124SiOAtxAB解為解為兩種極限情況兩種極限情況 2722SiOxB(t)拋物線速率常數(shù)拋物線速率常數(shù)線性速率常數(shù)線性速率常數(shù)氣體氣體C0SiO2Siks0DSiO20CxCi2SiOBx(t )A222()SiOSiOxAxB t氧化時(shí)間長(zhǎng),擴(kuò)散控制階段氧化時(shí)間長(zhǎng),擴(kuò)散控制階段:氧化時(shí)間很短,化學(xué)反應(yīng)控制階段氧化時(shí)間很短,化學(xué)反應(yīng)控制階段:擴(kuò)散控制:擴(kuò)散控制:DSiO2 0, Ci 0反應(yīng)控制:反應(yīng)控制:ks
18、0, Ci Co兩種極限情況兩種極限情況 圖為實(shí)測(cè)值與計(jì)算的圖為實(shí)測(cè)值與計(jì)算的對(duì)比對(duì)比計(jì)算公式計(jì)算公式: :在兩種極限情況下:在兩種極限情況下:長(zhǎng)時(shí)間氧化長(zhǎng)時(shí)間氧化或或氧化氧化時(shí)時(shí)間很短,間很短,實(shí)測(cè)值和計(jì)實(shí)測(cè)值和計(jì)算值吻合。算值吻合。28221124SiOAtxAB4.2第七次課主要問(wèn)題:第七次課主要問(wèn)題:簡(jiǎn)述硅表面氧化層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?簡(jiǎn)述硅表面氧化層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?氧化層種雜質(zhì)有哪幾種類?氧化層種雜質(zhì)有哪幾種類?簡(jiǎn)述熱氧化機(jī)理?簡(jiǎn)述熱氧化機(jī)理?熱氧化有幾種方法其主要特點(diǎn)是什么?熱氧化有幾種方法其主要特點(diǎn)是什么?D-GD-G模型將熱氧化分為幾個(gè)步驟?模型將熱氧化分為幾個(gè)步驟?294.2.5 4.2
19、.5 影響氧化速率的各種因素影響氧化速率的各種因素溫度溫度 影響影響:很大,:很大, H、h、D、ks都與溫度有關(guān)。都與溫度有關(guān)。氣體分壓影響氣體分壓影響:提高反應(yīng)器內(nèi)氧氣或水汽的分壓能:提高反應(yīng)器內(nèi)氧氣或水汽的分壓能提高線性氧化速率。有高壓氧化和低壓氧化技術(shù)。提高線性氧化速率。有高壓氧化和低壓氧化技術(shù)。硅晶向影響:硅晶向影響:略有不同,(略有不同,(111)晶向速率最快,)晶向速率最快,(100)晶向速率最慢。)晶向速率最慢。雜質(zhì)影響雜質(zhì)影響:摻雜:摻雜 濃度越高氧化速率越快,將此現(xiàn)象濃度越高氧化速率越快,將此現(xiàn)象稱為稱為增強(qiáng)氧化增強(qiáng)氧化。301 1、溫度對(duì)氧化速率的影響、溫度對(duì)氧化速率的影
20、響312SiOBx(t )A22SiOxB(t)gOsHPCNCDBhkDA222*SiOSiO2)11(22、氣體分壓對(duì)氧化速率的影響、氣體分壓對(duì)氧化速率的影響氧化劑分壓氧化劑分壓Pg是通過(guò)是通過(guò)C*對(duì)對(duì)B產(chǎn)生影產(chǎn)生影響:響:BPgPg32gOsHPCNCDBhkDA222*SiOSiO2)11(23 3、硅襯底的晶向?qū)ρ趸俾实挠绊?、硅襯底的晶向?qū)ρ趸俾实挠绊?不同晶向的襯底單晶硅由于表面懸掛鍵密度不同,生長(zhǎng)速率也呈現(xiàn)各向異性??臻g位阻(Steric Hindrance) 334 4、摻雜情況對(duì)氧化速率的影響、摻雜情況對(duì)氧化速率的影響 線性和拋物型氧化速率常數(shù)對(duì)存在于氧化劑線性和拋物型氧
