集成电路工艺__热氧化薄膜技术解析

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1、微电子工艺学 Microelectronic Processing 第三章 热氧化和薄膜制备技术 张道礼 教授 Email: zhang-daoli Voice: 87542894 在微电子器件中广泛使用着各种薄膜，这些薄膜可以粗 略地分为五大类：热氧化薄膜、电介质薄膜、外延薄 膜、多晶硅薄膜以及金属薄膜。其特点是： 一、在微电子器件中用途各异，例如： 热氧化薄膜和电介质薄膜 导电层之间的绝缘层，扩散 和离子注入的掩模，防止掺杂杂质损失而覆盖在掺杂 膜上的覆盖膜或钝化膜； 外延薄膜 器件工作区； 多晶硅薄膜 MOS 器件中的栅级材料，多层金属化的 导电材料以及浅结器件的接触材料； 金属膜和金属

2、硅化物薄膜 形成低电阻内连、欧姆接触 及用来调整金属与半导体之间的势垒。 3.1 概述 二、用于制备薄膜的材料种类繁多，例如： 硅和砷化镓等半导体材料； 金和铝等金属材料； 二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、氧化铝等无机绝缘材料； 多晶硅和非晶硅等无机半绝缘材料； 钼、钨等难熔金属硅化物及重掺杂多晶硅等非金属低阻材料； 聚亚酰胺类有机绝缘树脂材料等等。 正因为如此，微电子工艺中的薄膜制备方法千差万别，特点各异。 薄膜淀积技术一直在飞速进步，发展出了很多种类，已经成为一门 独立的工艺技术学科，相应的理论研究非常深入和广泛，从经典 的热力学理论到建立在原子级观测的成核理论，几乎涉及到薄膜 科学的每个方面

3、。 3.1 概述 二氧化硅的结构和性质 结晶形和非结晶形（无定形）二氧化硅都是SiO正四 面体结构组成的。这些四面体通过各种不同的桥键氧 原子连接起来，形成各种不同状态和结构的二氧化硅 。微电子工艺中采用的二氧化硅薄膜是由热氧化法生 长的无定形结构(长程无序但短程有序)。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 桥键氧原子：位于四面体之间， 为两个硅原子所共有的氧原子称桥 键氧原子。 非桥键氧原子：只与一个四面体 （硅原子）相连的氧原子称非桥键 氧原子。它还能接受一个电子以维 持八电子稳定结构。 桥键氧越少，非桥键氧越多，二氧化 硅网络就越疏松。通常的二氧化硅 膜的密度约为2.20g/cm3 3.2 热生

4、长二氧化硅薄膜 3.2 热生长二氧化硅薄膜 网络调节剂：网络调节剂即间隙 式杂质，处于SiO四面体网络 空隙中孔洞位置，主要有Na, K, Pb, Ca, Ba等正离子。其特点是 离子半径较大，多以氧化物形式 掺入SiO2膜。电离后，杂质正离 子占据网络空隙位置，而氧离子 进入网络，使得在一个桥键氧处 出现两个非桥键氧。 网络形成剂：网络形成剂即替位 式杂质，在SiO四面体中可取 代硅原子并形成网络，主要有B, P, Sb,等正离子。其特点是离子 半径较与硅原子半径相近或更小 。 在无定形SiO2网络中，硅在SiO2中的扩散系数比 氧的扩散系数小几个数量级。在热氧化法制备 的过程中，是氧或水汽

5、等氧化剂穿过SiO2层， 到达Si- SiO2界面，与硅反应生成SiO2 ，而不 是硅向SiO2外表面运动，在表面与氧化剂反应 生成SiO2 3.2 热生长二氧化硅薄膜 二氧化硅的主要性质 密度：密度是SiO2致密程度的标志。无定形二氧化硅的密度一般 为2.21 g/cm3，结晶形SiO2的密度为2.65 g/cm3。 折射率：折射率是表征SiO2薄膜光学性质的重要参数。不同方法 制备的SiO2薄膜由于密度不同，折射率也稍有差别。一般来说 ，密度大的SiO2薄膜具有较大的折射率。波长为550 nm 时， SiO2折射率约为1.46。 电阻率：SiO2电阻率高低与制备方法及所含杂质数量等因素有关

