第一章热氧化工艺.ppt

1、第一章 热氧化工艺 (Thermal Oxidation),微电子制造科学原理与工程技术第4章 热氧化 (电子讲稿中出现的图号是该书中的图号),硅的热氧化工艺(Thermal Oxidation), 二氧化硅的性质和用途 热氧化原理(Deal-Grove 模型) 热氧化工艺（方法）和系统 热氧化工艺的质量检测,参考资料：,分子数密度：2.2 1022 cm3,一、二氧化硅(Si02)的性质和用途,热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构,(硅的密度：2.33gcm3),密度：2.27gcm3,分子量：60.09,(硅的原子量：28.09),(硅的原子数密度：5 1022 cm3),（一）SiO2的

2、结构,4个O原子位于四面体的顶点，Si位于四面体中心。,桥位O原子与2个Si原子键合； 其它O原子只与1个Si键合, 介电强度高： 10 MV/cm 最小击穿电场(非本征击穿)：由缺陷、杂质引起 最大击穿电场(本征击穿)：由SiO2厚度、导热性、 界面态电荷等决定； 氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低,1、二氧化硅的绝缘特性, 电阻率高： 1 1014 cm 1 1016 cm 禁带宽度大： 9 eV, 介电常数：3.9 (热氧化二氧化硅膜),（二）SiO2的性质, B、P、As 等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其 在Si中的扩散系数。DSi DSiO2 SiO2做掩蔽膜要有足够的厚

3、度：对特定的杂质、扩散 时间、扩散温度等条件，有一最小掩蔽厚度。,某些杂质，如Ga，Na， O，Cu，Au等，是SiO2 中的快速扩散杂质。,2、二氧化硅的掩蔽性质, 在一定温度下，能和强碱(如NaOH，KOH等)反 应，也有可能被铝、氢等还原。,3、二氧化硅的化学稳定性, 二氧化硅是硅的最稳定化合物，属于酸性氧化物， 不溶于水。 耐多种强酸腐蚀，但极易与氢氟酸反应。,（三）二氧化硅在IC中的主要用途, 用做杂质选择扩散的掩蔽膜 用做IC的隔离介质和绝缘介质 用做电容器的介质材料 用做MOS器件的绝缘栅材料,SiO2在一个PMOSFET结构中的应用 (剖面示意图),（四）IC中常见的SiO2生

4、长方法：,热氧化法、淀积法,问题：生长厚度 为Tox的二氧化硅， 估算需要消耗多 少厚度的硅?,二、热氧化原理(Deal-Grove 模型),（一） 二氧化硅的生长(化学过程),（二）热氧化生长动力学 (物理过程),J1：粒子流密度： J2：扩散流密度 J3：反应流密度,（三）热氧化工艺的Deal-Grove 模型,C：氧化剂浓度,(1) 氧化剂由气相传输至SiO2的表面，其粒子流密度J1 (即单位时间通过单位面积的原子数或分子数)为：,1、D G 模型,hG 气相质量输运系数，单位：cm/sec CG 气相(离硅片表面较远处)氧化剂浓度 Cs SiO2表面外侧氧化剂浓度,D0 氧化剂在SiO

5、2中的扩散系数，单位：cm2/sec C0 SiO2表面内侧氧化剂浓度 Ci SiO2-Si界面处氧化剂浓度 T0 x SiO2厚度,(2) 位于SiO2表面的氧化剂穿过已生成的SiO2层扩散到 SiO2-Si界面，其扩散流密度J2为：,线性近似，得到,Ks 氧化剂在SiO2 -Si界面处的表面化学反应速率常数， 单位：cm/sec,(3) SiO2-Si界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiO2 ，其 反应流密度J3为：,Ci SiO2-Si界面处氧化剂浓度,平衡状态下，有,得到两个方程式，但有三个未知量：Cs Co Ci,求 解,剩下两个未知量：C0和Ci,亨利定律：固体表面吸附元素浓度与固体

