集成电路工艺 热氧化薄膜技术.ppt

微电子工艺学MicroelectronicProcessing第三章热氧化和薄膜制备技术 张道礼教授Email zhang daoli Voice 87542894 在微电子器件中广泛使用着各种薄膜 这些薄膜可以粗略地分为五大类 热氧化薄膜 电介质薄膜 外延薄膜 多晶硅薄膜以及金属薄膜 其特点是 一 在微电子器件中用途各异 例如 热氧化薄膜和电介质薄膜 导电层之间的绝缘层 扩散和离子注入的掩模 防止掺杂杂质损失而覆盖在掺杂膜上的覆盖膜或钝化膜 外延薄膜 器件工作区 多晶硅薄膜 MOS器件中的栅级材料 多层金属化的导电材料以及浅结器件的接触材料 金属膜和金属硅化物薄膜 形成低电阻内连 欧姆接触及用来调整金属与半导体之间的势垒 3 1概述 二 用于制备薄膜的材料种类繁多 例如 硅和砷化镓等半导体材料 金和铝等金属材料 二氧化硅 磷硅玻璃 氮化硅 氧化铝等无机绝缘材料 多晶硅和非晶硅等无机半绝缘材料 钼 钨等难熔金属硅化物及重掺杂多晶硅等非金属低阻材料 聚亚酰胺类有机绝缘树脂材料等等 正因为如此 微电子工艺中的薄膜制备方法千差万别 特点各异 薄膜淀积技术一直在飞速进步 发展出了很多种类 已经成为一门独立的工艺技术学科 相应的理论研究非常深入和广泛 从经典的热力学理论到建立在原子级观测的成核理论 几乎涉及到薄膜科学的每个方面 3 1概述 二氧化硅的结构和性质结晶形和非结晶形 无定形 二氧化硅都是Si O正四面体结构组成的 这些四面体通过各种不同的桥键氧原子连接起来 形成各种不同状态和结构的二氧化硅 微电子工艺中采用的二氧化硅薄膜是由热氧化法生长的无定形结构 长程无序但短程有序 3 2热生长二氧化硅薄膜 桥键氧原子 位于四面体之间 为两个硅原子所共有的氧原子称桥键氧原子 非桥键氧原子 只与一个四面体 硅原子 相连的氧原子称非桥键氧原子 它还能接受一个电子以维持八电子稳定结构 桥键氧越少 非桥键氧越多 二氧化硅网络就越疏松 通常的二氧化硅膜的密度约为2 20g cm3 3 2热生长二氧化硅薄膜 3 2热生长二氧化硅薄膜 网络调节剂 网络调节剂即间隙式杂质 处于Si O四面体网络空隙中孔洞位置 主要有Na K Pb Ca Ba等正离子 其特点是离子半径较大 多以氧化物形式掺入SiO2膜 电离后 杂质正离子占据网络空隙位置 而氧离子进入网络 使得在一个桥键氧处出现两个非桥键氧 网络形成剂 网络形成剂即替位式杂质 在Si O四面体中可取代硅原子并形成网络 主要有B P Sb 等正离子 其特点是离子半径较与硅原子半径相近或更小 在无定形SiO2网络中 硅在SiO2中的扩散系数比氧的扩散系数小几个数量级 在热氧化法制备的过程中 是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2层 到达Si SiO2界面 与硅反应生成SiO2 而不是硅向SiO2外表面运动 在表面与氧化剂反应生成SiO2 3 2热生长二氧化硅薄膜 二氧化硅的主要性质密度 密度是SiO2致密程度的标志 无定形二氧化硅的密度一般为2 21g cm3 结晶形SiO2的密度为2 65g cm3 折射率 折射率是表征SiO2薄膜光学性质的重要参数 不同方法制备的SiO2薄膜由于密度不同 折射率也稍有差别 一般来说 密度大的SiO2薄膜具有较大的折射率 波长为550nm时 SiO2折射率约为1 46 电阻率 SiO2电阻率高低与制备方法及所含杂质数量等因素有关 高温干氧氧化制备的SiO2 电阻率高达1017 