氧化over次作业.ppt

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1、集成电路制造技术第二章 氧化,2013年8月28日,主要内容,SiO2的作用（用途）SiO2的结构与性质硅的热氧化生长动力学影响氧化速率的因素热氧化的杂质再分布薄氧化层Si-SiO2界面特性,应用在DRAM中的SiO2,SiO2的作用（用途）,用途：a.杂质扩散掺杂的掩蔽膜 b.器件表面保护或钝化膜 c.MOS电容的介质材料 d.MOSFET的绝缘栅材料 e.电路隔离介质或绝缘介质SiO2制备：热氧化；淀积。热氧化：SiO2质量好，掩蔽能力强。,2.1 SiO2的结构与性质,2.1.1.结构结晶形结构：如石英晶体（水晶），密度2.65 g/cm3无定形（非晶形）结构：如SiO2薄膜，密度2.1

2、5-2.25g/cm3结构特点：（由无规则排列的Si-O4四面体组成的三 维网络结构),即短程有序，长程无序；Si-O4四面体:在顶角处通过氧（O)相互联结,构成三 维网络结构。,2.1 SiO2的结构与性质,Si-O4四面体中氧原子：桥键氧为两个Si原子共用，是多数；非桥键氧只与一个Si原子联结，是少数；无定形SiO2网络强度：与桥键氧数目成正比，与非桥键氧数目成反比。Si空位相对（O空位）困难：Si与4个O形成4个共价键，O最多形成2个共价键；Si在SiO2中扩散系数比O小几个数量级。氧化机理：O、H2O穿过SiO2扩散到达Si表面反应。,2.1.2 主要性质密度：表征致密度，约2.2g/

3、cm3，与制备方法有关。折射率:表征光学性质的参数，5500下约为1.46，与制备方法有关。电阻率：与制备方法及杂质数量有关，如干氧在 1016cm。介电强度：表征耐压能力，106 107 V/cm。介电常数:表征电容性能，SiO2=3.9。熔点：无固定熔点，1700。（不同制备方法，其 桥键O数量与非桥键数量比不同）,2.1 SiO2的结构与性质,2.1 SiO2的结构与性质,腐蚀：只与HF强烈反应。SiO2+4HF SiF4+4H2OSiF4+2HFH2（SiF6）总反应式：SiO2+6HF H2（SiF6）+4H2O腐蚀速率：与HF的浓度、温度、SiO2的质量（干氧、湿氧）等有关。,2.

4、2 SiO2的掩蔽作用,选择扩散：杂质在SiO2的扩散速度远小于在Si中的 扩散速度。扩散系数:DSiO2=D0exp(-E/kT)D0-表观扩散系数（kT0时的扩散系数）E-激活能B、P、As的DSiO2比DSi小，Ga、Al、的DSiO2比DSi大得多，Na的DSiO2 和DSi都大。Na的危害：造成器件性能不稳定。,2.2 SiO2的掩蔽作用,图2.5：不同温度下掩蔽B、P时，SiO2厚度与扩散时间的关系,图2.6：SiO2掩蔽P扩散 P2O5+SiO2 PSG（磷硅玻璃）,2.3 硅的热氧化生长动力学,2.3.1 Si的热氧化热氧化：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽化学 反应生成SiO

5、2。特点：质量最好、重复性和化学稳定性高、界面陷 阱和固定电荷可控等。热氧化的种类：干氧、湿氧、水汽、掺氯、高压,2.3.1 硅的热氧化,热氧化的种类1）干氧氧化：900-1200高温下，硅片与氧气反应 Si+O2 SiO2特点：速度慢；氧化层致密（掩蔽能力强）；均匀性和重复性好；表面结构是非极性的硅-氧烷（不易浮胶）。应用：栅氧化层,2）水汽氧化：高温下，硅片与水蒸汽反应 2H2O+Si SiO2+2H2特点：氧化速度快；氧化层疏松质量差；表面是极性的硅烷醇-易吸水、易浮胶。,2.3.1 硅的热氧化,2.3.1 硅的热氧化,3）湿氧氧化氧气中携带一定量的水汽（水汽加热到95）机理：O2+Si

6、 SiO2 H2O+Si SiO2+H2特点：氧化速率介于干氧与水汽之间；氧化层质量介于干氧与水汽之间；应用：扩散的掩蔽膜,2.3.1 硅的热氧化,4）掺氯氧化在干氧中掺少量的Cl2、HCl、C2HCl3（TCE）、C2H3Cl3（TCA）掺氯的作用：吸收、提取有害大多数重金属杂质及 Na+，减弱Na+正电荷效应。注意安全：TCE可致癌；TCA高温下可形成光气（COCl2），俗称芥子气。5）实际生产干氧-湿氧-干氧工艺好处：既保证了SiO2的质量，又提高了氧化速度。,2.3.2 热氧化生长动力学,1.热氧化步骤a.氧化剂（O2、H2O）从气相经 附面层扩散到气体Si02界面，流密度为F1；b.

