微细加工-4-热氧化

第4章热氧化 热氧化的目的在Si衬底的表面生长一层SiO2薄膜 SiO2薄膜的用途1 用作选择扩散时的掩蔽膜 2 用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等 3 用作绝缘介质 隔离 绝缘栅 多层布线绝缘 电容介质等 4 用作表面保护及钝化 制备SiO2薄膜的方法热氧化 化学汽相淀积 CVD 物理汽相淀积 PVD 离子注入氧化 阳极氧化等 热氧化的基本原理 在T 900 1200oC的高温下 利用硅与氧化剂之间的氧化反应 在硅衬底上形成SiO2薄膜 氧化剂可以是纯氧O2 干氧氧化 水蒸汽H2O 水汽氧化 或氧和水蒸汽的混合物O2 H2O 湿氧氧化 4 1迪尔和格罗夫氧化模型 滞流层 附面层 的概念将从衬底表面气体流速v 0处到v 0 99v0处之间的这一层气体层称为滞流层 式中v0为主气流流速 主气流 v0 氧化剂 基座 滞流层 x y L Cg Cs Cs Co Ci tox 1 氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到SiO2表面 2 氧化剂从SiO2表面扩散到SiO2 Si界面上 3 氧化剂到达SiO2 Si界面后同Si发生化学反应 tsl 热氧化过程 上式中 hg Dg ts1为气相质量输运系数 ks为氧化剂与硅反应的界面化学反应速率常数 Co与Cs的关系可由Henry定律得到 Henry定律说明 固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中该种物质的分压 因此SiO2表面处的氧化剂浓度Co为 在平衡状态下 式中 H为Henry定律常数 后一个等号是根据理想气体定律 将以上各方程联立求解 可以得到SiO2 Si界面处的氧化剂浓度为 式中 h hg HkT 在常压下h ks 故分母中的第二项可以忽略 这说明在热氧化时 气流的影响极其微弱 于是可得到SiO2 Si界面处的氧化剂流密度为 SiO2膜的生长速率和厚度的计算 将上式的SiO2 Si界面处氧化剂流密度J3除以单位体积的SiO2所含的氧化剂分子数N1 即可得到SiO2膜的生长速率 当氧化剂为O2时 N1为2 2 1022 cm3 当氧化剂为H2O时 N1为4 4 1022 cm3 利用tox 0 t0的初始条件 以上微分方程的解是 式中 或 方程中的参数A B可利用图4 2 图4 3直接查到 要注意的是 当氧化层比较厚时 氧化速率将随氧化层厚度的变化而改变 因此 如果在氧化开始时已存在初始氧化层厚度t0 则氧化完成后的氧化层厚度并不是无t0时氧化得到的氧化层厚度与t0之和 而必须先用t0确定 再将 与t相加得到有效氧化时间 4 2线性和抛物线速率系数 当tox较薄时 DSiO2 tox ks t A2 4B 此时SiO2的生长由化学反应速率常数ks控制 膜厚与时间成正比 称为线性生长阶段 B A称为线性速率系数 一 线性速率系数 此时SiO2的生长由扩散系数DSiO2控制 膜厚与成正比 称为抛物线生长阶段 B称为抛物线速率系数 当tox较厚时 DSiO2 tox A2 4B 二 抛物线速率系数 还有一个问题要注意 氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅 氧化层厚度tox与消耗掉的硅厚度tsi的关系是tsi 0 44toxtox 2 27tsi 对一个平整的硅片表面进行氧化和光刻后 若再进行一次氧化 则下面的SiO2 Si面将不再是平整的 不同的氧化剂有不同的氧化速率系数 氧化速率的大小顺序为 水汽 湿氧 干氧 而氧化膜质量的好坏顺序则为 干氧 湿氧 水汽 所以很多情况下采用 干氧 湿氧 干氧 的顺序来进行氧化 例如 由于MOSFET对栅氧化膜质量的要求特别高 而栅氧化膜的厚度较薄 所以MOSFET的栅氧化通常采用干氧氧化 三 影响氧化速率的各种因素 1 氧化剂种类的影响 在抛物线生长阶段 氧化速率随着氧化膜的变厚而变慢 因此要获得较厚氧化膜就需要很高的温度和很长的时间 这时可采用高压水汽氧化技术 即在几到几十个大气压下通过增大氧化剂分压Pg来提高氧化速率 2 氧化剂分压的影响 无论在氧化的哪一个阶段 氧化速率系数均与氧化剂的分压Pg成正比 反过来 当需要极薄氧化膜的时候 例如MOSFET的栅氧化 可以采用分压热氧化技术 3 氧化温度的影响 结论 4 硅表面晶向的影响 线性速率系数B A与硅原子晶向有关 即 抛物线速率系数B与硅晶向无关 5 杂质的影响 1 氧化层中高浓度的Na 将增大B和B A 2 氧化剂中若含Cl2 HCl C2HCl3 等 将有利于改善SiO2质量和SiO2 Si界面性质 并会增大B和B A 3 重掺杂硅比轻掺杂氧化快 硅中硼浓度增大 B增大 B A的变化不大 硅中磷浓度增大 B A增大 B的变化不大 4 3初始阶段的氧化 