學(xué)習(xí)-微電子工藝chapter03of

Dr.

Daoli

ZhangOffice:

Room

409

West

Building7Voice:

87542894:z第3章 熱氧化和薄膜

技術(shù)Textbook

and

References目標(biāo)(Objectives)學(xué)完本章之后，你應(yīng)該能夠：列出四種加熱工藝描述集成電路制造的熱工藝描述熱氧化工藝說(shuō)明快速加熱工藝(RTP)的優(yōu)點(diǎn)本工藝與你的工作或產(chǎn)品的相關(guān)性集成電路工藝流程材料設(shè)計(jì)掩模版集成電路生產(chǎn)廠房測(cè)試封裝最后測(cè)試加熱工藝光刻工藝離子注入與光刻膠剝離金屬化化學(xué)機(jī)械拋光電介質(zhì)沉積晶圓刻蝕與光刻膠剝離簡(jiǎn)介硬體設(shè)備氧化擴(kuò)散退火注入后退火合金熱處理回流高溫化學(xué)氣相沉積法(CVD)外延硅沉積多晶硅沉積氮化硅沉積快速加熱工藝(RTP)系統(tǒng)快速加熱退火快速加熱氧化未來(lái)的趨勢(shì)定義熱工藝是在高溫操作的制造程序，其溫度經(jīng)常較鋁的

高加熱工藝通常在高溫爐進(jìn)行，一般稱(chēng)之為擴(kuò)散爐早期的半導(dǎo)體工業(yè)已廣泛的應(yīng)用在擴(kuò)散摻雜的工藝簡(jiǎn)介硅的優(yōu)點(diǎn)高豐量,價(jià)格便宜穩(wěn)定且容易與氧化合早期的集成電路制造，氧化和擴(kuò)散是工藝中的支柱概述在微電子器件中廣泛使用著各種薄膜，這些薄膜可以粗略地分為五大類(lèi)：熱氧化薄膜、電介質(zhì)薄膜、外延薄膜、多晶硅薄膜以及金屬薄膜。其特點(diǎn)是：一、在微電子器件中用途各異，例如：熱氧化薄膜和電介質(zhì)薄膜—導(dǎo)電層之間的絕緣層，擴(kuò)散和離子注入的掩模，防止摻雜雜質(zhì)損失而覆蓋在摻雜膜上的覆蓋膜或鈍化膜；外延薄膜—器件工作區(qū)；多晶硅薄膜—MOS器件中的柵級(jí)材料，多層金屬化的導(dǎo)電材料以及淺結(jié)器件的接觸材料；金屬膜和金屬硅化物薄膜—形成低電阻內(nèi)連、歐姆接觸及用來(lái)調(diào)整金屬與半導(dǎo)體之間的勢(shì)壘。二、用于

薄膜的材料種類(lèi)繁多，例如：硅和砷化鎵等半導(dǎo)體材料；金和鋁等金屬材料；二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、氧化鋁等無(wú)機(jī)絕緣材料；多晶硅和非晶硅等無(wú)機(jī)半絕緣材料；鉬、鎢等難熔金屬硅化物及重?fù)诫s多晶硅等非金屬低阻材料；聚亞酰胺類(lèi)有機(jī)絕緣樹(shù)脂材料等等。正因?yàn)槿绱?，微電子工藝中的薄?方法千差萬(wàn)別，特點(diǎn)各異。薄膜淀積技術(shù)一直在飛速進(jìn)步，發(fā)展出了很多種類(lèi)，已經(jīng)成為一門(mén)獨(dú)立的工藝技術(shù)學(xué)科，相應(yīng)的理論研究非常深入和廣泛，從經(jīng)典的熱力學(xué)理論到建立在原子級(jí)觀測(cè)的成核理論，幾乎涉及到薄膜科學(xué)的每個(gè)方面。Basic

ConceptsSiO2

and

the

Si/SiO2

interface

are

the

principal

reasons

for

silicon’s

dominancein

the

ICindustry.SiO2:Easily

selectively

etched

usinglithography.Masks

most

common

impurities(B,

P,

As,

Sb).Excellent

insulator(

1016

cm,

Eg

9

eV

).High

breakdown

field(107

Vcm

-1

)Excellent

junction

passivation.Stable

bulk

electrical

properties.Stable

and

reproducible

interfacewith

Si.No

other

known

semiconductor/insulator

combination

has

properties

that

approachtheSi/SiO2

interface.Historical

Development

and

Basic

ConceptsOxide

growth

using

O16

and

O18

isotopesidentifies

the

mechanism.Neutral

O2

and

H2O

and/or

OH

are

dominant2species

in

oxidation,

not

atomsor

ions

O,

O-

,

O

-,Volumeof

SiO2

is

30%

larger

thanSi.(1.3)3

~

2.2volume

of

theoxide

cannot

bemodatedin

SiliconOxidation

involves

a

volume

expansion

(≈

2.2X).Especially

in

2D

and

3D

structures,

stress

effects

play

a

dominantrole.水平式爐管熱工藝中一般使用的工具一般稱(chēng)為擴(kuò)散爐石英管 有一陶瓷內(nèi)襯稱(chēng)為蒙浮(muffle)屬于多重管路系統(tǒng)硬件總覽氣體輸送系統(tǒng)工藝爐管排氣裝載系統(tǒng)控制系統(tǒng)水平式爐管的布局圖計(jì)算機(jī)微控器微控器微控器微控器微控器爐管界面電路板排氣界面電路板氣體面板界面電路板裝載站界面電路板真空系統(tǒng)界面電路板高溫爐控制系統(tǒng)功能圖至工藝爐管MFCMFCMFC控制閥調(diào)壓器氣體鋼瓶氣體輸送系統(tǒng)示意圖源氣柜氣體源氧水蒸氣氮?dú)錃怏w控制面板流量控制器流量計(jì)氧化的氧來(lái)源干法氧化---高純度的氧氣水蒸氣氣泡式系統(tǒng)沖洗式系統(tǒng)氫和氧,H2

+O2

H2O氯源,柵極再氧化中抑制可移動(dòng)離子無(wú)水氯化氫,HCl三氯乙烯(TCE),三氯乙烷(TCA)擴(kuò)散源P型摻雜物B2H6,燒焦巧克力和太甜的味道易燃且易爆的N型摻雜物PH3,腐魚(yú)味AsH3,像大蒜的味道易燃且易爆的吹除凈化的氣體N2沉積源做為多晶硅和氮化硅沉基的硅源:硅烷,SiH4,會(huì)自燃,

且易二氯硅烷,SiH2Cl2,極易燃氮化硅沉積的氮源:NH3,刺鼻的,讓人不舒服的味道,具腐蝕性多晶硅沉基的摻雜物B2H6,PH3

和AsH3吹除凈化的氣體N2退火源高純度的氮?dú)?/p>

,大部分的退 藝使用.H2O經(jīng)常做為PSG或BPSG回流工藝十的周?chē)鷼怏w.在淺溝絕緣槽工藝中的未摻雜硅玻璃化學(xué)機(jī)械拋光工藝，氧氣用退 藝中使用.較

級(jí)的氮?dú)馐褂迷陂e置吹除凈化工藝.排氣系統(tǒng)再

前要先移除有害的氣體的,易燃的,易 的,具腐蝕性的氣體.燃燒室移除大部分

的,易燃的,易

的氣體洗滌室用水移除燃燒后的氧化物和具腐蝕性的氣體.處理后的氣體排放到大氣.裝載晶圓,水平式系統(tǒng)到排氣端工藝爐管晶舟承載架工藝氣體晶圓裝載晶圓,垂直式系統(tǒng)晶圓塔架熱工藝對(duì)溫度相當(dāng)?shù)拿舾斜匾木軠囟瓤刂?.5°C,

區(qū)帶0.05%在1000°C溫度控制溫度控制系統(tǒng)熱偶與反應(yīng)管接觸成比例的能帶控制器將功率饋入加

圈加熱功率與設(shè)定點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的差值成比例反應(yīng)室高純度石英高溫穩(wěn)定性適當(dāng)基本的缺點(diǎn)易碎一些金屬離子不能作為鈉的屏障高于1200

°C可能產(chǎn)生冰晶雪花般多晶態(tài)結(jié)構(gòu)水平式高溫爐中心帶區(qū)平坦帶區(qū)距離溫度加

圈石英爐管氣流晶圓工藝反應(yīng)室晶圓塔架加熱器垂直式高溫爐,工藝位置石英爐管電融合

火焰融合兩者可用來(lái)追蹤金屬量火焰融合管產(chǎn)生的組件具有較佳的特性石英管對(duì)沉積高溫爐工藝避免粒子污染物特別重要在生產(chǎn)工廠外面,反應(yīng)室外氫氟酸(HF)

槽每一次移除石英的薄層受限于石英關(guān)的生命期反應(yīng)室在管的

產(chǎn)生等離子體在等離子體中從

NF3

分解離開(kāi)污染物產(chǎn)生氟元素

基碳化硅管優(yōu)點(diǎn)較高的熱穩(wěn)定性較好的金屬離子阻擋缺點(diǎn)比較重比較貴溫度控制向工藝溫度傾斜較低溫時(shí)慢慢的裝載晶圓(閑置溫度,~