7、氧化剂扩散穿过Si02层，到达 SiSi02界面，流密度为F2；c.在界面处与Si氧化反应，流密度为F3；d.反应的副产物（H2)扩散出Si02层，逸出反应室。（附面层：速度及浓度分布受到扰动的区域，也称边界层）,2.3.2 热氧化生长动力学,2.热氧化模型：Deal-Grove模型 假定氧化是平衡过程-准静态近似，即 F1=F2=F3设附面层中的流密度为线性近似，即 F1=hg(Cg-Cs)hg-气相质量转移系数，Cg-气体内部氧化剂浓度，Cs-SiO2表面的氧化剂浓度；,2.3.2 热氧化生长动力学,流过SiO2层的流密度就是扩散流密度，即 F2=-DOXdC/dx=DOX(CO-Ci)/

8、xO（线性近似）DOX-氧化剂在SiO2中的扩散系数,C0-SiO2中表面的氧化剂浓度，Ci-SiO2/Si界面处的氧化剂浓度,x0-SiO2的厚度；氧化剂在Si表面的反应流密度与Ci成正比，即 F3=kSCi=N1dx0/dt kS-氧化剂与Si的化学反应常数，N1-生长一个单位体积SiO2所需的氧化剂的分子个数；,2.3.2 热氧化生长动力学,热氧化的两种极限情况：A.当DOXkS时，为反应控制。,2.3.2 热氧化生长速率氧化层厚度与氧化时间的关系,3.氧化层厚度与氧化时间关系平衡时，F1=F2=F3,解得A=2DOX(ks-1+h-1)；B=2DOX C*/N1，N1(干氧：2.2X1

9、022/cm3；水汽：4.4X1022/cm3）；时间常数；x0*-初始氧化层厚度。详细推导参见p28-29,式2.26-2.32,2.3.2 热氧化生长动力学,两种氧化极限a.当氧化时间很短，即A2/4Bt+t*，则 x0=B/A(t+t*)-线性氧化规律（表面反应控制）B/A=ksC*/N1-线性速度常数b.当氧化时间很长，即A2/4Bt+t*，则-抛物线型氧化规律（扩散控制）B-抛物型速度常数；,2.3.2 热氧化生长动力学,2.3.2 热氧化生长动力学,2.4 影响氧化速率的因素,1.氧化剂分压C*=Hpg（C*为平衡时SiO2中氧化剂浓度）根据亨利定律，有 B=2DOX C*/N1，

10、A=2DOX(ks-1+h-1)，故：B与pg成正比，A与pg无关，因而 Bpg，B/Apg（线性关系）；改变分压：高压氧化低压氧化,2.4.1 决定氧化速率常数的因素,2.4 影响氧化速率的因素,2.4.1 决定氧化速率常数的因素2.氧化温度与抛物型速率常数B的关系：B=2DOX C*/N1 Dox=D0exp(-Ea/kT)B与氧化温度是指数关系干氧氧化：Ea=1.24eV（接近02在熔融硅 石中的扩散系数活化能）湿氧氧化：Ea=1.17eV（接近水汽在熔融 硅石中的扩散系数活化能）结论：B由扩散系数Dox支配。,2.4.1 决定氧化速率常数的因素,2.氧化温度与线性速率常数B/A的关系

11、B/A=ksC*/N1 而 ks=ks0exp(-Ea/kT)无论干氧、湿氧，氧化，温度与B/A都是指数关系干氧：Ea=2.0eV；湿氧：Ea=1.96eV；Si-Si键键能：1.83eV。结论：B/A由ks支配。,2.4 影响氧化速率的因素,2.4 影响氧化速率的因素,1.硅表面晶向 DOX与Si片晶向无关，ks与Si表面的原子密度(键密度）成正比；抛物型速率常数B=2DOX C*/N1，与Si晶向无关；线性速率常数B/A ksC*/N1，与Si晶向有关：（111）比（100）大,2.4.2 影响氧化速率的其它因素,2.4 影响氧化速率的因素,2.杂质硼：在SiO2中是慢扩散，且分凝系数m1

