硅集成电路-热氧化技术.ppt

第三章：热氧化技术,3.1. 二氧化硅及其在器件中的应用 3.1. 1. SiO2 的结构和基本性质 1）结构: 结晶形二氧化硅（石英晶体） （2 . 65g/cm3） 无定形（非晶）二氧化硅（石英玻璃） （ 2 . 20g/cm3）,C：不含杂的石英玻璃,含杂的石英玻璃,H,H2O,疏水性表面,亲水性表面,硅有四个共价键，氧有两个；氧易运动； 非桥联的原子将由其悬挂键引入电荷态； 单价的氢原子与非桥联的氧形成羟基而减少悬挂键的数目，引入氢钝化的概念；但羟基的键能较低容易断裂； 桥联氧的数目与非桥联氧的数目之比直接影响SiO2的疏松程度，进而影响许多物理性质； 杂质在SiO2中可以是网络的形成剂（Net-work Former）如：B、P、Al等；也可以是网络的改变剂（Net-work Modifer）如：Na、K、Ca、Al等；,2）化学性质： SiO2+4HFSiF4+2H2O SiF4+2HF H2(SiF6) 即： SiO2+6HFH2(SiF6)+2H2O 六氟硅酸溶于水 腐蚀速度与SiO2膜的质量有关,3）物理性质：,密度：密度与氧化方式有关,折射率：与密度有关 1.46 (5500) 电阻率：与密度及含杂量有关，1016cm 介电常数：与密度有关, 3.9 介电强度：与密度、含杂量及缺陷有关, 106107V/cm TDDB实验 *! 杂质扩散系数: (热扩散章节）,杂质分凝系数：,3.2. SiO2膜在器件中的基本作用 1) SiO2膜对杂质的掩蔽作用 利用杂质在SiO2膜中的扩散系数较小，和SiO2膜的热稳定性，实现定域掺杂。 掩蔽过程中的分凝效应,Oxide Layer Dopant Barrier,Figure 10.5,2）对器件的表面的保护和钝化作用 利用SiO2膜的绝缘作用，将pn结与外界隔离，提高稳定性和可靠性；利用对SiO2膜 中固定电荷的控制，改变器件表面的电场分布。 3）对器件的电绝缘和隔离作用 利用SiO2膜的绝缘作用，实现引线与元器件间的绝缘，实现集成电路元器件间的隔离。,Field Oxide Layer,Figure 10.3,4）用作电容器的介质材料 SiO2膜的介电常数在10kHz下工作时为34，损耗因数为10-110-3，击穿电压高，温度系数小。 5）MOSFET的绝缘栅介质 6）光电和发光器件的减反膜,Gate Oxide Dielectric,Oxide Applications: Field Oxide,Oxide Applications: Gate Oxide,Purpose: Serves as a dielectric between the gate and source-drain parts of MOS transistor.,Comments: Growth rate at room temperature is 15 per hour up to about 40 . Common gate oxide film thickness range from about 30 to 500 . Dry oxidation is the preferred method.,Oxide Applications: Barrier Oxide,Oxide Applications: Dopant Barrier,Oxide Applications: Pad Oxide,Oxide Applications: Implant Screen Oxide,Oxide Applications: Insulating Barrier between Metal Layers,3.3. SiO2膜的热氧化方法（干、湿、水汽、高压、掺氯、低温） 1）器件对氧化膜的基本要求 致密、杂质缺陷少（体内活动和固定电荷少）、Si/SiO2界面态密度小。 2）干氧氧化 Si+O2SiO2 特点：致密、杂质缺陷少、Si/SiO2界面态密度小、疏水性好,3）水汽氧化 Si+2H2O SiO2+2H2 实际过程较复杂 水汽氧化的氧化速度快，较疏松，掩蔽能力差，疏水性差。,4）湿氧氧化 干氧与湿氧混和 质量介于前两种之间 在作为掩膜和介质隔离的氧化膜，常采用 干 湿 干 工艺,O2,5）H2、O2合成氧化 特点：质量接近干氧氧化，氧化速度接近水汽氧 化。 6）掺氯氧化 干氧氧化时，加入少许（1%）HCl、Cl2或TCE（三氯乙烯） 特点：能有效地钝化氧化膜中的可动正离子； 降低界面态浓度； 抑制氧化层错的生长； 氧化速率增加； 可以利用Cl清除杂质；,Wet Oxygen Oxidation,Figure 10.7,7）高压氧化(HIPOX) High Pressure Oxidation 25 atm、生长速度快、可低温生长（600C） 主要用于场氧化和隔离氧化,8) 低压氧化 有效地控制（降低）氧化速率（？） 