半导体-第六讲-氧化工艺.ppt

氧化工艺 内容 1 列出硅器件中 二氧化硅膜层的基本用途 2 描述热氧化的机制 3 氧化方法及工艺设备 4 解释氧化条件及基底条件对氧化的影响 5 氧化膜的质量评估 在集成电路工艺中 氧化是必不可少的一项工艺技术 自从早期人们发现硼 磷 砷 锑等杂质元素在SiO2的扩散速度比在Si中的扩散速度慢得多 SiO2膜就被大量用在器件生产中作为选择扩散的掩模 并促进了硅平面工艺的出现 同时在Si表面生长的SiO2膜不但能与Si有很好的附着性 而且具有非常稳定的化学性质和电绝缘性 因此SiO2在集成电路中起着极其重要的作用 在平导体器件生产中常用的SiO2膜的生长方法有 热生长法 化学气相沉积法 阴极溅射法 HF一HNO3气相钝化法 真空蒸发法 外延生长法 阳极氧化法等 在深亚微米IC制造中 还发展了快速加热工艺技术 选择何种方法来生SiO2层与器件的性能有很大关系 二氧化硅层的用途 1 表面钝化 2 掺杂阻挡层 3 表面绝缘体 4 器件绝缘体 5 缓冲层 6 隔离层 作为MQS器件的绝缘栅介质 在集成电路的特征尺寸越来越小的情况下 作为MQS结构中的栅介质的厚度也越来越小 此时SiO2作为器件的一个重要组成部分 如图1所示 它的质量直接决定器件的多个电学参数 同样SiO2也可作为电容的介质材料 作为选择性掺杂的掩模 SiO2的掩蔽作用是指SiO2膜能阻挡杂质 例如硼 磷 砷等 向半导体中扩散的能力 利用这一性质 在硅片表面就可以进行有选择的扩散 同样对于离子注人 SiO2也可作为注人离子的阻挡层 作为隔离层 集成电路中 器件与器件之间的隔离可以有PN结隔离和SiO2介质隔离 SiO2介质隔离比PN结隔离的效果好 它采用一个厚的场氧化层来完成 作为缓冲层 当Si3N4 直接沉积在Si衬底上时 界面存在极大的应力与极高的界面态密度 因此多采用Si3N4 SiO2 Si结构 如图2所示 当进行场氧化时 SiO2会有软化现象 可以清除Si3N4和衬底Si之间的应力 作为绝缘层 在芯片集成度越来越高的情况下就需要多层金属布线 它们之间需要用绝缘性能良好的介电材料加以隔离 SiO2就能充当这种隔离材料 作为保护器件和电路的钝化层 在集成电路芯片制作完成后 为了防止机械性的损伤 或接触含有水汽的环境太久而造成器件失效 通常在IC制造工艺结束后在表面沉积一层钝化层 掺磷的SiO2薄膜常用作这一用途 图1MOS场效应晶体管结构 图2场氧化层作为缓冲层 O2 O2 O2 100nmTox B A t线性阶段 OriginalSi 100nmTox Bt 1 2抛物线阶段 热氧化的机制 受限反应 受限扩散反应 Si S O2 V SiO2 S Si的氧化过程是一个表面过程 即氧化剂是在硅片表面处与Si原子起反应 当表面已形成的SiO2层阻止了氧化剂与Si的直接接触 氧化剂就必须以扩散的方式穿过SiO2层 到达SiO2一Si界面与Si原子反应 生成新的SiO2层 使SiO2膜不断增厚 同时SiO2一Si界面向Si内部推进 SiO2的生长示意图 DryOxidationSi S O2 V SiO2 S WetOxidation streamOxidation Si S H2O V SiO2 S H2 V 氧化率的影响 900 1200oC 900 1200oC 1 氧化源 干氧 湿氧 发泡 干法 Cl参入氧化 干氧氧化优点 结构致密 均匀性和重复性好 与光刻胶黏附好且应力小 缺点 生长温度高 生长速度慢 氧化率的影响 2 高压氧化 在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速率 或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率都是经常采用方法 优点 有利于降低材料中的位错缺陷 缺点 在利用高压氧化时要注意安全问题和高压系统带来的污染问题 常压 高压 氧化率的影响 3 晶向 因为不同晶向其原子密度不同 所以在相同的温度 氧化气压等条件下 原子密度大的晶面 氧化生长速率要大 而且在低温时的线性阶段更为明显 4温度温度对氧化速率的影响可以从抛物线速度常数B和线性常数B A与温度的关系米看 