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1、第十章 氧化,学习目标：1、描述半导体制造工艺中氧化膜，包括原子结构、各种 用途以及它的优点；2、氧化的化学反应以及如何在Si上生长氧化物；3、解释选择性氧化并给出两个实例；4、识别三种热氧化工艺设备，描述立式炉体的五部分，并讨论快速升温立式炉的优点；5、解释什么是快速热处理、它的用途和设计；6、描述氧化工艺的经典概念，包括质检和一些常见的故 障检查和排除。,第十章 氧化,1、硅片表面热生长一层氧化层的能力是集成电路制造工 艺的基础之一，也是硅片取代锗片成为微电子工业最 重要基质材料的主要原因之一；2、氧化物掩蔽技术从而实现对硅衬底选择性扩散掺杂；3、氧化层具有高质量、稳定的介质特性；4、用作
2、栅结构（栅氧）、隔离（场氧）、氧化层屏蔽、应力消除（垫氧）；5、制备手段：CVD、PVD、SOG以及热生长。,第十章 氧化10.1 引言,1、热生长或淀积；2、为第一道工序；3、热预算尽可能低（降温或减少时间）,第十章 氧化10.1 引言,第十章 氧化10.2 氧化膜,1、无定形（非晶态）；2、1个Si原子被4个O原 子包围的四面体；3、无长程序；,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,氧化膜的用途：1、保护器件免划伤和隔离沾污；2、限制带电载流子场区隔离（表面钝化）；3、栅氧或储存器单元结构中的介质材料；4、掺杂中的注入掩蔽；5、金属导电层间的介质层。,第十章 氧化10
3、.2 氧化膜,表面钝化：,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,掺杂阻挡（不能用于Al、Ga等）：,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.2 氧化膜,垫氧化层（减少Si3N4和Si衬底之间应力）：,第十章 氧化10.2 氧化膜,注入屏蔽氧化层（减少注入沟道和注入损伤）：,第十章 氧化10.2 氧化膜,第十章 氧化10.3 热氧化生长,1、不同厚度对应不同的颜色（附录D）2、参数：厚度、均匀性、针孔和空隙3、干氧、湿氧4、氧化生长模式,第十章 氧
4、化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3 热氧化生长,1、干氧 Si（固）+O2（气）SiO2（固）2、湿氧 Si（固）+2H2O（水汽）SiO2（固）+2H2（气）,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化10.3 热氧化生长,干氧和湿氧的比较,第十章 氧化10.3 热氧化生长,第十章 氧化 热氧化生长模式,生长1000 nm二氧化硅，需要消耗460 nm硅（为什么？）,第十章 氧化 热氧化生长模式,正常情况下，每个Si原子和4个O原子结合，每个O原子和2个Si原子结合。但是在Si/SiO2界面处有Si原子没有和O
5、原子结合（悬挂键）。界面2nm内硅的不完全氧化是带正电的固定氧化物电荷区。1、通H2或N2-H2混合气低温退火可减少电荷密度（钝 化悬挂键界面态）；2、含氯氧化过程也可以生成高质量低界面态的薄膜,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模式,氧化物生长速率（线性阶段和抛物线阶段）：1、温度；2、压力；3、氧化方式（干氧、湿氧）；4、硅的晶向；5、掺杂水平。,第十章 氧化 热氧化生长模式,线性阶段（15 nm，反应速率控制）：X=(B/A)t抛物线阶段（15 nm，扩散控制）：X=(Bt)1/2,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模
6、式,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模式,影响氧化物生长的因素1、温度、水汽2、掺杂效应（重掺的快）3、（111）（110）（100），但前者界面电荷堆积多4、压力效应，随压力增大而增大5、等离子体增强，减少热预算（可低于600为什么？）,第十章 氧化 热氧化生长模式,初始生长阶段：无精确模型，栅氧的生长选择性氧化：利用SiO2来实现对硅片表面相邻器件的电隔离。0.25m 工艺之前采用LOCOS，用淀积氮化物薄膜作为氧化阻挡层。现在的主流工艺采用STI（浅槽隔离工艺）二氧化硅的应力、氧化诱生堆垛层错（OISF）【
7、掺氯氧化减少层错】,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化 热氧化生长模式,第十章 氧化10.4 高温炉设备,应用领域：热生长氧化物（栅氧、场氧和垫氧）、退火、烧结、膜淀积、玻璃体的回流和硅化物膜的形成。基本设备：1、卧式炉2、立式炉（自动化，减少颗粒沾污）3、快速热处理炉（RTP）（辐射源和冷却源）,第十章 氧化10.4 高温炉设备,第十章 氧化10.4 高温炉设备,第十章 氧化10.5 卧式与立式炉,第十章 氧化 立式炉,工艺腔硅片传输系统气体分配系统尾气系统温控系统,第十章 氧化 立式炉,工艺中常用气体,第十章 氧化 快速升
8、温立式炉,第十章 氧化 快速热处理,特点：在非常短（最短几分之一秒）的时间之内，将单个硅片加热到4001300范围内。主要优点：1、减少热预算2、硅中杂质运动最小3、减少沾污（冷壁加热）4、更清洁的气氛（小的腔体）5、更短的加工时间,第十章 氧化 快速热处理,第十章 氧化 快速热处理,第十章 氧化 快速热处理,第十章 氧化 快速热处理,RTP主要应用：1、注入退火，以消除缺陷并激活和扩散杂质2、淀积膜的致密化3、硼磷硅玻璃回流（为什么可以？）4、阻挡层（如TiN）退火5、硅化物（如TiSi2）形成6、金属接触合金化,第十章 氧化10.6 氧化工艺,目标：无缺陷、厚度均匀的SiO2薄膜。不同的氧化层采用不同的生长办法。氧化前的清洗（颗粒和可动离子沾污）：1、炉体及相关设备的清洗及维护（石英器皿等）2、工艺中化学品的纯度3、氧源的纯度4、硅片清洗过程及操作过程,第十章 氧化10.6 氧化工艺,第十章 氧化10.6 氧化工艺,第十章 氧化10.7 质量测量,第十章 作业,P235 复习题 6、8、11、14、16、17、27、28、47、50,