21、化速率常數(shù)對(duì)存在于氧化劑中或存在于硅襯底中的雜質(zhì)敏感。中或存在于硅襯底中的雜質(zhì)敏感。磷磷在較低溫度增強(qiáng)氧化明顯,而在較低溫度增強(qiáng)氧化明顯,而硼硼在低溫時(shí)在低溫時(shí)增強(qiáng)氧化不明顯,高溫明顯。增強(qiáng)氧化不明顯,高溫明顯。鈉鈉、水汽、氯水汽、氯都能顯著提高氧化速率。都能顯著提高氧化速率。 34351) 襯底摻雜對(duì)氧化速率的影響襯底摻雜對(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N襯底:襯底:反應(yīng)速率反應(yīng)速率限制階段限制階段影響大,影響大,B/A起主要作用,起主要作用,氧化速率取決于硅表面的摻氧化速率取決于硅表面的摻雜濃度雜濃度4 4、摻雜情況對(duì)氧化速率的影響、摻雜情況對(duì)氧化速率的影響 2)
22、摻鹵氧化在氧化氣氛中加入適量的鹵族元素會(huì)改善氧化膜及在氧化氣氛中加入適量的鹵族元素會(huì)改善氧化膜及其下面硅的特性。其下面硅的特性。氧化膜特性的改善包括鈉離子濃度減少、介質(zhì)擊穿氧化膜特性的改善包括鈉離子濃度減少、介質(zhì)擊穿強(qiáng)度增加、界面態(tài)密度減少。強(qiáng)度增加、界面態(tài)密度減少。實(shí)踐中應(yīng)用較多的鹵族元素是實(shí)踐中應(yīng)用較多的鹵族元素是氯氯,在,在Si-SiOSi-SiO2 2界面上界面上或界面附近,氯能使雜質(zhì)轉(zhuǎn)變成容易揮發(fā)的氯化物或界面附近,氯能使雜質(zhì)轉(zhuǎn)變成容易揮發(fā)的氯化物從而起到吸雜的效果,另外也能看到氧化誘生缺陷從而起到吸雜的效果,另外也能看到氧化誘生缺陷減少。減少。36摻氯對(duì)氧化速率的影響摻氯對(duì)氧化速率
23、的影響37 N型硅(型硅(100)和()和(111)晶面氧化速率常數(shù)與)晶面氧化速率常數(shù)與HCl濃度之間關(guān)系濃度之間關(guān)系(900,1000,1100)3) 3) 水汽的存在對(duì)氧化速率的影響水汽的存在對(duì)氧化速率的影響在干氧氧化的氣氛中,只要存在極小量在干氧氧化的氣氛中,只要存在極小量的水汽,就會(huì)對(duì)氧化速率產(chǎn)生重要影響。的水汽,就會(huì)對(duì)氧化速率產(chǎn)生重要影響。為了防止高溫下水汽通過(guò)石英管壁進(jìn)入為了防止高溫下水汽通過(guò)石英管壁進(jìn)入氧化爐內(nèi),可用雙層石英管是,在兩層氧化爐內(nèi),可用雙層石英管是,在兩層中間通高純氮或氬,這樣可以把通過(guò)外中間通高純氮或氬,這樣可以把通過(guò)外層石英管進(jìn)入到夾層中的水汽及時(shí)排除。層石英
24、管進(jìn)入到夾層中的水汽及時(shí)排除。384.3 4.3 初始氧化階段及薄氧化層制備初始氧化階段及薄氧化層制備D-GD-G模型對(duì)模型對(duì)30nm30nm以以下的干氧氧化不準(zhǔn)。下的干氧氧化不準(zhǔn)。自然氧化物不是連自然氧化物不是連續(xù)生長(zhǎng)而是階段的續(xù)生長(zhǎng)而是階段的生長(zhǎng)。輕摻雜生長(zhǎng)。輕摻雜0.8nm;0.8nm;重?fù)诫s重?fù)诫s1.3nm1.3nm。初始氧化階段的氧初始氧化階段的氧化機(jī)制仍是日前研化機(jī)制仍是日前研究熱點(diǎn)。究熱點(diǎn)。39用途:用途:薄層氧化主要作為薄層氧化主要作為MOS ICMOS IC的柵的柵要求:要求:低缺陷密度;低缺陷密度;好的抗雜質(zhì)擴(kuò)散的勢(shì)壘持性;好的抗雜質(zhì)擴(kuò)散的勢(shì)壘持性;低的界面態(tài)密度和固定電荷
