半导体制造工艺之硅的氧化概述(共62页).ppt

1、通信与电子工程学院通信与电子工程学院v绪论绪论vSiOSiO2 2的结构和性质的结构和性质vSiO2SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用v硅的热氧化生长动力学硅的热氧化生长动力学v决定氧化速度常数和影响氧化速率的各种因素决定氧化速度常数和影响氧化速率的各种因素v热氧化过程中的杂质再分布热氧化过程中的杂质再分布v初始氧化阶段以及薄氧化层的生长初始氧化阶段以及薄氧化层的生长vSi- SiOSi- SiO2 2 界面特性界面特性下一页下一页通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院通信与电子工程学院v 硅易氧化硅易氧化v几个原子层厚，几个原子层厚，1nm左右左右v氧化膜化学性质稳定，绝缘性好氧化

2、膜化学性质稳定，绝缘性好v SiO2的存在形态的存在形态v晶体：石英、水晶等晶体：石英、水晶等v石英砂，主要成分为石英砂，主要成分为SiO2 ，为制备硅原料的核心材，为制备硅原料的核心材料料v非晶体：玻璃等热氧化方法制备的非晶体：玻璃等热氧化方法制备的SiO2通信与电子工程学院通信与电子工程学院v在在MOS电路中作为电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，作器件的绝缘栅介质，作为器件的组成局部为器件的组成局部v作为集成电路的隔离介质材料作为集成电路的隔离介质材料v作为电容器的绝缘介质材料作为电容器的绝缘介质材料v作为多层金属互连层之间的介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料v作为对器件和电路进行钝

3、化的钝化层材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料v扩散时的掩蔽层，离子注入的扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、有时与光刻胶、Si3N4层一起使用层一起使用)阻挡层阻挡层SiO2的制备的制备+光刻光刻 +扩散扩散 硅平面工艺硅平面工艺返回返回通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.1.1 SiO2.1.1 SiO2 2的结构的结构v 无论是结晶形还是无定形无论是结晶形还是无定形SiOSiO2 2，都是以，都是以SiSi为中为中心，心，Si-OSi-O原子组成的正四面体，其中原子组成的正四面体，其中OOSi Si O O键键桥的键角为桥的键角为109.5109.5，是固定的。，是固定的。

4、2.1 SiO2的结构及性质的结构及性质通信与电子工程学院通信与电子工程学院结晶形结晶形SiOSiO2 2的结构的结构v 结晶形结晶形SiO2SiO2是由是由Si-OSi-O四面体在空间规那么排列四面体在空间规那么排列所构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个所构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个Si-OSi-O四面体中心的硅形成共价键，氧原子的化四面体中心的硅形成共价键，氧原子的化合价也被满足。合价也被满足。通信与电子工程学院通信与电子工程学院无定形无定形SiOSiO2 2的结构的结构v Amorphous SiOAmorphous SiO2 2 中中Si-O-SiSi-O-Si键角为键角为

5、110 180 110 180 桥键氧：与两个相邻的桥键氧：与两个相邻的Si-OSi-O四面体中心的硅原子形成共四面体中心的硅原子形成共价键的氧价键的氧 非桥键氧：只与一个非桥键氧：只与一个Si-OSi-O四面体中心的硅原子形成共价四面体中心的硅原子形成共价键的氧键的氧v 非桥键氧越多，无定型的程度越大，无序程度越大，密度越非桥键氧越多，无定型的程度越大，无序程度越大，密度越小，折射率越小小，折射率越小v 无定形无定形SiOSiO2 2的强度：桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函的强度：桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数数v 结晶态和无定形态区分结晶态和无定形态区分非桥联氧是否存在非桥联氧是否存在

