第 三 章Oxidation 氧化Oxidation氧化氧化n n简介n n氧化膜的应用n n氧化机理n n氧化工艺n n氧化设备n nRTO快速热氧化简介简介n n硅与O2直接反应可得；n nSiO2性能稳定；n n氧化工艺在半导体制造中广泛使用Si + O2 SiO2氧化层简介氧化层简介Oxidation氧化层简介氧化层简介Silicon氧化膜的应用氧化膜的应用n n掺杂阻挡层n n表面钝化(保护) Screen oxide, pad oxide, barrier oxiden n隔离层 Field oxide and LOCOSn n栅氧化层氧化层应用氧化层应用掺杂阻挡氧化层掺杂阻挡氧化层n nMuch lower B and P diffusion rates in SiO2 than that in Sin nSiO2 can be used as diffusion mask氧化层应用氧化层应用表面钝化表面钝化(保护保护)氧化层氧化层n nPad OxidePad Oxide衬垫氧化层衬垫氧化层, Screen Oxide, Screen Oxide屏蔽氧化层屏蔽氧化层 Sacrificial Oxide Sacrificial Oxide牺牲氧化层牺牲氧化层, Barrier Oxide, Barrier Oxide阻挡氧化层阻挡氧化层n nNormally thin oxide layer (150) to protect silicon defects from contamination and over-stress.氧化层应用氧化层应用Screen Oxide氧化层应用氧化层应用Pad and Barrier Oxides in STI Process氧化层应用氧化层应用USG: Undoped Silicate Glass未掺杂硅酸盐玻璃Application, Pad Oxiden nRelieve strong tensile stress of the nitriden nPrevent stress induced silicon defects氧化层应用氧化层应用牺牲氧化层牺牲氧化层 Sacrificial Oxiden nDefects removal from silicon surface氧化层应用氧化层应用器件隔离氧化层器件隔离氧化层n n临近器件的绝缘隔离n nBlanket field oxiden nLocal oxidation of silicon (LOCOS)n nThick oxide, usually 3,000 to 10,000 氧化层应用氧化层应用Blanket Field Oxide Isolation氧化层应用氧化层应用LOCOS Process氧化层应用氧化层应用LOCOSn nCompare with blanket field oxide Better isolation更好的隔离 Lower step height更低台阶高度 Less steep sidewall侧墙不很陡峭n nDisadvantage缺点 rough surface topography粗糙的表面形貌 Birds beak鸟嘴n n被浅的管沟(STI)所取代氧化层应用氧化层应用栅氧化层栅氧化层n nGate oxide: thinnest and most critical layern nCapacitor dielectric氧化层应用氧化层应用氧化膜氧化膜(层层)应用应用名称名称应用应用厚度厚度说明说明自然氧化层自然氧化层不希望的不希望的15-20A15-20A屏蔽氧化层屏蔽氧化层注入隔离，减小损伤注入隔离，减小损伤200A200A热生长热生长掺杂阻挡层掺杂阻挡层掺杂掩蔽掺杂掩蔽400-1200A400-1200A选择性扩散选择性扩散场氧化层和场氧化层和LOCOSLOCOS器件隔离器件隔离3000-3000-5000A5000A湿氧氧化湿氧氧化衬垫氧化层衬垫氧化层为为Si3N4Si3N4提供应力减小提供应力减小100-200A100-200A热生长很薄热生长很薄牺牲氧化层牺牲氧化层去除缺陷去除缺陷1000A1000A热氧化热氧化栅氧化层栅氧化层用作用作MOSMOS管栅介质管栅介质30-120A30-120A干氧氧化干氧氧化阻挡氧化层阻挡氧化层防止防止STISTI工艺中的污染工艺中的污染100-200A100-200A氧化层应用氧化层应用Silicon Dioxide Grown on ImproperlySilicon Dioxide Grown on ImproperlyCleaned Silicon SurfaceCleaned Silicon Surface表面未清洗硅片的热氧化层表面未清洗硅片的热氧化层n n热氧化生长的SiO2层是无定形的n nSiO2分子间趋于交联形成晶体n n未清洗硅片表面的缺陷和微粒会成为SiO2的成核点n n这种SiO2层的阻挡作用很差n n氧化前需要清洗硅片表面氧化前需要清洗硅片表面氧化前圆片清洗氧化前圆片清洗n n颗粒n n有机粘污n n无机粘污n n本征氧化层RCA清洗清洗n nDeveloped by Kern and Puotinen in 1960 at RCAn nMost commonly used clean processes in IC fabsn n(1号液)NH4OH:H2O2:H2O with 1:1:5 to 1:2:8 ratio at 70 to 80 to remove organic .n n(2号液)- HCl:H2O2:H2O with 1:1:6 to 1:2:8 ratio at 70 to 80 to remove inorganic contaminates ，DI water rinsen nHF dip or HF vapor etch to remove native oxide.Pre-oxidation Wafer Clean Particulate Removaln nHigh purity deionized (DI) water or H2SO4:H2O2 followed by DI H2O rinse.n n高压清洗或者放在清洗液中加热漂洗，最后烘干High pressure scrub or immersion in heated dunk tank followed by rinse, spin dry and/or dry bake (100 to 125 C).