6、表面外侧气 体中该元素的分气压成正比,理想气体定律,H亨利气体常数,+ 两个方程可求解Ci和C0,两个方程式，但有三个未知量：Cs Co Ci,定义,则有：,其中N1是形成单位体积SiO2所需的氧化剂分子数或原子数。,通过解方程，可以得到,因此，有，,将J3与氧化速率联系起来，有,N1=2.21022cm-3(干氧O2) N1=4.4 1022cm-3(水汽H2O),边界条件,上述方程式的解可以写为：,其中，, 介于(1)、(2)两者之间的情况，Tox t关系要用求根公式表示：,（1）氧化层厚度与氧化时间的关系式：, 氧化层足够薄(氧化时间短)时，可忽略二次项，此时Tox t为线性关系：,其中

7、B/A为线性氧化速率常数, 氧化层足够厚(氧化时间长)时，可忽略一次项，此时Tox t为抛物线关系：,其中B为抛物线氧化速率常数,2、主要结论,（2）氧化速率与氧化层厚度的关系,氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降,图4.6 各种薄干氧氧化情况下，氧化速率与氧化层厚度之间 的关系，衬底是轻微掺杂的 (1 0 0) 硅。, 线性氧化区：, 抛物线氧化区：,讨 论,也称反应限制氧化区,也称扩散限制氧化区, D-G模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合， 但对于薄干氧氧化层的生长，D-G模型严重低估氧化层厚度。 根据D-G模型，氧化层厚度趋于零(氧化时间接近于零)时， 氧化速率接近

8、于一个常数值：,初始快速氧化阶段,但实际工艺结果显示，初始氧化速率比预计值大了4倍或更多。,D-G干氧模型中给出一个值，来补偿初始阶段的过度生长。,3、D G 模型的修正,湿氧工艺的氧化速率常数,干氧工艺的氧化速率常数,参数B和B/A可写成Arrhenius函数形式。, 参数B的激活能EA取决于氧化剂的扩散系数(D0)的激活能；,B和B/A,4、参数B和B/A的温度依赖关系,在各种氧化工艺条件下，参数B和B/A都可以确定下来， 并且是扩散系数、反应速率常数和气压等工艺参数的函数。, 参数B/A的激活能取决于Ks，基本上与SiSi键合力一致。,B/A:线性速率常数,B:抛物线速率常数,图4.2

9、氧化系数B的阿列尼乌斯图，湿氧氧化参数取决于水汽浓度(进而取决于气流量和高温分解条件),图4.3 氧化系数B/A的阿列尼乌斯图,I 氧化速率常数的实验获取方法,补 充,氧化层厚度氧化时间关系图,II 计算热氧化工艺生长SiO2厚度的方法(例子),(1) 查表4.1得到1100下湿氧氧化的B，B/A数值，并结合Toxi 值计算出,求解Tox即可,方法 1：,(2) 将B，A， 及氧化时间t代入方程式,(3) 再在氧化厚度氧化时间图 上直接查找1100下，湿氧 氧化57分钟所得到的氧化层 厚度为6500A左右。,方法 2,(1) 在氧化厚度-氧化时间图上可直接查找1100下，湿氧 氧化Toxi=4

10、000所需的氧化时间是24分钟；,(2) 因此例题中总的有效氧化 时间为(24+33)=57分钟 (此处即假设初始氧化层厚度为0)；,利用氧化厚度-氧化时间图,5、影响氧化速率的因素,(1) 温度对氧化速率的影响：,(2) 氧化气氛对氧化速率的影响：,(3) 氧化剂气压对氧化速率的影响：,当氧化剂气压变大时，氧化反应会被加速进行。,(4) 硅片表面晶向对氧化速率的影响：,由于Ks取决于硅表面的密度和反应的活化能， 而的硅表面原子密度较高，Ks相对较大； 所以的氧化速率比快。,温度 B和B/A 氧化速率 ,C*(H2O气氛) C*(O2气氛),H2O氧化速率远大于O2 氧化速率,B C* PG,

