第3章IC工艺热氧化技术

1、第三章：热氧化技术第三章：热氧化技术热氧化技术热氧化技术 （pages 6897） 基本内容基本内容1) 氧化膜的用途。2）SiO2的物理化学性质。3）热氧化SiO2膜的生长动力学要点。4）几种重要的氧化工艺的特点。5) 典型工艺流程图和设备系统图6）基本的质量检测和工艺分析 3.1. 二氧化硅及其在器件中的应用 3.1. 1. SiO2 的结构和基本性质（P7783） 1）结构: 结晶形二氧化硅（石英晶体） （2 . 65g/cm3） 无定形（非晶）二氧化硅（石英玻璃） （ 2 . 20g/cm3）C：不含杂的石英玻璃：不含杂的石英玻璃含杂的石英玻璃含杂的石英玻璃 O O O OO-Si-O

2、- Si- O-Si-O-Si-O O O O O Si O-Si-O O O OHH2O疏水性表面亲水性表面 硅有四个共价键，氧有两个；氧易运动；硅有四个共价键，氧有两个；氧易运动； 非桥联的原子将由其悬挂键引入电荷态；非桥联的原子将由其悬挂键引入电荷态； 单价的氢原子与非桥联的氧形成羟基而减少单价的氢原子与非桥联的氧形成羟基而减少悬挂键的数目，引入氢钝化的概念；但羟基悬挂键的数目，引入氢钝化的概念；但羟基的键能较低容易断裂；的键能较低容易断裂； 桥联氧的数目与非桥联氧的数目之比直接影桥联氧的数目与非桥联氧的数目之比直接影响响SiO2的疏松程度，进而影响许多物理性质；的疏松程度，进而影响许多

3、物理性质； 杂质在杂质在SiO2中可以是网络的形成剂（中可以是网络的形成剂（Net-work Former）如：）如：B、P、Al等；也可以是等；也可以是网络的改变剂（网络的改变剂（Net-work Modifer）如：）如：Na、K、Ca、Al等；等； 2）化学性质： SiO2+4HFSiF4+2H2O SiF4+2HF H2(SiF6) 即： SiO2+6HFH2(SiF6)+2H2O 六氟硅酸溶于水 腐蚀速度与SiO2膜的质量有关 3）物理性质：）物理性质： 密度：密度与氧化方式有关密度与氧化方式有关 折射率：与密度有关（page 78，Table4.2）， 1.46 (5500) 电阻

4、率：与密度及含杂量有关，1016cm 介电常数：与密度有关, 3.9 介电强度：与密度、含杂量及缺陷有关, 106107V/cm (Fig. 4.9, P79)TDDB实验(P7980)*! 杂质扩散系数: (热扩散章节） )/exp(02kTEDDSiOtDAxSiO2 杂质分凝系数： )()(2SiONSiNm 3.2. SiO2膜在器件中的基本作用 1) SiO2膜对杂质的掩蔽作用 利用杂质在SiO2膜中的扩散系数较小，和SiO2膜的热稳定性，实现定域掺杂。 掩蔽过程中的分凝效应(P84)Oxide Layer Dopant BarrierPhosphorus implantp+ Sil

5、icon substratep- Epitaxial layern-wellBarrier oxideFigure 10.5 2）对器件的表面的保护和钝化作用 利用SiO2膜的绝缘作用，将pn结与外界隔离，提高稳定性和可靠性；利用对SiO2膜 中固定电荷的控制，改变器件表面的电场分布。 3）对器件的电绝缘和隔离作用 利用SiO2膜的绝缘作用，实现引线与元器件间的绝缘，实现集成电路元器件间的隔离。Field Oxide Layerp+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellField oxide isolates active region

6、s from each other.Figure 10.3 4）用作电容器的介质材料 SiO2膜的介电常数在10kHz下工作时为34，损耗因数为10-110-3，击穿电压高，温度系数小。 5）MOSFET的绝缘栅介质 6）光电和发光器件的减反膜Gate Oxidep+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellPolysilicon gateGate Oxide Dielectric Oxide Applications: Field OxidePurpose: Serves as an isolation barrier between i

7、ndividual transistors to isolate them from each other.Comments: Common field oxide thickness range from 2,500 to 15,000 . Wet oxidation is the preferred method.Field oxideTransistor sitep+ Silicon substrate Oxide Applications: Gate OxidePurpose: Serves as a dielectric between the gate and source-dra

8、in parts of MOS transistor.Comments: Growth rate at room temperature is 15 per hour up to about 40 . Common gate oxide film thickness range from about 30 to 500 . Dry oxidation is the preferred method.Gate oxideTransistor sitep+ Silicon substrateSourceDrainGateOxide Applications: Barrier OxidePurpos

