哈工大微电子02工艺氧化讲解

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1、第一章 内容总结 n硅晶胞：金刚石结构的立方晶胞 基本参数 n111晶面解理性 n硅晶体缺陷 结团作用；缺陷的去除 n硅中杂质；固溶体；固溶度 n相图 n硅单晶片制备 多晶硅制备；直拉法原理；提拉 速度；分凝； CZ法熔料中环流形成； n硅片制备流程；主要晶向、晶型的定位方式 1 微电子工艺（2）-氧化 田丽 2 第2章 氧化 n2.1 SiO2的结构及性质 n2.2 SiO2的掩蔽作用 n2.3 氧化机理 n2.4 氧化系统、工艺 n2.5 影响氧化速率的各种因素 n2.6 杂质再分布 n2.7 SiO2/Si界面特性 n2.8 氧化层的检测 3 2.1 SiO2结构及性质 n二氧化硅是微电

2、子工艺中采用最多 的介质薄膜。 n二氧化硅薄膜的制备方法有：热氧 化、化学气相淀积、物理法淀积， 阳极氧化等多种方法。 n热氧化是最常用的氧化方法，需要 消耗硅衬底，是一种本征氧化法。 4 用途 n作为掩蔽膜 在单晶硅定域掺杂时作为掩蔽膜 n作为钝化和保护膜 在器件或电路的表面，淀 积一层SiO2可以保护器件或电路使之免于沾 污；避免化学腐蚀。 n作为电隔离膜 SiO2介电性质良好，集成电路 元件之间的介质隔离或者多层布线的电隔离 膜。 n元器件的组成部分 做MOS器件中栅极电极 等。 5 在DROM中的应用 6 nSiO2结构模型 7 结构 热氧化的SiO2是非晶态，是四面体网络状结构 原子

3、密度2.2*1022/cm3 2.27 1.6 8 理化性质 n密度 是SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程 度高，约2-2.2g/cm3； n熔点 石英晶体1732,而非晶态的SiO2无熔点，软 化点1500 n电阻率 与制备方法及所含杂质有关,高温干氧可达 1016cm,一般在107-1015 cm； n介电性 介电常数3.9； n介电强度 100-1000V/m； n折射率 在1.33-1.37之间； n腐蚀性 只和HF酸反应，与强碱反应缓慢。 9 SiO2的主要物理性质 氧化方法 密 度 (g/cm2) 折 射 率 (=5460) 电 阻 率 (cm) 介 电 常 数 介 电 强

4、度 (106v/cm) 干 氧2.242.27 1.460 1.466 31015 21016 3.4(10千周)9 湿 氧2.182.21 1.435 1.458 3.82(1兆周) 水 汽2.002.20 1.452 1.462 101510173.2(10千周)6.89 热分解淀 积 2.092.151.431.45107108 外延淀积2.31.461.477810143.54(1兆周)56 10 2.2 SiO2的掩蔽作用 两四面体之间的氧原子称桥键 氧原子，只与一个四面体相联 的氧原子称非桥联氧原子 P B 网络改 变者 网络形成 者 11 TEM照片单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化

5、硅薄膜 透射电子显微镜 （Transmission electron microscopy，缩写TEM ） SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅 时代的主要原因 12 0.8 nm栅氧化层 离子注入掩蔽 隔离工艺 互连 层间 绝缘 介质 High K 13 14 杂质在SiO2中的扩散 n利用相同情况下，硼、磷等常用杂质在 SiO2中的扩散速度远小于在硅中扩散速 度，SiO2层对这些杂质起到“掩蔽”作用 。 n镓和钠等碱金属扩散在SiO2扩散速度快 ， SiO2层对这些杂质起不到“掩蔽”作用 。 n杂质SiO2中在扩散系数： DSiO2=D0exp(-E/kT) 15 SiO2掩蔽层厚度的