6、通信与电子工程学院通信与电子工程学院v硅要运动，打破四个硅要运动，打破四个OSi OSi 键键v氧要运动，打破两个氧要运动，打破两个OSi OSi 键，对非桥键氧，只需打破键，对非桥键氧，只需打破一个一个OSi OSi 键键v故氧的运动同硅相比更容易，氧的扩散系数比硅的大几故氧的运动同硅相比更容易，氧的扩散系数比硅的大几个数量级个数量级v氧化时，是氧或水汽等氧化剂穿过氧化时，是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2SiO2层，到达层，到达Si- Si- SiO2SiO2界面，与硅反响，而非硅向外外表运动，在外表与界面，与硅反响，而非硅向外外表运动，在外表与氧化剂反响生成氧化剂反响生成SiO2SiO2。通

7、信与电子工程学院通信与电子工程学院2.1.2 SiO22.1.2 SiO2的主要性质的主要性质1 1v密度：表征致密程度密度：表征致密程度 结晶形：结晶形：2.65g/cm2.65g/cm3 3 非结晶形：非结晶形：2.152.25g/cm2.152.25g/cm3 3v折射率：表征光学性质折射率：表征光学性质 密度较大的密度较大的SiOSiO2 2具有较大的折射率具有较大的折射率 波长为波长为5500A5500A左右时，左右时， SiOSiO2 2的折射率约为的折射率约为1.461.46v电阻率：电阻率： 与制备方法及所含杂质数量等因素有关，高温与制备方法及所含杂质数量等因素有关，高温干氧氧

8、化制备的电阻率达干氧氧化制备的电阻率达10101616 cm cm 通信与电子工程学院通信与电子工程学院v介电强度：单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿介电强度：单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿 电压电压v大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关v一般为一般为106107V/cm1011V/nmv介电常数介电常数:表征电容性能表征电容性能vSiO2的相对介电常数为的相对介电常数为3.9dSC2SiOoSiO2SiO2的主要性质的主要性质2 2通信与电子工程学院通信与电子工程学院v 腐蚀：化学性质非常稳定，只与氢氟酸发腐蚀：化学性质非常稳定，只与氢氟酸发生反响生反响v

9、还可与强碱缓慢反响还可与强碱缓慢反响v 薄膜应力为压应力薄膜应力为压应力OHSiFHHFSiOSiFHHFSiFOHSiFHFSiO26226242422)(6(224六氟硅酸） SiO2SiO2的主要性质的主要性质3 3返回返回通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.2 SiO22.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用v 2.2.1 2.2.1 杂质在杂质在SiO2SiO2中的存在形式中的存在形式通信与电子工程学院通信与电子工程学院杂质在杂质在SiO2中的存在形式中的存在形式v 网络形成者：网络形成者：可以替代可以替代SiOSiO2 2网络中硅的杂质，即网络中硅的杂质，即能代替能代替SiSiOO

10、四面体中心的硅、并能与氧形成网四面体中心的硅、并能与氧形成网络的杂质络的杂质 特点是离子半径与特点是离子半径与SiSi原子相近或者更小原子相近或者更小 三价网络形成者三价网络形成者( (如如B)B)增加非桥键氧数目，降低增加非桥键氧数目，降低SiOSiO2 2强度强度 五价网络形成者五价网络形成者( (如如P)P)减少非桥键氧数目，增加减少非桥键氧数目，增加SiOSiO2 2强度强度通信与电子工程学院通信与电子工程学院杂质在杂质在SiO2SiO2中的存在形式中的存在形式v 网络改变者：网络改变者：存在于存在于SiOSiO2 2网络间隙中的杂质网络间隙中的杂质 特点：离子半径大，多以氧化物形式进

11、入特点：离子半径大，多以氧化物形式进入SiOSiO2 2后后离化，增加非桥键氧浓度，降低离化，增加非桥键氧浓度，降低SiOSiO2 2强度，易运强度，易运动，破坏电路的稳定性和可靠性。动，破坏电路的稳定性和可靠性。 NaNa、K K、PbPb、BaBa 水汽的行为类似于网络改变者水汽的行为类似于网络改变者SiHOOHSiSiOSiOH2Na2SiOOSiSiOSiONa2通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.2.2 杂质在杂质在SiO2中的扩散系数中的扩散系数1 E为杂质在为杂质在SiO2中的扩散激活能，中的扩散激活能，Do为表观为表观扩散系数扩散系数NoImage)kT/E(expDDoS