12、；（m=杂质在Si中的平衡浓度:杂质在SiO2中的平衡浓度）氧化再分布后：大量硼从Si进入SiO2中，使非桥键氧增加，降低了SiO2的网络强度，故氧化剂的DOX增加。结果：抛物型速率常数B明显增加；B/A无明显变化。,2.4.2 影响氧化速率的其它因素,B掺杂浓度对氧化速率的影响,2.4 影响氧化速率的因素,P:分凝系数 m1 氧化再分布后：少量的P分凝到SiO2中，使氧化剂在SiO2中的扩散能力增加不多，因而抛物型速率常数B变化不大；大部分P集中在Si表面，使线性速率常数B/A明显增大。掺P对B/A影响的解释：Si表面的高浓度P使EF移动，造成Si表面空位浓度增加；空位浓度的增加为氧化剂与S

13、i的反应提供了额外的位置，从而增加了反应速率。,2.4.2 影响氧化速率的其它因素,P掺杂浓度对氧化速率的影响,现象：低温下掺P的氧化速率增大明显，高温下增大消失。解释：线性速率常数B/A在低温和起始氧化时起主导主要。,2.4.2 影响氧化速率的其它因素,水汽干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；水汽会增加陷阱密度。水汽来源：Si片吸附；O2；外界扩散；含氯氧化中氢与氧反应。钠钠以NaO的形式进入SiO2中，非桥键氧增加，氧化剂的扩散能力增加。Na来源：管道、容器等；化学药品；人体；氯氯的作用：固定重金属、Na+等杂质；增加Si中的少子寿命；减少SiO2中的缺陷；降低界面态和固定电荷密度；减少

14、堆积层错。,掺Cl对速率常数B的影响：使B明显增大；掺Cl对速率常数B/A的影响：低浓度时增加明显，高浓度时饱和机理：4HCl+O2 2H2O+2Cl2,掺氯对氧化速率的影响,2.5 热氧化的杂质再分布,2.5.1 杂质的分凝与再分布分凝系数 m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度 B：0.1-1；P、As、Sb:10；Ga：20；四种分凝现象：根据m1和快、慢扩散（a)m1、SiO2中慢扩散：P(d)m1、SiO2中快扩散：Ga,2.5 热氧化的杂质再分布,2.5.2 再分布对Si表面杂质浓度的影响影响Si表面杂质浓度的因素：分凝系数m DSiO2/DSi 氧化速率/杂质扩散

15、速率1.P的再分布（m=10）CS/CB：水汽干氧 原因：氧化速率越快，加入 分凝的P越多，且P是慢扩散；CS/CB随温度升高而下降:P向Si内 扩散的速度加快。,2.B的再分布（m=0.3）CS/CB：水汽干氧CS/CB随温度升高而升高。原因：扩散速度随温度升高而提 高，加快了Si表面杂质损 耗的补偿。改正：图2.23中纵坐标CB/CS应为 CS/CB,2.5 热氧化的杂质再分布,2.6 薄氧化层,ULSI工艺中，栅氧化层小于30nm；D-G模型：当厚度小于30nm时，对干氧氧化不准确（对干氧氧化速率估计偏低）；对水汽氧化精确。2.6.1 快速初始氧化阶段干氧氧化：有一个快速 的初始氧化阶段

16、，即 x0*=(233)nm t*(A/B)x0*氧化机理：目前尚不完全清楚。湿氧和水汽氧化：t*0,2.6.2 薄氧化层的制备ULSI对薄氧化层的要求：低缺陷密度；抗杂质扩散的势垒特性；低界面态密度和固定电荷；热载流子和辐射稳定性。解决方法：1.预氧化清洗：RCA工艺（标准清洗工艺）H2O-H2O2-NH4OH:去除有机沾污及、族金属沾污HF：漂洗 中产生的SiO2H2O-H2O2-HCl:去除重金属杂质,2.6 薄氧化层,2.改进氧化工艺：高温（900）快速氧化界面态、固定电荷、氧化层陷阱随温度升高而减少；提高了载流子迁移率、抗辐射、抗热载流子效应的能力，改进了可靠性。3.化学改善氧化工艺

17、：引入Cl、F、N2、NH3、N2O N2、NH3、N2O的作用：N2（NH3、N2O）+SiO2 Si2N2OSi-N键比Si-H键强度大 可抑制热载流子和电离辐射缺陷；N2O基工艺的优点：工艺简单；无H。F的作用：填补Si-SiO2界面的悬挂键，抑制热载流子和电离辐射产生的缺陷；可使界面应力弛豫。,2.6 薄氧化层,4.多层氧化硅：SiO2/SiO2，SiO2/Si3N4，SiO2/HfO2，SiO2/Si3N4/SiO2；采用CVD法淀积SiO2、Si3N4、HfO2优点：不受Si衬底缺陷影响；低温；缺陷密度明显减少原因：各层缺陷不重合Si-SiO2界面的应力接近零原因：各层间的应力补偿

