微电子工艺(3) - PRINT

第四章热氧化 1 微电子工艺 3 主要内容 4 1二氧化硅薄膜概述4 2硅的热氧化4 3初始氧化阶段及薄氧化层制备4 4热氧化过程中杂质再分布4 5氧化层的质量及检测4 6其它氧化方法 2 4 1二氧化硅薄膜概述 二氧化硅是微电子工艺中采用最多的介质薄膜 二氧化硅薄膜的主要制备方法有 热氧化 化学气相淀积 CVD 物理气相淀积 PVD 阳极氧化4 1 1二氧化硅结构4 1 2二氧化硅的理化性质及用途4 1 3二氧化硅薄膜中的杂质4 1 4杂质在SiO2中的扩散4 1 5SiO2的掩蔽作用 3 4 TEM照片 Transmissionelectronmicroscopy TEM 单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜 SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因 4 1 1二氧化硅结构 SiO2基本结构单元 5 6 热氧化的SiO2是非晶态 是四面体网络状结构两四面体之间的氧原子称桥联 键 氧原子 只与一个四面体相联的氧原子称非桥联氧原子石英的原子密度2 2 1022 cm3 石英晶格结构 非晶态二氧化硅结构 二氧化硅结构 4 1 4 1 2二氧化硅的理化性质及用途 密度是SiO2致密程度的标志 密度大表示致密程度高 约2 2 2g cm3 熔点石英晶体1732 而非晶态的SiO2无熔点 软化点1500 电阻率与制备方法及所含杂质有关 高温干氧可达1016 cm 一般在107 1015 cm 介电性介电常数3 9 介电强度100 1000V m 折射率在1 33 1 37之间 腐蚀性只和HF酸反应 与强碱反应缓慢 7 1 作为掩蔽膜 二氧化硅膜用途 8 2 作为芯片的钝化与保护膜 3 互连层间绝缘介质 9 电隔离膜 4 元器件的组成部分 4 1 4 1 3二氧化硅薄膜中的杂质 10 4 1 4 1 4杂质在SiO2中的扩散 杂质SiO2中在扩散系数 DSiO2 D0exp E kT 是指当浓度为一个单位时 单位时间内通过单位面积的量 单位m2 s利用相同情况下 硼 磷等常用杂质在SiO2中的扩散速度远小于在硅中扩散速度 SiO2层对这些杂质起到 掩蔽 作用 镓和钠等碱金属扩散在SiO2扩散速度快 SiO2层对这些杂质起不到 掩蔽 作用 11 4 1 4 1 5SiO2的掩蔽作用 12 硅衬底上的SiO2作掩膜要求 杂质在SiO2层中的扩散深度 SiO2本身的厚度 不同温度下掩蔽P B所需氧化层厚度与扩散时间关系图 4 1 5SiO2掩蔽作用 掩蔽条件 DSi DSiO2 13 4 2硅的热氧化 以热氧化工艺制备SiO2就是在高温和氧化物质 氧气或者水汽 存在条件下 在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅 4 2 1热氧化工艺4 2 2热氧化机理4 2 3硅的Deal Grove热氧化模型4 2 4热氧化生长速率4 2 5影响氧化速率的各种因素 14 4 2 1热氧化工艺 热氧化设备主要有水平式 6英寸以下的硅片 和直立式 8英寸以上的硅片 两种 氧化系统由四部分组成 炉体柜装片台气源柜计算机控制系统 15 16 电阻加热水平式氧化炉 注意 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 三种热氧化方法 干氧氧化 氧化膜致密性最好 针孔密度小 薄膜表面干燥 适合光刻 但是生长速率最慢 湿氧氧化 氧化膜较干氧氧化膜疏松 针孔密度大 表面含水汽 光刻性能不如干氧 容易浮胶 湿氧与干氧比 水温越高 水汽就越多 二氧化硅生长速率也就越快 水蒸汽氧化 在三种热氧化方法中氧化膜致密性最差 针孔密度最大 薄膜表面潮湿 光刻难 浮胶 但是 生长速率最快 17 18 三种热生长方法及SiO2薄膜特性的比较 不同氧化工艺制备的SiO2的主要物理性质 19 具体工艺 掩膜氧化 厚氧化层 干氧 湿氧 干氧薄层氧化 MOS栅 干氧掺氯氧化热氧化工艺流程一般遵循 洗片 升温 生长 取片 20 4 2 4 2 2热氧化机理 21 在热氧化的过程中 氧化反应将在SiO2 Si界面处进行 而不发生在SiO2层的外表层热氧化是通过扩散和化学反应来完成的 氧化反应是由硅片表面向硅片纵深依次进行的 硅被消耗 所以硅层变薄 氧化层增厚 整个硅片增厚了 4 2 3deal grove热氧化模型 22 Deal Grove模型 线性 抛物线模型 linear parabolicmodel 