12、iO2v 选择扩散在集成电路中的重要应用选择扩散在集成电路中的重要应用v在相同的条件下，一些杂质在在相同的条件下，一些杂质在SiO2中的扩散速度远中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度，即小于在硅中的扩散速度，即SiO2对某些杂质起掩蔽对某些杂质起掩蔽作用。作用。v掩蔽是相对的，掩蔽是相对的， 杂质在杂质在SiO2的扩散系数：的扩散系数：通信与电子工程学院通信与电子工程学院杂质在杂质在SiO2中的扩散系数中的扩散系数2v杂质在杂质在SiO2中的扩散系数中的扩散系数vB、P、As等常用杂质的扩散系数小，等常用杂质的扩散系数小， SiO2对这对这类杂质可以起掩蔽作用类杂质可以起掩蔽作用vGa、某些碱金

13、属、某些碱金属Na的扩散系数大，的扩散系数大， SiO2对对这类杂质就起不到掩蔽作用这类杂质就起不到掩蔽作用vNa离子在离子在SiO2中的扩散系数和迁移率都非常大中的扩散系数和迁移率都非常大vNa离子来源非常丰富离子来源非常丰富vNa离子玷污是造成双极器件和离子玷污是造成双极器件和MOS器件性能不器件性能不稳定的重要原因之一稳定的重要原因之一NoImage通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.2.3 掩蔽层厚度确实定掩蔽层厚度确实定1v 有效掩蔽条件有效掩蔽条件 杂质的杂质的 SiOSiO2 2有一定厚度有一定厚度v 掺杂杂质掺杂杂质 B、P、As 等常用杂质在等常用杂质在SiO2中的扩散系

14、数远小于在中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数硅中的扩散系数 B、P、As的杂质源制备容易、纯度高，操作方便的杂质源制备容易、纯度高，操作方便2SiOSiDD通信与电子工程学院通信与电子工程学院掩蔽层厚度确实定掩蔽层厚度确实定2v 掩蔽层厚度确实定掩蔽层厚度确实定v杂质在杂质在SiO2外表的浓度为在外表的浓度为在Si- SiO2界面浓度的界面浓度的1000倍时的倍时的SiO2的厚度为最小厚度的厚度为最小厚度v对恒定源对恒定源(余误差，浓度为余误差，浓度为C(x)所对应的深度表所对应的深度表达式为：达式为：v对有限源高斯分布，对有限源高斯分布，A随时间变化随时间变化tDxSiO26 . 4mint

15、DAxSiO2sCxCerfcA)(21其中：其中：得到：得到：)2(),(DtxerfcCtxCstDAxSiO2min图图2.5 各种温度下能掩蔽磷和硼所需各种温度下能掩蔽磷和硼所需SiO2厚度与杂质在硅厚度与杂质在硅中到达扩散深度所需时间的关系中到达扩散深度所需时间的关系通信与电子工程学院通信与电子工程学院SiOSiO2 2掩蔽掩蔽P P的扩散过程的扩散过程返回返回通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.3 2.3 硅的热氧化生长动力学硅的热氧化生长动力学v CVD化学气相淀积化学气相淀积v PVD 物理气相淀积物理气相淀积v 热氧化：硅与氧或水汽等氧化剂，在高温下经化学反热氧化：硅与氧

16、或水汽等氧化剂，在高温下经化学反响生成响生成SiO2有什么特点？有什么特点？v 热氧化生成的热氧化生成的SiO2掩蔽能力最强掩蔽能力最强v 质量最好，重复性和稳定性好质量最好，重复性和稳定性好v 降低外表悬挂键从而使外表态密度减小，且能很好的降低外表悬挂键从而使外表态密度减小，且能很好的控制界面陷阱和固定电荷控制界面陷阱和固定电荷2.3.1 2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化通信与电子工程学院通信与电子工程学院v 每生长一单位厚度的每生长一单位厚度的 SiO2，将消耗约，将消耗约0.45单位单位厚度的硅台阶覆盖性厚度的硅台阶覆盖性vSiO2 中所含中所含Si的原子密度的原子密度 CSiO2=2.