如表1所示给出了不同氧化气氛和不同温度下的A B B A值 表1不同氧化气氛和不同温度下的A B B A值 5氧化的初始阶段和模型的修正从实验数据中可以发现氧化的初始阶段 20一30nm 有一个快速的偏离线性关系的氧化过程 这意味着有与上述氧化不同的氧化机理 上述氧化模型是建立在中性氧气分子穿过氧化膜与Si反应的假设基础上的 而在氧化初始阶段 实际上氧在SiO2中的扩散是以离子形式进行的 氧离子和空穴同时向SiO2一Si界面扩散 由于空穴扩散速率快 就会在SiO2层内产生一内建电场 此电场又加速了O2 1的扩散 如此就解释了实际与模型曲线的差异 不过这种加速作用只存在于SiO2表面一个很薄的范围内 因此实际实验数据只是在氧化初始阶段与理论模型存在偏差 6 掺杂物氧化率 高掺杂 低掺杂n型掺杂物 P As Sbp型掺杂物 B7 多晶硅与单晶硅相比氧化率更快 实际工艺中由于各个部分材料不同 造成氧化层厚度不均匀 出现台阶 氧化方法 制备SiO2的方法很多 在集成电路工艺中最常用的方法为热氧化法和化学气相沉积法两种 下面主要介绍热氧化法 根据氧化气氛的不同 热氧化法又可分为干氧氧化 水汽氧化 湿氧氧化八掺氯氧化和氢氧合成氧化等 下面逐一进行介绍 干氧氧化干氧氧化就是在氧化过程中 直接通入O2进行氧化的方法 通过干氧氧化生成的SiO2膜其有结构致密 干燥 均匀性和重复性好 对杂质掩蔽能力强 钝化效果好 与光刻胶的附着性好等优点 该方法的缺点是氧化速率较慢 水汽氧化水汽氧化是指硅片一与高温水蒸汽发生反应的氧化方法 由于水在SiO2中的平衡浓度N 1019atoms cm3 比O2在SiO2中的平衡浓度N 1016atoms cm3 高出3个数量级 所以水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的速率大得多 但水汽氧化法生成的SiO2膜结构疏松 表面有斑点和缺陷 含水量大 对杂质 尤其是磷 掩蔽能力较差 所以现在很少使用这种氧化方法 湿氧氧化湿氧氧化法中 O2先通过95 一98 左右的去离子水 将水汽一起带人氧化炉内 O2和水汽同时与Si发生氧化反应 采用这种氧化方法生成的SiO2膜的质量比干氧氧化的略差 但远好过水汽氧化的效果 而且生长速度较快 因此 当所需氧化层厚度很厚且对氧化层的电学性能要求不高的情况下 为了量产的考虑 常采用这种氧化方法 其缺点是生成的SiO2膜与光刻胶的附着性不良 Si表面存在较多位错缺陷 在实际的制造工艺中 通常采用干氧一湿氧一干氧这种多步交替的氧化方法制备氧化层 这样既能保证较好的SiO2膜质量 又能有较快的氧化速率 掺氯氧化掺氯氧化是指在干氧氧化通人O2的同时 通人含氯的化合物气体 从而生成含氯的SiO2膜 这样能减少SiO2中的钠离子污染 提高器件的电学性能和可靠性 氢氧合成氧化氢氧合成氧化是指在常压下 把高纯H2和O2通人石英管内 使之在一定温度下燃烧生成水 水在高温下气化 然后水汽与Si反应生成SiO2的氧化方法 为了安全起见 通人的O2必须过量 因此 实际上是水汽和O2同时参与氧化反应 因为气体纯度高 所以燃烧生成的水纯度很高 这就避免了湿氧氧化过程中水蒸气带来的污染 这种氧化方法氧化效率高 生成的SiO2膜质量好 均匀性和重复性好 其他的氧化除了以上几种热氧化方法外 还有几种特殊的氧化方法 例如 为了制备高质量的薄栅氧化层 出现了低温薄栅氧化 900 和分压氧化 在氧气中通入一定比例的不活泼气体 降低氧气的分压 以降低氧化速率 为了制备厚的氧化层 出现了高压氧化方法 热氧化工艺的设备 热氧化的设备主要有水平式和直立式两种 6英寸以下的硅片都用水平式氧化炉 8英寸以上的硅片都采用直立式氧化炉 氧化炉管和装载硅片的晶舟都用石英材料制成 在氧化过程中 要防止杂质污染和金属污染 为了减少人为的因素 现代IC制造中氧化过程都采用自动化控制 如图3和图4所示分别是典型的水平式氧化炉系统和直立式氧化炉系统 影响氧化均匀性的重要工艺参数是氧化区域的温度分布 在水平式氧化炉中采用五段加热器进行控温即是为了达到最佳的温度分布曲线 通常温度误差控制在士0 5 与水平式氧化炉系统相比 直立式氧化系统有一个很大的优点 就是气体的向上热流性 