工艺技术_半导体工艺培训课程

1 第十章第十章第十章第十章 氧化氧化氧化氧化 热生长氧化物热生长氧化物热生长氧化物热生长氧化物 2 主要内容主要内容主要内容主要内容 1. 1. 描述半导体制造中氧化膜，包括它的原子结描述半导体制造中氧化膜，包括它的原子结 构、用途及优点构、用途及优点。 2. 2. 描述氧化的化学反应以及如何在硅上生长氧描述氧化的化学反应以及如何在硅上生长氧 化物及其简单计算化物及其简单计算。 3. 3. 解释选择性氧化并给出两个实例解释选择性氧化并给出两个实例。 4 4*. *. 介绍三种热氧化工艺设备，描述立体炉的五介绍三种热氧化工艺设备，描述立体炉的五 个部分，并讨论快速升温立式炉的优点个部分，并讨论快速升温立式炉的优点。 5. 5. 解释什么是快速热处理解释什么是快速热处理。 3 10.1引言 Diffusion Area Test/Sort Thin Films Implant Diffusion Etch Polish Photo ompleted wafer Wafer fabrication (front-end) Unpatterned wafer Wafer start 4 1、物理性质、物理性质 性质性质SiSiO2 比重（比重（g/cm3）2.232.20 禁带宽度（禁带宽度（eV）1.12 8 介电常数介电常数11.73.9 熔点（）熔点（）14171700 热导率 （ 热导率 （W/cm.k） 1.50.01 击穿电场 （ 击穿电场 （V/cm） 31056106 10.2 10.2 氧化膜氧化膜氧化膜氧化膜 的特点及应用的特点及应用的特点及应用的特点及应用 5 氧化膜的作用氧化膜的作用氧化膜的作用氧化膜的作用 ? ? 保护器件和隔离：保护器件和隔离：保护器件和隔离：保护器件和隔离：SiOSiO 2 2 坚硬和坚硬和坚硬和坚硬和 无孔。隔离：无孔。隔离：无孔。隔离：无孔。隔离：LOCOSLOCOS工艺和工艺和工艺和工艺和STISTI工工工工 艺，艺，艺，艺，典型场氧厚度典型场氧厚度典型场氧厚度典型场氧厚度：25002500- -15000 15000 ? ? 表面钝化表面钝化表面钝化表面钝化Surface Surface PassivationPassivation： ? ? 束缚硅的悬挂键，易于加工束缚硅的悬挂键，易于加工束缚硅的悬挂键，易于加工束缚硅的悬挂键，易于加工 ? ? 防止金属层充电，（场氧）防止金属层充电，（场氧）防止金属层充电，（场氧）防止金属层充电，（场氧） ? ? SiOSiOSiOSiO 2 2 2 2 热膨胀系数接近热膨胀系数接近热膨胀系数接近热膨胀系数接近Si,Si,Si,Si,避免氧避免氧避免氧避免氧 化膜从硅片上脱落化膜从硅片上脱落化膜从硅片上脱落化膜从硅片上脱落 6 ? ? 栅氧或储存器中介质栅氧或储存器中介质栅氧或储存器中介质栅氧或储存器中介质典型栅氧厚典型栅氧厚典型栅氧厚典型栅氧厚 度：度：度：度：0.18um 200.18um 200.18um 200.18um 201.5 1.5 1.5 1.5 栅氧栅氧栅氧栅氧: : : :极好的膜厚均匀性、无杂质极好的膜厚均匀性、无杂质极好的膜厚均匀性、无杂质极好的膜厚均匀性、无杂质 ? ? 注入掩蔽注入掩蔽注入掩蔽注入掩蔽 DopantDopant BarrierBarrier ? ? 厚：厚：厚：厚： 离子阻挡，离子阻挡，离子阻挡，离子阻挡， ? ? 薄：注入穿透，不损伤薄：注入穿透，不损伤薄：注入穿透，不损伤薄：注入穿透，不损伤SiSi表面表面表面表面 ? ? 金属层间介质金属层间介质金属层间介质金属层间介质DielectricDielectric 7 Silicon Oxygen Figure 10.2 二氧化硅的原子结构二氧化硅的原子结构二氧化硅的原子结构二氧化硅的原子结构 8 Field Oxide Layer p+ Silicon substrate p- Epitaxial layer n-wellp-well Field oxide isolates active regions from each other. Figure 10.3 ?2500-15000 氧化层的应用氧化层的应用 9 Gate Oxide Dielectric Gate Oxide p+ Silicon substrate p- Epitaxial layer n-wellp-well Polysilicon gate Figure 10.4 10 Oxide Layer Dopant Barrier Phosphorus implant p+ Silicon substrate p- Epitaxial layer n-well Barrier oxide 磷、硼、砷、锑等杂质在SiO2中扩散慢， 而Al、镓等相反，在SiO2快，不能用 SiO2作掩蔽 Figure 10.5 11 Native Oxide Purpose: This oxide is a contaminant and generally undesirable. Sometimes used in memory storage or film passivation. Comments: Growth rate at room temperature is 15 per hour up to about 40 . p+Silicon substrate Silicon dioxide (oxide) Table 10.1A 12 Field Oxide Purpose: Serves as an isolation barrier between individual transistors to isolate them from each other. Comments: Common field oxide thickness range from 2,500 to 15,000 . Wet oxidation is the preferred method. Field oxide Transistor site p+Silicon substrate Table 10.1B 13 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. Gate oxide Transistor site p+Silicon substrate SourceDrain Gate Table 10.1C 14 Barrier Oxide Purpose: Protect active devices and silicon from follow- on processing. Comments: Thermally grown to several hundred Angstroms thickness. Barrier oxide Diffused resistors Metal p+ Silicon substrate Table 10.1D 15 Dopant Barrier Purpose: Masking material when implanting dopant into wafer. Example: Spacer oxide used during the implant of dopant into the source and drain regions. Comments: Dopants diffuse into unmasked areas of silicon by selective diffusion. Dopant barrier spacer oxide Ion implantation Gate Spacer oxide protects narrow channel from high-energy implant Table 10.1E 16 Pad Oxide Purpose: Provides stress reduction for Si3N4 Comments: Thermally grown and very thin. Passivation Layer ILD-4 ILD-5 M-3 M-4 Pad oxide Bonding pad metal Nitride Table 10.1F 17 Implant Screen Oxide Purpose: Sometimes referred to as “sacrificial oxide”, screen oxide, is used to reduce implant channeling and damage. Assists creation of shallow junctions. Comments: Thermally grown Ion implantation Screen oxide High damage to upper Si surface + more channeling Low damage to upper Si surface + less channeling p+Silicon substrate Table 10.1G 18 Passivation layer ILD-4 ILD-5 M-3 M-4 Interlayer oxide Bonding pad metal Insulating Barrier between Metal Layers Purpose: Serves as protective layer between metal lines. Comments: This oxide is not thermally grown, but is deposited. Table 10.1H 19 10.3 10.3 二氧化硅的热氧化生长二氧化硅的热氧化生长二氧化硅的热氧化生长二氧化硅的热氧化生长 ? ? Chemical Reaction for OxidationChemical Reaction for Oxidation ? ? Dry oxidation Dry oxidation 干氧干氧 ? ? Wet oxidation Wet oxidation 湿氧湿氧 ? ? 反应式不同、速度不同、质反应式不同、速度不同、质 量不同量不同 ? ? Oxidation Growth ModelOxidation Growth Model 20 ? ? 氧化过程对氧化过程对Si Si的消耗的消耗1:0.441:0.44 ? ? Oxide silicon interfaceOxide silicon interface ? ? 氯化物的使用：中和界面处的电荷堆积氯化物的使用：中和界面处的电荷堆积 ? ? Rate of oxide growthRate of oxide growth：byby：Deal &GroveDeal &Grove ? ? 线性段抛物段模型：线性段抛物段模型：X X 氧化物厚度、氧化物厚度、 （B/AB/A）线性速率系数、）线性速率系数、B B抛物线速抛物线速 率系数，率系数，t t生长时间生长时间 B Xt A = () 1 2 XBt= 21 22 23 1、氧化剂扩散穿过、氧化剂扩散穿过 滞留层滞留层 达到达到SiO2 表面，其流密度为表面，其流密度为 F1 ； 2、氧化剂扩散穿过、氧化剂扩散穿过SiO2 层达到层达到SiO2-Si界面，流密度为界面，流密度为F2 ； 3、氧化剂在、氧化剂在Si 表面与表面与Si 反应生成反应生成SiO2 ，流密度为，流密度为F3 ； 4、反应的副产物离开界面。、反应的副产物离开界面。 * *热氧化机制（也称为生长动力学）热氧化机制（也称为生长动力学）热氧化机制（也称为生长动力学）热氧化机制（也称为生长动力学） 一、热氧化过程一、热氧化过程 24 氧化过程可分为三个步骤：氧化过程可分为三个步骤： 1、氧化剂从主气流穿过附面层扩散到、氧化剂从主气流穿过附面层扩散到 SiO2表面。