25、,高質(zhì)量的低的界面態(tài)密度和固定電荷,高質(zhì)量的Si-SiOSi-SiO2 2界界面;面;在熱載流子應(yīng)力和輻射條件下的穩(wěn)定性好;在熱載流子應(yīng)力和輻射條件下的穩(wěn)定性好;工藝過(guò)程中具有較低的熱開(kāi)銷。工藝過(guò)程中具有較低的熱開(kāi)銷。404.3 4.3 初始氧化階段及薄氧化層制備初始氧化階段及薄氧化層制備工藝條件:工藝條件:對(duì)氧化層質(zhì)量有重大影響對(duì)氧化層質(zhì)量有重大影響生長(zhǎng)必須足夠慢,才能保證獲得均勻性和重復(fù)性生長(zhǎng)必須足夠慢,才能保證獲得均勻性和重復(fù)性好好與清洗工藝有著密切的關(guān)系與清洗工藝有著密切的關(guān)系所用試劑的純度有著密切的關(guān)系所用試劑的純度有著密切的關(guān)系工藝方法:工藝方法:干氧氧化、含有干氧氧化、含有HCl
26、HCl的干氧氧化的干氧氧化減壓氧化減壓氧化低溫高壓氧化等。低溫高壓氧化等。414.3 4.3 初始氧化階段及薄氧化層制備初始氧化階段及薄氧化層制備4.4 4.4 熱氧化過(guò)程中雜質(zhì)的再分布熱氧化過(guò)程中雜質(zhì)的再分布由四方面因素決定:由四方面因素決定:雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象;雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象;雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2表面逸出;表面逸出;雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2、Si中的擴(kuò)散系數(shù);中的擴(kuò)散系數(shù);界面移動(dòng)(氧化速率)界面移動(dòng)(氧化速率) 42分凝分凝逸出逸出擴(kuò)散擴(kuò)散界面界面移動(dòng)移動(dòng)4.4.1 雜質(zhì)的分凝效應(yīng)雜質(zhì)的分凝效應(yīng)k1,在,在SiO2/Si界面雜質(zhì)向界面雜質(zhì)向Si內(nèi)擴(kuò)散,內(nèi)擴(kuò)散,Si面雜面雜質(zhì)濃度高,質(zhì)濃度高,堆積
27、堆積。P , kp= 10, As , kAs=10,Ga, kGa=20。43SiO2/Si界面界面分凝現(xiàn)象分凝現(xiàn)象-指雜質(zhì)在指雜質(zhì)在SiO2和和Si中平衡中平衡濃度不同的現(xiàn)象。濃度不同的現(xiàn)象。分凝系數(shù)分凝系數(shù)-指衡量分凝效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù):指衡量分凝效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù):2SiSiOnKn雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2/Si界面分布界面分布44SiO2/ SiSiO2/ SiSiO2/ SiSiO2/ Sik1雜質(zhì)在硅雜質(zhì)在硅一側(cè)堆積一側(cè)堆積4.4.24.4.2 再分布對(duì)硅表面雜質(zhì)濃度的影響再分布對(duì)硅表面雜質(zhì)濃度的影響45熱氧化后硅中磷的表面濃度熱氧化后硅中磷的表面濃度熱氧化后硅中硼的表面濃度熱氧化后硅中硼的