9、e: Protect active devices and silicon from follow-on processing.Comments: Thermally grown to several hundred Angstroms thickness.Barrier oxideDiffused resistorsMetalp+ Silicon substrate Oxide Applications: Dopant BarrierPurpose: Masking material when implanting dopant into wafer. Example: Spacer oxi

10、de used during the implant of dopant into the source and drain regions.Comments: Dopants diffuse into unmasked areas of silicon by selective diffusion.Dopant barrierspacer oxideIon implantationGateSpacer oxide protects narrow channel from high-energy implant Oxide Applications: Pad OxidePurpose: Pro

11、vides stress reduction for Si3N4Comments: Thermally grown and very thin.Passivation LayerILD-4 ILD-5 M-3 M-4Pad oxideBonding pad metalNitrideOxide Applications: Implant Screen OxidePurpose: Sometimes referred to as “sacrificial oxide”, screen oxide, is used to reduce implant channeling and damage. A

12、ssists creation of shallow junctions.Comments: Thermally grownIon implantationScreen oxideHigh damage to upper Si surface + more channelingLow damage to upper Si surface + less channelingp+ Silicon substratePassivation layerILD-4ILD-5M-3 M-4Interlayer oxideBonding pad metal Oxide Applications: Insul

13、ating Barrier between Metal LayersPurpose: Serves as protective layer between metal lines.Comments: This oxide is not thermally grown, but is deposited. 3.3. SiO2膜的热氧化方法（干、湿、水汽、高压、掺氯、低温）（pages 6971） 室温下形成25的天然氧化层 1）器件对氧化膜的基本要求 致密、杂质缺陷少（体内活动和固定电荷少）、Si/SiO2界面态密度小。 2）干氧氧化 Si+O2SiO2 特点：致密、杂质缺陷少、Si/SiO2界

14、面态密度小、疏水性好 3）水汽氧化 Si+2H2O SiO2+2H2 实际过程较复杂 水汽氧化的氧化速度快，较疏松，掩蔽能力差，疏水性差。 4）湿氧氧化(P.71) 干氧与湿氧混和 质量介于前两种之间 在作为掩膜和介质隔离的氧化膜，常采用干干（界面态低）（界面态低） 湿湿（生长快）（生长快） 干干（与光与光刻胶的粘附性好）刻胶的粘附性好） 工艺O2 5）H2、O2合成氧化 特点：质量接近干氧氧化，氧化速度接近水汽氧 化。 6）掺氯氧化(P.7173) reading 干氧氧化时，加入少许（1%）HCl、Cl2或TCE（三氯乙烯） 特点：能有效地钝化氧化膜中的可动正离子； 降低界面态浓度； 抑制

15、氧化层错的生长； 氧化速率增加； 可以利用Cl清除杂质；HClN2O2H2Gas panelFurnaceBurn boxScrubberExhaustWet Oxygen OxidationFigure 10.7 7）高压氧化(HIPOX) High Pressure Oxidation 25 atm、生长速度快、可低温生长（600C）主要用于场氧化和隔离氧化p+ Silicon substratep- Epitaxial layern-wellp-wellField oxide isolates active regions from each other. 8) 低压氧化有效地控制（降低

16、）氧化速率（？） 9）等离子体氧化 温度低（500C）、低压氧化、不引入氧化层错（OISF）、氧化时无杂质再分布 10）光等离子体氧化 加紫外光照，以提高氧化速度，降低温度（100C） 3.4. SiO2膜的热氧化生长动力学(P6870) 1）物理机理（Deal-Grove Model）SiO2中中Si比比O原子稳定，原子稳定， SiO2网络中氧的网络中氧的运动容易。因此，在热氧化制备运动容易。因此，在热氧化制备SiO2膜的过膜的过程中，是氧或水汽等氧化剂穿过程中，是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2膜层，膜层，到达到达Si/ SiO2界面，与界面，与Si反应生成反应生成SiO2；而不；而不是硅向是

17、硅向SiO2膜的外表面运动，与表面的氧化膜的外表面运动，与表面的氧化剂反应生成剂反应生成SiO2膜。膜。 2）热氧化生长动力学 氧化的三个步骤：氧化的三个步骤：a）气体从内部输运到）气体从内部输运到气体气体-氧化物界面，氧化物界面，b）扩散穿透已生成的氧）扩散穿透已生成的氧化层，化层，c）在硅表面发生反应）在硅表面发生反应Diffusion of Oxygen Through Oxide LayerSiSiO2O, O2Oxide-silicon interfaceOxygen-oxide interfaceOxygen supplied to reaction surfaceCharge B

