第二章：氧化.ppt

第二章 氧 化,硅的热氧化, 铁、铜、银等金属的自然氧化 硅、硫、磷等非金属的自然氧化,2.1 引 言,氧化是一种自然现象 Si的自然氧化层很薄在40埃左右,硅的热氧化是通过将硅片放在高温（通常 750 1100 ）的氧气或水汽气氛下，使其表面生长一层氧化层（SiO2）的过程 。该二氧化硅（SiO2）是一种绝缘介质材料、不导电。,氧化工艺目的：在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。 氧化是硅基集成电路的基础工艺之一,2.2 氧化原理,氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化 学反应，并在硅片表面生长氧化硅的过程。 其化学反应式： 干氧氧化：SiO2 SiO2 湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2 水汽氧化：Si H2O SiO2 H2 硅的氧化温度：750 1100,氧化系统,氧化过程,氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达Si与Si02界面同Si发生反应，其过程如下： 1、氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2 表面，其流密度为F1 。 2、氧化剂扩散穿过SiO2 层达到SiO2-Si界面，流密度为F2 。 3、氧化剂在Si 表面与Si 反应生成SiO2 ，流密度为F3 。 4、反应的副产物离开界面。,氧化物生长速率,氧化层生长第一阶段（厚度大约150埃以下） 为线性生长阶段： 氧化层生长第二阶段（厚度150埃以上）为 抛物线生长阶段：,其中X为氧化层厚度 B/A为线性速率系数、B为抛物线速率系数 t为生长时间 B/A和B与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因素有关。,氧化物生长曲线,干氧氧化速率曲线,常规的氧化工艺,硅片清洗（除去硅片上的各种沾污） 装片进炉（手动或自动以5cm/分的速度进入850的恒温区） 斜坡升温（以10 /分从850 升到1100 ） 氧化 温度1100 时间t20分干O260分湿O2 20分干（O2HCl）,常规的氧化工艺,斜坡降温（以5 /分从1100 降到850 ） 出片（手动或自动以5cm/分的速度出850的恒温区） 质量检查（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可动电荷的检测） SiO2厚度大约600nm左右,先进的氧化工艺,氢氧合成工艺 湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2 水汽氧化：Si H2O SiO2 H2 H2 O2 H2O 气体流量比很重要！,三种热氧化层质量对比,氧化消耗硅,氧化前,氧化后, 氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45左右,选择性氧化：常用于硅的局部场氧化LOCOS （LOCal Oxidation of Silicon）,氧化前,氧化后,2.3 SiO2结构、性质和用途,SiO2的原子结构： 属于非晶体、无定形结构，Si-O 四面体在空 间无规则排列。, SiO2的物理性质,SiO2的化学性质 SiO2 的化学性质非常稳定，仅被 HF 酸腐蚀,SiO2在集成电路中的用途 1.做MOS结构的电介质层 2.限制带电载流子场区隔离 3.保护器件以免划伤和离子沾污 4.掺杂中的注入掩蔽 5.减小氮化硅与下层之间应力的垫氧化层 6.减小注入损伤及沟道效应的注入屏蔽氧化层 7.导电金属之间的层间介质,电介质层：用做MOS晶体管栅和源漏衬底之间的电介质层栅氧化层 注：用热生长方法形成,场区隔离层（场氧化层）（STI形成的）：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此之间电气隔离。 STI（Shallow Trench Isolation） 注：用CVD方法形成,厚度2500-15000 ,场区隔离层（场氧化层）（硅局域氧化LOCOS形成的）：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此之间电气隔离。,厚度2500-15000 ,场区隔离层（场氧化层）（硅局域氧化LOCOS形成的）：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此之间电气隔离。,氧化后,保护层：保护有源器件和硅表面免受后续工艺的影响,掺杂掩蔽层：作为注入或扩散掺杂杂质到硅中的掩蔽材料,垫氧层：做氮化硅与硅之间的缓冲层以减小氮化硅与硅之间的应力,垫氧层：做氮化硅与金属之间的缓冲层以减小氮化硅与金属膜之间的应力,注入屏蔽氧化层：用于减小注入损伤及减小沟道效应,金属间的绝缘层：用作金属连线间的绝缘保护层,氧化层应用的典型厚度,热生长SiO2 Si 系统中的实际电荷情况,2.4 SiO2Si界面及掺氯氧化,在实际的SiO2 Si 系统中，存在四种电荷： 1. 可动电荷： 指Na、K离子，来源于工艺中的化学试剂、器皿和各种沾污等。 2. 固定电荷：指位于SiO2 Si 界面2nm以内的过剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。 3. 界面态：指界面陷阱电荷(缺陷、悬挂键），可以采用氢气退火降低。 4. 陷阱电荷：由辐射产生。,掺氯氧化 在氧化工艺中通常在氧化系统中通入少量的氯气（浓度在3以下）以改善SiO2的质量。其作用有二： 1、氯离子进入SiO2Si界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累 2、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾污,不掺氯热氧化层 1. 可动电荷（主要是Na离子）密度： 3101211013/cm2 2. 固定电荷密度： 11012/cm2 掺氯热氧化层 1. 可动电荷（主要是Na离子）密度： 2101011011/cm2 2. 固定电荷密度： （13）1011/cm2,不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比,热生长氧化层与沉积氧化层的区别 1. 热生长的氧化层比沉积的结构致密，质量好。 2. 热生长的氧化层比沉积成膜温度高，沉积氧化层可在第一层金属布线形成完进行，做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。 3. 热生长的氧化层消耗硅。 4. 热生长氧化层的界面态、固定电荷、可动电荷等表面电荷密度都比沉积的低。,2.5 影响二氧化硅生长的因素,氧化温度 氧化时间： 掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快 硅片晶向：硅单晶的氧化速率比稍快,反应室的压力：压力越高氧化速率越快 氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快，掺氯氧化比不掺氯的氧化速率快,2.6 SiO2的质量检查,氧化层表面缺陷的检查 目检和使用100倍500倍的显微镜检查 氧化层厚度及其均匀性的测量 利用光学干涉原理使用膜厚仪、椭偏仪等仪器测量 氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量 使用CV测试仪检测, 通过颜色的不同可估算SiO2 层厚度,2.7 氧化设备,卧式高温炉,立式高温炉,立式炉系统,高温炉的组成 1、工艺腔 2、硅片传输系统 3、气体分配系统 4、温控系统 5、尾气系统,2.8 快速热处理,快速热处理（RTP）是在非常短的时间内（经常是几分之一秒）将单个硅片加热至4001300温度范围的过程 RTP的优点： 1.减少热预算 2.硅中杂质运动最小 3.冷壁加热减少沾污 4.腔体小气氛洁净 5.更短的加工