微电子工艺基础氧化工艺ppt课件.ppt

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1、第5章 氧化工艺,第5章 氧化工艺,本章（4学时）目标：,1、掌握硅器件中二氧化硅层的用途,2、熟悉热氧化的机制,3、熟悉干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点,4、掺氯氧化的作用,5、氧化膜质量的检测方法,第5章 氧化工艺,一、旧事重提 1、氧化工艺的定义（*） 2、二氧化硅的结构（*） 3、二氧化硅膜的作用（*） 4、二氧化硅膜的厚度（*） 5、氧化膜的获得方法（*）二、氧化膜的生长方法 1、热氧化生长机制（*） 2、热氧化生长方法（*） 3、热氧化系统和工艺（*）三、氧化膜检验方法,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,1、氧化工艺的定义,在硅或其它衬底上生长一层二氧化硅膜。,2、二氧化硅的结构,（1

2、） 概述,B 长程无序但短程有序。,A 微电子工艺中采用的二氧化硅薄膜是非晶态， 是四面体网状结构。,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,2、二氧化硅的结构,（2） 几个概念, 本征二氧化硅,无杂质的二氧化硅,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,硅暴露在空气中，则在室温下即可产生二氧化硅层，厚度约为250埃。如果需要得到更厚的氧化层，必须在氧气气氛中加热。硅的氧化反应是发生在Si/SiO2界面，这是因为：Si在SiO2中的扩散系数比O的扩散系数小几个数量级。,3、二氧化硅膜的用途,（1） 表面钝化,A 保护器件的表面及内部二氧化硅密度非常高，非常硬，保护器件免于沾污、损伤和化学腐蚀。,B 禁锢污染物落

3、在晶圆上的污染物（主要是移动的离 子污染物）在二氧化硅的生长过程中被禁锢在二氧化硅膜中，在那里对器件的伤害最小。（教材P105）,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,3、二氧化硅膜的用途,（2） 掺杂阻挡层（作为杂质扩散的掩蔽膜）,A 杂质在二氧化硅中的运行速度低于在硅中的运行速度（P105）,B 二氧化硅的热膨胀系数与硅接近（P105）,选择二氧化硅的理由：,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,3、二氧化硅膜的用途,（2） 掺杂阻挡层（作为杂质扩散的掩蔽膜）,二氧化硅起掩蔽作用的条件：,A：D二氧化硅D硅,B：二氧化硅膜有足够的厚度,对于B、P、As等元素，D二氧化硅D硅，因此二氧化硅可以作为杂质扩

4、散的掩蔽膜。,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,3、二氧化硅膜的用途,（3） 绝缘介质, IC器件的隔离和多层布线的电隔离（参见图7.5）,SiO2介电性质良好：,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,3、二氧化硅膜的用途,（3） 绝缘介质, MOSFET的栅电极（参见图7.4）,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,3、二氧化硅膜的用途,（3） 绝缘介质, MOS电容的绝缘介质（参见图7.5）,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,4、二氧化硅膜的厚度,参照教材图7.6，重点了解栅氧和场氧的厚度。,栅氧厚度： 150埃-500埃场氧厚度： 3000埃-10000埃 （不到一个微米）,第5章 氧化工艺 一、旧事重

5、提,5、二氧化硅膜的获得方法,参照教材P47图4.6所示，获取二氧化硅膜的方法有：,A：热氧化工艺（本课程重点）B：化学气相淀积工艺C：溅射工艺D：阳极氧化工艺,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,第5章 氧化工艺,一、旧事重提 1、氧化工艺的定义（*） 2、二氧化硅的结构（*） 3、二氧化硅膜的作用（*） 4、二氧化硅膜的厚度（*） 5、氧化膜的获得方法（*）二、氧化膜的生长方法 1、热氧化生长机制（*） 2、热氧化生长方法（*） 3、热氧化系统和工艺（*）三、氧化膜检验方法,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（1） 基本机理,热氧化是在Si/SiO2界面进行，通过扩散与化

6、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。（参阅图7.8）,结果：硅被消耗而变薄，氧化层增厚。,Si（固态）+ O2 （气态） SiO2 （固态）（1000 ）,生长1m厚SiO2约消耗0.45m厚的硅 dSi =0.45dSiO2,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,NG 气体内部氧化剂浓度NGS SiO2表面外侧氧化剂浓度NOS SiO2表面内侧氧化剂浓度NS SiO2/Si界面处氧化剂浓度tox SiO2薄膜的厚度,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,h

7、G: 气相质量转移系数F1：氧化剂由气体内部传输到气体和氧化物界面的粒子流密度，即单位时间通过单位面积的原子数或分子数。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,D0：氧化剂在SiO2中的扩散系数。F2：氧化剂扩散通过已生成的二氧化硅到达SiO2/Si界面的扩散流密度。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,Ks：表面化学反应速率常数F3：SiO2/Si界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiO2层的反应流密度。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2）