使得氧化的均匀性比水平式的要好 同时它体积小 占地面积小 可以节省净化室的空间 在硅片进出氧化区域的过程中 要注意硅片上温度的变化不能太大 否则硅片会产生扭曲 引起很大的内应力 一个氧化过程的主要步骤如图5所示 步骤1 硅片送至炉管口 通人N2及少量O2步骤2 硅片被推至恒温区 升温速率为5一30 Min步骤步骤3 通人大量O2 氧化反应开始 步骤4 加人一定比例的含氯气体 干氧化方式 或通人H2 湿氧化方式 步骤5 通O2 以消耗残留的含氯气体或H2步骤6 改通N2 做退火处理 步骤7 硅片开始拉至炉口 降温速率为2 10 Min步骤8 将硅片拉出炉管 图3水平式氧化炉系统 图4直立式氧化炉系统 图5一个氧化程序的主要步骤 氧化膜的质量评价 以热氧化法生长的SiO2薄膜 在半导体器件的结构中具有多种用途 其中最主要的应用是作为MOSFET器件的栅氧化层 下面将针对作为栅氧化层的Si仇膜来探讨薄膜品质对MOSFET器件的影响 氧化层的电荷 作为MOSFET器件结构中的一部分 对栅氧化层的要求是非常高的 但是由于在SiO2一Si界面因为氧化的不连续性 有一个过渡区的存在 各种不同的电荷和缺陷会随着热氧化而出现在这一过渡区 如钠离子进人SiO2层成为可动电荷 氧化层中这些电荷存在会极大地影响MOSFET器件的参数 并降低器件的可靠性 在氧化层中各种电荷的分布如图所示 电荷在氧化层内的分布 这四种电荷的产生原因 数量 对MOSFET器件性能的影响和减少的方法 界面陷阱电荷Qit 它是在Si一SiO2界面的正的或负的电荷 起源于Si SiO2界面结构缺陷 氧化感生缺陷以及金属杂质和辐射等因素引起的其他缺陷 它的能级在Si的禁带中 电荷密度在1010 cm2左右 Si一SiO2界面的Si原子悬挂键是一种主要的结构缺陷 通过释放或束缚电子的方式与Si表面层交换电子和空穴 进而调制Si的表面势 造成器件参数的不稳定性 此外 它还会导致器件表面漏电流和it f噪声的增加以及四暗流增益 跨导 的降低 通常可通过氧化后适当的退火来降低Qit的浓度 氧化层固定电荷Qf 这种电荷是指位于距离Si一SiO2界面3nm的氧化层内的正电荷 又称界面电荷 是由氧化层中的缺陷引起的 电荷密度在1010 1012 cm2固定电荷的影响是使MOSFET结构的C一V曲线向负方向平移 但不改变其形状 山于其面密度Qf是固定的 所以仅影响阀值电压的大小 而不会导致阀值电压的不稳定性 适当的退火及冷却速率能减少Qf 可动离电荷Qm 由氧化系统中的碱金属离子 如K Na Li 等 进入氧化层引起的 电荷密度在1010 1012 cm2在温度偏压实验中 Na 能在SiO2中横向及纵向移动 从而调制了器件有关表面的表面势 引起器件参数的不稳定 要减少此类电荷 可在氧化前先通人含氯的化合物气体清洗炉管 氧化方法采用掺氯氧化 氧化层陷阱电荷Qot 这是由氧化层内的杂质或不饱和键捕捉到加工过程中产生的电子或空穴所引起的 可能是正电荷 也可能是负电荷 电荷密度在109 1013 cm2左右 通过低温H2退火能降低其浓度 以至消除 这些电荷的检测可采用电容一电压法 也就是通常所说的C V测量技术 在这里不作详细介绍了 氧化层的厚度和密度 在集成电路的加工工艺中 氧化层厚度的控制也是十分重要的 如栅氧化层的厚度在亚微米工艺中仅几十纳米 甚至几纳米 另外SiO2膜是否致密可通过折射率来反映 厚度与折射率检测多采用椭圆偏振法 这种方法铡量精度高 是一种非破坏性的测量技术 能同时测出膜厚和折射率 氧化层的缺陷 氧化层的缺陷主要是针孔和层错 他们是MOSFET器件栅氧化层漏电流的主要根源 针孔产生的原因主要有 1 氧化过程中在硅片表面产生缺陷 损伤 污染等 2 在光刻时 掩模板上有小岛或光刻胶中有杂质微粒 使刻蚀后的氧化膜上出现针孔 3 高温氧化后在氧化层中形成层错 要减少这些缺陷 就要提高氧化系统中的洁净程度 还要在氧化前将硅片清洗干净 改进氧化条件则是减少层错的有效方法 热应力 因为SiO2与Si的热膨胀系数不同 Si是2 6x10 6K 1 SiO2是5x10 7K 1 因此在结束氧化退出高温过程后 会产生很大的热应力 对Si仇膜来说是来自Ss的压缩应力 这会造成硅片发生弯曲并产生缺陷 严重