第04章硅的氧化

1、微电子工艺第四章 硅的氧化第一章第一章 引言引言第二章第二章 晶体生长晶体生长第三章第三章 工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗第四章第四章 硅的氧化硅的氧化第五章第五章 光刻光刻第六章第六章 刻蚀刻蚀第七章第七章 扩散扩散第八章第八章 离子注入离子注入第九章第九章 薄膜淀积薄膜淀积第十章第十章 工艺集成工艺集成 第十一章第十一章 集成电路制造集成电路制造硅片制造厂的氧化扩散区硅片制造厂的氧化扩散区测试测试/拣选拣选薄膜薄膜注入注入氧化扩散氧化扩散刻蚀刻蚀抛光抛光光刻光刻完成的硅片完成的硅片硅片制造硅片制造 (前端前端)无图形硅片无图形硅片硅片起始硅

2、片起始氧化膜氧化膜 自然氧化膜自然氧化膜 氧化膜的用途氧化膜的用途 掺杂工艺中的扩散和注入掩蔽层掺杂工艺中的扩散和注入掩蔽层 场区隔离（避免产生寄生器件）场区隔离（避免产生寄生器件） 栅氧化层（作为栅氧化层（作为MOS器件结构的一部分）器件结构的一部分） 垫氧化层（作为氮化硅与硅之间的介质，减小应力差）垫氧化层（作为氮化硅与硅之间的介质，减小应力差） 金属层之间的隔离介质层金属层之间的隔离介质层 器件的保护层（表面钝化，避免划伤和沾污）器件的保护层（表面钝化，避免划伤和沾污） 氧化硅的应用氧化硅的应用: 自然氧化层自然氧化层Purpose: 这种氧化硅是沾污并且通常是不希望的。这种氧化硅是沾污

3、并且通常是不希望的。 有时用于存储器存储或膜的钝化有时用于存储器存储或膜的钝化Comments: 室温下生长速率是每小时室温下生长速率是每小时 15 到最大到最大 40 .p+ 硅衬底硅衬底二氧化硅（氧化硅）二氧化硅（氧化硅）氧化硅的应用氧化硅的应用: 掺杂阻挡层掺杂阻挡层Purpose: 作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料Comments: 通过选择性扩散掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的通过选择性扩散掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区域区域掺杂阻挡侧墙掺杂阻挡侧墙离子注入离子注入Gate侧墙保护窄沟道免遭高能注入侧墙保护窄沟道免遭高能注入氧化硅的应用氧化硅的应用:

4、注入屏蔽氧化层注入屏蔽氧化层Purpose: 有时也叫有时也叫 “sacrificial oxide”, 用于减小注入沟用于减小注入沟道和损伤道和损伤Comments: 热生长热生长离子注入离子注入屏蔽氧化层屏蔽氧化层硅上表面大的损伤硅上表面大的损伤 + 更强的更强的沟道效应沟道效应硅上表面小的损伤硅上表面小的损伤 + 更弱更弱的沟道效应的沟道效应p+ 硅衬底硅衬底氧化硅的应用氧化硅的应用: 场氧化层场氧化层Purpose: 用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此隔用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此隔离离Comments: 通常场氧化膜厚度从通常场氧化膜厚度从2,500 到到 15,0

5、00 . 湿氧氧化是优选的选择湿氧氧化是优选的选择场氧化层场氧化层晶体管的位置晶体管的位置p+ 衬底衬底氧化硅的应用氧化硅的应用: 栅氧化栅氧化Purpose: 用作用作 MOS 晶体管栅和源漏之间的介质晶体管栅和源漏之间的介质Comments: 通常栅氧化膜厚度从大约通常栅氧化膜厚度从大约30 到到 500 . 干法氧化是优选的生长方法。干法氧化是优选的生长方法。栅氧化栅氧化晶体管位置晶体管位置p+ 硅衬底硅衬底源源漏漏栅栅氧化硅的应用氧化硅的应用: 垫氧化层垫氧化层Purpose: 做做 Si3N4缓冲层以减小应力缓冲层以减小应力Comments: 热生长并非常薄热生长并非常薄Passiv

