西安交通大学 微电子制造技术 第十章 氧化讲解

《西安交通大学 微电子制造技术 第十章 氧化讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西安交通大学 微电子制造技术 第十章 氧化讲解（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、电信学院 微电子学系 1 微电子制造技术 微电子制造技术 第 10 章 氧 化 电信学院 微电子学系 2 微电子制造技术 引 言 半导体制造技术的基础之一是在硅片表面生长 一层氧化层的能力。50年代最主要的发展就是氧 化物的掩膜技术。它是一种在氧化层上通过刻蚀 图形，达到对硅衬底进行扩散掺杂的工艺技术。 几十年来氧化在硅平面工艺发展中扮演了十分的 重要角色。 通过不同的氧化工艺，制造的氧化层具有高质 量、稳定和期待的介质特性。这些特性特别是对 于MOS工艺中的栅结构来说是至关重要的。 氧化物可以通过淀积和热生长得到。本章主要 讨论热生长氧化物，包括它的结构、性质和生长 工艺。 电信学院 微电子

2、学系 3 微电子制造技术 学 习 目 标 1.了解半导体制造中SiO2的结构、优缺点及 各种用途； 2.描述氧化的化学反应以及在Si上生长氧化 物的机理； 3.解释选择性氧化并给出两个实例； 4.识别三种热氧化工艺的设备，讨论快速升 温立式炉的优点； 5.解释什么是快速热处理及其用途。 电信学院 微电子学系 4 微电子制造技术 氧化硅的结构与性质 结构 SiO2薄膜的原子结构如下图所示，可以看出 ，它是由一个硅原子被4个氧原子包围着的四面体 单元组成的。 Silicon Oxygen Figure 10.2 二氧化硅的原子结构 电信学院 微电子学系 5 微电子制造技术 典型SiO2的物理结构

3、由位于氧四面体中心的硅原子组成 电信学院 微电子学系 6 微电子制造技术 由上图可见，二氧化硅薄膜是一种无定型 的玻璃状结构，具体地说是一种近程有序的网 状结构，没有长程有序的晶格周期，这是因为 四面体单元在晶体内没有以规则的三维形式排 列。 性质 优质的绝缘材料，熔点温度：1732； 热生长的SiO2能够牢固黏附在硅衬底上，并且 具有优良的介质特性。硅片表面自然生成的氧 化膜厚度最大为40，而且不均匀，通常认为 是一种污染物。 电信学院 微电子学系 7 微电子制造技术 无定形SiO2、Si3N4、Al2O3性质比较 SiSiO2Si3N4Al2O3 结构 单晶无定形无定形无定形 密度 2.3

4、32.182.272.93.13.14.0 相对介电 常数 11.73.83.95.06.57.59.6 表面电荷 密度 2x10111.5x1012 -(0.31)x 1012 扩散掩蔽 能力 B、P、Sb、 As B、P、Sb、 As、Ga等 热膨胀系数 2.5x10-60.56x10-64x10-6 热传导系数 1.428.1 硬度 7.057.58.5 抗辐射能力 差一般强 电信学院 微电子学系 8 微电子制造技术 氧化膜的用途 由于二氧化硅的生长简单容易， 并且与硅衬底有着良好界面，使其对硅 半导体制造非常重要，因此成为半导体 制造中广泛应用的薄膜材料。氧化硅薄 膜在微芯片制造中的应

5、用有： 保护器件免划伤和隔离污染 表面钝化 栅氧或存储器单元结构中的介质材 料 掺杂阻挡层 金属导电层间的介质层 电信学院 微电子学系 9 微电子制造技术 器件保护和隔离 硅片表面上生长的二氧化硅可以 作为一种有效阻挡层，用来隔离和保护硅表面有源 器件免受其它因素的影响。 表面钝化 热生长的SiO2，一个主要优点是可以通过 束缚硅的悬挂键。从而降低它的表面态密度，这种 效果称为表面钝化，它能防止电性能退化并减少由 潮湿、离子或其它外部沾污物引起的漏电流的通路 。钝化对于控制结型器件的漏电流是非常重要的。 Figure 10.3 电信学院 微电子学系 10 微电子制造技术 栅氧电介质 对于MOS