28、表面濃度46計(jì)算得到的在不同溫度下氧化后硅中硼的分布曲線 高溫氧化對(duì)雜質(zhì)濃度分布的影響 4.5 4.5 氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)氧化層的質(zhì)量及檢測(cè)質(zhì)量要求:質(zhì)量要求:厚度及均勻性應(yīng)滿足要求厚度及均勻性應(yīng)滿足要求成膜質(zhì)量:表面無(wú)斑點(diǎn),裂紋,白霧,發(fā)花;成膜質(zhì)量:表面無(wú)斑點(diǎn),裂紋,白霧,發(fā)花;內(nèi)部針孔密度等。內(nèi)部針孔密度等。檢測(cè):檢測(cè):厚度測(cè)量厚度測(cè)量成膜質(zhì)量測(cè)量:表面缺陷;結(jié)構(gòu)缺陷;氧化成膜質(zhì)量測(cè)量:表面缺陷;結(jié)構(gòu)缺陷;氧化層中的電荷;熱應(yīng)力層中的電荷;熱應(yīng)力474.5.1 氧化層厚度測(cè)量氧化層厚度測(cè)量比色法:估算厚度比色法:估算厚度光學(xué)方法:干涉條紋法;橢圓偏振法光學(xué)方法:干涉條紋法;橢圓偏振法探針
29、輪廓儀探針輪廓儀481 1、比色法、比色法49可根據(jù)氧化層表面顏色和表中所列顏色進(jìn)行比較,來(lái)確定氧化層的厚度可根據(jù)氧化層表面顏色和表中所列顏色進(jìn)行比較,來(lái)確定氧化層的厚度2 2、干涉條紋法、干涉條紋法原理原理:測(cè)定氧化層臺(tái)階上的干涉條紋數(shù)目求:測(cè)定氧化層臺(tái)階上的干涉條紋數(shù)目求氧化層厚度的方法。當(dāng)用單色光垂直照射氧氧化層厚度的方法。當(dāng)用單色光垂直照射氧化層表面時(shí),由于是透明介質(zhì),所以入射光化層表面時(shí),由于是透明介質(zhì),所以入射光將分別在表面和硅界面處反射。將分別在表面和硅界面處反射。測(cè)量方法測(cè)量方法:試片表面涂一小滴黑膠,然后在試片表面涂一小滴黑膠,然后在HFHF中未被保護(hù)中未被保護(hù)的腐蝕掉,丙酮
30、除去黑膠,這樣在硅片表面出的腐蝕掉,丙酮除去黑膠,這樣在硅片表面出現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階。用干涉顯微鏡觀察表面時(shí),在臺(tái)現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階。用干涉顯微鏡觀察表面時(shí),在臺(tái)階處就出現(xiàn)的明暗相同的干涉條紋,根據(jù)干涉階處就出現(xiàn)的明暗相同的干涉條紋,根據(jù)干涉條紋數(shù)目,可計(jì)算出的氧化層厚度條紋數(shù)目,可計(jì)算出的氧化層厚度 50 x2nd 51n:二氧化膜的折射率,約為:二氧化膜的折射率,約為1.5;x:干條紋的條數(shù)。:干條紋的條數(shù)。 從一個(gè)最亮到相鄰的從一個(gè)最亮到相鄰的一個(gè)最亮條(或最暗條一個(gè)最亮條(或最暗條到相鄰的另一個(gè)最暗條)到相鄰的另一個(gè)最暗條)就算一個(gè)干涉條紋。而就算一個(gè)干涉條紋。而從最暗到相鄰最亮條則從最暗到相鄰最亮條
