第4章：氧化素材.ppt

离子注入 离子束加工方式 离子注入系统结构 离子束用途 掺杂分类 离子源分类 第二章氧化 硅热氧化 2 1引言 氧化是一种自然现象银 铜 铁 铝等金属的自然氧化硅的自然氧化层很薄在4nm左右氧化工艺目的 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 硅热氧化的概念 硅热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 热氧化分为干氧 湿氧 水汽氧化 其化学反应式 干氧氧化 Si O2 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 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 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 2 氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2 Si界面 3 氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2 4 反应的副产物离开界面 硅 氧化硅 滞留层 反应气体流 新的氧化硅生成 氧化过程的两个阶段 第一阶段 反应速度决定氧化速度氧分子 水分子充足 硅原子不足第二阶段 扩散速度决定氧化速度氧分子 水分子不足 硅原子充足 氧化物生长速率计算公式 不常用 氧化物生长曲线 常用 影响二氧化硅生长的因素 氧化温度氧化时间 氧化方式 湿氧氧化比干氧氧化速度快反应室的压力 压力越高氧化速率越快掺杂效应 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 热生长SiO2 Si系统中的实际电荷情况 热生长SiO2 Si系统 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 热生长SiO2 Si系统 在氧化工艺中 通常在氧化系统中通入少量的HCl气体 浓度在3 以下 以改善SiO2 Si的界面特性 其优点 1 氯离子进入SiO2 Si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 掺氯氧化工艺 不掺氯热氧化层1 可动电荷 主要是Na 离子 密度 3 1012 1 1013 cm22 固定电荷密度 1 1012 cm2掺氯热氧化层1 可动电荷 主要是Na 离子 密度 2 1010 1 1011 cm22 固定电荷密度 1 3 1011 cm2 不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比 传统湿氧氧化工艺 湿氧氧化水汽产生装置 氢氧合成湿氧氧化工艺 氢氧合成产生水分子代替去离子水加热产生水分子氢氧合成的化学反应方程式 2H2 O2 2H2O 氢氧合成温度 750 氢氧合成工艺中 特别注意H2与O2的流量比 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 LOCalOxidationofSilicon 氧化前 氧化后 三种热氧化层质量对比 1 结构及质量 热生长的比沉积的结构致密 质量好 2 成膜温度 热生长的比沉积的温度高 可在400 获得沉积氧化层 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 硅消耗 热生长的消耗硅 沉积的不消耗硅 热生长氧化层与沉积氧化层的区别 常规氧化工艺流程 硅片清洗 除去硅片上的各种沾污 进片 出片 进出850 温区的速度 5cm 分 N2 升温 降温 升温20oC min 降温10oC min N2 温度稳定 退火 N2 氧化 O2 HCl O2 H2 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对杂质的掩蔽特性 对硼 磷 砷等有很好的屏蔽性 是理想的扩散掩蔽层 某些碱金属离子 尤其是钠离子 即使在低温下也只需很短的时间就能扩散至整个SiO2层 故氧化硅要尽量避免钠一类离子的沾污 镓在氧化硅中的扩散系数很大 故对镓不起屏蔽作用 2020 4 20 26 SiO2作掩蔽层的基本要求 氧化硅层要起到扩散掩蔽作用的基本要求 杂质的 分凝系数 掺有杂质的硅在热氧化过程中 在硅和氧化硅界面上的平衡杂质浓度之比定义为分凝系数 氧化硅屏蔽层要有一定的厚度 对杂质在Si SiO2界面的分凝系数也有一定要求 2020 4 20 27 氧化生长速率的物理意义 氧化生长速率是用于描述氧化 