6、技术中常用的重要栅氧结 构（见下图），用极薄的氧化层做介质材料，一 般通过热生长获得。要求具有高的电介质强度和 高的电阻率、极好的膜厚均匀性、无杂质等。另 外，任何可以使栅氧结构功能退化的沾污都必须 严格加以控制。对于 0.18 m 工艺，典型的栅 氧厚度是20nm1.5。 Figure 10.4 电信学院 微电子学系 11 微电子制造技术 掺杂阻挡 二氧化硅可做为硅表面选择性掺杂 的有效掩蔽层(见下图)。与硅相比，掺杂物在 SiO2里的移动较慢，所以只需要较薄的氧化层就 可以阻挡掺杂物进入被保护的区域。 薄氧化层(如150)也可以用于需要离子注入 的区域 ，以减少注入对硅片表面的晶体损伤。

7、还可以通过减小沟（管）道效应，获得对杂质注 入时结深的控制（见第17章）。 Phosphorus implant p+ Silicon substrate p- Epitaxial layer n-well Barrier oxide xj x0 Figure 10.5 电信学院 微电子学系 12 微电子制造技术 实现掩蔽扩散的条件 二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散 的掩蔽膜作用，如上图所示，在杂质向Si中扩散的 同时，也要向SiO2层中扩散，设在Si中的扩散深度 为 在SiO2层中的扩散深度为 式中： 扩散时间， 、 分别表示杂质在SiO2 和Si中的扩散系数，显然要实现掩蔽扩散的条

8、件是 ，即当杂质在硅中的扩散深度达到 时杂质在SiO2中的扩散深度应 所以， 氧化层厚度 电信学院 微电子学系 13 微电子制造技术 原则上讲，只要 满足上面不等式，就可起到 杂质扩散的掩蔽作用，但实际上只有那些 的 杂质，用SiO2掩蔽才有实用价值，否则所需的SiO2 厚度就很厚，既难于制备，又不利于光刻。 但是，只要按照 的条件选择杂质种类， 就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现，B、P在SiO2 中的扩散系数比在Si中的扩散系数小，所以,通常选 择B、P作为扩散的杂质种类。而对于Ga、Al等杂质 ，情况则相反。 值得注意的是，Au虽然在SiO2中的扩散系数很 小，但由于在Si中的扩散系数太大

9、，这样以来横向 扩散作用也大，所以也不能选用。 电信学院 微电子学系 14 微电子制造技术 掩蔽扩散所需氧化层的最小厚度确定 要确定最 小厚度，就需知 道杂质在氧化硅 中的分布形式， 据实验研究结果 ，一般为余误差 分布和高斯分布 ，大多数情况下 用余误差比较接 近。 硅的热氧化基本模型 NOB NOS N(x) 电信学院 微电子学系 15 微电子制造技术 在扩散时要完全使杂质不扩入硅中是很难 实现的(除非氧化层厚度非常厚)，通常就定义 扩入硅中的杂质数量不足以引起硅表面电性能 的变化，就认为氧化硅的掩蔽有效。对不同器 件要求不同，一般来说，MOS器件要求比双极高 。通常用下式表示 式中：NO

10、B氧化硅与硅界面处的浓度；NOS氧化层 表面处的浓度。 电信学院 微电子学系 16 微电子制造技术 显然，所要求的N0B不同，氧化层最小厚度 就不同，通常人们根据大量实验研究，针对不同 器件对硅表面的要求，总结出N0B/N0S的取直在10-3 10-9之间。 用上述结果作为估算，还必须知道杂质在氧化 硅中的扩散系数(有关杂质在氧化硅中的扩散系数 可查阅其它资料)。 电信学院 微电子学系 17 微电子制造技术 SiO2中常用杂质的扩散常数 杂质1100下的扩散常数 B3.410-17到10-14cm2/S Ga5.310-11cm2/S P2.910-16到2.010-13cm2/S As1.9