8、 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,假设氧化过程为平衡过程，且氧化气体为理想气体，则平衡态下应有： F1 = F2 = F3,于是有氧化层厚度与时间的关系：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,其中B/A为线性速率常数,边界条件：T0时刻氧化层厚度假设为t0，则有：,其中：,1、若氧化层厚度足够薄：,2、若氧化层厚度足够厚：,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（3） 热氧化生长的两个阶段（*）, 线性阶段（参见教材P107）, 抛物线阶段（生长逐渐变慢，直至不可忍受）,简记为： tox=B/At,简记为

9、：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,SiO2生长速率由SiO2-Si表面化学反应速率决定（反应速率控制）,生长速率由氧扩散过氧化物的速率决定（扩散控制）,B/A被称为线性速率系数；而B被称为抛物线速率系数,自然氧化层,迪尔格罗夫模型在薄氧化层范围内不适用。在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔格罗夫模型需要用来修正。,硅（100）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系,薄氧阶段的经验公式,其中：tox为氧化层厚度；L1和L2是特征距离，C1和C2是比例常数。,硅的氧化系数,其中：是考虑到自然氧化层的因素，200左右。

10、,计算在120分钟内，920水汽氧化（640Torr）过程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000埃的氧化层。,4.4影响氧化速率的因素,温度：氧化速率随温度升高而增大。气氛：掺氯气氛增加氧化速率。气压：氧化速率与氧化剂分压成正比。硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)R(110)R(100)。,温度的影响分析,对于抛物线速率常数B，温度的影响是通过扩散系数D体现的。具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激活能不一样。对于线性速率常数B/A，温度的影响则主要是通过反应速率常数Ks

11、体现的。具体表现在干氧和湿氧具有相同的激活能，这是因为干氧和水汽氧化本质上都是硅硅键的断裂，具有相同的激活能。,抛物线速率常数B随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）,线性速率常数B/A随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）,氯气氛的影响分析,在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：钝化可动离子，特别是钠离子；增加硅中少数载流子的寿命；减少中的缺陷，提高了抗击穿能力；降低界面态密度和固定电荷密度；减少硅中的堆积层错。,氯对氧化速率的影响,氧化剂分压的影响分析,A与氧化剂分压无关，而B与氧化剂分压成正比。通过改变氧化剂分压可以达到调整SiO2生长速率的目的，因此

12、出现了高压氧化和低压氧化技术。,氧化速率常数随温度和压强的关系,硅片晶向的影响分析,B与晶向无关，因为分压一定的情况下，氧化速率与氧化剂在SiO2中的扩散系数D有关，而SiO2是无定形的，所以扩散具有各向同性。A与晶向有关，因为反应速率常数严重依赖于硅表面的键密度。显然，（111）晶面的键密度大于（100）晶面，所以（111）晶面上的氧化速率最大。,掺杂的影响分析,硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。对于硼来说，氧化过程中大量的硼进入到SiO2中，破坏了SiO2的结构，从而使氧化剂在SiO2中的扩散能力增强，因此增加氧化速率。对于磷来说，虽然进入SiO2的磷不多，但在高浓度时，高浓度

13、磷掺杂会改变硅的费米能级，使硅表面空位增多，从而提供了额外的氧化点，增加了氧化速率。,4.5热氧化引起的缺陷,氧化诱生层错是热氧化产生的缺陷，它通常存在于Si/SiO2界面附近硅衬底一侧。产生原因：氧化过程中产生硅自填隙点缺陷，这些点缺陷凝聚起来，在（111）面内形成层错。减少层错的措施：a)磷、硼掺杂引入晶格失配缺陷作为点缺陷的吸收源；b)掺氯氧化可以吸收点缺陷，阻止点缺陷凝聚长大；c)采用高压氧化，从而减少氧化温度和时间；d)采用（111）硅片。,4.6氧化层厚度测量方法,台阶法：腐蚀部分SiO2膜得到台阶，然后用电镜或显微镜观测得到膜厚。光学法：包括椭偏光法和干涉法。电学测量：包括电压击

14、穿法和电容电压法等。,4.7SiO2氧化层的替代品,随着微电子器件的小型化，SiO2氧化层已经不能满足需求，其矛盾在于：当SiO2层薄到一定程度时，其漏电流大幅度增加，从而造成器件的不稳定性及高功耗。而目前Intel公司新一代45nmCPU工艺中即将采用基于铪（Hf）的氧化物的高K值绝缘层代替SiO2，并采用金属栅极代替传统的多晶硅栅极。,4.8氧化层质量Si/SiO2界面,固定电荷层：存在于Si/SiO2界面附近，是一些过剩的硅离子。这些过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但还没有与氧分子反应，于是形成固定电荷层。界面陷阱电荷：硅表面出现晶格周期中断，从而导致界面处出现悬挂键，成为电子或空穴的陷