18、uildup at Si/SiO2 InterfaceOxygenSiliconPositive chargeSiliconSiO2Used with permission from International SEMATECHFigure 10.10 用粒子流密度J分别表示如下：(Fig. 4.1) hG气相质量转移系数、 NG气体中的氧化剂浓度、NGS氧化层表面的氧化剂浓度、D氧化剂在氧化层中的扩散系数、kS表面化学反应速率常数、NSSiO2/Si界面处的氧化剂浓度GSGGNNhJ1dxdNDJ2SSNkJ 3 若用NOS表示氧化层表面内侧的氧化剂浓度、表面外侧的氧化剂的分压为PGS，则根

19、据亨利定律有：NOS=HPGS（H为亨利常数） 若用N*表示氧化层中的氧化剂平衡浓度、气体中的氧化剂的分压为PG，则有：NOS=HPGS (Henrys Law) 由理想气体方程：NG=PG/kT，NGS=PGS/kT J1=h（N*-NOG），其中h=hG/HkT， 在线形近似下： xox为氧化层厚度 动态平衡状态下：J1=J2=J3oxSOSxNNDJ)(2 可得： 和DxkhkNNoxSSS/1*DxkhkNDkNoxSSSS/1)/1 (* 若： a） D kS 即为扩散控制NS0，NOSN* b） kS D即为反应控制NS=NOS=N*/（1+kS/h） 设N1为形成单位体积氧化层物

20、质所需的氧化剂分子的个数。在氧化层中，每立方厘米有2.2x1022个二氧化硅分子。 因此，干氧氧化时， N1是2.2x1022 cm-3；水汽氧化时，N1是4.5x1022 cm-3。可以算出氧化速率为： 设：当 t = 0时，xox=xi， 则有，1*11NDxkhkNkNJdtdxoxSSSox*2ttBAxxoxox 式中， t*定义为时间常数，意为：考虑到表面定义为时间常数，意为：考虑到表面 t*是考虑是考虑初始的氧化层（如，天然氧化膜）后，对初始的氧化层（如，天然氧化膜）后，对氧化时间作的修正。氧化时间作的修正。 进一步修正（进一步修正（4.3) 阅读阅读 !p.75(掌握要点掌握要

21、点:薄氧化层的重要性；模型与工艺的关系）薄氧化层的重要性；模型与工艺的关系）hkDAS1121*2NDNB BAxxtii2* 有解为： 当： 时，有 为线性关系，B/A定义为氧化的线性速率常数。11422*AttBAxoxBAtt4/2*ttABxox 当 时，有 为抛物线关系，B定义为氧化的抛物线速率常数。(Figs. 4.2,4.5) 各种条件下各种条件下 D、kS和h均与晶向、反应剂和温度有关；BAtt4/2*ttBxox为什么图中结为什么图中结果与晶向的关果与晶向的关系不大？系不大？A2/4B32 s0. 6hr 例1，在某热氧化工艺中，采用了两次干氧氧化，第一次是1100C干氧氧化

22、20分钟，第二次是1000C干氧氧化30分钟。问：总氧化层厚度为多少？ 例2：在一NPN晶体管的基区B扩散的掩蔽氧化膜的生长工艺中，采用了“干湿干”工艺，其步骤如下：1）1100C干氧氧化10分钟，2） 1000C的95C湿氧氧化20分钟，3） 1100C干氧氧化10分钟。问：总氧化层厚度为多少？ 3.5. 氧化台阶的形成 局部氧化局部氧化:xxoxoxoxSiSiOxxNNx44. 02台阶Surface ProfilerCRTProximity sensorStylus motionStylusX-Y StageDirection of scan Wafer surfaceLinear d

23、rive unitControl electronicsAmp+5V-5V+24 VI 3.6. SiO2膜的质量检测 1）氧化层厚度测量 a）比色法：不同厚度的二氧化硅膜可表现出不同的颜色。(p.78, table4.2) b）干涉法 xox为二氧化硅膜厚，N为干涉条纹数，为单色入射光波长，n为二氧化硅膜折射率。 nNxox2 c）椭圆偏振法：是目前精度最高（1），且为非破坏性的薄膜分析方法。详细内容可参见“半导体物半导体物理实验，孙恒慧理实验，孙恒慧 等编，高教版等编，高教版”。目前先进的仪器为：椭圆光谱仪，可对分子、DNA等进行分析，也可以分析晶格损伤。其基本原理是：经薄膜的折射、反射和

24、吸收后，经薄膜的折射、反射和吸收后，入射椭圆偏振光的入射椭圆偏振光的p波和波和s波的振幅及相位均波的振幅及相位均发生变化发生变化。 可以算出椭圆偏振光的总反射比； p波 s波irrirrAARppppiprppexp1exp2121irrirrAARssssisrspexp1exp2121 又：spisiprsrpisprspisiprsrpisrsiprpspiAAAAiiAAAAAAAARRexp)/()()/()(exp)/()()/()()/()()/()( 即：的物理意义是椭圆偏振光的p波与s波间的相位差，tan是椭圆偏振光相对振幅的衰减。 （pages 82、83）、1210exp