11、10-16到3.510-15cm2/S Sb9.910-17cm2/S 电信学院 微电子学系 18 微电子制造技术 金属层间的介质层 一般条件下氧化硅不导电，因此二氧化 硅是芯片金属层间有效的绝缘体。二氧化硅 能防止上层金属和下层金属间短路，就像导 线上的绝缘体可以防止短路一样。作为绝缘 介质层氧化硅质量要求无针孔和空隙。通常 用化学气相淀积方法获得（不是热生长）。 电信学院 微电子学系 19 微电子制造技术 表 10.1 氧化硅的应用: 自然氧化层 目 的: 这种氧化硅是沾污并且通常是不希望的 ，有时用于存储器存储或膜的钝化。 说 明: 在室温下生长速率是每小时15 ，最大 40 p+ Si

12、licon substrate Silicon dioxide (oxide) Table 10.1A 电信学院 微电子学系 20 微电子制造技术 表 10.1 氧化硅的应用: 场氧化层 目 的: 用做MOS晶体管之间的隔离介质。 说 明: 通常场氧化膜厚度从 2,500 to 15,000 . 湿氧氧化是优选的生长方法 Field oxide Transistor site p+ Silicon substrate Table 10.1B 电信学院 微电子学系 21 微电子制造技术 表 10.1 氧化硅的应用: 栅氧化层 目 的: 用做 MOS晶体管栅和源漏之间的介质 说 明: 通常栅氧化膜

13、厚度从大约 30 to 500 。干热氧化是优选的生长方法。 Gate oxide Transistor site p+ Silicon substrate SourceDrain Gate Table 10.1C 电信学院 微电子学系 22 微电子制造技术 表 10.1 氧化硅的应用: 阻挡层氧化 目的： 保护有源器件和硅免受后续工序的影响。 说 明： 热生长几百埃的厚度。 Barrier oxide Diffused resistors Metal p+ Silicon substrate Table 10.1D 电信学院 微电子学系 23 微电子制造技术 表 10.1 氧化硅的应用: 掺

14、杂阻挡层 目 的: 作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材 料。 说 明： 通过选择性扩散，掺杂扩散到硅片未被 掩蔽的区域 Dopant barrier spacer oxide Ion implantation Gate Spacer oxide protects narrow channel from high-energy implant Table 10.1E 电信学院 微电子学系 24 微电子制造技术 表 10.1 氧化硅的应用: 垫氧化层 目 的： 做氮化硅缓冲层以减小应力。 说 明： 热生长并非常薄。. Passivation Layer ILD-4 ILD-5 M-3 M-4 Pa

15、d oxide Bonding pad metal Nitride Table 10.1F 电信学院 微电子学系 25 微电子制造技术 表 10.1 氧化硅的应用: 注入屏蔽氧化层 目 的: 用于减小注入沟道和损伤 说 明: 热生长 Ion implantation Screen oxide High damage to upper Si surface + more channeling Low damage to upper Si surface + less channeling p+ Silicon substrate Table 10.1G 电信学院 微电子学系 26 微电子制造技术

16、 Passivation layer ILD-4 ILD-5 M-3 M-4 Interlayer oxide Bonding pad metal 表 10.1 氧化硅的应用: 金属层间绝缘阻挡层 目 的：用做金属连线间的保护层 说 明：这种氧化硅不是热生长的，而是淀积的。 Table 10.1H 电信学院 微电子学系 27 微电子制造技术 热氧化生长 关于氧化的化学反应 干氧 湿氧 氧化生长模式 SiO2-Si界面 氯化物在氧气中的应用 氧化生长速率 影响氧化生长的因素 初始生长阶段 选择性氧化 LOCOS STI 电信学院 微电子学系 28 微电子制造技术 各种要求下的氧化物厚度范围 热生长氧化物的各种运用对厚度有不同的要 求。表10.2总结了对不同要求二氧化硅厚度的范 围。附录D中的彩色图表显示了二氧化硅颜色对应