6、ation LayerILD-4 ILD-5 M-3 M-4Pad oxideBonding pad metalNitride钝化层钝化层ILD-4ILD-5M-3 M-4层间氧化层层间氧化层压点金属压点金属氧化硅的应用氧化硅的应用: 金属间绝缘阻挡层金属间绝缘阻挡层Purpose: 用作金属层间的介质隔离用作金属层间的介质隔离Comments: 不是热生长，而是沉积上的不是热生长，而是沉积上的.各种要求下的氧化层厚度范围各种要求下的氧化层厚度范围SiO2的结构的结构按结构特点分为按结构特点分为 结晶型结晶型 (crystalline)：石英，水晶等：石英，水晶等 非晶型（无定型非晶型（无定型

7、amorphous）由由SiO四面体四面体组成组成 四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子 四面体之间由四面体之间由Si-O-Si连接连接 与两个硅连接的氧原子称为桥键氧或氧桥与两个硅连接的氧原子称为桥键氧或氧桥0.262nm0.262nm0.162nmOSi非桥联氧非桥联氧桥联氧桥联氧结构结构水晶水晶二氧化硅二氧化硅含杂质的含杂质的SiOSiO2 2结构结构热氧化生长，水存在的情况：热氧化生长，水存在的情况：Si:O:Si Si:O:H+ H:O:Si掺杂杂质：取代掺杂杂质：取代Si的位置，的位置， 网络形成体（网络形成体（B，P） 占据间隙位置，网络变

8、性体占据间隙位置，网络变性体 （金属原子（金属原子Na, K）热氧化生长热氧化生长 关于氧化的化学反应关于氧化的化学反应 干氧氧化干氧氧化 水汽氧化水汽氧化 湿氧氧化湿氧氧化 氧化生长模式氧化生长模式 氧化硅表面氧化硅表面 氯化物在氧化中的应用氯化物在氧化中的应用 氧化的生长速率氧化的生长速率 影响氧化的因素影响氧化的因素 初始生长阶段初始生长阶段 选择性氧化选择性氧化 局部氧化局部氧化LOCOS 浅槽隔离浅槽隔离STI 氧化反应方程式（氧化反应方程式（Overall reaction）这两种反应都在这两种反应都在700 C1200 C之间进行之间进行水汽氧化比干氧氧化反应速率约高水汽氧化比干

9、氧氧化反应速率约高10倍倍Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)l干氧氧化（干氧氧化（Dry oxidation)l水汽氧化（水汽氧化（Steam oxidation）l湿氧（湿氧（Wet）氧化）氧化水汽法氧化水汽法氧化HClN2O2H2气体仪表板气体仪表板高温炉高温炉燃烧室燃烧室洗涤室洗涤室尾气尾气在氧化中硅的消耗在氧化中硅的消耗x0.56x0.44x氧化前氧化前氧化后氧化后穿过氧化层的氧扩散穿过氧化层的氧扩散SiSiO2O2SiO2/Si 表面表面O2/SiO2 表面表面供应到供应到反应表面的氧反应表面的氧DealGrov

10、e模型模型硅的热氧化模型硅的热氧化模型DealGrove模型（线性抛物线模型）模型（线性抛物线模型） 适用于：适用于：氧化温度氧化温度7001200 oC；压强压强0.125个大气压；个大气压；氧化层厚度为氧化层厚度为202000 nm的水汽和干法氧化的水汽和干法氧化F1：气体输运流量：气体输运流量F2：通过：通过SiO2的扩散流量的扩散流量F3：在界面处的反应流量：在界面处的反应流量F: number/(cm2-s)C：number/cm3CG：气相区氧化剂浓度；气相区氧化剂浓度；CS：氧化物外表面氧化剂浓度；氧化物外表面氧化剂浓度；CO：氧化物内表面氧化剂浓度；氧化物内表面氧化剂浓度；CI