表面。 2、氧化剂从、氧化剂从SiO2表面扩散到表面扩散到 SiO2/Si 界面上。界面上。 3、氧化剂到达、氧化剂到达 SiO2/Si 界面后同界面后同 Si 发生化学反应。发生化学反应。 25 在氧化初期，在氧化初期，x0极薄，极薄，SiO2的生长由控制，此时膜厚 与时间成正比，称为线性生长阶段。 的生长由控制，此时膜厚 与时间成正比，称为线性生长阶段。 S k tx 0 )( 0 +=t A B x 26 之后是抛物线区 100200300400500 Oxidation time (minutes) 4,000 2,000 3,000 1,000 Oxidation thickness Approximate linear region () 1 2 XBt= 27 ? ? 影响氧化层生长的因素影响氧化层生长的因素影响氧化层生长的因素影响氧化层生长的因素 ? ? 掺杂浓度掺杂浓度掺杂浓度掺杂浓度 ? ? 晶向晶向晶向晶向 （111111） （100100） 1.681.68倍倍倍倍 ? ? 压力、等离子增强压力、等离子增强压力、等离子增强压力、等离子增强 ? ? 初始生长阶段初始生长阶段初始生长阶段初始生长阶段 ? ? DealDealGroveGrove：没有精确模型没有精确模型没有精确模型没有精确模型 ? ? Selective oxidationSelective oxidation ? ? LOCOSLOCOS ? ? STISTI 28 干氧和湿氧的比较 ?一般区别: 1,生长的反应式不同: a, Dry Oxidation Si(s)+O2(g)-SiO2(s) ?b,Wet Oxidation ?Si(s)+2H2O(g)-SiO2(s)+2H2(g) 2, ?2.反应所需温度不同 Wet方式稍低于Dry方式 3,生长速度不同Dry 方式比较慢,一般用于1000A以下. 4,膜的质量不同 Dry Oxide膜质量优于Wet方式(致密性,均匀性等) ?5,应用的膜层不同 对MOS来讲 Dry方式常用于比较关键的Gate Oxide, Wet方式常用于非关键的电阻隔离或作为掩膜层. ?6. 厚的氧化层采用: DryWetDry 的顺序 29 常规热氧化常规热氧化 1. 三种氧化三种氧化 速度均匀重复性结构掩蔽性 水温 干氧：慢好致密好 湿氧：快较好中基本满足 95 水汽：最快差疏松较差 102 30 热氧化过程中硅中杂质的再分布吸硼排磷热氧化过程中硅中杂质的再分布吸硼排磷 a 硼（慢）硼（慢） b 硼（快）硼（快） c 磷（慢）磷（慢）d 镓 （快）镓 （快） 31 高温氧化（热氧化）高温氧化（热氧化）高温氧化（热氧化）高温氧化（热氧化） 高温氧化法生长的高温氧化法生长的 SiO2 结构致密，掩蔽性能良好。结构致密，掩蔽性能良好。 氧化层厚度氧化层厚度 x0 与消耗掉的硅厚度与消耗掉的硅厚度 x 的 关系： 的 关系： x = 0.44 x0 x0 = 2.27 x 32 根据器件要求确定氧化方法根据器件要求确定氧化方法 1、高质量氧化：干氧氧化或分压氧化；、高质量氧化：干氧氧化或分压氧化； 2、厚层的局部氧化或场氧化：干氧（、厚层的局部氧化或场氧化：干氧（10min）+湿 氧 湿 氧+干氧干氧(10 min)或高压氧化；或高压氧化； 3、低表面态氧化：掺氯氧化、湿氧氧化加掺氯气 氛退火或分压氧化（ 、低表面态氧化：掺氯氧化、湿氧氧化加掺氯气 氛退火或分压氧化（ H2O 或或 O2+N2 或或 Ar 或或 He 等）。等）。 33 Consumption of Silicon during Oxidation t t 0.56t0.56t 0.44t0.44t Before oxidationAfter oxidation Figure 10.8 34 Charge Buildup at Si/SiO2 Charge Buildup at Si/SiO2 InterfaceInterface OxygenSilicon Positive charge 积累 Silicon SiO2 Used with permission from International SEMATECH Figure 10.10 35 Diffusion of Oxygen Through Oxide Layer Figure 10.11 Si SiO2 O, O2 Oxide-silicon interface Oxygen-oxide interface Oxygen supplied to reaction surface Used with permission from International SEMATECH 36 SiO2 层厚度与颜色的关系层厚度与颜色的关系 颜色颜色氧化层厚度（氧化层厚度（） 灰灰100 黄褐黄褐300 蓝蓝800 紫紫10002750465065008500 深蓝深蓝14003000490068008800 绿绿18503300520072009300 黄黄20003700560075009600 橙橙22504000600079009900 红红2500435062508200 10200 37 典型的氧化物厚度范围典型的氧化物厚度范围典型的氧化物厚度范围典型的氧化物厚度范围 半导体应用半导体应用 典型的氧化层厚度典型的氧化层厚度, 栅氧 (0.18 m generation) 20 60 电容介质 5 100 掺杂掩蔽 400 1,200 (Varies depending on dopant, implant energy, time & temperature) STI 隔离 150 LOCOS Pad Oxide（垫氧） 200 500 场氧 2,500 15,000 Table 10.2 38 Dry Oxidation Time (Minutes) Oxide thickness (m) (100) Silicon Time (minutes) 10104102103 0.01 0.1 1.0 10.0 700C 800C 900C 1000C 1,100C 1,200C 39 Wet Oxygen Oxidation HClN2O2H2 Gas panel Furnace Burn box Scrubber Exhaust Figure 10.7 40 LOCOS Process 3. Local oxidation of silicon Cross section of LOCOS field oxide (Actual growth of oxide is omnidirectional) 1. Nitride deposition Pad oxide (initial oxide) Silicon 2. Nitride mask & etch Silicon Silicon Nitride SiO2 growth Silicon 4. Nitride strip Silicon SiO2 SiO2 Nitride Silicon Figure 10.13 41 Selective Oxidation and Birds Beak Effect Silicon oxynitride Nitride oxidation mask Birds beak region Selective oxidation Pad oxide Silicon substrate Silicon dioxideSilicon dioxide Used with permission from International SEMATECH Figure 10.14 42 图图1 1- -2 2 局部氧化及鸟嘴局部氧化及鸟嘴 ? ? 普遍采用普遍采用SiOSiO 2 2 /Si/Si 3 3 NN 4 4 覆盖开窗口覆盖开窗口, ,进行局部氧化进行局部氧化, , ? ? 问题问题:1.:1.存在鸟嘴存在鸟嘴, , 氧扩散到氧扩散到Si Si 3 3 NN 4 4 膜下面生长膜下面生长SiOSiO 2 2 , , 有效栅宽变窄有效栅宽变窄, ,增加电容增加电容 2. 2. 缺陷增加缺陷增加 局部氧化局部氧化(LOCOS)(LOCOS) P-Si Si3N4 场氧化层 SiO2 鸟嘴 注硼 43 克服鸟嘴：STI Oxide Liner Cross section of shallow trench isolation (STI) Silicon Trench filled with deposited oxide Sidewall liner 1. Nitride deposition Pad oxide (initial oxide) Silicon 2. Trench mask and etch Silicon Silicon Nitride 4. Oxide planarization (CMP) Silicon 5. Nitride strip Oxide 3. Sidewall oxidation and trench fill Oxide over nitride Silicon Figure 10.15 44 10.4 10.4 高温炉设备高温炉设备高温炉设备高温炉设备Furnace EquipmentFurnace Equipment ? ? Horizontal FurnaceHorizontal Furnace ? ? Vertical FurnaceVertical Furnace ? ? Rapid Thermal Processor (RTP)Rapid Thermal Processor (RTP) 45 Horizontal Diffusion FurnaceHorizontal Diffusion Furnace 46 Vertical Diffusion FurnaceVertical Diffusion Furnace Photo 10.2 47 立式炉系统示意图 Heater 1 Heater 2 Heater 3 Pressure controller Pressure controller Gas flow controller Gas flow controller Wafer handler controller Wafer handler controller Boat loader Boat loader Exhaust controller Exhaust controller Temperature controller Temperature controller Microcontroller Microcontroller Wafer load/unload system Boat motor drive system Quartz boat Quartz process chamber Three-zone heater Gas panel Process gas cylinder Exhaust Figure 10.16 48 Vertical Furnace Process Tube Heating jacket Quartz tube Three-zone heating elements End cap Figure 10.17 49 加热单元 Heater element transformer 204 - 480 VAC 3 SCRsSCRs SCRs Trigger circuit Zone 1Zone 2Zone 3 Furnace heater elements Used with permission from International SEMATECH Figure 10.18 50 温度控制高温炉中的热电耦 Heater 1 Heater 2 Heater 