集成電路工藝chap

1、第十章 氧 化硅熱氧化110.1 前 言硅的自然氧化：自然氧化層很薄，即使長時間暴露在室溫下，厚度也僅為40埃左右。自然氧化膜通常不均勻，在半導體工藝中常被認為是一種污染物。硅的熱氧化：通過將硅片放在高溫（通常 750 1100 ）的氧氣或水汽氣氛下，使其表面生長一層氧化層（SiO2）的工藝過程。熱氧化形成的二氧化硅（SiO2）是一種絕緣介質(zhì)材料、不導電，并且SiO2熱膨脹系數(shù)接近Si，能緊緊的依附在硅片表面。210.1 前 言與其它集成電路工藝結合在一起，氧化層可用于器件隔離、選擇性摻雜的掩蔽層、應力消除，柵氧、表面鈍化等。硅片表面熱生長一層高質(zhì)量氧化層的能力是硅基集成電路制造的工藝基礎之一

2、。也是硅集成電路取代鍺成為主流集成電路的主要原因之一。3測試/揀選注入擴散刻蝕拋光光刻完成的硅片無圖形的硅片硅片起始薄膜硅片制造前端10.1 前 言(氧化)410.2 氧化膜5SiliconOxygen10.2 氧化膜性質(zhì)分為結晶形和無定形兩類：結晶形：Si O四面體在空間規(guī)則排列而成，如石英、水晶；無定形：Si - O四面體在空間無規(guī)則排列而成，如熱生長SiO2、淀積SiO2 等。無定形SiO2中硅原子要運動須打斷四個Si - O鍵，而氧原子的運動最多打斷兩個Si - O鍵，因此氧空位的出現(xiàn)易于硅空位。氧化的過程均是含氧的氧化劑穿過SiO2 層到達Si- SiO2界面與Si反應生成SiO2。

3、二氧化硅的原子結構Atomic Structure of Silicon Dioxide6物理性質(zhì)性質(zhì)SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁帶寬度（eV）1.12 8介電常數(shù)11.73.9熔點（）14171732熱導率（W/cm.k）1.50.01擊穿電場（V/cm）310561010610.2 氧化膜性質(zhì)710.2 氧化膜性質(zhì)二氧化硅的化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅被HF 酸腐蝕化學性質(zhì)SiO2 + 4HF - SiF4 + 2H2OSiF4 + 2HF - H2 (SiF6)二氧化硅腐蝕的速率與HF 酸的濃度、溫度、二氧化硅的質(zhì)量和所含雜質(zhì)等情況有關。810.2 氧化膜用途保護和隔離 器件

4、保護：SiO2堅硬和無孔。作為有效阻擋層，隔離和保護硅內(nèi)的靈敏器件； 電隔離方式：LOCOS工藝（熱生長厚SiO2）；0.25 m工藝技術以下，用STI淺槽隔離技術。9氮氧化硅，Silicon oxynitride氮化硅掩蔽氧化Nitride oxidation mask 鳥嘴區(qū)，Birds beak region選擇性氧化Selective oxidation墊氧化層Pad oxideSilicon substrateSilicon dioxide10.2 氧化膜用途保護和隔離LOCOS隔離1010.2 氧化膜用途表面鈍化 通過束縛硅的懸掛鍵，降低表面態(tài)密度； 防止電性能的退化，減少由潮濕、

5、離子或其他外部沾污物引起的漏電流通路； 必須有足夠厚的氧化層防止在硅表面電荷積累引起的金屬層充電。場氧化層厚度： 2500-15000 。11Gate Oxide Dielectric10.2 氧化膜用途柵氧電介質(zhì)典型柵氧厚度：0.18m 201.5 MOS技術中最重要的柵氧介質(zhì)：極薄的氧化層； 柵氧具有：高質(zhì)量、極好膜厚均勻性、無雜質(zhì)； 采用high-K介質(zhì)替代柵氧化層，增加柵氧介質(zhì)厚度。12Oxide Layer Dopant BarrierPhosphorus implantp+ Silicon substratep- Epitaxial layerBarrier Oxiden-well

