半導體工藝基礎之氧化

第三章Oxidation氧化Oxidation氧化簡介氧化膜的應用氧化機理氧化工藝氧化設備RTO快速熱氧化簡介硅與O2直接反應可得；SiO2性能穩(wěn)定；氧化工藝在半導體制造中廣泛使用Si+O2→SiO2氧化層簡介Oxidation氧化層簡介Silicon氧化膜的應用摻雜阻擋層表面鈍化(保護)–Screenoxide,padoxide,barrieroxide隔離層–FieldoxideandLOCOS柵氧化層氧化層應用摻雜阻擋氧化層MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinSiSiO2canbeusedasdiffusionmask氧化層應用表面鈍化(保護)氧化層PadOxide襯墊氧化層,ScreenOxide屏蔽氧化層SacrificialOxide犧牲氧化層,BarrierOxide阻擋氧化層Normallythinoxidelayer(~150?)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.氧化層應用ScreenOxide氧化層應用PadandBarrierOxidesinSTIProcess氧化層應用USG:UndopedSilicateGlass未摻雜硅酸鹽玻璃Application,PadOxideRelievestrongtensilestressofthenitridePreventstressinducedsilicondefects氧化層應用犧牲氧化化層SacrificialOxideDefectsremovalfromsiliconsurface氧化層應應用器件隔離離氧化層層臨近器件件的絕緣緣隔離BlanketfieldoxideLocaloxidationofsilicon(LOCOS)Thickoxide,usually3,000to10,000??氧化層應應用BlanketFieldOxideIsolation氧化層應應用LOCOSProcess氧化層應應用LOCOSComparewithblanketfieldoxide–Betterisolation更更好的隔隔離–Lowerstepheight更低臺臺階高度度–Lesssteepsidewall側側墻不很很陡峭Disadvantage缺缺點–roughsurfacetopography粗糙糙的表面面形貌–Bird’’sbeak鳥嘴被淺的管管溝(STI)所取代代氧化層應應用柵氧化層層Gateoxide:thinnestandmostcriticallayerCapacitordielectric氧化層應應用氧化膜(層)應應用名稱應用厚度說明自然氧化層不希望的15-20A屏蔽氧化層注入隔離，減小損傷~200A熱生長摻雜阻擋層摻雜掩蔽400-1200A選擇性擴散場氧化層和LOCOS器件隔離3000-5000A濕氧氧化襯墊氧化層為Si3N4提供應力減小100-200A熱生長很薄犧牲氧化層去除缺陷<1000A熱氧化柵氧化層用作MOS管柵介質30-120A干氧氧化阻擋氧化層防止STI工藝中的污染100-200A氧化層應應用SiliconDioxideGrownonImproperlyCleanedSiliconSurface表面未清清洗硅片片的熱氧氧化層熱氧化生生長的SiO2層是無定定形的SiO2分子間趨趨于交聯(lián)聯(lián)形成晶晶體未清洗硅硅片表面面的缺陷陷和微粒粒會成為為SiO2的成核點點這種SiO2層的阻擋擋作用很很差氧化前需需要清洗洗硅片表表面氧化前圓圓片清洗洗顆粒有機粘污污無機粘污污本征氧化化層RCA清清洗DevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCAMostcommonlyusedcleanprocessesinICfabs(1號液)－NH4OH:H2O2:H2Owith1:1:5to1:2:8ratioat70to80℃toremoveorganic.(2號液)--HCl:H2O2:H2Owith1:1:6to1:2:8ratioat70to80℃toremoveinorganiccontaminates，，DIwaterrinseHFdiporHFvaporetchtoremovenativeoxide.Pre-oxidationWaferCleanParticulateRemovalHighpuritydeionized(DI)waterorH2SO4:H2O2followedbyDIH2Orinse.高壓清洗或或者放在清清洗液中加加熱漂洗，，最后烘干干Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).被氧化的硅硅片上有機機物的清除除強氧化劑清清除有機污污垢H2SO4:H2O2orNH3OH:H2O2followedbyDIH2Orinse.Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°°C).無機物的清清洗先用HCl:H2O液體浸泡泡再在大的玻玻璃杯中浸浸泡清洗Immersionindunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)Pre-oxidationWaferCleanNativeOxideRemovalHF:H2OImmersionindunktankorsinglewafervaporetcherfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)OxidationMechanismSi+O2→SiO2O來源于提提供的氧氣氣Si來源于于襯底硅圓圓片O通過表面面已有的氧氧化層向內內擴散并與與Si反應應生長SiO2氧化薄膜越越厚，生長長速率越低低干氧氧化（（DryOxidation）OxideGrowthRateRegimeB/A為線線性速率常常數(shù)；B為為拋物線速速率常數(shù)<100>SiliconDryOxidation水汽氧化(SteamOxidation））Si+2H2O→SiO2+2H2AthightemperatureH2OisdissociatedtoHandH-OH-OdiffusesfasterinSiO2thanO2Steamoxidationhashighergrowthratethandryoxidation<100>SiliconWetOxidationRate濕氧氧氧化(WetOxidation)濕氧氧氧化法法是將將干燥燥純凈凈的氧氧氣，，在通通入氧氧化爐爐之前前，先先經(jīng)過過一個個水浴浴瓶，，使氧氧氣通通過加加熱的的高純純去離離子水水，攜攜帶一一定量量的水水汽，，濕氧氧氧化化法的的氧化化劑是是氧氣氣和水水的混混合物物。Si+O2→SiO2Si+2H2O→SiO2+2H2氧化速率率溫度濕氧或干干氧厚度壓力圓片晶向向(<100>或<111>)硅中雜質質氧化速率率與溫度氧化速率率對溫度度很敏感感，指數(shù)數(shù)規(guī)律溫度升高高會引起起更大的的氧化速速率升高高物理機理理：溫度度越高，，O與Si的化化學反應應速率越越高；溫溫度越高高，O在在SiO2中的擴散散速率越越高。