17、21022/cm3 vSi 晶体中的原子密度晶体中的原子密度 CSi =5.01022/cm3硅的热氧化生长硅的热氧化生长1 1通信与电子工程学院通信与电子工程学院v 厚度为厚度为 ，面积为一平方厘米的，面积为一平方厘米的SiOSiO2 2体内所含体内所含的的SiSi原子数为原子数为 ，而这个数值应该与转变，而这个数值应该与转变为为SiOSiO2 2中的硅原子数中的硅原子数 相等，即相等，即0 xxCxCSiSiO0202xCSiOxCSi044.0 xx 得到：得到：硅的热氧化生长硅的热氧化生长2 2通信与电子工程学院通信与电子工程学院热氧化法热氧化法v干氧氧化干氧氧化v水汽氧化水汽氧化v湿

18、氧氧化湿氧氧化v 氢氧合成氧化氢氧合成氧化LSILSI和和VLSIVLSI的理想氧化技术的理想氧化技术v掺氯氧化为减小掺氯氧化为减小SiO2SiO2中的中的Na+Na+玷污玷污通信与电子工程学院通信与电子工程学院干氧氧化干氧氧化v干氧氧化干氧氧化v氧化剂：枯燥氧气氧化剂：枯燥氧气v反响温度：反响温度：90012009001200v干氧氧化制备的干氧氧化制备的SiO2SiO2的特点的特点v结构致密、枯燥、均匀性和重复性好结构致密、枯燥、均匀性和重复性好v与光刻胶粘附性好，掩蔽能力强。与光刻胶粘附性好，掩蔽能力强。v生长速度非常慢生长速度非常慢v干氧氧化的应用干氧氧化的应用vMOSMOS晶体管的栅

19、氧化层晶体管的栅氧化层通信与电子工程学院通信与电子工程学院干氧氧化干氧氧化通信与电子工程学院通信与电子工程学院vSiSi外表无外表无SiO2SiO2，那么氧化剂与，那么氧化剂与SiSi反响，生成反响，生成SiO2 SiO2 ，生长速率由外表化学反响的快慢决定。生长速率由外表化学反响的快慢决定。v生成一定厚度的生成一定厚度的SiO2 SiO2 层，氧化剂必须以扩散方式层，氧化剂必须以扩散方式运动到运动到Si-SiO2 Si-SiO2 界面，再与硅反响生成界面，再与硅反响生成SiO2 SiO2 ，即，即生长速率为扩散控制。生长速率为扩散控制。v干氧氧化时，厚度超过干氧氧化时，厚度超过40 40 v

20、湿氧氧化时，厚度超过湿氧氧化时，厚度超过1000 1000 v那么生长过程由外表化学反响控制转为扩散控制那么生长过程由外表化学反响控制转为扩散控制通信与电子工程学院通信与电子工程学院水汽氧化水汽氧化通信与电子工程学院通信与电子工程学院湿氧氧化湿氧氧化v 反响条件反响条件v氧化剂：高纯水氧化剂：高纯水95 95 左右左右+ +氧气氧气v 特点：特点：v生长速率较高生长速率较高vSiO2SiO2结构略粗糙结构略粗糙NoImage通信与电子工程学院通信与电子工程学院进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图通信与电子工程学院通信与电子工程学院热氧化法热氧化法v 三种氧化法比较三

21、种氧化法比较v 干氧氧化干氧氧化 结构致密但氧化速率极低结构致密但氧化速率极低v 湿氧氧化湿氧氧化 氧化速率高但结构略粗糙，制备厚二氧化硅薄膜氧化速率高但结构略粗糙，制备厚二氧化硅薄膜 v 水汽氧化水汽氧化 结构粗糙结构粗糙-不可取不可取v 实际生产：实际生产：v 干氧氧化干氧氧化 + + 湿氧氧化湿氧氧化 + + 干氧氧化干氧氧化v 5 5 分钟分钟 + + 视厚度而定视厚度而定+ 5 + 5 分钟分钟v 常规三步热氧化模式既保证了常规三步热氧化模式既保证了SiO2SiO2外表和界面的质量，又外表和界面的质量，又解决了生长速率问题解决了生长速率问题通信与电子工程学院通信与电子工程学院SsSo