11、图4.5 高压水汽氧化中的抛物线和线性速率系数(引自Razouk等人文献，经电化学协会准许重印), 杂质的增强氧化效应 高浓度衬底杂质一般都倾向于提高氧化速率,注意：杂质的增强氧化不仅 造成硅片表面氧化层厚度的 差异，也形成新的硅台阶。,(5) 衬底掺杂对氧化的影响,图4.19 900下，干氧氧化的速率系数与磷表面浓度的函数关系曲线(引自Ho等人文献，经电化学协会准许重印),高浓度的磷在硅表 面增加空位密度， 从而提高硅的表面 反应速率。,图4.18 在三种不同的硼表面浓度下，二氧化硅厚度与湿氧氧化时间的关系(引白DeaI等人文献，经电化学协会准许重印),高浓度的硼进入 SiO2中可增强分 子

12、氧扩散率，从 而提高其抛物线 氧化速率。,氧化过程中硅内的杂质会在硅和新生长的SiO2之界面处重新 分布，这是由于杂质在硅和SiO2中的固溶度不同引起的。, 分凝效应, 干氧氧化的氧化剂 O2 湿氧氧化的氧化剂 O2 + 水的混合气体。,（一）热氧化工艺(方法), O2加少量卤素（1%-3%），最常用的卤素是氯 高温下O2和H2混合点火燃烧形成水蒸汽(H2O),1、最常见的氧化方法：,2、其他常用的氧化环境：,三、热氧化工艺（方法）和系统,（按氧化剂分类）,干氧氧化和湿氧氧化,1) 硅片送入炉管，通入N2及小流量O2； 2) 升温，升温速度为530/分钟； 3) 通大流量O2，氧化反应开始；

13、4) 通大流量O2及TCE (0.52)； 5) 关闭TCE，通大流量O2，以消 除残余的TCE； 6) 关闭O2，改通N2，作退火； 7) 降温，降温速度为21 0/分钟； 8) 硅片拉出炉管。,3、氧化工艺的主要步骤,TCE：三氯乙烯,以干氧氧化为例,(1) 干氧氧化：氧化速率慢，SiO2膜结构致密、干燥(与光 刻胶粘附性好)，掩蔽能力强。 (2) 湿氧氧化：氧化速率快，SiO2膜结构较疏松，表面易有缺 陷，与光刻胶粘附性不良。 (湿氧环境中O2和 H2O的比例是关键参数) (3) 氢氧合成氧化：氧化机理与湿氧氧化类似，SiO2膜质量取 决于H2，O2纯度(一般H2纯度可达99.9999，

14、O2纯度 可达 99.99)；氧化速率取决于H2和O2的比例。 (3) 掺氯氧化：减少钠离子沾污，提高SiO2Si界面质量；氧 化速率略有提高。 (常用的氯源：HCI，TCE，TCA等),4、不同氧化方法的特点,图4.4 氯对氧化速率系数的影响,1、局部氧化(LOCOS，Local Oxidation of Si),（二）lC制造中常用的氧化工艺(技术)：,(1) 栅氧化工艺是CMOS IC制造的关键工艺，基本要求： 栅氧化层薄（集成度）； 栅氧化温度低（保证氧化工艺的均匀性和重复性）。 (2) 掺氯氧化可使氧化物缺陷密度显著减少，但温度低于1000 时氯的钝化效果差。一般的栅氧化工艺采取两步

15、氧化法： 800900，O2+HCl氧化； 升温到10001100，N2 + HCl退火 (3) 对于100及更薄厚度的氧化层，通常采用的氧化工艺还有： 稀释氧化：氧化气氛为O2和惰性气体(如Ar)的混合物 低压氧化：降低氧化炉中的气压(改用CVD设备) 快速热氧化(Rapid Oxidation)：采用快速热处理设备 (4) 在栅氧化层厚度缩小到20后： 需要发展替代的栅介质层材料，如氮氧化硅、高K介质材料等。,2、栅氧化工艺, 降低氧化温度，缩短氧化时间，使IC制造可采用低温工艺； 氧化层质量较好，降低漏电流，改善电特性； 氧化层密度高于常压氧化，表面态密度低于常压氧化； 局部氧化时Si3