实验发现 在氧化膜厚度tox 30nm的氧化初始阶段 氧化速率比由迪尔 格罗夫模型预测的快了4倍多 可以通过对 值进行校正来提高模型的精度 但是这会使在氧化膜极薄时预测的氧化膜厚度比实际的偏厚 解释氧化初始阶段氧化速率增强机理的模型主要有三种 模型1 氧化剂扩散穿过SiO2层的速率加快 模型2 氧化剂在SiO2层中的溶解度增加 模型3 氧化反应在SiO2层的一定厚度内发生 4 4SiO2的结构 SiO2分为结晶形和无定形两类 结晶形SiO2由Si O四面体在空间规则排列而成 如水晶 无定形SiO2是Si O四面体在空间无规则排列而成 为透明的玻璃体 非晶体 其密度低于前者 如热氧化的SiO2 CVD淀积的SiO2等 Si O四面体的结构是 4个氧原子位于四面体的4个角上 1个硅原子位于四面体的中心 每个氧原子为两个相邻四面体所共有 SiO2中硅原子要运动须打断四个Si O键 而氧原子的运动最多打断两个键 因此硅空位的出现比氧空位要困难得多 4 5SiO2的特性 一 二 化学性质SiO2的化学性质非常稳定 仅被HF酸腐蚀 三 SiO2的掩蔽作用杂质在SiO2中有两种存在形式 B P As Sb等 族杂质是替位式杂质 在SiO2中替代硅原子 在SiO2中的扩散系数很小 其中 族杂质形成负电中心 使非桥联氧转变成桥联氧 增强SiO2网络的强度 族杂质形成正电中心 使桥联氧转变成非桥联氧 减弱SiO2网络的强度 Na K Pb Ca等的氧化物以离子形式存在于SiO2网络的间隙中 是填隙式杂质 在SiO2中的扩散系数很大 网络中氧离子增加使非桥联氧增多 网络强度减弱 熔点降低 间隙式杂质的运动会影响器件的稳定性和可靠性 水汽中的羟基起类似的作用 四 氧化膜的质量检测1 氧化膜厚度的测量方法 1 光干涉法 2 椭圆偏振光法 4 击穿电压法 5 电容法 6 比色法 3 台阶仪法 SiO2层厚度与颜色的关系 2 氧化膜缺陷的检测包括氧化膜针孔 氧化诱生层错的检测 5 氧化膜应力的测量圆盘弯曲法 基片弯曲法 X射线法和电子衍射技术 3 氧化膜介电系数的测量 4 氧化膜击穿特性的测量 4 6掺杂杂质对氧化过程的影响 在热氧化过程中 硅衬底中的杂质分布会发生改变 这称为衬底杂质的再分布 引起衬底杂质再分布的原因有 1 杂质在Si SiO2中平衡浓度不同 2 杂质在Si SiO2中扩散速度不同 3 氧化速度与氧化层厚度 热氧化时杂质在SiO2 Si界面再分布的4种情况 a 氧化层中慢扩散 硼 b 氧化层中快扩散 硼 H2气氛下 c 氧化层中慢扩散 磷 d 氧化层中快扩散 镓 热氧化过程中硅中杂质再分布的规律1 硅中掺硼 1 温度一定时 水汽氧化 湿氧氧化 导致杂质再分布程度增大 其NS NB小于干氧氧化 2 相同氧化气氛下 氧化温度越高 硼向硅表面扩散速度加快 补偿了杂质的损耗 NS NB趋于1 2 硅中掺磷 1 温度一定时 水汽氧化 湿氧氧化 导致杂质再分布程度增大 其NS NB大于干氧氧化 2 相同氧化气氛下 氧化温度越高 磷向硅内扩散的速度越快 表面堆积现象减小 NS NB趋于1 4 7氧化诱生堆垛层错 热氧化有一种副效应 即释放出高密度的自填隙硅原子 这些过剩的填隙原子构成了点缺陷 并延伸成氧化诱生堆垛层错 OSF OSF是一种二维缺陷 是插入到晶格中有限范围的额外原子面 并终止于位错 通常存在于 111 面 当原来存在如离子注入引起的缺陷时 很容易诱生出OSF 降低氧化温度 采用高压氧化 在氧气中加入少量HCl等措施 可以抑制氧化诱生堆垛层错的产生 4 8栅绝缘层的替代物 MOSFET的栅氧化层厚度一直在不断减薄 但是进一步的减薄将受到下面几个因素的限制 首先 当栅氧化层非常薄时 栅极与沟道之间的电子直接隧穿电流将显著增大 导致栅电流的增大和输入阻抗的下降 其次 太薄的栅氧化层难以掩蔽杂质向沟道区的扩散 采用高介电常数的材料代替SiO2作为栅绝缘层 可以在不降低栅绝缘层厚度的情况下 获得足够大的栅电容 SiOxNy或HfO2是这类替代材料 4 9氧化系统 根据集成电路的要求确定氧化工艺1 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 湿氧 干氧 或高压水汽氧化 3 低界面态氧化 掺氯氧化 湿氧氧化加掺氯气氛退火或分压氧化 H2O或O2 N2或Ar或He等 主要采用卧式氧化炉 要求温度可在400 1200oC的范围内设定 并在足够长的区域 称为恒温区 内达到小于0 5oC的均匀性 4 10小结 本章首先介绍了热氧化的迪尔 格罗夫模型 它能精确预测各种氧化条件下的氧化层厚度 对于薄氧化层 观察到生长速率增强现象 给出了解释这个现象的几种模型 介绍了SiO2的结构和特性 讨论了氧化过程对硅中杂质浓度及其分布的影响 氧化会在硅内产生氧化诱生堆垛层错 其原因是工艺过程中产生的高密度自填隙硅原子 最后介绍了氧化系统 习题1 在1000oC下对硅片进行两