800°C)在一個(gè)較短的穩(wěn)定周期之后，使溫度向工藝點(diǎn)傾斜慢速裝載1英吋/分鐘200片六吋晶圓溫度約下降50

°C的熱容量水平高溫爐中心帶區(qū)平坦帶區(qū)距離溫度加

圈石英爐管氣流晶圓包含3~4個(gè)爐管(反應(yīng)室)，每一個(gè)爐管的溫度控制系統(tǒng)分開(kāi)高溫爐晶圓

站晶圓裝載站手動(dòng)晶圓裝載自動(dòng)晶圓裝載氧化工藝自動(dòng)化垂直石英爐工藝管以垂直方向置放較小的占地面積較好的污染物控制較好的晶圓控制較低的 成本和較高的晶圓處理量工藝反應(yīng)室晶圓塔架加熱器較小的占地空間：先進(jìn)生產(chǎn)工廠的無(wú)塵室空間相當(dāng)昂貴；小的占地面積降低建造成本[cost

of

ownership(COO)]較好的污染控制：氣體流動(dòng)從上到下；對(duì)于層氣流的控制有較好的均勻性；粒子大部分落在最上面的晶圓，而不會(huì)掉到

的晶圓較好的晶圓控制：當(dāng)控制較大直徑尺寸的晶圓數(shù)量時(shí)，作用在水平爐管的承載架的力矩也很高；在垂直高溫爐的晶圓塔架則是零力矩硬件概要高溫爐經(jīng)常使用在加熱工藝高溫爐一般包括控制系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)、工藝爐管或反應(yīng)室、晶圓裝載系統(tǒng)和氣體排放系統(tǒng).垂直高溫爐因?yàn)橛休^小的占地面積、較好的污染物控制和較低的 成本因此被廣泛使用.精確的溫度控制和均勻性是加熱工藝主要成功的必要因素.不當(dāng)

硅表面上生成的二氧化硅結(jié)構(gòu)后使用H2SO4:H2O2

溶液在去離子水洗滌,旋干且/或烘干(100到125°C)后，以高壓凈化或浸在加熱的浸泡槽中有機(jī)污染物移除強(qiáng)氧化劑可以移除有機(jī)殘留的污染物.去離子水

后，使用H2SO4:H2O2

或

NH3OH:H2O2溶液在以去離子水洗滌,

旋干 且

/

或

烘干

(100

到

125

°C)后，以高壓凈化或浸在加熱的浸泡槽中氧化前晶圓的粒子移除高純度去離子水或是去離子水HCl:H2O.在去離子水洗滌,

旋干 且

/

或烘干

(100

到

125

°C)后，浸在加熱的浸泡槽中原生氧化層移除強(qiáng)氧化劑可以移除有機(jī)殘留的污染物.去離子水 后，使用H2SO4:H2O2

或NH3OH:H2O2溶液在以去離子水洗滌,

旋干 且

/

或

烘干

(100

到

125

°C)后，以高壓凈化或浸在加熱的浸泡槽中無(wú)機(jī)污染物移除無(wú)線電公司(RCA)的1960年RCA公司的克恩和布?xì)W迪南首先發(fā)展出來(lái)集成電路企業(yè)最常使用的

工藝SC-1–在70

~

80

C將NH4OH:H2O2:H2O按1:1:5到1:2:7的比例混合，移除有機(jī)污染物.SC-2-在70

~

80

C將HCl:H2O2:H2O按1:1:6到1:2:8比例混合，移除無(wú)機(jī)污染物去離子水沖洗HF溶液或是在輕氟酸蒸氣刻蝕機(jī)中移除原生氧化層熱生長(zhǎng)二氧化硅薄膜二氧化硅的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：結(jié)晶形和非結(jié)晶形(無(wú)定形)SiO2都是Si－O正四面體結(jié)構(gòu)組成的。這些四面體通過(guò)各種不同的橋鍵氧原子連接起來(lái)，形成各種不同狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的SiO2。微電子工藝中采用的SiO2薄膜是由熱氧化法生長(zhǎng)的無(wú)定形結(jié)構(gòu)(長(zhǎng)程無(wú)序但短程有序)。①橋鍵氧原子：位于四面體之間，為兩個(gè)硅原子所共有的氧原子稱(chēng)橋鍵氧原子。②非橋鍵氧原子：只與一個(gè)四面體(硅原子)相連的氧原子稱(chēng)非橋鍵氧原子。它還能接受一個(gè)電子以維持八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。橋鍵氧越少，非橋鍵氧越多，二氧化硅網(wǎng)絡(luò)就越疏松。通常的二氧化硅膜的密度約為2.20g/cm3③網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑：網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑即間隙式雜質(zhì)，處于Si—O四面體網(wǎng)絡(luò)空隙中孔洞位置，主要有Na,K,Pb,Ca,Ba等正離子。其特點(diǎn)是離子半徑較大，多以氧化物形式摻入SiO2膜。電離后，雜質(zhì)正離子占據(jù)網(wǎng)絡(luò)空隙位置，而氧離子進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，使得在一個(gè)橋鍵氧處出現(xiàn)兩個(gè)非橋鍵氧。④網(wǎng)絡(luò)形成劑：網(wǎng)絡(luò)形成劑即替位式雜質(zhì)，在Si—O四面體中可取代硅原子并形成網(wǎng)絡(luò)，主要有B,

P,

Sb,等正離子。其特點(diǎn)是離子半徑較與硅原子半徑相近或更小。在無(wú)定形SiO2網(wǎng)絡(luò)中，硅在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)比氧的擴(kuò)散系數(shù)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在熱氧化法 的過(guò)程中，是氧或水汽等氧化劑穿過(guò)SiO2層，到達(dá)Si-

SiO2界面，與硅反應(yīng)生成SiO2，而不是硅向SiO2外表面運(yùn)動(dòng)，在表面與氧化劑反應(yīng)生成SiO2Structure

of

Silica

GlassShort

range

order

maintainedAmorphous

materialNon-bridging

oxygen

infused

Silica

(not

presentin

crystalline

SiO2)Network

modifier

---->

QmSi

can

be

replaced

bydeposits.

B,P,As

orSb

=

networkformers.large

compressive

stress

(5*109

dynes/cm2)

exists

in

SiO2.

High

temperature

can

relief

stress

byviscous

flow.Large

difference

in

the

thermal

expansion

coefficients

of

Si

and

SiO2.Silicon

in

tension

→

refer

to

curvaturehydrogen二氧化硅的主要性質(zhì)密度：密度是SiO2致密程度的標(biāo)志。無(wú)定形二氧化硅的密度一般為2.21

g/cm3，結(jié)晶形SiO2的密度為2.65

g/cm3。折射率：折射率是表征SiO2薄膜光學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。不同方法制備的SiO2薄膜由于密度不同，折射率也稍有差別。一般來(lái)說(shuō)，密度大的SiO2薄膜具有較大的折射率。波長(zhǎng)為550

nm時(shí)，

SiO2折射率約為1.46。電阻率：SiO2電阻率高低與

方法及所含雜質(zhì)數(shù)量等因素有關(guān)。高溫干氧氧化 的SiO2

，電阻率高達(dá)1017Ω?cm以上。介電強(qiáng)度：當(dāng)SiO2薄膜被用作絕緣介質(zhì)時(shí)，常用介電強(qiáng)度即用擊穿電壓參數(shù)來(lái)表示耐壓能力。SiO2薄膜的介電強(qiáng)度與致密程度、均勻性、雜質(zhì)含量等因素有關(guān)，一般為106－107

V/cm。介電常數(shù)：介電常數(shù)是表征電容性能的重要參數(shù)。對(duì)于MOS電容器SiO2為SiO220

SiOA

d，其中ε，其電容量與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為：C

的相對(duì)介電常數(shù)，其值為3.9。耐腐蝕性：SiO2膜的化學(xué)穩(wěn)定性極高，不溶于水，除氫氟酸外，和別的酸不起作用。氫氟酸腐蝕原理如下：SiO2

+4HF

SiF4

2H2OSiF4

+2HF

H2SiF6六氟化硅溶于水。利用這一性質(zhì)作為掩蔽膜，微電子工藝中利用HF光刻出IC制造中的各種窗口。SiO2的腐蝕速率與HF的濃度、溫度、SiO2的質(zhì)量以及所含雜質(zhì)數(shù)量等因素有關(guān)。不同方法 的SiO2