当氧化剂的量足够时 SiO2生长的快慢最终由氧化剂在SiO2中的扩散速度和它与Si的反应速度中较慢的一个所决定 硅片上氧化物生长模型是用Deal Grove模型描述的 物在硅片上生长的快慢 2020 4 20 28 氧化模型 D GModel 的两种极限情况 VeryshortTime LongerTime or 2020 4 20 29 硅的线性氧化 LinearRegimes 当氧化层足够薄时 可忽略D G模型中的二次项 则 其中 B A称为线性速率常数 它与反应速率常数Ks成正比 即 氧化层厚度与氧化时间成线性关系 正比 称为硅的线性氧化 有 2020 4 20 30 硅的抛物线氧化 ParabolicRegimes 当氧化层足够厚时 可忽略D G模型中x的一次项 则 即 氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比 称为硅的抛物线氧化 其中 B称为抛物线速率常数 与扩散系数成正比 2020 4 20 31 抛物线阶段的氧化速率要比线性阶段的慢得多 即厚氧化层的生长比薄氧化层的生长需要更多的时间 32 B 2DC N1 抛物线速率常数 表示氧化剂扩散流F2的贡献 式中 薄氧化硅时 线性速率常数B A 两种极限情况 厚氧化硅时 抛物线速率常数B 线性氧化模型vs 抛物线氧化模型 B A C ks N1 线性速率常数 表示界面反应流F3的贡献 2020 4 20 33 Deal Grove模型的两种极限情况 氧化层厚度及主要用途 硅器件中的氧化层厚度的变化范围很大 2020 4 20 34 常规氧化程序曲线 温度 时间 850oC 850oC 20oC min 5oC min 1000oC O2 HCl30min N230min N2 N2 N2 干氧氧化 温度 时间 850oC 850oC 20oC min 5oC min 1100oC O220min O2 H260min N2 N2 O2 HCl20min 湿氧氧化 N2 N220min SiO2层的质量检查 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C V测试仪检测 SiO2层颜色与厚度的关系 SiO2与Si的目检 颜色 亲疏水性 膜厚仪 干涉法 硅 氧化硅 入射光 出射光 椭偏仪 测量薄膜厚度非常精确 原理类似膜厚仪 只是测量的是反射光平行和垂直方向偏振强度的变化 台阶仪 需要刻蚀掉部分薄膜才能测量 竖直方向台阶测量非常精确 4 3SiO2结构 性质和用途 集成电路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 栅氧层 做MOS结构的电介质层 热生长 2 场氧层 限制带电载流子的场区隔离 热生长或沉积 3 保护层 保护器件以免划伤和离子沾污 热生长 4 注入阻挡层 局部离子注入掺杂时 阻挡注入掺杂 热生长 5 垫氧层 减小氮化硅与硅之间应力 热生长 6 注入缓冲层 减小离子注入损伤及沟道效应 热生长 7 层间介质 用于导电金属之间的绝缘 沉积 1 栅氧层 热生长方法形成 干法 2 场氧层STI ShallowTrenchIsolation 用CVD方法形成 厚度2500 15000 2 场氧层LOCOS隔离用热生长法形成 干法 湿法 干法掺氯 厚度2500 15000 3 保护层 保护有源器件和硅表面免受后续工艺的影响用热生长法形成 4 注入阻挡层 作为注入或扩散掺杂杂质到硅中的掩蔽材料用热生长法形成 5 垫氧层用于减小氮化硅与硅之间的应力用热生长法形成 6 注入缓冲层 用于减小注入损伤及减小沟道效应用热生长法形成 7 层间介质 用作金属连线间的绝缘层用CVD方法形成 氧化层应用的典型厚度 氧化硅薄膜生长90nm工艺栅氧厚度约2nm1 降低温度 可减小膜厚到5nm 厚度均匀性差2 降低气压 可减小膜厚到3 4nm 厚度均匀性差3 快速热氧化 RTO RapidThermalOxidation 可减小膜厚到1 8nm 高温膜质量好 高温 短时间例如1050oC 40s 2 4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400 1300 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 更短的加工时间 RTP的应用1 注入退火以减小注入损伤和杂质电激活2 沉积氧化膜增密3 硼磷硅玻璃 BPSG 回流4 阻挡层退火 如TiN 5 硅化物形成 如TiSi2 6 接触合金 常规炉与快速热退火炉的升温曲线对比 RTP系统 本章作业 1 栅氧化层是用干法氧化还是湿法氧化生成 2 LOCOS场氧化层是由干法氧化 湿