cm以上 介电强度 当SiO2薄膜被用作绝缘介质时 常用介电强度即用击穿电压参数来表示耐压能力 SiO2薄膜的介电强度与致密程度 均匀性 杂质含量等因素有关 一般为106 107V cm 3 2热生长二氧化硅薄膜 介电常数 介电常数是表征电容性能的重要参数 对于MOS电容器 其电容量与结构参数的关系为 其中 SiO2为SiO2的相对介电常数 其值为3 9 耐腐蚀性 SiO2膜的化学稳定性极高 不溶于水 除氢氟酸外 和别的酸不起作用 氢氟酸腐蚀原理如下 六氟化硅溶于水 利用这一性质作为掩蔽膜 微电子工艺中利用HF光刻出IC制造中的各种窗口 SiO2的腐蚀速率与HF的浓度 温度 SiO2的质量以及所含杂质数量等因素有关 不同方法制备的SiO2 腐蚀速率可能相差很大 3 2热生长二氧化硅薄膜 SiO2可与强碱发生极慢的反应 生成相应硅酸盐 SiO2在高温下被活泼金属或非金属还原 SiO2与碳放入电炉内加热到1800 时 能生成碳化硅 3 2热生长二氧化硅薄膜 掩蔽性质 B P As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的扩散系数 DSi DSiO2SiO2膜要有足够的厚度 杂质在一定的扩散时间 扩散温度下 有一最小厚度 绝缘性质 SiO2能带宽度约9eV 热击穿 电击穿 混合击穿 a 最小击穿电场 非本征 针孔 裂缝 杂质 b 最大击穿电场 本征 厚度 导热 界面态电荷等 氧化层越薄 氧化温度越高 击穿电场越低 c 介电常数3 4 3 9 3 2热生长二氧化硅薄膜 不同方法制备的SiO2薄膜的物理参数 3 2热生长二氧化硅薄膜 二氧化硅层的主要用途二氧化硅对杂质有掩蔽扩散作用 能实现选择性定域扩散掺杂器件表面的保护和电路的钝化膜器件的电隔离 绝缘 作用电容的介电材料作MOS管的绝缘栅材料多层互连的层间绝缘介质缓冲层 热氧化层 3 2热生长二氧化硅薄膜 1 扩散时的掩蔽层 离子注入的 有时与光刻胶 Si3N4层一起使用 阻挡层SiO2对杂质扩散起到掩蔽作用 利用这个性质结合光刻工艺 就可以进行选择性扩散 这种掩蔽作用是有条件的 随着温度升高扩散时间延长 杂质也有可能会扩散穿透SiO2膜层 使掩蔽作用失效 因此SiO2起掩蔽作用有两个条件 1 厚度足够 2 所选杂质在SiO2中的扩散系数要比在硅中的扩散系数小得多 3 2热生长二氧化硅薄膜 2 器件和电路的保护或钝化膜在硅片表面生长一层SiO2膜 可以保护硅表面和P N结的边缘不受外界影响 提高器件的稳定性和可靠性 同时 在制造工艺流程中 防止表面或P N结受到机械损伤和杂质玷污 起到了保护作用 另外 有了这一层SiO2膜 就可以将硅片表面和P N结与外界气氛隔开 降低了外界气氛对硅的影响 起到钝化作用 但是 钝化的前提是膜层的质量要好 如果SiO2膜中含有大量纳离子或针孔 非但不能起到钝化作用 反而会造成器件不稳定 3 2热生长二氧化硅薄膜 3 某些器件的重要组成部分 1 MOS管的绝缘栅材料 在MOS晶体管中 常以SiO2膜作为栅极 这是因为SiO2层的电阻率高 介电强度大 几乎不存在漏电流 但作为绝缘栅要求极高 因为Si SiO2界面十分敏感 指电学性能 SiO2层质量不好 这样的绝缘栅极就不是良好的半导体器件 3 2热生长二氧化硅薄膜 2 电容器的介质材料 集成电路中的电容器是以SiO2作介质的 因为SiO2的介电常数为3 4 击穿耐压较高 电容温度系数下 这些性能决定了它是一种优质的电容器介质材料 另外 生长SiO