15、阱，并在禁带中引入能级，称为界面态。可移动离子电荷：来自钾、钠等其它碱金属离子污染，在高温和电场的作用下可在氧化层内移动，非常有害。氧化层陷阱电荷：由氧化层内的缺陷引起。,改善Si/SiO2界面的方法,大多数氧化工艺在硅片从炉子里面拉出来之前，有一个短时的氮气或氩气退火，可以显著改善Si/SiO2界面质量。掺氯氧化可以减小可移动离子，减小界面态和固定电荷。注意工艺过程中的洁净环境，尽可能减少可动离子。,1、热氧化机制,（4）影响氧化速率的因素（*）, 晶向, 氧化剂,对氧化速率略有不同，（111）晶向氧化速率最快，（100）晶向氧化速率最慢，低温时的线性阶段尤为突出。（参阅教材P109）,与氧

16、化剂本身的关系最为密切：溶解度、扩散速率、化学反应速率,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（4）影响氧化速率的因素（*）, 掺杂类型和浓度,掺杂浓度越高氧化速率越快，将此现象称为增强氧化。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。（参阅教材P110中间一段话）,提高反应器内氧气或水汽的分压也能提高热氧化速率。, 氧化剂的分压,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,热氧化生长方法是最常用的得到二氧化硅薄膜的方法。,分类：,（1）干氧氧化（2）水汽氧化（3）湿氧氧化（4）掺氯氧化,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生

17、长方法,（1）干氧氧化,气源：干燥氧气，不能有水分。（参见P115最下）,适用：较薄的氧化层的生长，例如MOS器件的栅极。（参见P115最下）,原理：,氧化剂扩散到SiO2/Si界面与硅反应。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,将需氧化的硅片放在托架上,实验室氧化硅片的工艺,准备氧化,将待氧化的硅片放入氧化炉内,硅在氧化炉中,氧化完后打开氧化炉,氧化完后取出硅片,从氧化炉中取出硅片,氧化后的硅片,氧化前（左侧）后（右侧）的硅片,2、热氧化生长方法,（1）干氧氧化,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（1）干氧氧化,随着氧化层的增厚，氧气扩散时间延长，生长速率减慢。

18、,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（2）水汽氧化,气源：气泡发生器或氢氧合成气源（参见P116页）, 气泡发生器, 氢氧合成氧化,缺点：（见P116页）,A：水温易波动B：气泡发生器可能成为污染源,优点：（见P116页）,A：容易得到干净和干燥的气体B：气体流量精确可控因此是LSI和VLSI中比较理想的氧化技术,缺点：（见P116页）,易爆炸性（解决办法：氧气过量）,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（2）水汽氧化,原理：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（2）水汽氧化,补充说明：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的

19、生长方法,2、热氧化生长方法,（2）水汽氧化,干氧氧化和水汽氧化的比较：（*）,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（3）湿氧氧化,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, 作用：,A：减弱二氧化硅中的移动离子（主要是钠离子）的沾污影响B：减少硅表面及氧化层的结构缺陷（参见教材P116下部分）, 诱因：,薄的MOS栅极氧化要求非常洁净的膜层，如果在氧化中加入氯，器件的性能和洁净度都会得到改善。（参见教材P116下部分）,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, 气源：,气态气源: Cl2 HCl液态

20、气源: 三氯乙烯C2HCl3（TCE） 氯仿CHCl3（TCA） 都为剧毒物；半导体工业常用HCl，液态也用氯仿。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, Cl-Si-O复合体：,SiO2/Si界面过渡区存在大量过剩的Si，其中硅键并未饱和，所以可以通过反应生成Cl-Si-O复合体。,Si-O键能（870kJ/mol） Si-Cl键能（627kJ/mol），所以在高温下，有氧和水汽存在时，会使Cl-Si键离解。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, Cl-Si-O复合体：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、

21、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, Na+的中性化：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, Na+的中性化：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,3、热氧化系统和工艺,（1）热氧化系统,氧化系统由四部分组成：, 气源柜 炉体柜 装片台 计算机控制系统,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,3、热氧化系统和工艺,（1）热氧化系统,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,3、热氧化系统和工艺,（2）热氧化方法,热氧化方法见P111，图7.15所示。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,3、热氧化系统和工艺,（3）热氧化工艺,氧化工艺流程见图7.31所