16、N4转化成SiO2的速度随压力上升而下降，因 此可采用更薄的Si3N4及消氧，这有利于减小“鸟嘴效应。,3、高压氧化,一般的氧化工艺都是在常压下进行，高压氧化是指提高氧化 剂气压的氧化方法。高压氧化工艺特别适于生长厚氧化层，,(1) 优点：,(2) 高压氧化可采用干氧、湿氧和氢氧合成氧化的方法进行。 但因为设备昂贵，故尚未被广泛采用。,1、常见的热氧化设备主要有卧式和立式两种。,卧式炉系统组成示意图,（三）氧化设备(系统),2、一个氧化炉管系统主要由四部分组成： 控制器、硅片装卸区、炉管主体区和气体供应柜,(1) 炉温控制：精度、稳定度、恒温区、对温度变化响应。先 进设备的温度偏差可控制在0.

17、5。 (2) 推拉舟系统：净化环境，粉尘沾污少 (3) 气路系统： 可靠性、控制精度和响应速度、气流状况(密封性) (4) 安全性。,3、一个优良的氧化系统应具备的特点：,4、立式氧化炉管，其类似于竖起来的卧式炉。,三管卧式炉系统,ASM A412 300mm 双体立式炉系统,(1) 易实现自动化。 (2) 硅片水平放置，承载舟不会因重力而发生弯曲；热氧 化工艺均匀性比卧式炉好。 (3) 洁净度高，产尘密度小。 (4) 设备体积小，在洁净室占地少，安排灵活。, 立式氧化炉管的优点：, 立式炉管在大尺寸硅片(200mm/300mm)的氧化工艺中 已取代了卧式炉管，成为工业界标准设备。, 质量检测

18、是氧化工艺的一个关键步骤 氧化层质量的含义包括：厚度、介电常数、折射率、 介电强度、缺陷密度等 质量检测需要对上述各项指标的绝对值、其在片内及片间 的均匀性进行测量 质量检测的方法一般可分为：物理测量、光学测量、 电学测量,四、热氧化工艺的质量检测, 台阶法： HF腐蚀出SiO2台阶后，探针扫描过台阶，取得硅 片表面轮廓，确定台阶高度。精度较高。 SEM(扫描电子显微镜)1000；TEM(透射电子显微镜)技术 椭圆偏振光法：精度高，非破坏性测量。,（一）氧化膜厚度的检测方法, 干涉法：非破坏性测量，适于测量数百以上的薄膜。 (Nanospec) 比色法：不同厚度的SiO2膜呈现不同颜色。 (见

19、教材75页表4.2) 电容法：通过测量固定面积MOS结构的电容，来推算氧化层厚度。,（二）氧化膜的电学测量方法：,1、击穿电压,2、电荷击穿特性：,3、电容-电压(C-V)测试：,增加电容器电压，测量通过氧化层的电流,热氧化硅的介电强度大约为12MV/cm；,给氧化层加刚好低于击穿电场的电应力，测量 电流随时间的变化关系。,TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown) 测试,根据C-V曲线及其温偏特性，可以判断氧化层厚度、氧化层中的固定电荷密度、可动电荷密度和界面态密度等。,本征击穿取决于厚度，非本征击穿取决于缺陷； 击穿电压的统计分布反映氧化层质量。,

20、击穿电压：, 电荷击穿特性：,击穿由电荷在氧化层中的积累而造成。, 电容-电压(C-V)测试：,偏温应力法：1) 提取MOS电容C-V曲线；2) 样品加热到 100C， 在栅极加2-5meV/cm,保持10-20分钟,冷却到室温做C-V曲线；3) 加负偏压，重复上述过程。, Si-SiO2的界面特性比较稳定，重复性好。 Si-SiO2系统中的电荷影响器件性能和可靠性,1、Si-SiO2系统中的电荷和界面特性,(2) 固定氧化层电荷Qf：在距Si-SiO2界面约30的SiO2里面， 通常带正电，是由于SiO2中存在过剩的Si原子引起的。数 量大约在10101012/cm2。 高温退火和加速氧化层的冷却可以降低Qf。 氧