，腐蝕速率可能相差很大。SiO2可與強(qiáng)堿發(fā)生極慢的反應(yīng)，生成相應(yīng)硅酸鹽。SiO2

+2NaOH=Na2SiO3+H2OSiO2在高溫下被活潑金屬或非金屬還原：高溫SiO2

+2Mg＝Si+2MgO高溫3SiO2

+2Al＝3Si+2Al2O3SiO2與碳放入電爐內(nèi)加熱到1800℃時(shí)，能生成碳化硅：1800?CSiO+3C

＝

2CO

SiC空氣較少掩蔽性質(zhì)：B、P、As等雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在Si中的擴(kuò)散系數(shù)。SiO2膜要有足夠的厚度。雜質(zhì)在一定的擴(kuò)散時(shí)間、擴(kuò)散溫度下，有一最小厚度。絕緣性質(zhì)：SiO2能帶寬度約9

eV。熱擊穿、電擊穿、混合擊穿：最小擊穿電場(chǎng)(非本征)－－針孔、裂縫、雜質(zhì)。最大擊穿電場(chǎng)(本征)－－厚度、導(dǎo)熱、界面態(tài)電荷等；氧化層越薄、氧化溫度越高，擊穿電場(chǎng)越低。介電常數(shù)3～4(3.9)不同方法的SiO2薄膜的物理參數(shù)氧化方法密度(g/cm3)折射率λ＝546nm電阻率(Ωcm)介電常數(shù)介電強(qiáng)度(108V/cm)干氧2.24-2.271.46-1.4663×1015-2×10163.49濕氧2.18-2.271.435-1.4583.82水汽2-2.21.452-1.4621015-10173.26.8-9高壓氧化2.321.45-1.487-9熱分解淀積2.09-2.151.43-1.45107-108外延淀積2.31.46-1.477×1014-8×10143.545-6二氧化硅層的主要用途二氧化硅對(duì)雜質(zhì)有掩蔽擴(kuò)散作用，能實(shí)現(xiàn)選擇性定域擴(kuò)散摻雜器件表面的保護(hù)和電路的鈍化膜器件的電 (絕緣)作用電容的介電材料作MOS

管的絕緣柵材料多層互連的層間絕緣介質(zhì)緩沖層/熱氧化層1.擴(kuò)散時(shí)的掩蔽層，離子注入的(有時(shí)與光刻膠、Si3N4層一起使用)阻擋層。SiO2對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散起到掩蔽作用，利用這個(gè)性質(zhì)結(jié)合光刻工藝，就可以進(jìn)行選擇性擴(kuò)散。這種掩蔽作用是有條件的。隨著溫度升高擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)，雜質(zhì)也有可能會(huì)擴(kuò)散SiO2膜層，使掩蔽作用失效。因此SiO2起掩蔽作用有兩個(gè)條件(1)厚度足夠；(2)所選雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)要比在硅中的擴(kuò)散系數(shù)小得多。摻雜物二氧化硅二氧化硅硅襯底2.器件和電路的保護(hù)或鈍化膜。在硅片表面生長(zhǎng)一層SiO2膜，可以保護(hù)硅表面和P-N結(jié)的邊緣不受外界影響，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，在制造工藝流程中，防止表面或P-N結(jié)受到機(jī)械損傷和雜質(zhì)玷污，起到了保護(hù)作用。另外，有了這一層SiO2膜，就可以將硅片表面和P-N結(jié)與外界氣氛隔開(kāi)。降低了外界氣氛對(duì)硅的影響，起到鈍化作用。但是，鈍化的前提是膜層的質(zhì)量要好，如果SiO2膜中

鈉離子或針孔，非但不能起到鈍化作用，反而會(huì)造成器件不穩(wěn)定。襯墊氧化層；氧化層；犧牲氧化層；阻擋用氧化層正常薄氧化層厚度(~150?)以保護(hù)受到污染物或過(guò)度的應(yīng)力硅襯底二氧化硅光刻膠光刻膠摻雜離子硅襯底氧化層氧化層USG氮化硅

襯墊氧化層氮化硅

襯墊氧化層USG硅襯底阻擋氧化層硅襯底USG

CMP;USG退火;氮化硅和襯墊氧化層剝離槽溝刻蝕硅襯底槽溝填充STI工藝中的襯墊氧化層和阻擋氧化層襯墊氧化層的應(yīng)用氮化硅硅襯底緩沖氮化硅的高應(yīng)力張力預(yù)防應(yīng)力產(chǎn)生硅的缺陷襯墊氧化層3.某些器件的重要組成部分MOS管的絕緣柵材料：在MOS晶體管中，常以SiO2

膜作為柵極，這是因?yàn)镾iO2

層的電阻率高，介電強(qiáng)度大，幾乎不存在漏電流。但作為絕緣柵要求極高，因?yàn)镾i-SiO2界面十分敏感(指電學(xué)性能)，

SiO2

層質(zhì)量不好，這樣的絕緣柵極就不是良好的半導(dǎo)體器件。電容器的介質(zhì)材料：集成電路中的電容器是以SiO2作介質(zhì)的，因?yàn)镾iO2的介電常數(shù)為3-4，擊穿耐壓較高，電容溫度系數(shù)下，這些性能決定了它是一種優(yōu)質(zhì)的電容器介質(zhì)材料。另外，生長(zhǎng)SiO2方法很簡(jiǎn)單，在集成電路中的電容器都以SiO2來(lái)代替。組件絕緣的應(yīng)用相鄰組件間的電性絕緣全區(qū)覆蓋式氧化層硅的局部氧化(LOCOS)厚的氧化層厚度,通常是3,000到10,000

?硅襯底硅襯底二氧化硅晶圓場(chǎng)氧化氧化物刻蝕活化區(qū)場(chǎng)氧化層硅襯底全面場(chǎng)區(qū)覆蓋氧化工藝硅的局部氧化工藝氮化硅p+p+p+絕緣摻雜p+p+p+絕緣摻雜SiO2襯墊氧化層氮化硅P硅襯底襯墊氧化,氮化硅沉積及圖案化LOCOS氧化氮化硅以及襯墊氧化層剝離鳥(niǎo)嘴SiO2P硅襯底P硅襯底和全區(qū)覆蓋式氧化層比較較好的絕緣效果表面臺(tái)階高度較低側(cè)壁坡度較小缺點(diǎn)表面粗糙鳥(niǎo)嘴被淺溝槽

取代

(STI)硅的局部氧化犧牲氧化層的應(yīng)用N阱區(qū)P阱區(qū)STIUSGN阱區(qū)P阱區(qū)STIUSGP阱區(qū)STIUSGN阱區(qū)柵極氧化層犧牲氧化層剝離犧牲氧化層?xùn)艠O氧化層從硅晶表面移除缺陷犧牲氧化層組件電介質(zhì)的應(yīng)用柵極氧化層:最薄且多大部分是關(guān)鍵層電容電介質(zhì)多晶硅硅襯底n+柵極薄氧化層源極漏極P型硅n+VD

>

0電子VG4.集成電路中的離和介質(zhì)介質(zhì)。集成電路中的

有P-N隔兩種，而介質(zhì) 中的介質(zhì)就是SiO2

。因?yàn)镾iO2介質(zhì)

的漏電流很小，島與島之間的電壓較大，寄生電容較小。因此，用SiO2作介質(zhì)的集成電路的開(kāi)關(guān)速度較好。用于電極引線和硅器件之間的絕緣介質(zhì)。在集成電路中，電極引線和器件之間，往往有一種絕緣材料，工藝上大多采用SiO2作為這一層絕緣材料，使得器件之間、電極引線之間絕緣。多層互連的層間絕緣介質(zhì)(ILD／IMD)。相鄰金屬層之間電連接的絕緣材料。金屬線傳導(dǎo)信號(hào)，介質(zhì)層則保證信號(hào)不受金屬線影響。通常采用CVD方法。緩沖層/熱氧化層。當(dāng)?shù)柚苯映练e在硅襯底上時(shí)，界面存在極大應(yīng)力和界面態(tài)密度，多采用

Si3N4/SiO2/Si結(jié)構(gòu)。場(chǎng)氧化時(shí)，SiO2會(huì)有軟化現(xiàn)象，可消除氮化硅與襯底之間的應(yīng)力。通常采用熱氧化生成，厚度很薄。氧化層名稱(chēng)厚度應(yīng)用應(yīng)用的時(shí)間原生氧化層

15

-

20

?

不必要的

-氧化層

~

200

?

注入

1970年代中期至今遮蔽氧化層

~

5000

?

擴(kuò)散

1960年代到1970年代中期場(chǎng)區(qū)及局部氧化層

3000

-

5000

?

絕緣

年代到 年代襯墊氧化層

-

200

?

氮化硅應(yīng)力緩沖層

1960年代至今

犧牲氧化層

<1000?

缺陷移除

1970年代至今

柵極氧化層

30

-

120

?

柵極電介質(zhì)

1960年代至今

阻擋氧化層

100

-

200

?