6、10.2 氧化膜用途摻雜阻擋 保護硅表面，避免雜質(zhì)擴散，實現(xiàn)選擇性雜質(zhì)注入； 與Si相比，摻雜物在SiO2里的移動緩慢，只需薄氧化層； 磷、硼、砷、銻等雜質(zhì)在SiO2中擴散慢，而Al、Ga等相反，在SiO2快，不能用SiO2作掩蔽層。13Implant screen oxide10.2 氧化膜用途注入屏蔽 用于減小注入引起的溝道效應和表面損傷。Ion implantationScreen oxide 硅上表面大的損傷+更強的溝道效應p+ Silicon substrate 硅上表面小的損傷+更弱的溝道效應 厚：離子阻擋； ?。鹤⑷氪┩?，不損傷Si表面。1410.2 氧化膜用途金屬間介質(zhì)層 Si

7、O2不導電，是金屬層間有效的絕緣體，防止短路； 通常用化學氣相淀積CVD方法獲得，不采用熱生長。1510.2 氧化膜用途小結目的: 這種氧化硅是沾污并且通常是不需要的。有時用于存儲器存儲或膜的鈍化 說明：在室溫下生長速率是每小時15 到最大40p+ Silicon substrate二氧化硅自然氧化層16柵氧化層目的: 用做MOS晶體管柵和源漏之間的介質(zhì)。說明：通常柵氧化膜厚度從大約20到幾百。 干熱氧化是優(yōu)選的生長方法Gate oxideTransistor sitep+ Silicon substrateSourceDrainGate10.2 氧化膜用途小結17目的：用做單個晶休管之間的隔

8、離阻擋層，使它們彼此隔離。Comments：通常場氧化膜厚度從2500 到15000 。濕氧氧化是優(yōu)選的生長方法.Field oxide晶體管位置p+ Silicon substrate10.2 氧化膜用途小結場氧化層18 阻擋層氧化目的：保護有源器件和硅免受后續(xù)工藝的影響.說明：熱生長幾百埃的厚度阻擋氧化層Diffused resistorsMetalp+ Silicon substrate10.2 氧化膜用途小結19摻雜阻擋層目的：作為摻雜或注入雜質(zhì)到硅片中的掩蔽材料說明：通過選擇性擴散，摻雜物擴散到硅片未被掩蔽的區(qū)域。摻雜阻擋側墻Ion implantationGate側墻保護窄溝道免遭

9、高能注入10.2 氧化膜用途小結20目的：減小氮化硅(Si3N4)應力。說明：熱生長并非常薄。墊氧化層10.2 氧化膜用途小結21注入屏蔽氧化層目的：用于減小注入溝道和損傷.說明：熱生長Ion implantationScreen oxide 硅上表面大的損傷+更強的溝道效應p+ Silicon substrate 硅上表面小的損傷+更弱的溝道效應10.2 氧化膜用途小結22金屬層間絕緣阻擋層目的：用做金屬連線間的保護層。說明：這種氧化硅不是熱生長的，而是淀積的。10.2 氧化膜用途小結23各種要求下的氧化物厚度范圍10.2 氧化膜用途小結2410.3 熱氧化生長2510.3 熱氧化生長化學反

10、應 氧化的化學反應 干氧：Si（固） O2（氣） SiO2(固) 水汽氧化：Si （固） H2O （水汽） SiO2（固）+ H2 （氣）濕氧：氧氣攜帶水汽，故既有Si與氧氣反應，又有與水汽反應。2610.3 熱氧化生長化學反應干氧氧化：Si（固） O2（氣） SiO2(固) 氧化溫度通常在750一1100之間，而且在不同的氧化工藝步驟中是可變的。 在任一反應里，爐溫都是精確控制的。氧化速度慢，氧化層干燥、致密，均勻性、重復性好，與光刻膠的粘附性好。干氧氧化時間Dry Oxidation Time (Minutes)Oxide thickness (mm)(100) SiliconTime (

11、minutes)101041021030.010.11.010.0700C800C900C1000C1,100C1,200C2710.3 熱氧化生長化學反應水汽氧化：Si （固） H2O （水汽） SiO2（固）+ H2 （氣） 氧化速度快，氧化層疏松，均勻性差，與光刻膠的粘附性差。濕氧氧化：Si （固） H2O （水汽） SiO2（固）+ H2 （氣） 用攜帶水蒸氣的氧氣代替干氧作為氧化氣體。 反應生成的氫分子會束縛在固態(tài)的二氧化硅層內(nèi)，這使得氧化層的密度比干氧要小。氧氣攜帶水汽，故既有Si與氧氣反應，又有與水汽反應。氧化速度、氧化質(zhì)量介于以上兩種方法之間。2810.3 熱氧化生長化學反應濕