31、則可算為半根??伤銥榘敫?。2 2、干涉條紋法、干涉條紋法4.5.2 SiO4.5.2 SiO2 2層成膜質(zhì)量的測(cè)量層成膜質(zhì)量的測(cè)量52表面無(wú)斑點(diǎn),裂紋,白霧,發(fā)花和針孔等毛?。槐砻鏌o(wú)斑點(diǎn),裂紋,白霧,發(fā)花和針孔等毛??;針孔密度檢測(cè)方法針孔密度檢測(cè)方法腐蝕法:腐蝕液為鄰苯二酚,胺,水腐蝕法:腐蝕液為鄰苯二酚,胺,水(PAW) (PAW) ,通過(guò)針,通過(guò)針孔化學(xué)腐蝕襯底硅??谆瘜W(xué)腐蝕襯底硅。氯氣腐蝕法:氯氣腐蝕法:900900以上,氯氣對(duì)針孔部位的以上,氯氣對(duì)針孔部位的SiSi腐蝕。腐蝕。銅綴法:含銅電解液,電流通過(guò)針孔流通,電化學(xué)反銅綴法:含銅電解液,電流通過(guò)針孔流通,電化學(xué)反應(yīng)在針孔析出銅。應(yīng)
32、在針孔析出銅。1 1、一般要求、一般要求2、結(jié)構(gòu)缺陷、結(jié)構(gòu)缺陷53界面硅側(cè)有大量界面硅側(cè)有大量自填隙硅自填隙硅原子,這原子,這些點(diǎn)缺陷些點(diǎn)缺陷結(jié)團(tuán)結(jié)團(tuán)形成堆垛層錯(cuò),一般形成堆垛層錯(cuò),一般位于位于111面中。面中。Si腐蝕后,顯露的腐蝕后,顯露的OSF,繼續(xù),繼續(xù)腐蝕將顯露更多缺陷腐蝕將顯露更多缺陷氧化誘生堆垛層錯(cuò)(氧化誘生堆垛層錯(cuò)(OSF)第八次課主要問(wèn)題:第八次課主要問(wèn)題:若氧化時(shí)間極短,氧化速率服從什么規(guī)律;若氧化時(shí)間極短,氧化速率服從什么規(guī)律;而氧化時(shí)間很長(zhǎng)呢?而氧化時(shí)間很長(zhǎng)呢?影響氧化速率的主要因素有哪幾個(gè)?哪個(gè)影影響氧化速率的主要因素有哪幾個(gè)?哪個(gè)影響最大?響最大?熱氧化過(guò)程中雜質(zhì)再
33、分布由幾方面因素引起熱氧化過(guò)程中雜質(zhì)再分布由幾方面因素引起? ?薄層氧化與薄層氧化與D-GD-G模型是否吻合?模型是否吻合?熱氧化后在界面硅一側(cè)會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)構(gòu)問(wèn)題熱氧化后在界面硅一側(cè)會(huì)出現(xiàn)什么結(jié)構(gòu)問(wèn)題?543 3、氧化層中的電荷、氧化層中的電荷 55* * * * * * * * * *界面陷阱電荷界面陷阱電荷 QitSiO2Si+ + + + + + + + + +氧化層固定電荷氧化層固定電荷 Qf氧化層陷阱電荷氧化層陷阱電荷 Qot+ + + + - - - - - 可動(dòng)離子電荷可動(dòng)離子電荷 QmK+Na+1)可動(dòng)離子電荷()可動(dòng)離子電荷(Qm )可動(dòng)離子電荷(可動(dòng)離子電荷(Qm)-在二氧
34、化硅中都是網(wǎng)在二氧化硅中都是網(wǎng)絡(luò)改變者存在、荷正電的堿金屬離子雜質(zhì),主絡(luò)改變者存在、荷正電的堿金屬離子雜質(zhì),主要是要是Na+、K+、H+ 等。等。其中主要是其中主要是Na+。在人體與環(huán)境中大量存在。在人體與環(huán)境中大量存在Na+,熱氧化時(shí)容易發(fā)生,熱氧化時(shí)容易發(fā)生Na+沾污。沾污。降低方法降低方法 加強(qiáng)工藝衛(wèi)生,避免加強(qiáng)工藝衛(wèi)生,避免Na+沾污;也沾污;也可采用摻氯氧化,固定可采用摻氯氧化,固定Na+離子;高純?cè)噭?。離子;高純?cè)噭?6偏溫實(shí)驗(yàn)(偏溫實(shí)驗(yàn)(BTBT)對(duì)對(duì)MOS電容進(jìn)行電容進(jìn)行C-V測(cè)試;測(cè)試;在柵極上加約在柵極上加約1MV/cm的正向(反向)偏壓,的正向(反向)偏壓,同時(shí)加熱到同
