工艺技术-半导体工艺基础之氧化(ppt 58页)

第 三 章 Oxidation 氧化 Oxidation氧化 n 简介 n 氧化膜的应用 n 氧化机理 n 氧化工艺 n 氧化设备 nRTO快速热氧化 简介 n 硅与 O2直接反应可得； n SiO2性能稳定； n 氧化工艺在半导体制造中广泛使用 Si + O2 SiO 2 氧化层简介 Oxidation 氧化层简介 Silicon 氧化膜的应用 n 掺杂阻挡层 n 表面钝化 (保护 ) Screen oxide, pad oxide, barrier oxide n 隔离层 Field oxide and LOCOS n 栅氧化层 氧化层应用 掺杂阻挡氧化层 n Much lower B and P diffusion rates in SiO2 than that in Si n SiO2 can be used as diffusion mask 氧化层应用 表面钝化 (保护 )氧化层 n Pad Oxide衬垫氧化层 , Screen Oxide屏蔽氧化层 Sacrificial Oxide牺牲氧化层 , Barrier Oxide阻挡氧化层 Normally thin oxide layer (150) to protect silicon defects from contamination and over-stress. 氧化层应用 Screen Oxide 氧化层应用 Pad and Barrier Oxides in STI Process 氧化层应用 USG: Undoped Silicate Glass未掺杂硅酸盐玻璃 Application, Pad Oxide n Relieve strong tensile stress of the nitride n Prevent stress induced silicon defects 氧化层应用 牺牲氧化层 Sacrificial Oxide n Defects removal from silicon surface 氧化层应用 器件隔离氧化层 n 临近器件的绝缘隔离 n Blanket field oxide n Local oxidation of silicon (LOCOS) n Thick oxide, usually 3,000 to 10,000 氧化层应用 Blanket Field Oxide Isolation 氧化层应用 LOCOS Process 氧化层应用 LOCOS n Compare 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 Disadvantage缺点 rough surface topography粗糙的表面形貌 Birds beak鸟嘴 n 被浅的管沟 (STI)所取代 氧化层应用 栅氧化层 n Gate oxide: thinnest and most critical layer n Capacitor dielectric 氧化层应用 氧化膜 (层 )应用 名称 应 用 厚度 说 明 自然氧化 层 不希望的 15-20A 屏蔽氧化 层 注入隔离，减小 损伤 200A 热 生 长 掺杂 阻 挡层 掺杂 掩蔽 400-1200A 选择 性 扩 散 场 氧化 层 和 LOCOS 器件隔离 3000- 5000A 湿氧氧化 衬垫 氧化 层 为 Si3N4提供 应 力减 小 100-200A 热 生 长 很薄 牺 牲氧化 层 去除缺陷 Silicon Dry Oxidation 水汽氧化 (Steam Oxidation） n Si + 2H2O SiO 2 + 2H2 n At high temperature H2O is dissociated to H and H-O n H-O diffuses faster in SiO2 than O2 n Steam oxidation has higher growth rate than dry oxidation Silicon Wet Oxidation Rate 湿氧氧化 (Wet Oxidation) 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+O2SiO 2 nSi + 2H2O SiO 2 + 2H2 氧化速率 n 温度 n 湿氧或干氧 n 厚度 n 压力 n 圆片晶向 (或 ) n 硅中杂质 氧化速率 与 温度 n 氧化速率对温度很敏感，指数规律 n 温度升高会引起更大的氧化速率升高 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 与 圆片晶向 n 表面的氧化速率高于 表面 n 表面的 Si原子密度高 湿氧氧化速率 氧化速率 与 杂质浓度 n 杂质元素和浓度 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 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 n N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 B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 与 HCl掺杂氧化 nHCl is used to reduce mobile ion contamination nWidely used for gate oxidation process nGrowth rate can increase from 1 to 5 percent 氧化速率 与 不均匀氧化 n 氧化层越厚，氧化速率越小 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 n 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 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 Dry Oxidation n Dry O2 as the main process gas n HCl is used to remove mobile ions for gate oxidation n High purity N2 as process purge gas n Lower grade N2 as idle purge gas Dangling Bonds and Interface Charge Wet Oxidation Process n Faster, higher throughput n Thick oxide, such as LOCOS n Dry oxide has better quality Water Vapor Sources n Boiler n Bubbler n Flush n Pyrogenic Boiler System Bubbler System Flush System Pyrogenic Steam System Pyrogenic System n Advantage All gas system Precisely control of flow rate n Disadvantage Introducing of flammable, explosive hydrogen n Typical H2:O2 ratio is between 1.8:1 to 1.9:1. Rapid Thermal Oxidation n For gate oxidation of deep sub-micron device n Very thin oxide film, 30 n Need very good control of temperature uniformity n RTO will be used to achieve the device requirement. High Pressure Oxidation n Faster