6、 。高温干氧氧化制备的SiO2 ，电阻率高达1017cm以上。 介电强度：当SiO2薄膜被用作绝缘介质时，常用介电强度即用击 穿电压参数来表示耐压能力。SiO2薄膜的介电强度与致密程度 、均匀性、杂质含量等因素有关，一般为106107 V/cm。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 介电常数：介电常数是表征电容性能的重要参数。对于MOS 电容器，其电容量与结构参数的关系为： ，其中 SiO2为SiO2的相对介电常数，其值为3.9。 耐腐蚀性： SiO2膜的化学稳定性极高，不溶于水，除氢氟酸外， 和别的酸不起作用。氢氟酸腐蚀原理如下： 六氟化硅溶于水。利用这一性质作为掩蔽膜，微电子工艺中利用 HF光刻出

7、IC 制造中的各种窗口。 SiO2的腐蚀速率与HF的浓度、温度、 SiO2的质量以及所含杂质 数量等因素有关。不同方法制备的SiO2 ，腐蚀速率可能相差很 大。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 SiO2可与强碱发生极慢的反应，生成相应硅酸盐。 SiO2在高温下被活泼金属或非金属还原： SiO2与碳放入电炉内加热到1800时，能生成碳化硅 ： 3.2 热生长二氧化硅薄膜 掩蔽性质：B、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的 扩散系数。DSi DSiO2 SiO2 膜要有足够的厚度。杂质在一定 的扩散时间、扩散温度下，有一最小厚度。 绝缘性质：SiO2能带宽度约9 eV。 热击穿、电击穿、

8、混合击穿： a.最小击穿电场（非本征）针孔、裂缝、杂质。 b.最大击穿电场（本征）厚度、导热、界面态电荷等；氧化 层越薄、氧化温度越高， 击穿电场越低。 c.介电常数34（3.9） 3.2 热生长二氧化硅薄膜 不同方法制备的SiO2薄膜的物理参数 氧化方法密度（g/cm3 ） 折射率546nm电阻率（cm ） 介电常数介电强度（ 108V/cm） 干氧2.24-2.271.46-1.46631015- 21016 3.49 湿氧2.18-2.271.435-1.4583.82 水汽2-2.21.452-1.4621015-10173.26.8-9 高压氧化2.321.45-1.487-9 热分

9、解淀 积 2.09-2.151.43-1.45107-108 外延淀积2.31.46-1.4771014- 81014 3.545-6 3.2 热生长二氧化硅薄膜 二氧化硅层的主要用途 二氧化硅对杂质有掩蔽扩散作用，能实现选择性 定域扩散掺杂 器件表面的保护和电路的钝化膜 器件的电隔离（绝缘）作用 电容的介电材料 作MOS 管的绝缘栅材料 多层互连的层间绝缘介质 缓冲层/热氧化层 3.2 热生长二氧化硅薄膜 1.扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、 Si3N4层一起使用)阻挡层 SiO2对杂质扩散起到掩蔽作用，利用这个性质结合光刻 工艺，就可以进行选择性扩散。 这种掩蔽作用是有条件的。随

10、着温度升高扩散时间延 长，杂质也有可能会扩散穿透SiO2膜层，使掩蔽作用 失效。因此SiO2起掩蔽作用有两个条件(1)厚度足够； （2）所选杂质在SiO2中的扩散系数要比在硅中的扩 散系数小得多。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 2.器件和电路的保护或钝化膜 在硅片表面生长一层SiO2膜，可以保护硅表面 和P-N结的边缘不受外界影响，提高器件的稳定 性和可靠性。同时，在制造工艺流程中，防止 表面或P-N结受到机械损伤和杂质玷污，起到了 保护作用。另外，有了这一层SiO2膜，就可以 将硅片表面和P-N结与外界气氛隔开。降低了外 界气氛对硅的影响，起到钝化作用。但是，钝 化的前提是膜层的质量要好，如果

11、SiO2膜中含 有大量纳离子或针孔，非但不能起到钝化作用 ，反而会造成器件不稳定。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 3.某些器件的重要组成部分 (1)MOS管的绝缘栅材料：在 MOS晶体管中，常以SiO2膜 作为栅极，这是因为SiO2层的 电阻率高，介电强度大，几乎 不存在漏电流。但作为绝缘栅 要求极高，因为Si-SiO2界面 十分敏感（指电学性能）， SiO2层质量不好，这样的绝缘 栅极就不是良好的半导体器件 。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 (2)电容器的介质材料：集成电路中的电容器是以SiO2作介质的， 因为SiO2的介电常数为3-4，击穿耐压较高，电容温度系数下，这 些性能决定了它是一种优质