可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型 适用于 氧化温度700 1300oC 局部压强0 1 25个大气压 氧化层厚度为0 03 2 m的水汽和干法氧化 23 1 氧化剂输运 2 固相扩散 3 化学反应 4 反应的副产物离开界面 基于D G模型热氧化可分解为 热氧化动力学 迪尔 格罗夫模型 1 氧化剂输运 气体输运流密度用F1表示 F1 hg Cg Cs 2 气相扩散 3 化学反应 热氧化是在氧化剂气氛下进行 O2流密度不变 即准平衡态稳定生长 F1 F2 F3 24 气相质量输运系数 化学反应常数 求解 c0 ci 25 借助 亨利定律 理想气体状态方程 SiO2中的氧化剂浓度C 应与主气流区中氧化剂分压成正比 可得 气相质量输运系数 Co C 1 ks h 4 2 由F1 F2 F3可得 4 2 4热氧化生长速率 26 氧化层生长速率v为 界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数N1 解为 两种极限情况 27 抛物线速率常数 线性速率常数 氧化时间长 扩散控制阶段 氧化时间很短 化学反应控制阶段 扩散控制 DSiO2 0 Ci 0 反应控制 ks 0 Ci Co 两种极限情况 图为实测值与计算的对比计算公式 在两种极限情况下 长时间氧化或氧化时间很短 实测值和计算值吻合 28 4 2 第七次课主要问题 简述硅表面氧化层的结构特点 氧化层种杂质有哪几种类 简述热氧化机理 热氧化有几种方法其主要特点是什么 D G模型将热氧化分为几个步骤 29 4 2 5影响氧化速率的各种因素 温度影响 很大 H h D ks都与温度有关 气体分压影响 提高反应器内氧气或水汽的分压能提高线性氧化速率 有高压氧化和低压氧化技术 硅晶向影响 略有不同 111 晶向速率最快 100 晶向速率最慢 杂质影响 掺杂浓度越高氧化速率越快 将此现象称为增强氧化 30 1 温度对氧化速率的影响 31 2 气体分压对氧化速率的影响 氧化剂分压Pg是通过C 对B产生影响 B Pg 32 3 硅衬底的晶向对氧化速率的影响 不同晶向的衬底单晶硅由于表面悬挂键密度不同 生长速率也呈现各向异性 空间位阻 StericHindrance 33 4 掺杂情况对氧化速率的影响 线性和抛物型氧化速率常数对存在于氧化剂中或存在于硅衬底中的杂质敏感 磷在较低温度增强氧化明显 而硼在低温时增强氧化不明显 高温明显 钠 水汽 氯都能显著提高氧化速率 34 35 1 衬底掺杂对氧化速率的影响 900 C时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化 N 衬底 反应速率限制阶段影响大 B A起主要作用 氧化速率取决于硅表面的掺杂浓度 4 掺杂情况对氧化速率的影响 2 掺卤氧化 在氧化气氛中加入适量的卤族元素会改善氧化膜及其下面硅的特性 氧化膜特性的改善包括钠离子浓度减少 介质击穿强度增加 界面态密度减少 实践中应用较多的卤族元素是氯 在Si SiO2界面上或界面附近 氯能使杂质转变成容易挥发的氯化物从而起到吸杂的效果 另外也能看到氧化诱生缺陷减少 36 掺氯对氧化速率的影响 37 N型硅 100 和 111 晶面氧化速率常数与HCl浓度之间关系 900 1000 1100 3 水汽的存在对氧化速率的影响 在干氧氧化的气氛中 只要存在极小量的水汽 就会对氧化速率产生重要影响 为了防止高温下水汽通过石英管壁进入氧化炉内 可用双层石英管是 在两层中间通高纯氮或氩 这样可以把通过外层石英管进入到夹层中的水汽及时排除 38 4 3初始氧化阶段及薄氧化层制备 D G模型对30nm以下的干氧氧化不准 自然氧化物不是连续生长而是阶段的生长 轻掺杂0 8nm 重掺杂1 3nm 初始氧化阶段的氧化机制仍是日前研究热点 39 用途 薄层氧化主要作为MOSIC的栅要求 低缺陷密度 好的抗杂质扩散的势垒持性 低的界面态密度和固定电荷 高质量的Si SiO2界面 在热载流子应力和辐射条件下的稳定性好 工艺过程中具有较低的热开销 40 4 3初始氧化阶段及薄氧化层制备 工艺条件 对氧化层质量有重大影响生长必须足够慢 才能保证获得均匀性和重复性好与清洗工艺有着密切的关系所用试剂的纯度有着密切的关系工艺方法 干氧氧化 含有HCl的干氧氧化减压氧化低温高压氧化等 41 4 3初始氧化阶段及薄氧化层制备 4 4热氧化过程中杂质的再分布 由四方面因素决定 杂质的分凝现象 杂质在SiO2表面逸出 杂质在SiO2 Si中的扩散系数 界面移动 氧化速率 42 4 4 1杂质的分凝效应 k1 在SiO2 Si界面杂质向Si内扩散 