22、CkFxCCDF21热氧化生长动力学热氧化生长动力学1得到FFF21根据稳态条件：根据稳态条件：ks为氧化剂与为氧化剂与Si反响的化学反响常数反响的化学反响常数CS COF1F2菲克第一定律菲克第一定律)/(0skDxDCF 通信与电子工程学院通信与电子工程学院v令令C C1 1为氧化层单位体积所含氧化剂分子数为氧化层单位体积所含氧化剂分子数）（421FdtdxC）（5)/(/101skDxCDCCFdtdx热氧化生长速率热氧化生长速率1 1在氧化膜中有在氧化膜中有2.21022个个SiO2分子分子/cm3，在进行氧化时，在进行氧化时，要获得一个要获得一个SiO2分子，在干氧环境中需要一个氧分

23、子，在水分子，在干氧环境中需要一个氧分子，在水汽环境中需要两个水分子汽环境中需要两个水分子通信与电子工程学院通信与电子工程学院热氧化生长速率热氧化生长速率2010202/)/2(DCCkDdds）（7) 121(120DCtkCkDxss)(22102tCDCxkDxs解关系式解关系式6得：得：微分方程微分方程5的解给出了的解给出了SiO2的生长厚度与时间的生长厚度与时间的普遍关系式的普遍关系式6：60)0(dx)(2tBAxx通信与电子工程学院通信与电子工程学院v SiO2SiO2生长快慢将由氧化剂在生长快慢将由氧化剂在SiO2SiO2中的扩散速度以及与中的扩散速度以及与SiSi反响速度中较

24、慢的一个因素所决定：反响速度中较慢的一个因素所决定：v 当氧化时间很长当氧化时间很长(Thick oxide)(Thick oxide)，即，即tt和和t A2/4Bt A2/4B时，那么时，那么SiO2SiO2的厚度和时间的关系简化为：的厚度和时间的关系简化为：v 抛物型规律，扩散控制抛物型规律，扩散控制)(2tBx）（7) 14/1(22BAtAx热氧化生长速率热氧化生长速率3 3通信与电子工程学院通信与电子工程学院 当氧化时间很短当氧化时间很短(thin oxide)(thin oxide)，即，即t +t + A2/4B A2/4B时，那么时，那么SiO2SiO2的厚度和时间的关系简化

25、为的厚度和时间的关系简化为 线性规律，反响控制线性规律，反响控制)(tABxoB/AB/A为线性速率常数；为线性速率常数；B B为抛物型速率常数为抛物型速率常数）（7) 14/1(22BAtAxo热氧化生长速率热氧化生长速率4 4返回返回通信与电子工程学院通信与电子工程学院决定氧化速率常数的因素决定氧化速率常数的因素2 2v氧化温度氧化温度v温度对抛物型速率常数温度对抛物型速率常数B B的影响是通过影响的影响是通过影响氧化剂在氧化剂在SiO2SiO2中的扩散系数中的扩散系数DSiO2 DSiO2 产生的产生的v温度对线性速率常数温度对线性速率常数B/AB/A的影响是通过影响的影响是通过影响化学

26、反响常数化学反响常数ksks产生的产生的1*/22NCDBSiO通信与电子工程学院通信与电子工程学院温度对温度对B B及及B/AB/A的影响的影响图图2.13温度对温度对B的影响的影响 图图2.14温度对温度对B/A的影响的影响通信与电子工程学院通信与电子工程学院影响影响氧化速率的因素氧化速率的因素v硅外表晶向硅外表晶向v杂质杂质通信与电子工程学院通信与电子工程学院影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素1 1v硅外表晶向对氧化速率的影响硅外表晶向对氧化速率的影响v线性速率常数线性速率常数B/AB/A受硅的晶向影响受硅的晶向影响v表达式：表达式：v不同晶向所对应的晶面硅原子的密度不同，不同晶向所对