12、的电容器介质材料。另外，生长SiO2方 法很简单，在集成电路中的电容器都以SiO2来代替。 4.集成电路中的隔离介质 集成电路中的隔离有P-N隔离和介质隔离两种 ，而介质隔离中的介质就是SiO2 。因为SiO2介 质隔离的漏电流很小，岛与岛之间的隔离电压 较大，寄生电容较小。因此，用SiO2作介质隔 离的集成电路的开关速度较好。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 5.用于电极引线和硅器件之间的绝缘介质 在集成电路制备中，电极引线和器件之间， 往往有一种绝缘材料，工艺上大多采用SiO2作 为这一层绝缘材料，使得器件之间，电极引线 之间绝缘。 6.多层互连的层间绝缘介质（ILDIMD） 隔离相邻金属层之

13、间电连接的绝缘材料。金属线 传导信号，介质层则保证信号不受临近金属线 影响。通常采用CVD 方法制备。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 7.缓冲层/ 热氧化层 当氮化硅直接沉积在硅衬底上时，界面存在极大 应力和界面态密度，多采用Si3N4/SiO2/Si 结 构。场氧化时，SiO2会有软化现象，可消除氮 化硅与衬底之间的应力。通常采用热氧化生成 ，厚度很薄。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 二氧化硅的制备 硅表面形成SiO2的方法很多：热氧化、热分解淀 积、溅射、蒸发等。 由于热氧化的氧化反应发生在Si- SiO2交界 面，接触到的杂质、污染比较少，形成的SiO2 质量也就较高，所以，多采用热氧化法生

14、长氧 化膜。 热氧化法包括干氧、水氧和湿氧三种方法， 通常采用干湿干的氧化模式。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 （1）干氧氧化 干氧氧化是在高温下，氧分子与硅直接反应 生成SiO2 ，反应为： 氧化温度约为10001200，为了防止外 部气体对氧化的影响，炉内的气压要高于 炉外的气压。干氧生长的氧化膜表面干燥 、结构致密，光刻时与光刻 胶接触良好 、不易产生浮胶，但氧化速率极慢，这是 由于O2 在SiO2中扩散系数通常小于H2O 在SiO2 中的扩散系数。 适用：较薄的氧化层的生长，例如MOS器件 的栅极。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 干氧氧化系统 3.2 热生长二氧化硅薄膜 水汽氧化 水汽氧化

15、是指在高温下，硅与高纯水蒸汽反应生成 SiO2膜，反应式为： 对高纯水加热产生高纯水蒸气，水汽进入氧化炉与 硅片反应生成SiO2膜。水汽氧化氧化速率较快，但膜 层不致密，质量很差，特别是对杂质扩散的掩蔽作用 较差，所以这种方法基本不采用。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 原理： Si + 2H2O SiO2 + 2H2 1000度 3.2 热生长二氧化硅薄膜 水氧氧化系统 3.2 热生长二氧化硅薄膜 水汽氧化的示意图 较高的水温只增大通过硅片附近的蒸汽流量，并不改变 水汽的浓度大小。 湿氧氧化 湿氧氧化中，用携带水蒸气的氧气代替干氧 。氧化剂是氧气和水的混合物，反应过程如下 ：氧气通过95的高纯水

16、；氧气携带水汽一起 进入氧化炉在高温下与硅反应。 湿氧氧化相当于干氧氧化和水汽氧化的综合 ，其速率也介于两者之间。具体的氧化速率取 决于氧气的流量、水汽的含量。氧气流量越大 ，水温越高，则水汽含量越大，氧化膜的生长 速率和质量越接近于水汽氧化的情况。反之， 就越接近于干氧氧化。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 一般湿氧氧化是由携带气体通过水浴后，含有水 汽的氧气进入石英管对硅片进行氧化，而水汽 的多少由水浴的温度控制，同时水浴的质量也 将影响氧化层质量的好坏。 一种新的湿氧氧化方法，它是依靠高纯的氢气和 氧气在石英管中按比例混合燃烧成水，氢和氧 的比例为2:1 时为水汽氧化，小于这比例为湿 氧氧化，当氢气为零时，为干氧氧化。 3.2 热生长二氧化硅薄膜 三种氧化方法的比较 速度 均匀重复性 结构 掩蔽性 水温 干氧： 慢 好 致密 好 湿氧： 快 较好 中 基本满足 95 水汽：最快 差 疏松 较差 102 3.2 热