25、tandnnnfRRispBasic Principle of EllipsometryFigure 7.6 LaserFilterPolarizerQuarter wave plateFilm being measuredAnalyzerDetectorq 2）击穿特性：P79-TDDB 3）磷、硼杂质的影响：4.6, 分凝和流动 4) 缺陷的产生与检测 a）界面态的检测与控制检测的主要方法是C-V法(P8083)、READING:81工艺控制：清洁、干氧、掺氯、温度控制和工艺控制：清洁、干氧、掺氯、温度控制和RTP b）氧化层中的固定和可动电荷产生的原因是杂质污染（环境和衬底材料）和空位性

26、缺陷。检测的主要方法是C-V法、SIMS、PL及（PAS）等。 c）氧化层错（OISF）(P8687)产生的原因是表面不完美，检测？消除？ d）斑点、雾、均匀性等系统的清洁；气流和温度的均匀性。TDDB实验：缺陷的产生与检测 a）界面态的检测与控制C-V法(P8083)高频高频C-V和低频和低频C-V（准静态（准静态C-V）分析）分析关注：关注：深亚微米源端热载流子注入效应！深亚微米源端热载流子注入效应！氧化层对氧化层对PN结表面耗尽区电场的影响结表面耗尽区电场的影响SiC生长出SiO2前后的红外反射 -20002004006008001000120014001082.01082.51083.

27、01083.51084.01084.51085.0反 射 峰 位 （ cm-1）退 火 温 度 （ 0C）不同温度退火对SiO2/SiC反射峰位的影响 Analytical Equipment Secondary ion mass spectrometry (SIMS) Atomic force microscope (AFM) Auger electron spectroscope (AES) X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) Transmission electron microscope (TEM) Wavelength and energy

28、dispersive spectrometer (WDX and EDX) Focused ion beam (FIB) AESUsefulAFMUsefulFIBCriticalSEMCriticalSIMSCriticalTEMCriticalTOF SIMSUsefulXPSUsefulResearch, DevelopmentDevelopmentResearch, Development, ManufacturingResearch, Development, ManufacturingResearch, Development, ManufacturingImportance to

29、 ManufacturingResearch, Development, ManufacturingResearch, Development2010sDevelopment, Manufacturing1980s1990s2000s1960s1970sYear1950sRelative Importance of Analytical EquipmentFigure 7.30 3.7. SiO2膜生长的其它方法 1）快速热氧化（RTO）（光增强） 2）CVD法 非硅表面的氧化膜 3）阳极氧化掺氮氧化掺氮氧化 (P8889)目的：形成高介电常数的介质膜目的：形成高介电常数的介质膜工艺要求：不增

30、加界面态密度工艺要求：不增加界面态密度Horizontal and Vertical FurnacesTable 10.3 PerformanceFactorPerformanceObjectiveHorizontal FurnaceVertical FurnaceTypical waferloading sizeSmall, for processflexibility200 wafers/batch100 wafers/batchClean roomfootprintSmall, to use lessspaceLarger, but has 4 processtubesSmaller (

31、single processtube)Parallel processingIdeal for processflexibilityNot capableCapable ofloading/unloading wafersduring process, whichincreases throughputGas flowdynamics (GFD)Optimize foruniformityWorse due to paddle andboat hardware. Bouyancyand gravity effects causenon-uniform radial gasdistributio

32、n.Superior GFD andsymmetric/uniform gasdistributionBoat rotation forimproved filmuniformityIdeal conditionImpossible to designEasy to includeTemperaturegradient acrosswaferIdeally smallLarge, due to radiantshadow of paddleSmallParticle controlduringloading/unloadingMinimum particlesRelatively poorIm

33、proved particle controlfrom top-down loadingschemeQuartz changeEasily done in shorttimeMore involved and slowEasier and quicker, leadingto reduced downtimeWafer loadingtechniqueIdeally automatedDifficult to automate in asuccessful fashionEasily automated withroboticsPre-and post-process control offu

34、rnace ambientControl is desirableRelatively difficult tocontrolExcellent control, withoptions of either vacuum orneutral ambientBlock Diagram of Vertical Furnace SystemHeater 1Heater 2Heater 3PressurecontrollerGas flowcontrollerWafer handlercontrollerBoatloaderExhaustcontrollerTemperaturecontrollerMicrocontrollerWafer load/unload systemBoat motor drive systemQuartz boatQuartz process