6、确定 n掩蔽条件: nDSiDSiO2 nSiO2表面杂质 浓度/SiO2-Si 界面杂质浓度 103 16 SiO2作为掩蔽膜的P扩散 n当P2O5 与SiO2 接触时 ，SiO2 就转变 为含磷 玻璃体 17 2.3 热氧化机理 n热氧化是在Si/SiO2界面进行，通过扩散和化学反应 实现。O2或H2O，在生成的二氧化硅内扩散，到达 Si/SiO2界面后再与Si反应， O2+Si SiO2；H2O+Si SiO2+H2 ，硅被消耗，所以硅片变薄，氧化层增 厚。 n生长1m厚SiO2 约消耗0.44m 厚的硅 18 SiO2生长动力学 气体中扩散 固体中扩散 SiO2 形成 SiO2 Si衬

7、底 气流滞流层 氧化剂流动方向 (如 O2或 H2O） 19 DealGrove模型 硅的热氧化模型 nDealGrove模型（线性抛物线模型）(linear -parabolic model) 可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。 n适用于： n氧化温度7001200 oC； n局部压强0.125个大气压； n氧化层厚度为202000 nm的水汽和干法氧化 20 热氧化动力学（迪尔-格罗夫模型） n气体质量输运: F1=hg(Cg-Cs) n溶解：由亨利定理-固体内 的杂质浓度正比与固体表 面上气相中该杂质的分压 。 Co=HPs ; C*=HPg n由气体状态方程 Cg=Pg/k

8、T; Cs=Ps/kT pg ps F1 F2 F3 SiO2Si - 0 x Cg Cs Co Ci 主流 气体 粘滞层 O2 x0 21 D-G模型 F1=h (C*-Co)；h=hg / HkT n固相扩散： n化学反应： n热氧化是在氧化剂气氛下进行：O2流密度 不变，即准平衡态稳定生长： F1=F2=F3 22 两种极限形式 气体 C0 SiO2Si ks0 DSiO20 C x 扩散控制：DSiO2 0， Ci 0， Co C * 反应控制：ks 0， Ci Co= C */（1+ks/h） Ci 23 热氧化生长速率 氧化时间长，扩散控制阶段: t, t A2/4B 氧化时间很短

9、，反应控制阶段: (t+ ) A2/4B 初始条件：xo=xi 抛物线速率常数 线性速率常数 24 实测值 n在两种极 限情况下 ：长时间 氧化或氧 化时间时间 很 短，实测 值和计算 值吻合。 25 2.4 热氧化系统、工艺 n氧化系统由四部分组成： n气源柜 n炉体柜 n装片台 n计算机控制系统 26 氧化炉 27 氧化扩散原理图 28 工艺 n干氧 O2+Si SiO2 n湿氧 H2O（O2）+Si SiO2+H2 n水汽 （H2+O2）+Si SiO2+H2 n掩膜氧化（厚氧化层） 干氧-湿氧-干氧 n薄层氧化（MOS栅） n干氧 n掺氯氧化 900-1200 900-1200 900

10、-1200 29 热氧化方法比较 n干氧氧化：氧化膜致密性最好，针孔密度小， 薄膜表面干燥，适合光刻，但是生长速率最慢 ； n湿氧氧化：氧化膜较干氧氧化膜疏松，针孔密 度大，表面含水汽，光刻性能不如干氧，容易 浮胶。湿氧与干氧比，水温越高，水汽就越多 ，二氧化硅生长速率也就越快； n水蒸汽氧化：在三种热氧化方法中氧化膜致密 性最差，针孔密度最大，薄膜表面潮湿，光刻 难，浮胶。但是，生长速率最快。 30 氧化 方 式 氧化 温度 （） 生长速率常数 （m2/min） 生长0.5 微米SiO2 所需时间 （min） SiO2的密度 （g/mm） 备注 干氧 10001.4810-418002.27

11、 12006.210-43602.15 湿氧 100038.510-4632.21 水浴温度 95 1200117.510-4222.12 水汽 100043.510-4582.08 水汽发生 器水温 102 120013310-4182.05 三种热生长方法及SiO2薄膜特性的比较 31 SiO2 生长方法特点 主要用途 1 热 生 长 设备简单 ，操作方便，SiO2 薄膜较致密。 采用湿氧干氧交替方法，可获得 既厚又较致密的层。缺点：氧化需在 高温（10001200下进行，容易引 起P-N结特性退化。 广泛用于硅外延平面晶体管、双极型集成电 路、MOS集成电路生产，作为选择扩 散的掩蔽膜，