12、氧氧化：濕法氧化Wet Oxygen OxidationHClN2O2H2氣體儀表盤Gas panel高溫爐FurnaceBurn boxScrubberExhaust濕氧氧化時間Wet Oxidation Time (Minutes)29干氧和濕氧的比較 1. 生長的反應式不同: Dry Oxidation Si(s)+O2(g)SiO2(s) Wet Oxidation Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g)2. 反應所需溫度不同：濕氧方式稍低于干氧方式3. 生長速度不同: 干氧方式比較慢,一般用于1000以下。4. 膜的質(zhì)量不同: 干氧膜質(zhì)量優(yōu)于濕氧方式。5. 應用的膜層

13、不同: 對MOS來講，干氧方式常用于比較關鍵的Gate Oxide，濕氧方式常用于非關鍵的電學隔離或作為掩膜層。6. 厚的氧化層采用: DryWetDry 的順序。10.3 熱氧化生長化學反應30干氧和濕氧的比較10.3 熱氧化生長化學反應31 根據(jù)器件要求確定氧化方法 高質(zhì)量氧化：干氧氧化或分壓氧化； 厚層的局部氧化或場氧化：干氧（10min）+ 濕氧+干氧(10min)或高壓氧化；(兼顧生長速度、界面特性、氧化層質(zhì)量以及與光刻膠的粘附性） 低表面態(tài)氧化：摻氯氧化、濕氧氧化加摻氯氣氛退火或分壓氧化（ H2O 或O2+N2 或Ar 或He等）。10.3 熱氧化生長化學反應32氧化層厚度與消耗掉

14、的硅厚度的關系10.3 熱氧化生長氧化生長模式33氧化過程對Si的消耗1:0.44Before oxidationt0.56t0.44tAfter oxidation10.3 熱氧化生長氧化生長模式34熱氧化機制生長動力學 1、氧化劑擴散穿過滯留層達到SiO2表面，其流密度為F1 ； 2、氧化劑擴散穿過SiO2 層達到SiO2/Si界面，流密度為F2 ； 3、氧化劑在Si 表面與Si 反應生成SiO2 ，流密度為F3 ； 4、反應的副產(chǎn)物離開界面。10.3 熱氧化生長氧化生長模式35氧化速率：描述氧化物在硅片上生長的快慢1) 氧化初期，SiO2膜厚與時間成正比，稱為線性生長階段 氧化物生長模型

15、是由迪爾（Deal）和格羅夫（Grove）發(fā)展的線性一拋物線性模型； 氧化物由兩個生成階段描述:線性階段和拋物線階段。B/A為線性速率常數(shù)，SiO2生長速率由SiO2/Si表面化學反應速率決定（反應速率控制）。 10.3 熱氧化生長氧化生長模式36氧化速率：描述氧化物在硅片上生長的快慢2）氧化進行一段時間后， t ， t A2 /4B， 為拋物線氧化規(guī)律 (氧化層厚度在150以后開始) X 氧化物厚度，B 拋物線速率系數(shù)，t生長時間.SiO2生長速率由氧擴散過氧化物的速率決定（擴散控制）。濕氧的B大于干氧。（？） 10.3 熱氧化生長氧化生長模式37穿過氧化層的氧擴散SiSiO2O2氧化硅一硅

16、界面氧一氧化硅界面供應到反應表面的氧拋物線階段的氧化物生長比在線性階段慢得多：當氧化層變厚，參與反應的氧擴散必須通過更長的距離才能達到Si/SiO2界面。氧化物生長的拋物線階段被稱為擴散控制。當拋物線速率系數(shù)變大時，氧化物生長的速率也會增大。10.3 熱氧化生長氧化生長模式38在1100干氧氧化生長的線性和拋物線階段100200300400500Oxidation time (minutes)4000200030001000Oxidation thickness Approximate linear region10.3 熱氧化生長氧化生長模式39 影響氧化層生長的因素溫度：T越大，氧化速度越

17、快。雜質(zhì)：水汽：水汽壓越大，氧化速度越快。硼、磷：重摻雜硅氧化比輕摻雜硅快。硅中摻硼濃度增大，B增大，B/A 變化小；硅中摻磷濃度增大，B/A 增大，B 變化小。氯：氧化劑中Cl2、HCl、C2HCl3將增大氧化速度Na：氧化層中高濃度Na+ 將增大B 和B/A( Na+打破Si-O-Si鍵)； 10.3 熱氧化生長氧化生長模式40 晶向 在線性階段，(111)硅單晶的氧化速率將比(100)稍快，但是(111)的電荷堆積要多； 在拋物線階段，拋物線速率系數(shù)B不依賴于硅襯底的晶向。對于(111) 和(100)晶向，氧化生長速率沒有差別。 壓力效應 生長速率將隨著壓力增大而增大； 高壓強迫氧原子更