35、時(shí)加熱到200-300,l0-30min,確??蓜?dòng)離,確保可動(dòng)離子都到達(dá)子都到達(dá)SiO2/Si界面;界面;保持偏壓冷卻至室溫,保持偏壓冷卻至室溫,再測(cè)再測(cè)C-V 。V=Nm/qCox57+V2)固定離子)固定離子Qf(電荷)(電荷)固定離子電荷固定離子電荷Qf -主要是氧空位,不隨表面勢(shì)和主要是氧空位,不隨表面勢(shì)和時(shí)間的變化而變化時(shí)間的變化而變化存在機(jī)理存在機(jī)理-一般認(rèn)為固定電荷與界面一個(gè)很薄的一般認(rèn)為固定電荷與界面一個(gè)很薄的(約(約30)過(guò)渡區(qū)有關(guān),過(guò)渡區(qū)有過(guò)剩的硅離子,)過(guò)渡區(qū)有關(guān),過(guò)渡區(qū)有過(guò)剩的硅離子,過(guò)剩的硅在氧化過(guò)程中與晶格脫開(kāi),但未與氧完過(guò)剩的硅在氧化過(guò)程中與晶格脫開(kāi),但未與氧完全
36、反應(yīng)。全反應(yīng)。降低方法:降低方法:干氧氧化空位最少,水汽氧化氧空位最多。熱氧化時(shí),干氧氧化空位最少,水汽氧化氧空位最多。熱氧化時(shí),首先采用干氧氧化方法可以減小這一現(xiàn)象。首先采用干氧氧化方法可以減小這一現(xiàn)象。氧化后,高溫惰性氣體中退火也能降低固定電荷。氧化后,高溫惰性氣體中退火也能降低固定電荷。583)界面陷阱電荷)界面陷阱電荷Qit界面態(tài)(界面陷阱電荷)界面態(tài)(界面陷阱電荷)Qit是能量處于硅禁帶中、是能量處于硅禁帶中、可以與價(jià)帶或?qū)Ы粨Q可以與價(jià)帶或?qū)Ы粨Q電荷的陷阱能級(jí)或電荷電荷的陷阱能級(jí)或電荷狀態(tài)。狀態(tài)。與襯底晶向、氧化條件與襯底晶向、氧化條件和退火條件密切有關(guān)。和退火條件密切有關(guān)。 (
37、111) (111) 最高,最高,(100) (100) 最最低。低。降低方法降低方法-在金屬化在金屬化后退火(后退火(PMAPMA);低溫、);低溫、惰性氣體退火可降低惰性氣體退火可降低。594)氧化層陷阱電荷)氧化層陷阱電荷Qot存在于存在于SiOSiO2 2中和中和Si-SiOSi-SiO2 2界面附近,陷阱界面附近,陷阱俘獲電子或空穴后分別荷負(fù)電或正電。俘獲電子或空穴后分別荷負(fù)電或正電。產(chǎn)生方式主要有電離輻射和熱電子注入。產(chǎn)生方式主要有電離輻射和熱電子注入。降低方法降低方法-選擇適當(dāng)?shù)难趸に嚄l件;選擇適當(dāng)?shù)难趸に嚄l件;在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火;采用對(duì)輻在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火;采用