18、增加了薄膜的，提高了抗B透入能力。,2.6 薄氧化层,2.7 Si-SiO2界面特性,（参考史宝华著微电子器件可靠性，西电出版社）SiO2内和Si-SiO2界面处，存在四种界面电荷可动离子电荷：Qm(C/cm2),正电荷，如Na+、K+；氧化层固定电荷：Qf(C/cm2)，正电荷，如Si+、荷正电的氧空位；界面陷阱电荷：Qit(C/cm2)，正或负电荷，如Si的悬挂键；氧化层陷阱电荷：Qot(C/cm2),正或负电荷。界面电荷的危害：在Si表面感应出极性相反的电荷，影响MOS器件的理想特性，造成成品率和可靠性的下降。,四种界面电荷,悬挂键,界面电荷,2.7.1 可动离子电荷Qm主要来源：大量存

19、在于环境中的Na+。Na+的分布：遍布整个SiO2层。Na+的特性：其DSiO2很大（D0=5.0cm2/s,而P的D0=1.0 x10-8cm2/s，B的D0=1.0 x10-6 cm2/s）；在电场作用下，有显著的漂移（迁移率与成D正比）。,2.7 Si-SiO2界面特性,2.7.1 可动离子电荷QmNa+对器件性能的影响：引起MOS管VT的漂移：VT=-（Qf+Qm+Qot)/C0+ms,C0-SiO2层电容，ms-金-半接触电位差；引起MOS管栅极的局部低击穿：由Na+在Si-SiO2界面分布不均匀引起局部电场的加强所致；降低了PN结的击穿电压：由Na+在Si-SiO2界面的堆积使P沟

20、道表面反型，形成沟道漏电所致；,2.7 Si-SiO2界面特性,2.7.2 界面陷阱电荷（界面态）Qit来源：Si-SiO2界面缺陷、金属杂质及辐射能量：在Si的禁带中；高于禁带中心能级，具有受主特性；低于禁带中心能级，具有施主特性；界面态密度Dit：单位能量 的界面陷阱密度。（/cm2eV）（图2.30）,2.7 Si-SiO2界面特性,解释Qit的三种物理机理（模型）少量Si悬挂键；在Si-SiO2 过渡区（SiOx层),未完全氧化的三价Si。SiO2中的电离杂质（荷电中心）俘获电子或空穴。化学杂质，如Cu、Fe等。,2.7 Si-SiO2界面特性,2.7.3 氧化层固定电荷Qf机理：氧化

21、停止时，在Si-SiO2附近（SiOx）存在大量过剩Si离子 或氧空位。特性：通常带正电；极性不随表面势和时间变化；电荷密度不随表面势变化。,2.7 Si-SiO2界面特性,能级：在Si禁带外，但在SiO2 禁带内。对器件的影响：n-MOS的阈值降低，p-MOS的阈值增加；其散射作用减小了沟道载流子的迁移率，影响了跨导。,2.7.4 氧化层陷阱电荷Qot机理：悬挂键界面陷阱氧的悬挂键 弱的Si-Si键 扭曲的Si-O键 Si-H键Si-OH键。产生方式：电离辐射；热电子注入。减少电离辐射陷阱的方法 高温干氧氧化：1000；惰性气氛低温退火：150-400；采用抗辐射的Al2O3、Si3N4等钝

22、化层。,2.7 Si-SiO2界面特性,第2次作业（第1组交）,4.证明硅热氧化时，生成厚度为zox的二氧化硅膜，约需消耗0.45zox厚的硅层（二氧化硅的密度为2.24g/cm3；硅的密度为2.33g/cm3）。5.某npn硅晶体管在1200下进行基区氧化，氧化过程为：15min干氧加45min湿氧（TH2O=95）再加15min干氧，试求所生成的氧化层厚度。,第3次作业（第2组）,6.现有若干硅片，分别用干氧、湿氧（TH2O=95）和水汽进行氧化，氧化温度为1200。如果它们所要求的氧化层厚度是50nm，试求它们各自需要的氧化时间（精确到分）。7.某一硅片上面已覆盖有0.2m厚的二氧化硅，现需要在1200 下用干氧再生长0.1m厚的氧化层，问干氧氧化的时间需要多少？,