12、作为器件表面和P-N结的 钝化膜以及集成电路的隔离介质，绝 缘介质等。 2 热 分 解 淀 积 SiO2 直接淀积在Si衬底表面，不与硅片本 身反应。淀积温度（700800）较 低，对P-N结特性影响不大，可对任意 衬底进行淀积。设备 也较简单 。容易 得到厚的SiO2层。缺点：形成的SiO2层 质地不如热生长的致密。 用于大功率晶体管和半导体集成电路的辅 助氧化，避免针孔的不良影响，作为 半导体微波器件等的表面钝化膜。 3 阴 极 溅 射 Si衬底温度低（一般在200左右），可对任 意衬底淀积。缺点：生长速率慢周期 长，例如生长3000埃SiO2膜一般要8 12小时。生成SiO2不如热生长的

13、致密 。 用于不宜进行高温处理的器件淀积表面钝 化膜，如硅整流器和可控硅等。用作 某些半导体器件的电绝缘 介质。 4 HF-HNO3 气 相 钝 化 反应温度低（室温），工艺和设备简单 ， 生成膜比阴极溅射的完整、致密。缺 点：生产周期长。 用于不宜进行高温处理的器件生长钝 化膜 。如硅整流器和可控硅，高反压硅台 面管等面结型器件。 5 真 空 蒸 发 Si衬底所处温度较低（在400恒温10min后 降至200蒸发）。可对任意衬底蒸发。 SiO2膜较均匀，生长速度快。缺点： SiO2质地不够完整，设备较 复杂。 用于制作半导体器件的电绝缘 介质。 6 外 延 淀 积 Si衬底不参加反应。膜的质

14、量较好。淀积 速度较低快：连续 生长，可得到厚的 膜。缺点：生长温度高（1120 1150），设备较 复杂。 用于高频线 性集成电路和超高速数字集成 电路中制作介质隔离槽。 7 阳 极 氧 化 反应温度低（室温），在外加电压 和时间 不变时 ，或以猁厚度比较一致的SiO2 薄层。缺点：SiO2结构疏松，多孔， 不完整。 用于扩散杂质 分布的测定。用于采用浅扩 散的硅器件的结深测定。 各种氧化方法比较 32 薄层氧化 nD-G模型对30nm 以下的干氧氧化不 准。 n自然氧化物不是连 续生长而是阶段的 生长。轻掺杂 0.8nm;重掺杂 1.3nm。 n初始氧化阶段的氧 化机制仍是日前研 究热点。

15、 23nm 33 掺氯氧化 n钝化可动离子，尤其是钠离子； n减少SiO2中缺陷，提高了氧化层的抗击穿能力 ； n降低了界面态密度和表面固定电荷密度； n减少了氧化导致的堆垛层错，增加了氧化层下 面硅中少数载流子的寿命。 n氯气有毒，对管路有腐蚀，HCl对硅有腐蚀。 氯的掺入可改善SiO2 层和 SiO2 /Si界面的性质 34 掺氯氧化 35 2.5 影响氧化速率因素 n氧化剂 溶解度、扩散速率、化学反应速率。 n温度 影响很大， H, h,D,ks都与温度有关。 n气体分压 提高反应器内氧气或水汽的分压能提 高线性氧化速率。有高压氧化和低压氧化技术 。 n硅晶向 对氧化速率略有不同，（111）晶向速率 最快，（100）晶向速率最慢。 n掺杂 掺杂浓度越高氧化速率越快，将此现象称 为增强氧化。 36 温度对氧化速率的影响 37 气体分压对氧化速率的影响 n氧化剂分 压Pg是通 过C*对B 产生影响 ：BPg 38 氧化增强 n线性和抛物型 氧化速率常数 对存在于氧化 剂中或存在于 硅衬底中的杂 质敏感。 n磷在较低温度 增强氧化明显 ，而硼在低温 时增强氧化不 明显，高温明 显。钠、水汽 、氯都能显著 提高氧化速率 。 39 2.6 杂质再分布 由