3 Thermocouple measurements Temperature controller Profile TCs Control TCs Overtemperature TCs System controller TC Figure 10.19 51 气体分配系统 Gases Classifications Examples Inert gas Argon (Ar), Nitrogen (N2) Reducing gas Hydrogen (H2) Bulk Oxidizing gas Oxygen (O2) Silicon-precursor gas Silane (SiH4), dichlorosilane (DCS) or (H2SiCl2) Dopant gas Arsine (AsH3), phosphine (PH3) Diborane (B2H6) Reactant gas Ammonia (NH3), hydrogen chloride (HCl) Atmospheric/purge gasNitrogen (N2), helium (He) Specialty Other specialty gases Tungsten hexafluoride (WF6) Table 10.4 52 燃烧尾气的燃烧室 O O 2 2 O O 2 2 燃烧室 Filter 残渣 多余可燃气体燃烧 来自高温炉工 艺腔的气体 至工厂的尾气系 统 湿洗涤器 循环水 Figure 10.20 53 Thermal Profile of Conventional Versus Fast Ramp Vertical Furnace 020406080100 120 140 160 180020406080100 120 140 160 180 1200 1000 800 600 400 1200 1000 800 600 400 Time (minutes)Time (minutes) Temperature (C) Temperature (C) Fast Ramp Conventional 快速升温立式炉快速升温立式炉 54 快速热处理：快速热处理：快速热处理：快速热处理：几分之一秒内将单几分之一秒内将单几分之一秒内将单几分之一秒内将单 个硅片加热到个硅片加热到个硅片加热到个硅片加热到40013004001300优点：优点：优点：优点： ? ? 减少热预算减少热预算 ? ? 硅中的杂质运动最小硅中的杂质运动最小 ? ? 减少沾污，这归功于冷壁减少沾污，这归功于冷壁 ? ? 较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛 ? ? 更短的加工时间更短的加工时间 55 立式炉与 RTP的对比 立式炉立式炉 RTP 一批 单片 热壁 冷壁 长时间加热和冷却炉子 短时间加热和冷却硅片 硅片较小热梯度 硅片较大热梯度 长周期 短周期 测量气氛温度 测量硅片温度 Table 10.5 56 立式炉立式炉 RTP 结果结果: 结果结果: 大的热预算大的热预算 温度均匀性温度均匀性 颗粒颗粒 杂质移动最小杂质移动最小 气氛控制气氛控制 硅片间的重复硅片间的重复性性 产量产量 由于快速加热由于快速加热产生应力产生应力 绝对的温度测绝对的温度测量量 立式炉与 RTP的对比 57 Rapid Thermal Processor Temperature controller Axisymmetric lamp array Wafer Reflector plate Optical fibers Pyrometer Heater head Feedback voltages Setpoint voltages Figure 10.22 58 Rapid Thermal ProcessorRapid Thermal Processor Photo 10.3 59 RTP ApplicationsRTP Applications ? ? 注入退火，以消除缺陷并激活和扩散杂质注入退火，以消除缺陷并激活和扩散杂质 ? ? 淀积的膜致密，如淀积氧化膜淀积的膜致密，如淀积氧化膜 ? ? 硼硅玻璃硼硅玻璃 (BPSG) (BPSG) 回流回流 ? ? 阻挡层退火，如阻挡层退火，如 (TiN)(TiN) ? ? 硅化物形成硅化物形成, , 如如 (TiSi(TiSi 2 2 ) ) ? ? 接触合金接触合金 60 10.6 10.6 氧化工艺流程氧化工艺流程 ? ? Pre Oxidation CleaningPre Oxidation Cleaning ? ? Oxidation process recipeOxidation process recipe ? ? Quality MeasurementsQuality Measurements ? ? Oxidation TroubleshootingOxidation Troubleshooting 61 10.6 10.6 氧化工艺氧化工艺 氧化前的清洗氧化前的清洗 ? ? Maintenance of the furnace and associated Maintenance of the furnace and associated equipment (especially quartz components) for equipment (especially quartz components) for cleanlinesscleanliness ? ? Purity of processing chemicalsPurity of processing chemicals ? ? Purity of oxidizing ambient (the source of Purity of oxidizing ambient (the source of oxygen in t