38、對(duì)輻照不靈敏的鈍化層可降低。照不靈敏的鈍化層可降低。604 4、熱應(yīng)力、熱應(yīng)力SiOSiO2 2與與SiSi的熱膨脹系數(shù)不同,在結(jié)束氧化退的熱膨脹系數(shù)不同,在結(jié)束氧化退出高溫過(guò)程后,會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力出高溫過(guò)程后,會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力 SiSi:2.62.61010-6-6 K K-1-1,SiOSiO2 2:5 51010-7-7 K K-1-1 在加熱或冷卻過(guò)程中要使硅片受熱均勻,同在加熱或冷卻過(guò)程中要使硅片受熱均勻,同時(shí),升溫和降溫速率不能太大。時(shí),升溫和降溫速率不能太大。 614.64.6 其它熱氧化方法其它熱氧化方法 ICIC進(jìn)步對(duì)熱氧化工藝不斷提出新要求:進(jìn)步對(duì)熱氧化工藝不斷提出新要
39、求:降低工藝溫度;提高氧化層質(zhì)量。因此熱氧降低工藝溫度;提高氧化層質(zhì)量。因此熱氧化技術(shù)不斷發(fā)展化技術(shù)不斷發(fā)展4.6.14.6.1 摻氯氧化摻氯氧化4.6.24.6.2 高壓氧化高壓氧化624.6.1 4.6.1 摻氯氧化摻氯氧化鈍化可動(dòng)離子,尤其是鈉離子;鈍化可動(dòng)離子,尤其是鈉離子;減少減少SiOSiO2 2中缺陷,提高了氧化層的抗擊穿能力;中缺陷,提高了氧化層的抗擊穿能力;降低了界面態(tài)密度和表面固定電荷密度;降低了界面態(tài)密度和表面固定電荷密度;減少了氧化導(dǎo)致的減少了氧化導(dǎo)致的堆垛層錯(cuò)堆垛層錯(cuò),增加了氧化層下面,增加了氧化層下面硅中少數(shù)載流子的壽命。硅中少數(shù)載流子的壽命。氯氣有毒,對(duì)管路有腐蝕
40、,氯氣有毒,對(duì)管路有腐蝕,HClHCl對(duì)硅有腐蝕。對(duì)硅有腐蝕。63氯的摻入可改善氯的摻入可改善SiO2 層和層和 SiO2 /Si界面的性質(zhì)界面的性質(zhì)4.6.24.6.2 高壓氧化高壓氧化 氧化劑的壓力在幾個(gè)到幾百個(gè)大氣壓之間的氧化劑的壓力在幾個(gè)到幾百個(gè)大氣壓之間的熱氧化稱高壓熱氧化。熱氧化稱高壓熱氧化。 高壓熱氧化的主要特點(diǎn)是氧化速率快,反應(yīng)高壓熱氧化的主要特點(diǎn)是氧化速率快,反應(yīng)溫度低(常用溫度為溫度低(常用溫度為650650950950,仍可保持,仍可保持高的氧化速率),減小了雜質(zhì)的再分布和高的氧化速率),減小了雜質(zhì)的再分布和pnpn結(jié)的位移,又可抑制氧化過(guò)程的誘生缺陷、結(jié)的位移,又可抑制氧化過(guò)程的誘生缺陷、應(yīng)力和雜質(zhì)再分布效應(yīng)。應(yīng)力和雜質(zhì)再分布效應(yīng)。 64SiO2 生長(zhǎng)方法特點(diǎn)主要用途1熱生長(zhǎng)設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便,SiO2 薄膜較致密。采用濕氧干氧交替方法,可獲得既厚又較致密的層。缺點(diǎn):氧化需在高溫(10001200下進(jìn)行,容易引起P-N結(jié)特性退化。廣泛用于硅外延平面晶體管、雙極型集成電路、MOS集成電路生產(chǎn),作為選擇擴(kuò)散的掩蔽膜,作為器件表面和P-N結(jié)的鈍化膜以及集成電路的隔
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