淺溝槽

1980年代至今氧化層的應(yīng)用二氧化硅的硅表面形成SiO2的方法很多：熱氧化、熱分解淀積、濺射、蒸發(fā)等。由于熱氧化的氧化反應(yīng)發(fā)生在Si-SiO2交界面，接觸到的雜質(zhì)、污染比較少，形成的SiO2質(zhì)量也就較高，所以，多采用熱氧化法生長(zhǎng)氧化膜。熱氧化法包括干氧、水氧和濕氧三種方法，通常采用干濕干的氧化模式。(1)干氧氧化干氧氧化是在高溫下，氧分子與硅直接反應(yīng)生成SiO2，反應(yīng)為：Si（固體）

O（2

氣體）

SiO2氧化溫度約為1000～1200℃，為了防止外部氣體對(duì)氧化的影響，爐內(nèi)的氣壓要高于爐外的氣壓。干氧生長(zhǎng)的氧化膜表面干燥、結(jié)構(gòu)致密，光刻時(shí)與光刻

膠接觸良好、不易產(chǎn)生浮膠，但氧化速率極慢，這是由于O2

在SiO2中擴(kuò)散系數(shù)通常小于H2O

在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)。適用：較薄的氧化層的生長(zhǎng)，例如MOS器件的柵極。往工藝管MFCMFCMFC控制閥調(diào)壓閥工藝氮?dú)獯党齼艋獨(dú)釵2HClMFC干氧氧化系統(tǒng)示意圖柵極氧化層的步驟閑置時(shí)通入吹除凈化氮?dú)鈿饬鏖e置時(shí)通入工藝氮?dú)鈿饬髟诠に嚨獨(dú)鈿饬飨掳丫е弁迫霠t管在工藝氮?dú)鈿饬飨律邷囟仍诠に嚨獨(dú)鈿饬飨路€(wěn)定溫度關(guān)閉氮?dú)鈿饬?，通入氧化工藝用的氧氣和氯化氫關(guān)閉氧氣開(kāi)始通入氮?dú)?，進(jìn)行氧化物退火在工藝氮?dú)鈿饬飨麻_(kāi)始降溫在工藝氮?dú)鈿饬飨聦⒕е劾鲩e置時(shí)通入吹除凈化氮?dú)鈿饬鲗?duì)下一批晶舟重復(fù)上述工藝閑置狀態(tài)下通入吹除凈化氮?dú)鈿饬鲬腋℃I引起的界面狀態(tài)電荷SiO2+++++懸浮鍵Si-SiO2界面界面狀態(tài)電荷(正極)Si水汽氧化水汽氧化是指在高溫下，硅與高純水蒸汽反應(yīng)生成SiO2膜，反應(yīng)式為：Si

2H

2O

SiO2

2H

2

對(duì)高純水加熱產(chǎn)生高純水蒸氣，水汽進(jìn)入氧化爐與硅片反應(yīng)生成SiO2膜。水汽氧化氧化速率較快，但膜層不致密，質(zhì)量很差，特別是對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用較差，所以這種方法基本不采用。原理：Si

+

2H2O

→

SiO2

+

2H2>1000度水蒸氣源煮沸式氣泡式?jīng)_洗式氫氧燃燒式MFC工藝爐管蒸氣氣泡水加熱器加熱的氣體管路加熱的前段管路排氣煮沸式系統(tǒng)加熱器MFC工藝爐管氮?dú)獾獨(dú)鈿馀菁訜岬臍怏w管路排氣N2

+

H2O水氣泡式系統(tǒng)MFC工藝爐管N2水熱平板加熱器沖洗式系統(tǒng)O2H2熱偶計(jì)到排氣端氫氣燃燒,2

H2

+

O2

2H2O工藝爐管晶舟承載架氫氧燃燒蒸氣系統(tǒng)氫氧燃燒蒸氣系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)全氣體系統(tǒng)可以準(zhǔn)確的控制氣流的流量缺點(diǎn)必須使用易燃且易爆的氫氣典型的H2:O2

比例介于 1.8:1

到

1.9:1.燃燒蒸氣濕氧氧化系統(tǒng)MFCMFCMFC控制閥調(diào)壓器工藝氮?dú)獯党齼艋獨(dú)釵2H2MFC洗滌室排氣工藝爐管晶圓燃燒室濕氧氧化濕氧氧化中，用攜帶水蒸氣的氧氣代替干氧。氧化劑是氧氣和水的混合物，反應(yīng)過(guò)程如下：氧氣通過(guò)

95℃的高純水；氧氣攜帶水汽一起進(jìn)入氧化爐在高溫下與硅反應(yīng)。濕氧氧化相當(dāng)于干氧氧化和水汽氧化的綜合，其速率也介于兩者之間。具體的氧化速率取決于氧氣的流量水汽的含量。氧氣流量越大，水溫越高，則水汽含量越大，氧化膜的生長(zhǎng)速率和質(zhì)量越接近于水汽氧化的情況反之，就越接近于干氧氧化。一般濕氧氧化是由攜帶氣體通過(guò)水浴后，含有水汽的氧氣進(jìn)入石英管對(duì)硅片進(jìn)行氧化，而水汽的多少由水浴的溫度控制，同時(shí)水浴的質(zhì)量也將影響氧化層質(zhì)量的好壞。一種新的濕氧氧化方法，它是依靠高純的氫氣和氧氣在石英管中按比例混合燃燒成水，氫和氧的比例為2:1時(shí)為水汽氧化，小于這比例為濕氧氧化，當(dāng)氫氣為零時(shí)，為干氧氧化。濕氧氧化工藝步驟閑置時(shí)通入吹除凈化氮?dú)鈿饬鏖e置時(shí)通入工藝氮?dú)鈿饬魍ㄈ牍に嚨獨(dú)鈿饬饕约按罅康难鯕馔ㄈ牍に嚨獨(dú)鈿饬骱脱鯕猓喊丫е弁迫霠t管通入工藝氮?dú)鈿饬骱脱鯕猓洪_(kāi)始升高溫度通入工藝氮?dú)鈿饬骱脱鯕猓悍€(wěn)定爐管溫度

注入大量氧氣并關(guān)掉氮?dú)鈿饬鞣€(wěn)定氧氣氣流打開(kāi)氫氣流并將之點(diǎn)燃；穩(wěn)定氫氣氣流利用氧氣和氫氣氣流進(jìn)行蒸氣氧化反應(yīng)關(guān)閉氫氣，氧氣氣流繼續(xù)通入關(guān)閉氧氣，開(kāi)始通入工藝氮?dú)鈿饬髟诠に嚨獨(dú)鈿饬飨麻_(kāi)始降溫在工藝氮?dú)鈿饬飨聦⒕е劾鲩e置時(shí)通入工藝氮?dú)鈿饬鲗?duì)下一批晶舟重復(fù)上述工藝閑置時(shí)通入吹除凈化氮?dú)鈿饬魅N氧化方法的比較速度均勻重復(fù)性結(jié)構(gòu)掩蔽性 水溫干氧：

慢好致密好濕氧：

快較好中基本滿(mǎn)足

95℃水汽：最快差疏松較差

102℃干氧氧化速度慢，氧化層結(jié)構(gòu)致密，表面是非極性的硅-氧烷結(jié)構(gòu)。所以與光刻膠粘附性好，不易產(chǎn)生浮膠現(xiàn)象。水汽氧化的速度快，但氧化層結(jié)構(gòu)疏松，質(zhì)量不如干氧氧化的好，特別是氧化層表面是硅烷醇，存在的羥基極易吸附水，極性的水不易粘潤(rùn)非極性的光刻膠，所以氧化層表面與光刻膠粘附性差。生產(chǎn)中經(jīng)常采用干氧-濕氧-干氧結(jié)合的方法，綜合了干氧氧化SiO2干燥致密，濕氧氧化速率快的優(yōu)點(diǎn)，并能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使SiO2層的厚度，質(zhì)量合乎要求。高壓水汽氧化高壓氧化方法主要的優(yōu)點(diǎn)是可以比常壓時(shí)用更低的溫度，更少的時(shí)間得到相同的厚度高壓水汽氧化時(shí)，以氮化硅為氧化掩蔽層。這是超大規(guī)模集成電路制造中進(jìn)行等平面工藝的理想方法同時(shí)高壓氧化也同樣與襯底Si材料的晶向有關(guān)硅氧化所需的水汽是由氫氣與氧氣燃燒產(chǎn)生的2X

-SiO

層的厚度;