11、：氧化物生长界面氧化剂浓度氧化物生长界面氧化剂浓度Cs CoF1：从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度：从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度)(1SGgCChFhg：质量输运系数，：质量输运系数，cm/sC：气流浓度，分子数：气流浓度，分子数/cm3F：气流密度，分子数：气流密度，分子数/(cm2-s)可求得可求得)()(1HkTCChkTPChFOGgSGg令令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，则则)(*1OCChF1、理想气体方程：理想气体方程：PSVNkT，所以，所以SOHPC 2、亨利定律：亨利定律：固体中溶解的气体物质的平衡浓度与固体表面固体中溶解的气体物质的平衡浓度与

12、固体表面 该处气体物质的压强成正比：该处气体物质的压强成正比：CSN/V=PS/kTF3：通过：通过Si/SiO2界面产生化学反应的氧分子流密度界面产生化学反应的氧分子流密度IsCkF 3 ks：界面反应：界面反应 速率，速率，cm/sF2：从氧化物层表面扩散到：从氧化物层表面扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度界面的氧分子流密度xCCDFIO2根据费克根据费克Fick第一定律，有第一定律，有假设：稳态过程，氧化剂假设：稳态过程，氧化剂 通过通过SiO2没有损耗没有损耗D：氧化剂在：氧化剂在SiO2中的中的 扩散系数，扩散系数，cm2/s在稳态条件下，应有在稳态条件下，应有321FFF)(1

13、1*ssssIkhDxkCDxkhkCC ksx/D1时，扩散控制时，扩散控制ksx/D 1时，氧化从线性过渡到抛物线时，氧化从线性过渡到抛物线若若N1是指形成单位体积（是指形成单位体积（ cm3）SiO2所需要的氧化剂分子数所需要的氧化剂分子数即对于即对于O2氧化，氧化，N12.21022 cm-3对于对于H2O氧化，氧化， N14.41022 cm-3 求得生长速率求得生长速率令令B2DC*/N1，A=2D(1/ks+1/h) （ h特别大，忽略了特别大，忽略了1/h项）项）则则B/A C*ks/N1，有，有tABxxBxx/0202DxkhkNCkdtdxNFRSSS11*1tSxxSS

14、dtCkdxDxkhkN0*101为了讨论方便，上式改写为为了讨论方便，上式改写为tABxBx/2B 2DC*/N1抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流F2的贡献的贡献B/A C*ks/N1线性速率常数，表示界面反应流线性速率常数，表示界面反应流F3的贡献的贡献式中式中BAxx02014/122BAtAx)(2tBx)(tABx薄氧化硅时，线性速率常数薄氧化硅时，线性速率常数B/A两种极限情况两种极限情况厚氧化硅时，抛物线速率常数厚氧化硅时，抛物线速率常数Bxoxt实验法提取实验法提取B和和B/A的值的值 有实验值可供使用。有实验值可供使用。tABxBx/2AxtB

15、xD-G模型的计算值：干模型的计算值：干O2气氛中的热氧化，气氛中的热氧化， 100200 nm常用。常用。700-1100 C, 25 atm , 1 m mm / hr疏松，疏松， 扩散阻挡能力较差扩散阻挡能力较差 刻蚀掩膜和场氧化刻蚀掩膜和场氧化x00DG模型小结模型小结适用条件：适用条件：1. 平坦、无图形的平面硅的氧化平坦、无图形的平面硅的氧化2. 轻掺杂硅的氧化轻掺杂硅的氧化3. 单一单一O2或或H2O的氧化的氧化4.初始氧化硅的厚度大于初始氧化硅的厚度大于20 nmB/A被称为线性速率系数；被称为线性速率系数； B被称为抛物线速率系数被称为抛物线速率系数薄氧化层薄氧化层1. D1