被氧化的硅片上有机物的清除被氧化的硅片上有机物的清除n n强氧化剂清除有机污垢n nH2SO4:H2O2 or NH3OH:H2O2 followed by DI H2O rinse.n nHigh pressure scrub or immersion in heated dunk tank followed by rinse, spin dry and/or dry bake (100 to 125 C).无机物的清洗无机物的清洗n n先用HCl:H2O液体浸泡n n再在大的玻璃杯中浸泡清洗 Immersion in dunk tank followed by rinse, spin dry and/or dry bake (100 to 125)Pre-oxidation Wafer Clean Native Oxide Removaln nHF:H2On nImmersion in dunk tank or single wafer vapor etcher followed by rinse, spin dry and/or dry bake (100 to 125)Oxidation Mechanismn nSi+O2SiO2n nO来源于提供的氧气n nSi来源于衬底硅圆片n nO通过表面已有的氧化层向内扩散并与Si反应生长SiO2n n氧化薄膜越厚，生长速率越低干氧氧化（Dry Oxidation）Oxide Growth Rate RegimeB/A为线性速率常数；B为抛物线速率常数 Silicon Dry Oxidation水汽氧化水汽氧化(Steam Oxidation）n nSi + 2H2O SiO2 + 2H2n nAt high temperature H2O is dissociated to H and H-On nH-O diffuses faster in SiO2 than O2n nSteam oxidation has higher growth rate than dry oxidation Silicon Wet Oxidation Rate湿氧氧化湿氧氧化(Wet Oxidation)n n湿氧氧化法是将干燥纯净的氧气，在通入氧化炉之前，先经过一个水浴瓶，使氧气通过加热的高纯去离子水，携带一定量的水汽，湿氧氧化法的氧化剂是氧气和水的混合物。
nSi+O2SiO2nSi + 2H2O SiO2 + 2H2氧化速率氧化速率n n温度n n湿氧或干氧n n厚度n n压力n n圆片晶向(或)n n硅中杂质氧化速率氧化速率与与温度温度n n氧化速率对温度很敏感，指数规律n n温度升高会引起更大的氧化速率升高n n物理机理：温度越高，O与Si的化学反应速率越高；温度越高，O在SiO2中的扩散速率越高氧化速率氧化速率与与圆片晶向圆片晶向n n表面的氧化速率高于表面n n表面的Si原子密度高湿氧氧化速率湿氧氧化速率氧化速率氧化速率与与杂质浓度杂质浓度n n杂质元素和浓度n n高掺磷的硅有更高的氧化层生长速率，更低密度的氧化层薄膜和更高的刻蚀速率n n通常，掺杂浓度越高，氧化层生长速率越高；在氧化过程的线性区(氧化层较薄时)更为显著氧化：杂质堆积和耗尽效应氧化：杂质堆积和耗尽效应n nN型杂质(P、As、Sb)在Si中的溶解度高于在SiO2中的溶解度，当SiO2生长时，杂质向Si中移动，这引起杂质堆积或滚雪球效应n nB倾向于向SiO2中运动，这引起杂质耗尽效应Depletion and Pile-up Effects氧化速率氧化速率与与HCl掺杂氧化掺杂氧化n nHCl is used to reduce mobile ion contaminationn nWidely used for gate oxidation processn nGrowth rate can increase from 1 to 5 percent氧化速率氧化速率与与不均匀氧化不均匀氧化n n氧化层越厚，氧化速率越小n n对于更厚的氧化层，O需要更多的时间扩散过氧化层与衬底硅发生反应在干氧中的氧化速率在合成水汽中的氧化速率二氧化硅色谱氧化工艺氧化工艺n n干氧氧化，薄氧化层干氧氧化，薄氧化层 栅氧化层 衬垫氧化层，屏蔽氧化层，牺牲氧化层，等等n n湿氧氧化，厚氧化层湿氧氧化，厚氧化层 场氧化层 扩散掩膜氧化层Dry Oxidation System氧化装置系统氧化装置系统Dry Oxidationn nDry O2 as the main process gasn nHCl is used to remove mobile ions for gate oxidationn nHigh purity N2 as process purge gasn nLower grade N2 as idle purge gasDangling Bonds and Interface ChargeWet Oxidation Processn nFaster, higher throughputn nThick oxide, such as LOCOSn nDry oxide has better qualityWater Vapor Sourcesn nBoilern nBubbler。