9）等离子体氧化 温度低（500C）、低压氧化、不引入氧化层错（OISF）、氧化时无杂质再分布 10）光等离子体氧化 加紫外光照，以提高氧化速度，降低温度（100C）,3.4. SiO2膜的热氧化生长动力学(P6870) 1）物理机理 （Deal-Grove Model） SiO2中Si比O原子稳定， SiO2网络中氧的运动容易。因此，在热氧化制备SiO2膜的过程中，是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2膜层，到达Si/ SiO2界面，与Si反应生成SiO2；而不是硅向SiO2膜的外表面运动，与表面的氧化剂反应生成SiO2膜。 2）热氧化生长动力学 氧化的三个步骤：a）气体从内部输运到气体-氧化物界面，b）扩散穿透已生成的氧化层，c）在硅表面发生反应,Diffusion of Oxygen Through Oxide Layer,Charge Buildup at Si/SiO2 Interface,Used with permission from International SEMATECH,Figure 10.10,用粒子流密度J分别表示如下：(Fig. 4.1) hG气相质量转移系数、 NG气体中的氧化剂浓度、NGS氧化层表面的氧化剂浓度、D氧化剂在氧化层中的扩散系数、kS表面化学反应速率常数、NSSiO2/Si界面处的氧化剂浓度,若用NOS表示氧化层表面内侧的氧化剂浓度、表面外侧的氧化剂的分压为PGS，则根据亨利定律有：NOS=HPGS（H为亨利常数） 若用N*表示氧化层中的氧化剂平衡浓度、气体中的氧化剂的分压为PG， 则有：NOS=HPGS (Henrys Law) 由理想气体方程：NG=PG/kT，NGS=PGS/kT J1=h（N*-NOG），其中h=hG/HkT， 在线形近似下： xox为氧化层厚度 动态平衡状态下：J1=J2=J3,可得： 和,若： a） D kS 即为扩散控制 NS0，NOSN* b） kS D即为反应控制 NS=NOS=N*/（1+kS/h）,设N1为形成单位体积氧化层物质所需的氧化剂分子的个数。在氧化层中，每立方厘米有2.2x1022个二氧化硅分子。 因此，干氧氧化时， N1是2.2x1022 cm-3；水汽氧化时，N1是4.5x1022 cm-3。可以算出氧化速率为： 设：当 t = 0时，xox=xi， 则有，,式中， t*定义为时间常数，意为：考虑到表面 t*是考虑初始的氧化层（如，天然氧化膜）后，对氧化时间作的修正。 进一步修正（4.3),有解为： 当： 时，有 为线性关系，B/A定义为氧化的线性速率常数。,当 时，有 为抛物线关系，B定义为氧化的抛物线速率常数。 (Figs. 4.2,4.5) 各种条件下 D、kS和h均与晶向、反应剂和温度有关；,A2/4B 32 s 0. 6hr,与晶相有关吗？,3.5. 氧化台阶的形成 局部氧化:,台阶,Surface Profiler,3.6. SiO2膜的质量检测 1）氧化层厚度测量 a）比色法：不同厚度的二氧化硅膜可表现出不同的颜色。(p.78, table4.2),b）干涉法 xox为二氧化硅膜厚，N为干涉条纹数，为单色入射光波长，n为二氧化硅膜折射率。,c）椭圆偏振法： 是目前精度最高（1），且为非破坏性的薄膜分析方法。详细内容可参见“半导体物理实验，孙恒慧 等编，高教版”。 目前先进的仪器为：椭圆光谱仪，可对分子、DNA等进行分析，也可以分析晶格损伤。其基本原理是：经薄膜的折射、反射和吸收后，入射椭圆偏振光的p波和s波的振幅及相位均发生变化。,可以算出椭圆偏振光的总反射比； p波 s波,又：,即： 的物理意义是椭圆偏振光的p波与s波间的相位差，tan是椭圆偏振光相对振幅的衰减。 （pages 82、83）,Basic Principle of Ellipsometry,Figure 7.6,2）击穿特性：P79-TDDB 3）磷、硼杂质的影响：4.6, 分凝和流动 4) 缺陷的产生与检测 a）界面态的检测与控制 检测的主要方法是C-V法、READING:81 工艺控制：清洁、干氧、掺氯、温度控制和RTP b）氧化层中的固定和可动电荷 产生的原因是杂质污染（环境和衬底材料）和空位性缺陷。检测的主要方法是C-V法、SIMS、PL及（PAS）等。 c）氧化层错 （OISF） (P8687) 产生的原因是表面不完美，检测？消除？ d）斑点、雾、均匀性等 系统的清洁；气流和温度的均匀性。,3.7. SiO2膜生长的其它方法 1）快速热氧化（RTO）（光增强）,2）CVD法 非硅表面的氧化膜 3）阳极氧化 掺氮氧化,Horizontal and Vertical Furnaces,Table 10.3,Block Diagram of Vertical Furn