X

-消耗掉Si的厚度0

2

SiSiO

2Si生長(zhǎng)SiO2的重量＝

SiO2

X

0

A

-SiO

的密度;-Si的密度Si

XSi

A消耗掉的Si重量生長(zhǎng)1μm的氧化層要消耗掉0.46μm厚的Si層，SiO2的體積比消耗掉的硅膨脹一倍Silicon

Consumption

During

Oxidation

(LOCOS)Bird’s

BeakformationStress

attheSi/Si3N4

interfaceSiO2Deposited

PolysiliconSi

SubstrateOriginal

Si

SurfaceVolumeExpansion例題：如果通過(guò)熱氧化生成的SiO2層厚度為x，那么被消耗掉的Si的厚度是多少？已知Si的摩爾質(zhì)量為28.9

g/mol，密度為2.33

g/cm3，SiO2摩爾質(zhì)量為60.08

g/mol，密度為2.21g/cm3。解：1

mol硅的摩爾體積為：Vsi=28.9/2.33=12.06

(cm3/mol)同樣，1

mol

SiO2的摩爾體積為：

VsiO2=60.08/2.21=27.18(cm3/mol)當(dāng)1mol硅轉(zhuǎn)化為1mol二氧化硅時(shí)：Vsi/VsiO2=Adsi/AdsiO2=0.44即：dsi/dsiO2=0.44例如產(chǎn)生100nm的二氧化硅需消耗44

nm的硅。水汽氯化氫氧化(1)作用：減少鈉離子的玷污，抑制氧化垛層錯(cuò)，提高少子

，也就是提高器件的電性能和可靠性。在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。SiO2-Si界面未飽和鍵和氯離子結(jié)合，減少其被雜質(zhì)原子的價(jià)鍵所占據(jù)造成的玷污。在半導(dǎo)體材料中，經(jīng)常存在一些重金屬雜質(zhì)，如銅、金等，另外，在氧化過(guò)程中，也很容易引入這些雜質(zhì)。它們?cè)诎雽?dǎo)體中形成復(fù)合中心，使少子變短，如果界面外有氯離子存在，它能與這些金屬雜質(zhì)發(fā)生作用，生成易揮發(fā)的氯化物而被排除，從而減少?gòu)?fù)合中心。生長(zhǎng)速率可增加1~5%(2)摻氯氧化機(jī)理HCl氧化中的反應(yīng)：4HCl+O2

=2Cl2

+2H2O氯在Si--SiO2界面處以氯－硅－氧復(fù)合體形式存在，它們與氧反應(yīng)，

出氯氣。因電中性作用氯氣對(duì)Na+有吸附作用，將Na+固定在Si

－SiO2界面附近，改善器件特性及可靠性。氯使界面處的硅形成硅空位，吸收本征層錯(cuò)中的過(guò)多的硅原子，減少層錯(cuò)。(3)摻氯氧化膜的負(fù)偏壓不穩(wěn)定性摻氯氧化膜加負(fù)偏壓時(shí)，高溫負(fù)電場(chǎng)會(huì)破壞Si－Si、Si－O鍵，變形或破裂，增加固定氧化物電荷和界面陷阱電荷密度，使C－V曲線向負(fù)方向移動(dòng)。O－

Si+－ClOOO－

Si+

+

Cl

－OO其他常用氧化方法氫氧 氧化氫氧 水----汽化===>水汽氧化比濕氧優(yōu),均勻/重復(fù)性好低溫氧化：缺陷少,(1000℃以下)但鈍化效果差---加

1100℃N2退火高壓氧化：指高壓水汽氧化，高密度、高折射率低腐蝕速率，雜質(zhì)分凝效應(yīng)小。熱分解淀積二氧化硅熱分解淀積是利用硅的化合物熱分解，在襯底上淀積一層SiO2

，襯底本身不參加反應(yīng)，因此淀積溫度比熱生長(zhǎng)SiO2要低得多。作為淀積SiO2的主要化合物是烷氧基硅烷和硅烷。0正硅酸乙脂720-750

C氣態(tài)有機(jī)原子團(tuán)＋SiO

(SiO+C)2硅烷SiH4

在氧氣中熱分解反應(yīng)如下：SiH4

+2O2

—→SiO2

+2H2O,

反應(yīng)溫度一般選在300℃左右熱分解常用的烷氧基硅烷材料名稱(chēng)化學(xué)式分子量沸點(diǎn)(℃)蒸汽分解溫度(℃)最佳分解溫度(℃)四乙氧基硅烷(正硅酸乙脂)Si(OC2H5)4208107728-840750乙基三乙氧基硅烷(C2H5)Si(OC2H5)3192161650-750700戊基三乙氧基硅烷C5H11Si(OC2H5)3234198600-740650苯基三乙氧基硅烷C6H5Si(OC2H5)3240234610-750700二甲基二乙氧基硅烷(CH3)2Si(OC2H5)2148111760-900800熱氧化原理1.生長(zhǎng)機(jī)理：一般認(rèn)為有兩種模式。一是氧或水汽直接穿過(guò)氧表面層上的氧化膜；二是在高溫下，硅原子在

SiO2界面處不斷奪取二氧化硅中的氧，生成新的氧化膜，使得表面處仍是硅與氧進(jìn)行氧化，相當(dāng)于氧原子進(jìn)入硅中，或硅原子逐步擴(kuò)散到表面。持前一觀點(diǎn)的人多。的硅原子產(chǎn)生化Si

+

O2

SiO2氧氣來(lái)自于氣體；硅來(lái)自于硅襯底

氧分子必須擴(kuò)散穿過(guò)氧化層，才能和學(xué)反應(yīng)越厚的薄膜生長(zhǎng)速率越低熱氧化經(jīng)歷步驟：(1)氧化劑從氣體以擴(kuò)散形式穿過(guò)附面層運(yùn)動(dòng)到氣體與SiO2界面；(2)氧化劑以擴(kuò)散方式穿過(guò)SiO2層，到達(dá)SiO2與硅界面；(3)氧化劑在硅表面與硅反應(yīng)生成SiO2

；(4)反應(yīng)副產(chǎn)物離開(kāi)界面。硅的熱氧化存在兩個(gè)極限：其一是當(dāng)氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很小時(shí)，SiO2的生長(zhǎng)速率主要由氧化劑在

SiO2中的擴(kuò)散速度所決定，稱(chēng)為擴(kuò)散控制；其二是如果擴(kuò)散系數(shù)很大，在這種情況下，氧化劑到達(dá)硅和

SiO2界面的速度就快，這時(shí)，SiO2的生長(zhǎng)速率就由硅表面的化學(xué)反應(yīng)速度決定，稱(chēng)為反應(yīng)控制。熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)(Deal-Grove迪爾-模型)SiO2表面內(nèi)側(cè)氧化劑濃度NG

氣體 氧化劑濃度NGS

SiO2表面外側(cè)氧化劑濃度NosNstoxSiO2/Si界面處氧化劑濃度SiO2薄膜的厚度對(duì)溫度700－1300°C，壓力2×104－1.01×105Pa，氧化層厚度30－2000nm范圍內(nèi)的氧氣和水汽氧化，D-G模型都是適用的。F1

hG

NG熱氧化過(guò)程包括幾個(gè)連續(xù)的步驟：1.氧化劑從氣體

以擴(kuò)散形式穿過(guò)滯流層到達(dá)氣體－SiO2界面，流密度為F1。滯流層中的流密度取線性近似，表達(dá)式NG是氣體化劑的濃度，

NGS是貼近SiO2表面上的氧化劑濃度，hG:氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)；F1：氧化劑由氣體傳輸?shù)綒怏w和氧化物界面的粒子流密度，即單位時(shí)間通過(guò)單位面積的原子數(shù)或分子數(shù)。

Ns

2oxox0

dt

tF

D

dN

線性近似

D0

Nos2.氧化劑穿過(guò)SiO2層到達(dá)SiO2－Si界面，流密度為F2。假定在已生長(zhǎng)的氧化層中沒(méi)有氧化劑的源和漏，則氧化劑的濃度呈線性變化。且有：式中，NOS和NO分別表示SiO2層中和SiO2－Si界面處的氧化劑濃度，tox為SiO2層厚度。D0：氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)；F2：氧化劑擴(kuò)散通過(guò)已生成的二氧化硅到達(dá)SiO2/Si界面的擴(kuò)散流密度。Ks：表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；F3：SiO2/Si界面處，氧化劑和硅反應(yīng)生成新的SiO2層的反應(yīng)流密度。4.反應(yīng)副產(chǎn)物離開(kāi)界面熱氧化過(guò)程中，SiO2/Si界面不斷內(nèi)移，這是一個(gè)邊界隨時(shí)間變化的擴(kuò)散問(wèn)題。此時(shí)，可采用準(zhǔn)靜態(tài)近似，即假定所有反應(yīng)立即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這樣變動(dòng)的邊界對(duì)擴(kuò)散過(guò)程的影響可以忽略。F3

ks

Ns3.氧化劑在Si表面與Si反應(yīng)生成SiO2，流密度為F3。應(yīng)速率取決于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。由于SiO2/Si界面有充足的硅供應(yīng)，氧化劑與硅反應(yīng)的速率及流密度將與界面處氧化劑濃度成正比：亨利定律：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?chē)鷼怏w中的分壓。在氣相平衡時(shí)，二氧化硅中氧化劑的濃度NS

應(yīng)與氣體中氧化劑分壓pg成正比，即：

NS

＝Hgpg

，其中Hg為亨利氣體常數(shù)。假設(shè)氧化過(guò)程為平衡過(guò)程，且氧化氣體為理想氣體，則平衡態(tài)下應(yīng)有：

F1

=

F2

=

F3。再經(jīng)過(guò)一系列數(shù) 算，得：Hg

pgSN

1

ks

/

Hg

kstox

/

DSiO22Hg

pg

1

kstox

/DSiO1

ks

/

Hg

kstox

/

DSiO2GSN

時(shí)，NS→0，NGS

→H

pg

g氧化劑以擴(kuò)散方式通過(guò)SiO2層運(yùn)動(dòng)到SiO2－Si界面處的量極少，以至于到達(dá)界面處的氧化劑與硅立即發(fā)生反應(yīng)生成SiO2