27、应的晶面硅原子的密度不同，外表化学反响速率外表化学反响速率ks)ks)是与硅外表的原是与硅外表的原子密度，即外表的价键密度有关子密度，即外表的价键密度有关v(111)(111)面上的硅原子密度比面上的硅原子密度比(100)(100)面上大，面上大，因此，因此，(111)(111)面上的线性速率常数大于面上的线性速率常数大于(100)(100)面上的线性速率常数面上的线性速率常数10/A/BCCks通信与电子工程学院通信与电子工程学院v硅外表晶向对氧化速率的影响硅外表晶向对氧化速率的影响v抛物型速率常数抛物型速率常数B B与硅的晶向无关与硅的晶向无关vB B的关系式的关系式v氧化剂压力氧化剂压力

28、pgpg一定时，一定时，B B的大小只与氧化剂的大小只与氧化剂在在SiO2SiO2中的扩散能力有关中的扩散能力有关10/22CCDBSiO通信与电子工程学院通信与电子工程学院影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素2 2v杂质对氧化速度的影响v掺有高浓度杂质的硅，其氧化速率明显变大vB 增大抛物型速率常数，对线性速率常数无明显影响vk1, 慢扩散，分凝到SiO2中的杂质量少，对抛物型速率常数影响不大，因大局部杂质集中在靠近硅外表的硅中，因而使线性氧化速率常数明显变大。通信与电子工程学院通信与电子工程学院v杂质对氧化速度的影响v水汽极少量的水汽就会极大增大氧化速率v水汽含量110-6时，氧化700分

29、钟，SiO2约为300 v水汽含量 2510-6时，氧化700分钟， SiO2约为370 v钠v以氧化物形式进入，离化后增加非桥键氧数，线性和抛物型氧化速率明显增大影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素2 2通信与电子工程学院通信与电子工程学院v杂质对氧化速度的影响v氯O2TCA/HCL/TCEv钝化可动离子，尤其是钠离子，生成可挥发的金属氯化物v改善Si- SiO2 界面特性氯进入Si- SiO2 界面，界面态密度减小，外表固定电荷密度减小v提高氧化速率 1015v抑制层错vTCA三氯乙烷在高温下形成光气COCl2，是一种剧毒物质；TCE 三氯乙烯可能致癌；HCL腐蚀性极强影响氧化速率的因素影

30、响氧化速率的因素2 2返回返回通信与电子工程学院通信与电子工程学院 掺有杂质的硅在热氧化过程中，靠近界面的硅中杂质，掺有杂质的硅在热氧化过程中，靠近界面的硅中杂质，将在界面两边的硅和二氧化硅中发生再分布。其决定因将在界面两边的硅和二氧化硅中发生再分布。其决定因素有：素有：杂质的分凝现象杂质的分凝现象杂质通过杂质通过SiO2SiO2外表逸散外表逸散氧化速率的快慢氧化速率的快慢杂质在杂质在SiO2SiO2中的扩散速度中的扩散速度热氧化时杂质在界面上的再分布通信与电子工程学院通信与电子工程学院热氧化时杂质在界面上的再分布的诱因杂质在杂质在SiSi和和SiO2SiO2中的溶解度不同，扩散系数不同，热氧

31、化时，中的溶解度不同，扩散系数不同，热氧化时，杂质在杂质在SiO2SiO2SiSi两边要重新分布，这种规律由分凝系数两边要重新分布，这种规律由分凝系数Segregation CoefficientSegregation Coefficient来描述来描述杂质在硅中的平衡浓度杂质在二氧化硅中的平衡浓度 k = C1C2通信与电子工程学院通信与电子工程学院k1，并且杂质在氧化物中扩散很慢慢。例如B，k=0.3 杂质在杂质在SiO2界面处浓度很界面处浓度很高高 k1，并且杂质在氧化物中扩散慢慢。例如 P，As，Sb杂质在硅界面处堆积杂质在硅界面处堆积 k1，并且杂质在氧化杂质在氧化物中扩散快。例如物