氧化速率率與圓片晶向向<111>表面面的氧化化速率高高于<100>表面<111>表面面的Si原子密密度高濕氧氧化化速率氧化速率率與雜質濃度度雜質元素素和濃度度高摻磷的的硅有更更高的氧氧化層生生長速率率，更低低密度的的氧化層層薄膜和和更高的的刻蝕速速率通常，摻摻雜濃度度越高，，氧化層層生長速速率越高高；在氧氧化過程程的線性性區(qū)(氧氧化層較較薄時)更為顯顯著。氧化：雜雜質堆積積和耗盡盡效應N型雜質質(P、、As、、Sb)在Si中的溶溶解度高高于在SiO2中的溶解解度，當當SiO2生長時，，雜質向向Si中中移動，，這引起起雜質堆堆積或滾滾雪球效效應B傾向于向向SiO2中運動，這這引起雜質質耗盡效應應DepletionandPile-upEffects氧化速率與HCl摻雜雜氧化HClisusedtoreducemobileioncontaminationWidelyusedforgateoxidationprocessGrowthratecanincreasefrom1to5percent氧化速率與不均勻氧化化氧化層越厚厚，氧化速速率越小對于更厚的的氧化層，，O需要更更多的時間間擴散過氧氧化層與襯襯底硅發(fā)生生反應在干氧中的的氧化速率率在合成水汽汽中的氧化化速率二氧化硅色色譜氧化工藝干氧氧化，，薄氧化層層－柵氧化層層－襯墊氧化化層，屏蔽蔽氧化層，，犧牲氧化化層，等等等濕氧氧化，，厚氧化層層－場氧化層層－擴散掩膜膜氧化層DryOxidationSystem氧化裝置系系統(tǒng)DryOxidationDryO2asthemainprocessgasHClisusedtoremovemobileionsforgateoxidationHighpurityN2asprocesspurgegasLowergradeN2asidlepurgegasDanglingBondsandInterfaceChargeWetOxidationProcessFaster,higherthroughputThickoxide,suchasLOCOSDryoxidehasbetterqualityWaterVaporSourcesBoilerBubblerFlushPyrogenicBoilerSystemBubblerSystemFlushSystemPyrogenicSteamSystemPyrogenicSystemAdvantage–Allgassystem–PreciselycontrolofflowrateDisadvantage–Introducingofflammable,explosivehydrogenTypicalH2:O2ratioisbetween1.8:1to1.9:1.RapidThermalOxidationForgateoxidationofdeepsub-microndeviceVerythinoxidefilm,<30?NeedverygoodcontroloftemperatureuniformityRTOwillbeusedtoachievethedevicerequirement.HighPressureOxidationFastergrowthrateReducingoxidationtemperature:1amt.=–30°CHigherdielectricstrength缺點:設備備復雜，存存在安全問問題氧化小結氧化層穩(wěn)定定性好，容容易獲得應用：柵氧氧化層，場場氧化層，，襯墊氧化化層，摻雜雜阻擋層，，犧牲氧化化層，阻擋擋氧化層，，注入屏蔽蔽氧化層干氧氧化和和濕氧氧化化9、靜夜四四無鄰，，荒居舊舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黃黃葉葉樹樹，，燈燈下下白白頭頭人人。。。。04:39:5004:39:5004:3912/29/20224:39:50AM11、以我獨沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2204:39:5004:39Dec-2229-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。04:39:5004:39:5004:39Thursday,December29,202213、乍見翻翻疑夢，，相悲各各問年。。。12月-2212月-2204:39:5004:39:50December29,202214、他鄉(xiāng)生生白發(fā)，，舊國見見青山。。。29十十二月20224:39:50上午午04:39:5012月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/294:39:5104:39:5129December202217、做前前，能能夠環(huán)環(huán)視四四周；；做時時，你你只能能或者者最好好沿著著以腳腳為起起點的的射線線向前前。。。4:39:51上上午4:39上上午午04:39:5112月月-229、沒有失敗敗，只有暫暫時停止成成功！。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事情情努力了未未必有結果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒有。。。04:39:5104:39:5104:3912/29/20224:39:51AM11、成功就就是日復復一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。12月-2204:39:5104:39Dec-2229-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對圓滿滿，留一份份不足，可可得無限完完美。。04:39:5104:39:5104:39Thursday,December29,202213、不知知香積積寺，，數(shù)里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2204:39:5104:39:51December29,202214、意意志志堅堅強強的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥塊塊一一樣樣任任意意揉揉捏捏。。29十十二二月月20224:39:51上上午午04:39:5112月月-2215、楚塞三三湘接，，荊門九九派通。。。。十二月224:39上午午12月-2204:39December29,202216、少年十十五二十十時，步步行奪得得胡馬騎騎。。2022/12/294:39:5104:39:5129December202217、空山新新雨后，，天氣晚晚來秋。。。4:39:51上午午4:39上午午04:39:5112月-229、楊楊柳柳散散和和風風，，青青山山澹澹吾吾慮慮。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、閱閱讀讀一一切切好好書書如如同同和和過過去去最最杰杰出出的的人人談談話話。。04:39:5104:39:5104:3912/29/20224:39:51AM11、越是是沒有有本領領的就就越加加自命命不