，界面處沒(méi)有氧化劑堆積，其濃度趨于零。而在SiO2表面處，氧化劑因擴(kuò)散速度慢而產(chǎn)生堆積，濃度趨向于氣相平衡時(shí)的濃度Hgpg。此時(shí)，熱氧化硅生長(zhǎng)速率主要由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散速度決定，這種極限情況稱(chēng)為擴(kuò)散控制。2s

ox

SiO當(dāng)

k

t

D時(shí)，NS→NGS

→Hgpg/(1+kS/Hg)在這種情況下，進(jìn)入SiO2

中的氧化劑快速擴(kuò)散到SiO2－Si界面。相比之下，界面處氧化劑與硅反應(yīng)生成SiO2的速度很慢，造成氧化劑在界面處堆積，趨近于SiO2

層中的濃度。此時(shí)，SiO2生長(zhǎng)速率由硅表面的化學(xué)反應(yīng)速度決定，這種極限情況稱(chēng)為反應(yīng)控制。氧化劑與硅反應(yīng)，每生長(zhǎng)單位體積SiO2所需氧化劑的分子個(gè)數(shù)用Nl

表示。已知每立方厘米SiO2的分子數(shù)為2.2×1022個(gè)，每生成一分子SiO2需要一個(gè)O2或兩個(gè)H2O。那么，對(duì)氧氣氧化，Nl

為2.2×1022atoms/cm3。對(duì)水汽氧化，Nl為4.4×1022atoms/cm3。此時(shí)，生長(zhǎng)速率為：2當(dāng)kstox

DSiO2R

dtox

F3dt

Nl

kstox

/

DSiOks

Hg

pgNl

1

ks

/

Hg假設(shè)氧化前已存在厚度為t0的氧化層，則此微分方程給出SiO2生長(zhǎng)厚度與時(shí)間的關(guān)系：于是有氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系：2tox

A

t

1

12

A

/

4Btox

Atox

B(t

)2s

gk

Ht

2BA

2D(

1

1

)B

2DHg

PgN1

At

0

0

熱氧化生長(zhǎng)的兩個(gè)階段①

線性階段。當(dāng)(t+τ)<<A2/4B

(B/A線性速率常數(shù))時(shí)有：簡(jiǎn)記為：oxt

=B/AtoxAt

B

(t

)②拋物線階段。當(dāng)(t+τ)>>A2/4B(B拋物線速率常數(shù))時(shí)有(生長(zhǎng)逐漸變慢，直至不可忍受?。?！)氧化層厚度足夠厚，擴(kuò)散速率控制tox

B(t

)簡(jiǎn)記為：tox=(Bt)1/2氧化層厚度足夠薄，反應(yīng)速率控制氧化速率區(qū)域示意圖氧化層厚度線性生長(zhǎng)區(qū)域AX

=

B

t擴(kuò)散限制區(qū)域X

=

B

t氧化時(shí)間B/A被稱(chēng)為線性速率系數(shù)；而B(niǎo)被稱(chēng)為拋物線速率系數(shù)<100>硅干氧氧化反應(yīng)2

4

6

8

10

12

14

16

18

20氧化時(shí)間(小時(shí))1.21.00.80.60.40.20氧化層厚度(微米)1200

°C1150

°C1100

°C1050

°C1000

°C950

°C900

°C<100>硅干氧氧化反應(yīng)<100>硅濕氧氧化反應(yīng)2

4

6

8

10

12

14

16

18

20氧化時(shí)間(小時(shí))3.02.52.01.51.00.50氧化層厚度(微米)1150

°C1100

°C1050

°C1000

°C950

°C900

°C<100>硅濕氧氧化反應(yīng)熱氧化生長(zhǎng)速率SiO2的生長(zhǎng)的快慢將由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散速度以及與

Si反應(yīng)速度中較慢的一個(gè)因素來(lái)決定。即由擴(kuò)散控制和表面化學(xué)反應(yīng)速率來(lái)決定。當(dāng)在氧化物生長(zhǎng)的開(kāi)始階段或氧化時(shí)間很短時(shí)，限制生長(zhǎng)速率的主要因素是表面反應(yīng)，氧化服從線性規(guī)律，氧化層厚度隨時(shí)間線性變化，即此時(shí)SiO2的生長(zhǎng)速率主要由表面化學(xué)反應(yīng)來(lái)決定。當(dāng)氧化層變厚或氧化時(shí)間很長(zhǎng)時(shí)，氧化劑必須通過(guò)氧化層擴(kuò)散，氧化劑與硅的氧化反應(yīng)服從拋物型規(guī)律，此時(shí)

SiO2的生長(zhǎng)速率主要由氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散快慢來(lái)決定。氧化層厚度與氧化時(shí)間的平方根成正比。影響氧化速率的各種因素氧化時(shí)間：氧化時(shí)間短時(shí)，氧化速率與時(shí)間呈線性，氧化速率很快，且由表面化學(xué)反應(yīng)控制，氧化層厚度增加快；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，氧化速率與時(shí)間成拋物線關(guān)系，氧化速率變慢，改為由擴(kuò)散控制，即氧化層加厚的速度變慢。氧化劑分壓：拋物線型速率常數(shù)B以及線性速率常數(shù)B/A與氧化劑分壓都是線性關(guān)系，所以在一定的氧化條件下，通過(guò)改變氧化劑分壓可以達(dá)到改變二氧化硅生長(zhǎng)速率的目的，即所謂的高壓氧化和低壓氧化技術(shù)。氧化溫度：B與B/A與溫度成指數(shù)關(guān)系，且在一個(gè)大氣壓下B/A的值由表面化學(xué)反應(yīng)來(lái)決定，即由表面化學(xué)反應(yīng)快慢決定氧化速率。只有低壓情況氧化速率才由擴(kuò)散控制。氧化速率常數(shù)隨溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系溫度的影響分析N1A

2D(

1

1

)ks

Hg1.

對(duì)于拋物線速率常數(shù)B，溫度的影響是通過(guò)擴(kuò)散系數(shù)D體現(xiàn)的。具體表現(xiàn)在干氧和水汽氧

B

2DHg

Pg化具有不同的激活能，這是因?yàn)楦裳鹾退诠柚械臄U(kuò)散激活能不一樣。2.對(duì)于線性速率常數(shù)B/A，溫度的影響則主要是通過(guò)反應(yīng)速率常數(shù)

Ks體現(xiàn)的。具體表現(xiàn)在干氧和濕氧具有相同的激活能，這是因?yàn)楦裳鹾退趸举|(zhì)上都是硅－硅鍵的斷裂，具有相同的激活能。氧化速率對(duì)溫度具高敏感性(指數(shù)相關(guān))溫度越高，氧化速率越高；溫度越高，氧和硅之間的化學(xué)反應(yīng)速率和氧在二氧化硅的擴(kuò)散速率也都較高.拋物線速率常數(shù)B隨溫度的變化(阿列

曲線)線性速率常數(shù)B/A隨溫度的變化(阿列

曲線)影響氧化速率的其他因素1.硅表面晶向：<111>表面比<100>的表面有較高的氧化速率，表面上有

的硅原子在氧化劑壓力一定的情況下，B與硅襯底晶向無(wú)關(guān)，而(111)面上的B/A比(100)面上的大。隨著氧化溫度升高，晶

B/A影響減小，因?yàn)樵诟邷叵卵趸俾适蹷即擴(kuò)散控制；同樣當(dāng)氧化時(shí)間很長(zhǎng)，氧化層很厚時(shí)，氧化速率受B即擴(kuò)散控制，因此晶面取

B/A也不起作用。濕氧氧化速率1

2氧化時(shí)間(小時(shí))34氧化層厚度(微米)1.81.6

<111>方位1.4

95°C水1.21.00.80.60.40.201200

°C1100

°C1000

°C920

°C2.雜質(zhì)：(1)硅襯底中摻雜P，B對(duì)氧化速率的影響。摻雜濃度增加氧化速率增大，因此在氧化過(guò)程中，同一硅片表面上的重區(qū)域的氧化層厚度可能比輕摻雜區(qū)域的大很多；(2)水汽，鈉。加快氧化速率，使得相同條件下生成的氧化層厚度變大；(3)氯。在氧化氣氛中加入氯可以改善二氧化硅的特性。一般高度摻雜區(qū)域比低度摻雜區(qū)有較高的生長(zhǎng)速率線性階段(薄氧化層)的氧化速率較快N型摻雜物(P,As,Sb)在Si中比在SiO2中有較高的溶解度,當(dāng)SiO2