32、中扩散快。例如Ga，硅界面处的杂质浓度低硅界面处的杂质浓度低于体浓度。于体浓度。氧化层排斥杂质通信与电子工程学院通信与电子工程学院2.7 Si- SiO2 界面特性界面特性v Si- SiO2 Si- SiO2 界面电荷类型：界面电荷类型：v 可动离子电荷可动离子电荷QmQmv 界面陷阱电荷界面陷阱电荷QitQitv 氧化层固定电荷氧化层固定电荷QfQfv 氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷QotQot Si-SiO2界面不是绝对的断然的分开，而是存在一个界面不是绝对的断然的分开，而是存在一个10A左右的过渡层，在过渡层中左右的过渡层，在过渡层中x的配比在的配比在1-2之间，之间，是非理想的。是非理

33、想的。通信与电子工程学院通信与电子工程学院可动离子电荷Qm1v 存在形式存在形式 网络改变者网络改变者(荷正电的碱金属离子，主荷正电的碱金属离子，主要是钠要是钠) 主要来源于化学试剂、玻璃器皿、炉主要来源于化学试剂、玻璃器皿、炉管、石英舟、人体玷污等。管、石英舟、人体玷污等。v 危害：危害： 在电场作用下显著漂移，引起在电场作用下显著漂移，引起MOS晶晶体管的阈值电压不稳定体管的阈值电压不稳定 分布的不均匀性引起局部电场的加速，分布的不均匀性引起局部电场的加速，从而引起从而引起MOS晶体管栅极的局部低击晶体管栅极的局部低击穿。穿。通信与电子工程学院通信与电子工程学院v预防措施预防措施v含氯的氧

34、化工艺含氯的氧化工艺v用氯周期性的清洗管道、炉管和相关容器用氯周期性的清洗管道、炉管和相关容器v使用超纯洁的化学物质使用超纯洁的化学物质v保证气体及气体传输过程的清洁保证气体及气体传输过程的清洁v用用BPSG和和PSG玻璃钝化可动离子玻璃钝化可动离子v用等离子淀积用等离子淀积Si3N4来封闭已经完成的器件来封闭已经完成的器件可动离子电荷Qm2通信与电子工程学院通信与电子工程学院界面陷阱电荷Qit1v定义定义v存在于存在于Si- SiO2 Si- SiO2 界面距界面距硅界面硅界面3-5A3-5A以内，能量以内，能量处于硅禁带中的电子态。处于硅禁带中的电子态。v类型类型v高于禁带中心能级的界面高

35、于禁带中心能级的界面态，可以得到电子，起受态，可以得到电子，起受主作用主作用v低于能带中间能级的界面低于能带中间能级的界面态可以失去电子，起施主态可以失去电子，起施主作用作用通信与电子工程学院通信与电子工程学院v危害：危害：v使阈值电压漂移使阈值电压漂移v大量的界面态电荷会显著降低晶体管沟道迁移率大量的界面态电荷会显著降低晶体管沟道迁移率金属化后退火金属化后退火PMAPMA，减少界面态，减少界面态v使使MOSMOS电容的电容的C-VC-V曲线发生畸变曲线发生畸变v成为有效的复合中心，导致漏电流的增加成为有效的复合中心，导致漏电流的增加v界面态密度与衬底晶向、氧化层生长条件、和退界面态密度与衬底