18、快地穿越正在生長的氧化層，這對線性和拋物線速率系數(shù)的增加很重要。4.3 熱氧化生長氧化生長模式41 等離子增強 一種低溫下提高氧化速率的方法，可在300埃的氧化生長。 300埃時，干氧氧化速度比模型快的多。4.3 熱氧化生長氧化生長模式42SiO2/Si界面的電荷積累OxygenSiliconPositive charge積累SiliconSiO2 距Si/SiO2界面2nm以內(nèi)的Si的不完全氧化是帶正電的固定氧化物電荷區(qū)； 對于器件的正常工作，界面處的電荷堆積是不受歡迎的； 通過在氫氣或氫一氮混合氣中低溫450退火，可以減少這種不可接受的電荷。10.3 熱氧化生長氧化生長模式43氯化物在氧化

19、中的應用 在氧化工藝中用含氯氣體可以中和界面處的電荷堆積，氯離子能擴散進入正電荷層，并形成中性層； 在熱氧化工藝中加入氯化物離子的另一重要優(yōu)點是它們能使氧化速率提升10%一15%； 氯的存在實際上能固定稱為俘獲)來自爐體、工藝原材料和處理的可動離子沾污。10.3 熱氧化生長氧化生長模式44SiO2 層厚度與顏色的關系顏色氧化層厚度（）灰100黃褐300藍800紫10002750465065008500深藍14003000490068008800綠18503300520072009300黃20003700560075009600橙22504000600079009900紅250043506250

20、82001020010.3 熱氧化生長氧化生長模式45選擇性氧化 選擇性氧化是利用SiO2來實現(xiàn)對硅表面相鄰器件間的電隔離。 局部氧化工藝LOCOS（Local oxidation of silicon）工藝；0.25m以上工藝常用 淺槽隔離技術STI（Shallow Trench Isolation）工藝。 0.25m以下工藝常用10.3 熱氧化生長氧化生長模式46LOCOS Process1. Nitride depositionSiliconPad oxide(initial oxide)2. Nitride mask & etchSiliconSiliconNitride3. Loca

21、l oxidation of siliconSiO2 growthSiliconSiO24. Nitride stripSiliconCross section of LOCOS field oxide(Actual growth of oxide is omnidirectional)SiO2NitrideSilicon10.3 熱氧化生長選擇性氧化47Selective Oxidation and Birds Beak Effect氮氧化硅，Silicon oxynitride氮化硅掩蔽氧化Nitride oxidation mask 鳥嘴區(qū)，Birds beak region選擇性氧化S

22、elective oxidation墊氧化層Pad oxideSilicon substrateSilicon dioxide10.3 熱氧化生長LOCOS 普遍采用SiO2/Si3N4覆蓋開窗口，進行局部氧化。問題: 1.存在鳥嘴，氧擴散到Si3N4 膜下面生長SiO2，有效柵寬變窄，增加電容； 2. 缺陷增加。48STI Process-淺槽隔離工藝1. Nitride depositionSiliconPad oxide(initial oxide)2. Trench mask & etchSiliconSiliconNitride3. Sidewall oxidation and tr

23、ench fillOxide over nitrideSilicon4. Oxide planarization (CMP)Silicon5. Nitride stripOxideCross section of shallow trench isolation (STI)SiliconTrench filled with deposited oxideSidewall liner10.3 熱氧化生長選擇性氧化4910.4 高溫爐設備50高溫爐設備Furnace Equipment 臥式爐Horizontal Furnace 立式爐Vertical Furnace 快速退火設備Rapid Th