生長(zhǎng)，他們會(huì)移動(dòng)滲入硅中，像鏟雪機(jī)把雪堆高一樣，稱(chēng)為堆積效應(yīng)硼傾向被吸到SiO2,造成硼濃度匱乏，稱(chēng)為空乏效應(yīng)N型摻質(zhì)的堆積效應(yīng)和P型摻質(zhì)的空乏效應(yīng)SiO2摻雜物濃度Si原始的硅表面Si-SiO2界面原始分布SiO2摻雜物濃度Si原始的硅表面Si-SiO2界面P型摻雜物的空乏現(xiàn)象N型摻雜物的堆積現(xiàn)象空乏效應(yīng)和堆積效應(yīng)氯氣氛的影響分析在氧化氣氛中加入氯可以使SiO2的質(zhì)量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：鈍化可動(dòng)離子，特別是鈉離子；增加硅中少數(shù)載流子的

；減少中的缺陷，提高了抗擊穿能力；降低界面態(tài)密度和固定電荷密度；減少硅中的堆積層錯(cuò)。氯對(duì)氧化速率的影響不均勻的氧化率及氧化步驟經(jīng)過(guò)一些制作工藝后，晶圓表面的條件會(huì)有所不同，有的是場(chǎng)氧化區(qū)，有些是摻雜區(qū)，有些是多晶硅區(qū)等等。每個(gè)區(qū)上面氧化層厚度不同，氧化層厚度的不同被稱(chēng)為不均勻氧化。不同的氧化率導(dǎo)致了在晶圓表面形成臺(tái)階。圖中顯示的是與比較厚的場(chǎng)氧化區(qū)相鄰的氧化區(qū)形成了一個(gè)臺(tái)階，在暴露區(qū)的氧化反應(yīng)較快。硅晶片臺(tái)階硅晶片再氧化之前再氧化之后(a)(b)自然氧化層迪爾－ 模型在薄氧化層范圍內(nèi)不適用。在薄氧化階段，氧化速率非?？?，其氧化機(jī)理至今仍然存在爭(zhēng)議，但可以用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示。由于薄氧化階段的特殊存在，迪爾－ 模型需要用τ來(lái)修正。硅(100)晶面干氧氧化速率與氧化層厚度的關(guān)系薄氧階段的經(jīng)驗(yàn)公式

C

etox

/

L1

C

etox

/

L21

2oxdtox

Bdt

2t

A其中：tox為氧化層厚度；L1和L2是特征距離，C1和C2是比例常數(shù)。硅的氧化系數(shù)溫度(℃)干氧濕氧A(μm)B(μm2/h)τ(h)A(μm)B(μm2/h)8000.370.00119——9200.2350.00491.40.50.20310000.1650.01170.370.2260.28711000.090.0270.0760.110.5112000.040.0450.0270.050.72其中：τ是考慮到自然氧化層的因素，250?左右。有一硅樣品在溫度為1200℃下進(jìn)行干氧氧化1小時(shí)，產(chǎn)生的氧化層厚度是多少？在溫度為1200℃下再進(jìn)行濕氧氧化生成

0.1μm的氧化層需要增加多長(zhǎng)時(shí)間？已知在1200℃下干氧氧化速率常數(shù)A＝0.04

μm，B＝0.045

μm2/h，τ＝0.027h。1200℃下濕氧氧化速率常數(shù)A＝0.05μm，B＝0.72

μm2/h。解：將A、B、τ代入方程

得到氧化層厚度為0.196

μm干氧氧化后再進(jìn)行濕氧氧化，則d0＝0.196

μm，此時(shí)：

τ=(d0

+Ad0)/B=0.067h2最后理想厚度(d0+0.1)＝0.296

μm，得到需增加的氧化時(shí)間為：τ＝0.075h＝4.5min。ox

oxt

2

At

B(t

)計(jì)算在120分鐘內(nèi)，920℃水汽氧化(640Torr)過(guò)程中生長(zhǎng)的二氧化硅層的厚度。假定硅片在初始狀態(tài)時(shí)已有1000埃的氧化層。查表得知，920

o

C時(shí)，A=0.50m，B=0.203m2

/hA2(0.1m)2

+0.5m

0.1m0.203m2

/h

At0==0.295h=0.48m2A

4B(t

)據(jù)公式tox

At

B(t

)有：2ox注意：A

tox，這種情況下不能用近似法。tox

B2

to熱氧化技術(shù)：從氧化反應(yīng)方程式可以看出，氧和硅的反應(yīng)似乎很簡(jiǎn)單，但是要達(dá)到硅技術(shù)中的氧化必須附加條件，那就是加熱，給反應(yīng)過(guò)程足夠的能量是其滿(mǎn)足要求，所以常稱(chēng)之為熱氧化。通常在常壓或高壓條件下生長(zhǎng)。有兩種常壓技術(shù)。熱氧化常壓爐管反應(yīng)爐干氧化濕氧化氣泡發(fā)生器閃光系統(tǒng)干氧化快速熱氧化干氧化高壓爐管反應(yīng)爐化學(xué)氧化干或濕氧化陽(yáng)極氧化電解槽化學(xué)的水平爐管反應(yīng)爐最早使用也一直延續(xù)至今。主要用在氧化、擴(kuò)散、熱處理及各種淀積工藝中。水平爐管反應(yīng)爐的截面圖如下：整個(gè)系統(tǒng)包含反應(yīng)室、溫度控制系統(tǒng)、反應(yīng)爐、氣體柜、站、裝片站等快速升溫反應(yīng)爐隨著晶圓尺寸越來(lái)越大，升溫降溫時(shí)間會(huì)增加，成本也越來(lái)越高。解決這個(gè)問(wèn)題段就是確保最大批量，但這又會(huì)減慢流程。為了解決這個(gè)問(wèn)題，引進(jìn)了快速升溫、小批量生產(chǎn)的反應(yīng)爐，這就是大功率加熱的小型水平爐。通常反應(yīng)爐每分鐘升溫幾度，而快速升溫反應(yīng)爐每分鐘升溫十幾度。小容量的低效率缺陷由快速的反應(yīng)時(shí)間來(lái)補(bǔ)償。快速加熱工藝(RTP)快速加熱工藝主要是用在離子注入后的退火，目的是消除由于注入帶來(lái)的晶格損傷和缺陷。傳統(tǒng)上的退藝由爐管反應(yīng)爐來(lái)完成。但是在退火消除缺陷的同時(shí)又會(huì)帶來(lái)一些其他的

影響，比如，摻雜的再分布。這又是燈型系統(tǒng)石英托盤(pán)工藝氣體鎢燈晶圓干燥壓縮空氣通道工藝氣體進(jìn)氣口不希望發(fā)生的。這就使排氣口得人們?cè)趯ふ移渌耐嘶鸱绞?，這個(gè)方式就是快速加熱工藝。RTP工藝是基于熱輻射原理見(jiàn)門(mén)右圖。循環(huán)水傳感器晶圓感應(yīng)高溫計(jì)縱向鎢燈過(guò)濾器管型高溫計(jì)加熱源(

鎢燈)在晶圓的上面，這樣晶圓就可被快速加熱。熱輻射偶合進(jìn)入晶圓表面并以75℃～125℃的速度到達(dá)工藝溫度，由于加熱時(shí)間很短，晶圓體內(nèi)溫度并未升溫，這在傳統(tǒng)的反應(yīng)爐內(nèi)是不可能實(shí)現(xiàn)的。用這個(gè)工藝進(jìn)行離子注入后的退火，就意味著晶格破壞修復(fù)了，而摻入雜質(zhì)的分布沒(méi)有改變。RTP技術(shù)不只是用在“退

藝”，對(duì)于MOS柵極中薄的氧化層700525350175001020C的生長(zhǎng)是自然而然的選擇，由于器件尺寸越來(lái)越小的趨勢(shì)使得加在晶圓上的每層的厚度越來(lái)越薄，厚度減少最顯著的是柵極氧化層。先進(jìn)的器件要求柵極厚度小于0.01微米。如此薄的氧化層對(duì)于普通的反應(yīng)爐來(lái)說(shuō)，是難以實(shí)現(xiàn)的。而RTP系統(tǒng)快速升溫降溫可以提供所需的控制能力。次微米深度組件的柵極氧化層非常薄的氧化薄膜,<30

?在高溫時(shí)有較佳的溫度控制,晶圓內(nèi)以及晶圓對(duì)晶圓的均勻性.為達(dá)到組件的需求使用快速加熱氧化工藝.快速加熱氧化裝載晶圓升溫1及升溫