Si面杂质浓度高 堆积 P kp 10 As kAs 10 Ga kGa 20 43 SiO2 Si界面分凝现象 指杂质在SiO2和Si中平衡浓度不同的现象 分凝系数 指衡量分凝效应强弱的参数 杂质在SiO2 Si界面分布 44 4 4 2再分布对硅表面杂质浓度的影响 45 热氧化后硅中磷的表面浓度 热氧化后硅中硼的表面浓度 46 计算得到的在不同温度下氧化后硅中硼的分布曲线 高温氧化对杂质浓度分布的影响 4 5氧化层的质量及检测 质量要求 厚度及均匀性应满足要求成膜质量 表面无斑点 裂纹 白雾 发花 内部针孔密度等 检测 厚度测量成膜质量测量 表面缺陷 结构缺陷 氧化层中的电荷 热应力 47 4 5 1氧化层厚度测量 比色法 估算厚度光学方法 干涉条纹法 椭圆偏振法探针轮廓仪 48 1 比色法 49 可根据氧化层表面颜色和表中所列颜色进行比较 来确定氧化层的厚度 2 干涉条纹法 原理 测定氧化层台阶上的干涉条纹数目求氧化层厚度的方法 当用单色光垂直照射氧化层表面时 由于是透明介质 所以入射光将分别在表面和硅界面处反射 测量方法 试片表面涂一小滴黑胶 然后在HF中未被保护的腐蚀掉 丙酮除去黑胶 这样在硅片表面出现一个台阶 用干涉显微镜观察表面时 在台阶处就出现的明暗相同的干涉条纹 根据干涉条纹数目 可计算出的氧化层厚度 50 51 n 二氧化膜的折射率 约为1 5 x 干条纹的条数 从一个最亮到相邻的一个最亮条 或最暗条到相邻的另一个最暗条 就算一个干涉条纹 而从最暗到相邻最亮条则可算为半根 2 干涉条纹法 4 5 2SiO2层成膜质量的测量 52 表面无斑点 裂纹 白雾 发花和针孔等毛病 针孔密度检测方法腐蚀法 腐蚀液为邻苯二酚 胺 水 PAW 通过针孔化学腐蚀衬底硅 氯气腐蚀法 900 以上 氯气对针孔部位的Si腐蚀 铜缀法 含铜电解液 电流通过针孔流通 电化学反应在针孔析出铜 1 一般要求 2 结构缺陷 53 氧化诱生堆垛层错 OSF 第八次课主要问题 若氧化时间极短 氧化速率服从什么规律 而氧化时间很长呢 影响氧化速率的主要因素有哪几个 哪个影响最大 热氧化过程中杂质再分布由几方面因素引起 薄层氧化与D G模型是否吻合 热氧化后在界面硅一侧会出现什么结构问题 54 3 氧化层中的电荷 55 1 可动离子电荷 Qm 可动离子电荷 Qm 在二氧化硅中都是网络改变者存在 荷正电的碱金属离子杂质 主要是Na K H 等 其中主要是Na 在人体与环境中大量存在Na 热氧化时容易发生Na 沾污 降低方法 加强工艺卫生 避免Na 沾污 也可采用掺氯氧化 固定Na 离子 高纯试剂 56 偏温实验 BT 对MOS电容进行C V测试 在栅极上加约1MV cm的正向 反向 偏压 同时加热到200 300 l0 30min 确保可动离子都到达SiO2 Si界面 保持偏压冷却至室温 再测C V V Nm qCox 57 2 固定离子Qf 电荷 固定离子电荷Qf 主要是氧空位 不随表面势和时间的变化而变化存在机理 一般认为固定电荷与界面一个很薄的 约30 过渡区有关 过渡区有过剩的硅离子 过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开 但未与氧完全反应 降低方法 干氧氧化空位最少 水汽氧化氧空位最多 热氧化时 首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象 氧化后 高温惰性气体中退火也能降低固定电荷 58 3 界面陷阱电荷Qit 界面态 界面陷阱电荷 Qit是能量处于硅禁带中 可以与价带或导带交换电荷的陷阱能级或电荷状态 与衬底晶向 氧化条件和退火条件密切有关 111 最高 100 最低 降低方法 在金属化后退火 PMA 低温 惰性气体退火可降低 59 4 氧化层陷阱电荷Qot 存在于SiO2中和Si SiO2界面附近 陷阱俘获电子或空穴后分别荷负电或正电 产生方式主要有电离辐射和热电子注入 降低方法 选择适当的氧化工艺条件 在惰性气体中进行低温退火 采用对辐照不灵敏的钝化层可降低 60 4 热应力 SiO2与Si的热膨胀系数不同 在结束氧化退出高温过程后 会产生很大的热应力Si 2 6 10 6K 1 SiO2 5 10 7K 1在加热或冷却过程中要使硅片受热均匀 同时 升温和降温速率不能太大 61 4 6其它热氧化方法 IC进步对热氧化工艺不断提出新要求 降低工艺温度 提高氧化层质量 因此热氧化技术不断发展4 6 1掺氯氧化4 6 2高压氧化 62 4 6 1掺氯氧化 钝化可动离子 尤其是钠离子 减少SiO2中缺陷 提高了氧化层的抗击穿能力 降低了界面态密度和表面固定