22、示。,氧化发生在炉管反应炉中，在不同的气体循环中进行。气体的循环方式参照7.32所示。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,第5章 氧化工艺,一、旧事重提 1、氧化工艺的定义（*） 2、二氧化硅的结构（*） 3、二氧化硅膜的作用（*） 4、二氧化硅膜的厚度（*） 5、氧化膜的获得方法（*）二、氧化膜的生长方法 1、热氧化生长机制（*） 2、热氧化生长方法（*） 3、热氧化系统和工艺（*）三、氧化膜检验方法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（1）概述,热氧化薄膜是由硅表面生长得到的二氧化硅薄膜。高温生长工艺将使SiO2/Si界面杂质发生再分布，与二氧化

23、硅接触的硅界面的电学特性也将发生变化。,（2）杂质再分布,有三个因素： 分凝效应 扩散速率 界面移动,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 SiO2/Si界面杂质的分凝效应,在一定温度下，杂质在SiO2与Si中平衡浓度不同的现象；分凝系数是衡量分凝效应强弱的参数：,其中：nSi、nSiO2分别表示杂质在Si与SiO2中的平衡浓度,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 SiO2/Si界面杂质的分凝效应,A：当K1，在SiO2/Si界面杂质向SiO2内扩散，即氧化层提取杂质，Si面杂质浓度低，耗

24、竭，这样的杂质有：B KB= 0.3，Al KAl=0.1；,B：当K1，在SiO2/Si界面杂质向Si内扩散，即氧化层排出杂质，Si面杂质浓度高，堆积，P Kp= 10， As KAs=10，Ga KGa=20。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 扩散速率,A：杂质在二氧化硅和硅中扩散速率不同，热氧化时，将引起SiO2/Si界面杂质再分布。扩散系数D是描述杂质扩散快慢的一个参数。,B：如果有：DSi DSiO2，nSi nSiO2硅（即K1）则杂质在Si中耗竭更严重。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*

25、）,（2）杂质再分布 扩散速率,杂质在SiO2/Si界面分布,SiO2/ Si,SiO2/ Si,K1,B在SiO2中扩散慢,B在SiO2中扩散快（H2环境）,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 扩散速率,杂质在SiO2/Si界面分布,SiO2/ Si,SiO2/ Si,K1,P, As在SiO2中扩散慢,Ga在SiO2中扩散快,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 界面移动,热氧化时SiO2/Si界面向Si内部移动，界面移动的速率对SiO2/Si界面杂质再分布也有影响，移动速率决定于氧化

26、速度。,水汽氧化速率远大于干氧氧化速率，水汽氧化SiO2/Si界面杂质的再分布就远小于干氧氧化； 湿氧氧化速率介于水汽、干氧之间，SiO2/Si界面杂质的再分布也介于水汽、干氧之间。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（3）电学特性 概述,二氧化硅层中存在着与制备工艺有关的正电荷，这种正电荷将引起SiO2/Si界面P-Si的反型层，以及MOS器件阈值电压不稳定等现象。,正电荷有两种：可动离子；固定离子。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（3）电学特性 可动离子或可动电荷,主要是Na+、K+、H+ 等，这些离子在二氧化

27、硅中都是网络修正杂质，为快扩散杂质。其中主要是Na+。在人体与环境中大量存在Na+，热氧化时容易发生Na+沾污。加强工艺卫生方可以避免Na+沾污；也可采用掺氯氧化，固定Na+离子。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（3）电学特性 固定离子或固定电荷,主要是氧空位。一般认为：固定电荷与界面一个很薄的（约30）过渡区有关，过渡区有过剩的硅离子，过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但未与氧完全反应。干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。热氧化时，首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象。氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定电荷。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法

28、,1、SiO2/Si界面特性（*）,（3）电学特性 固定离子或固定电荷,带有可动电荷固定电荷和界面态的SiO2/Si界面,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,2、氧化膜厚度的检测（*）,（1）劈尖干涉和双光干涉,劈尖干涉和双光干涉利用干涉条纹进行测量，因为要制造台阶，所以为破坏性测量。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,（2）比色法,以一定角度观察SiO2膜，SiO2膜呈现干涉色彩，颜色与厚度存在相应关系。比色法方便迅速，但只是粗略估计。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,2、氧化膜厚度的检测（*）,（3）椭圆仪法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,2、氧化膜厚度的检测（*）,（4）高频MOS结构C-V法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,2、氧化膜厚度的检测（*）,3、氧化膜针孔的检测（*）,（1）PAW法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,（2）铜缀法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,3、氧化膜针孔的检测（*）,第5章 氧化工艺 四、作业题,（1）硅器件中二氧化硅膜的作用？（2）二氧化硅膜的获得方法有哪些？（3）描述热氧化的基本机理和两个阶段。（4）影响氧化速率的因素？（5）常见的热氧化生长二氧化硅的方法有哪些？（6）比较干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点。（7）为什么要采用掺氯氧化，作用如何？,谢谢！,