24、ermal Processor (RTP)10.4 高溫爐設備5110.4 高溫爐設備性能對比性能參數(shù)性能目標臥式爐立式爐常規(guī)裝載硅片數(shù)目小200片/爐100片/爐凈化室占地面積小，節(jié)約空間較大較小并行處理工藝靈活性無工藝中的裝卸舟，可提高產(chǎn)量氣流動力學(GFD)在一致性方面最優(yōu)化較差。氣流分布不均較高的GFD和氣流分布均勻。一致舟旋轉(zhuǎn)，提高膜均勻性理想的狀態(tài)不可能設計很容易包括在內(nèi)硅片溫度梯度相當小大小裝/卸硅片中顆?？刂祁w粒最小化相對差通過上下裝片方式，改善顆?？刂剖⒏鼡Q短時間容易完成涉及更多并且慢更容易和更快，導致停機時間縮短裝載硅片技術自動化自動化困難使用機器人技術使自動化更容易工藝

25、前后爐管氣氛控制控制令人滿愈較難控制極好的控制，真空或中性氣氛52Horizontal Diffusion Furnace10.4 高溫爐設備臥式擴散爐53Vertical Diffusion Furnace10.4 高溫爐設備立式擴散爐 更易自動化，更易安全操作以及減少顆粒沾污； 更好的控制溫度和均勻性； 一次可以加工100200片。54MicrocontrollerHeater 1Heater 2Heater 3PressurecontrollerGas flowcontrollerWafer handlercontrollerBoatloaderExhaustcontrollerTemp

26、eraturecontrollerWafer load/unload systemBoat motor drive systemQuartz boatQuartz process chamberThree-zone heaterGas panelProcess gas cylinderExhaust10.4 高溫爐設備立式爐系統(tǒng)5510.4 高溫爐設備立式爐系統(tǒng) 工藝腔 硅片傳輸系統(tǒng) 氣體分配系統(tǒng) 尾氣系統(tǒng) 溫控系統(tǒng)56Vertical Furnace Process Tube加熱管套Heating jacket石英管-Quartz tube三區(qū)加熱單元Three-zone heating e

27、lements管帽-End cap10.4 高溫爐設備工藝腔 爐管容器石英器皿 可采用SiC材料，但價格昂貴。57加熱單元的變壓器Heater element transformer204 - 480 VAC 3fSCRsSCRsSCRs觸發(fā)電路Trigger circuitZone 1Zone 2Zone 3高溫爐加熱單元Furnace heater elements10.4 高溫爐設備加熱單元加熱單元是纏繞在爐管外部的金屬電阻絲。加熱時，通過加熱區(qū)，它可提供均勻的熱量。58溫度控制高溫爐中的熱電耦Heater 1Heater 2Heater 3熱電偶測量Thermocouple measu

28、rementsTemperaturecontroller側熱電偶ProControl TCsOvertemperature TCsSystem controllerTC10.4 高溫爐設備溫度控制5910.4 高溫爐設備氣體分配系統(tǒng)60O2O2燃燒室過濾器殘渣多余可燃氣體燃燒 來自高溫爐工藝腔的氣體至工廠的尾氣系統(tǒng)濕洗滌器循環(huán)水10.4 高溫爐設備燃燒室6110.4 高溫爐設備快速升溫爐 快速升溫爐能迅速將一批硅片溫度升到加工溫度(上升時間)，減少工藝穩(wěn)定需要的時間，工藝結束后快速冷卻（下降時間）； 快速升溫爐的發(fā)展使得硅片以100/分的升溫速率和60/分的冷卻速率，同時處理100片成為可能。

29、快速升溫爐的主要差別在于其快速升溫元件、特殊的硅片裝載裝置，強迫空氣冷卻以及更好的溫度控制器。快速升溫爐：特點62Thermal Pro Conventional Versus Fast Ramp Vertical Furnace0204060801001201401601800204060801001201401601801200100080060040012001000800600400Time (minutes)Time (minutes)Temperature (C)Temperature (C)Fast RampConventional傳統(tǒng)與快速升溫立式爐的溫度曲線10.4 高溫爐設

30、備快速升溫爐63快速熱處理（RTP）：幾分之一秒內(nèi)將單個硅片加熱到400130010.4 高溫爐設備快速熱處理 減少熱預算Reduced thermal budget硅中的雜質(zhì)運動最小減少沾污，這歸功于冷壁加熱較小的腔體體積，可以達到清潔的氣氛更短的加工時間64立式爐與 RTP的對比10.4 高溫爐設備快速熱處理65快速熱處理器Rapid Thermal ProcessorTemperature controller軸對稱排列的燈陳列Axisymmetric lamp arrayWafer反射板Reflector plate光纖Optical fibers高溫計Pyrometer加熱頭Heater head反饋電壓Feedback voltages設定電壓Setpoint voltages10.4 高溫爐設備快速熱處理器