36、晶向、氧化层生长条件、和退火条件有关。火条件有关。v(111)(111)晶向界面态密度最大晶向界面态密度最大 (100) (100)晶向晶向v低温惰性气体退火低温惰性气体退火90%N2+10%H290%N2+10%H2，用，用H2H2来饱和悬挂键，可降低界面态密度来饱和悬挂键，可降低界面态密度界面陷阱电荷Qit2通信与电子工程学院通信与电子工程学院v解释界面态的物理机制解释界面态的物理机制v悬挂键悬挂键v硅原子周期排列中断，存在悬挂键，当硅硅原子周期排列中断，存在悬挂键，当硅氧化为氧化为SiO2SiO2时，悬挂键大局部与氧结合，时，悬挂键大局部与氧结合，使使Si-SiO2Si-SiO2界面悬挂

37、键密度减小。但仍存界面悬挂键密度减小。但仍存在少量的悬挂键，这些悬挂键上有一个未在少量的悬挂键，这些悬挂键上有一个未配对的电子，可以得失电子而表现为界面配对的电子，可以得失电子而表现为界面态。态。v在过渡区中，硅原子的氧化状态很不相同，在过渡区中，硅原子的氧化状态很不相同，没有完全氧化的硅原子，即所谓的三价硅没有完全氧化的硅原子，即所谓的三价硅也是界面态的主要来源也是界面态的主要来源v荷电中心荷电中心v存在界面附近的化学杂质存在界面附近的化学杂质界面陷阱电荷Qit3通信与电子工程学院通信与电子工程学院氧化层固定电荷Qf1v简介简介 通常由通常由Si- SiOSi- SiO2 2之间过渡区的之间

38、过渡区的结构改变引起结构改变引起 一般为正电荷，在外电场的作一般为正电荷，在外电场的作用下，不会移动用下，不会移动v机理机理 过剩硅离子模型过剩硅离子模型v危害危害v影响阈值电压影响阈值电压 对对NMOSNMOS、PMOSPMOS的影响？的影响？v减小沟道载流子迁移率固定正电荷对载流子的散减小沟道载流子迁移率固定正电荷对载流子的散射射通信与电子工程学院通信与电子工程学院v特征：特征：v固定正电荷密度与氧化层厚度、硅衬底掺杂类型和固定正电荷密度与氧化层厚度、硅衬底掺杂类型和浓度关系不大，但与氧化层生长条件关系密切。浓度关系不大，但与氧化层生长条件关系密切。v不同晶向硅材料的不同晶向硅材料的QfQ

39、f密度有如下关系密度有如下关系Qf Qf 111111Qf Qf 110110Qf Qf 100100v解决措施：解决措施：v适中选择氧化、退火条件和衬底晶向，降低氧化时适中选择氧化、退火条件和衬底晶向，降低氧化时氧气的分压，采用含氯氧化工艺氧气的分压，采用含氯氧化工艺氧化层固定电荷Qf2通信与电子工程学院通信与电子工程学院氧化层陷阱电荷Qot1v氧化层中的缺陷：氧化层中的缺陷： 在在SiOSiO2 2层中，存在一些层中，存在一些电子和空穴陷阱电子和空穴陷阱，它们，它们与杂质和缺陷有关。与杂质和缺陷有关。v危害：危害： 严重影响器件的可靠性严重影响器件的可靠性通信与电子工程学院通信与电子工程学

40、院v产生方式：产生方式： 由于由于x x射线或射线或 射线的辐射、或是在氧化层中发生了雪崩击射线的辐射、或是在氧化层中发生了雪崩击穿，将打破穿，将打破Si-O-SiSi-O-Si键，在键，在SiOSiO2 2层中产生电子层中产生电子- -空穴对，如空穴对，如果氧化层中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净果氧化层中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净电荷，氧化层中存在电场时，由于电子可以在电荷，氧化层中存在电场时，由于电子可以在SiOSiO2 2中移动，中移动，可以移动到电极上，而空穴在可以移动到电极上，而空穴在SiOSiO2 2 中很难移动，可能陷于中很难移动，可能陷于这些陷阱中，成为正的陷阱电荷。这些陷阱中，成为正的陷阱电荷。v解决措施解决措施 选择适当的氧化条件，使选择适当的氧化条件，使Si-O-SiSi-O-Si键不易打破。键不易打破。 在惰性气体中进行低温退火。在惰