2RTOO2流量RTA降溫卸除晶圓溫度HCl流量N2流量時(shí)間快速加熱氧化(RTO)工藝示意圖高壓氧化增加氧化劑分壓提高氧化速率前面已經(jīng)提到，在實(shí)際的工藝過(guò)程中增加氧化劑分壓來(lái)提高氧化速率，或者降低氧化溫度而保持同樣的氧化速率都是經(jīng)常采用方法。因?yàn)闇囟仍礁邥r(shí)間越長(zhǎng)越會(huì)引起其它影響，比如，晶圓表面層中“錯(cuò)位”和溫度及高溫下的時(shí)間密切相關(guān)，而這種錯(cuò)位對(duì)器件特性是很不利的。和普通水 應(yīng)爐相似，不同的是爐管是密封的，氧化劑被用10~25倍大氣壓的壓力泵入爐管。在這種壓力下，氧化溫度可降到300~700℃而又能保證正常的氧化速率。在這種溫度下晶圓的錯(cuò)位生長(zhǎng)可降到最小。高壓氧化也是MOS柵極氧化的優(yōu)選工藝之一，因?yàn)楦邏貉趸猩傻臇艠O氧化層比常壓下生成的絕緣性要強(qiáng)。高壓氧化工藝還可以解決在局部氧化(LOCOS)中產(chǎn)生的“鳥(niǎo)嘴”效應(yīng)問(wèn)題。在氧化時(shí)，當(dāng)O2擴(kuò)散穿越已生長(zhǎng)的氧化物是，他是在各個(gè)方向上擴(kuò)散的，縱向擴(kuò)散的同時(shí)也橫向擴(kuò)散，這意味著在氮化物掩膜下有著輕微的側(cè)面氧化生長(zhǎng)。由于氧化層比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生長(zhǎng)將抬高氮化物的邊沿，稱(chēng)之為“鳥(niǎo)嘴效應(yīng)”。高壓氧化較快的生長(zhǎng)速率降低氧化的溫度:1大氣壓.=–30

°C較高的電介質(zhì)強(qiáng)度復(fù)雜系統(tǒng)安全爭(zhēng)點(diǎn)先進(jìn)半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠并不愛(ài)用高壓氧化技術(shù)高壓氧化時(shí)間壓力溫度5小時(shí)1大氣壓1000°C10大氣壓700°C在五小時(shí)內(nèi)生長(zhǎng)10,000

?厚的濕氧氧化層的氧化溫度生長(zhǎng)10,000

?厚的濕氧氧化層的氧化時(shí)間溫度壓力時(shí)間1000°C1大氣壓5小時(shí)5大氣壓1小時(shí)25大氣壓12分鐘高壓氧化系統(tǒng)示意圖不銹鋼套管高壓惰性氣體高壓氧化物氣體石英工藝反應(yīng)室決定雜質(zhì)再分布的主要因素(1)雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象；(2)雜質(zhì)通過(guò)SiO2表面逸散；(3)氧化層的產(chǎn)生；(4)雜質(zhì)在SiO2的擴(kuò)散速度1.分凝現(xiàn)象：硅在熱氧化時(shí)所形成的界面隨著熱氧化的進(jìn)行不斷向硅中推進(jìn)，原存在硅中的雜質(zhì)將在界面兩邊再分布，直到達(dá)到在界面兩邊的化學(xué)勢(shì)相同，分凝系數(shù)m=雜質(zhì)在硅中的平衡濃度/雜質(zhì)在SiO2中的平衡濃度不同雜質(zhì)的分凝系數(shù)不同：磷、砷等為10左右，鎵約20硼的隨溫度上升而增大，一般小于1。熱氧化過(guò)程中的雜質(zhì)再分布雜質(zhì)通過(guò)SiO2表面逸散：影響雜質(zhì)再分布的第二個(gè)因素是雜質(zhì)會(huì)迅速通過(guò)SiO2層進(jìn)行擴(kuò)散并逃逸至氣體環(huán)境。如果SiO2中的雜質(zhì)擴(kuò)散速率非常大，這個(gè)因素將會(huì)變得更加重要。氧化層的產(chǎn)生：隨著氧化層的產(chǎn)生，Si/SiO2界面按時(shí)間函數(shù)向硅推進(jìn)。相關(guān)的推進(jìn)速率與雜質(zhì)通過(guò)氧化層的擴(kuò)散速率之比對(duì)雜質(zhì)的再分布程度影響非常大。如果假設(shè)硅中雜質(zhì)分布是均勻的，且氧化氣氛中不含任何雜質(zhì)，則有四種可能的再分布過(guò)程。這些過(guò)程可以分為兩組，一組是氧化層吸收雜質(zhì)，另一組是氧化層排斥雜質(zhì)。每一例中，雜質(zhì)再分布取決于雜質(zhì)通過(guò)氧化層的擴(kuò)散速率。再分布對(duì)硅表面雜質(zhì)濃度的影響再分布后的硅表面附近的雜質(zhì)濃度，只與雜質(zhì)的分凝系數(shù)；雜質(zhì)在SiO2與在硅中的擴(kuò)散系數(shù)之比；以及氧化速率與雜質(zhì)的擴(kuò)散速率之比有關(guān)。摻雜P：在一定溫度下，快速水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度大；在同一氧化氣氛中，氧化溫度越高，雜質(zhì)在硅表面濃度與在硅內(nèi)溫度趨于平衡。摻雜B：在相同溫度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度大；溫度升高，CS/CB(雜質(zhì)在硅表面濃度與硅內(nèi)濃度之比)變大。再分布的四種可能(1)m<1，在SiO2中是慢擴(kuò)散的雜質(zhì)，如硼

(2)m<1，在SiO2中是快擴(kuò)散的雜質(zhì)

(3)m>1，在SiO2中是慢擴(kuò)散的雜質(zhì)，如磷

(4)m>1，在SiO2中是快擴(kuò)散的雜質(zhì)SiO2在微電子器件制造中的重要用途之一，就是作為選擇擴(kuò)散的掩蔽膜。選擇擴(kuò)散是根據(jù)某些雜質(zhì)(例如B、

P)在SiO2中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散速度這一性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。摻雜物二氧化硅的掩模特性二氧化硅二氧化硅硅襯底雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)1.選擇擴(kuò)散的掩蔽膜在各種器件制造中往往是通過(guò)硅表面特定區(qū)域向硅內(nèi)摻入一定數(shù)量的某種雜質(zhì)，其余區(qū)域不進(jìn)行摻雜，即選擇擴(kuò)散。選擇擴(kuò)散是根據(jù)某些雜質(zhì)，在條件相同的情況下，在SiO2中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散速度的性質(zhì)來(lái)完成，即利用SiO2層對(duì)某些雜質(zhì)起到“掩蔽作用來(lái)達(dá)到。在相同條件下，雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散深度已達(dá)到要求時(shí)，而在二氧化硅中的擴(kuò)散深度還非常淺沒(méi)有擴(kuò)透預(yù)先生長(zhǎng)的SiO2層，因而在SiO2層保護(hù)的硅內(nèi)沒(méi)有雜質(zhì)進(jìn)入，客觀上就起到了掩蔽作用。服從擴(kuò)散規(guī)律硼、磷：在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)很小，SiO2薄膜對(duì)這類(lèi)雜質(zhì)是一種理想的擴(kuò)散掩蔽膜；鎵：擴(kuò)散系數(shù)非常大，

SiO2對(duì)這類(lèi)雜質(zhì)起不到掩蔽作用；鈉、鉀等堿金屬離子：在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)和遷移率都非常大，即使在很低溫度下也如此。應(yīng)盡量避免被這類(lèi)離子玷污。氧化掩模層的厚度一般采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法獲得，典型厚度為0.5～1.0

μm。避免鈉一類(lèi)離子的玷污，因?yàn)樗赟iO2中的擴(kuò)散系數(shù)和遷移率都很大，鈉離子的玷污是造成雙極器件和MOS器件性能不穩(wěn)定的重要原因。實(shí)現(xiàn)掩模遮蔽的條件1，所選用的擴(kuò)散源在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)必須比在硅中的擴(kuò)散系數(shù)小的多；2，SiO2層必須具有足夠的厚度，以確保雜質(zhì)在擴(kuò)散區(qū)達(dá)到預(yù)定的結(jié)深時(shí)，SiO2層還遠(yuǎn)沒(méi)有被擴(kuò)透。以熱氧化法生長(zhǎng)的SiO2膜，在微電子器件結(jié)構(gòu)中具有多種用途，其中最主要的是作為MOSFET器件的的柵氧化層。SiO2膜的質(zhì)量直接關(guān)系到半導(dǎo)體器件及集成電路的性能。因此，對(duì)SiO2膜的質(zhì)量要求是很?chē)?yán)格的。從宏觀上看，要求表面無(wú)斑點(diǎn)、裂紋、白霧及發(fā)花現(xiàn)象以及沒(méi)有針孔等缺陷存在。其膜質(zhì)量要符合要求而且均勻，結(jié)構(gòu)致密，對(duì)一些缺陷，尤其是可動(dòng)鈉離子要求含量越低越好。二氧化硅層質(zhì)量分析一、氧化層的電荷由于在Si-SiO2界面因氧化的不連續(xù)而存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)，各種不同的電荷和缺陷會(huì)隨著熱氧化而出現(xiàn)，如鈉離子進(jìn)入SiO2成為可移動(dòng)電荷。這些電荷的存在會(huì)極大地影響器件的參數(shù)，降低器件可靠性。(In

Web

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