16、. DG G模型在模型在薄氧化层范围内薄氧化层范围内不适用。不适用。2. 2. 在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。3. 3. 由于薄氧化阶段的特殊存在，由于薄氧化阶段的特殊存在， D DG G模型需要用模型需要用来修正。来修正。 对于薄热干氧化，对于薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实验表明模型无法准确描述，实验表明在在20 nm之内的热氧化生长速度和厚度比之内的热氧化生长速度和厚度比G-D模型大的多。模型大的多。薄氧化的模拟薄氧化的模拟23nmD-G (= 0)

17、 D-G (= 40hr) 计算在计算在120分钟内，分钟内，920水汽氧化过程中生长的二水汽氧化过程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000埃的氧化层。埃的氧化层。影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素温度：氧化速率随温度升高而增大。温度：氧化速率随温度升高而增大。气氛：适量掺氯气氛可以增加氧化速率。气氛：适量掺氯气氛可以增加氧化速率。氧化剂分压：氧化速率与氧化剂分压成正比。氧化剂分压：氧化速率与氧化剂分压成正比。硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。硅片晶向：硅原子密度大的晶面

18、上氧化速率大，硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)R(110)R(100)R(111)R(110)R(100)。线性速率常数线性速率常数B/A随温度的变化随温度的变化温度的影响温度的影响抛物线速率常数抛物线速率常数B随温度的变化随温度的变化温度的影响温度的影响温度的影响分析温度的影响分析对于线性速率常数对于线性速率常数B/A，温度的影响，温度的影响则主要是通过反应速率常数则主要是通过反应速率常数Ks体现的。体现的。具体表现在干氧和湿氧具有相同的激具体表现在干氧和湿氧具有相同的激活能，这是因为干氧和水汽氧化本质活能，这是因为干氧和水汽氧化本质上都是硅硅键的断裂，具有相同的上都是

19、硅硅键的断裂，具有相同的激活能。激活能。对于抛物线速率常数对于抛物线速率常数B，温度的影响，温度的影响是通过扩散系数是通过扩散系数D体现的。体现的。具体表现具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激活能不一样。活能不一样。1112 ()2sggADkhDHPBN氯对氧化速率的影响氯对氧化速率的影响掺氯能增大掺氯能增大B/A和和B。Si-O键能键能4.25 eV, Si-Cl键能键能0.5 eV, Cl2先与先与S反应生成氯硅化合物，然后再与氧反应生成反应生成氯硅化合物，然后再与氧反应生成SiO2，

20、起催化作用。，起催化作用。氯气氛的影响分析氯气氛的影响分析 在氧化气氛中加入氯可以使在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的的质量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：钝化可动离子，特别是钠离子，清洁氧化层；钝化可动离子，特别是钠离子，清洁氧化层；增加硅中少数载流子的寿命；增加硅中少数载流子的寿命；减少减少SiO2中的缺陷，提高了抗击穿能力；中的缺陷，提高了抗击穿能力；Cl-可以中和界面的电荷堆积可以中和界面的电荷堆积,降低界面态密度和固定电降低界面态密度和固定电 荷密度；荷密度；减少硅中的堆积层错减少硅中的堆积层错氧化速率常数随

21、温度和压强的关系氧化速率常数随温度和压强的关系氧化剂分压的影响分析氧化剂分压的影响分析A与氧化剂分压无关，而与氧化剂分压无关，而B与氧化与氧化剂分压成正比。剂分压成正比。通过改变氧化剂分压可以达到调整通过改变氧化剂分压可以达到调整SiO2生长速率的目的，因此出现了生长速率的目的，因此出现了高压氧化和低压氧化技术。高压氧化和低压氧化技术。1112 ()2sggADkhDHPBN1NPHkABGS12NDHPBG 实验表明：实验表明： 对于对于H2O氧化，氧化硅生长速率正比于氧化，氧化硅生长速率正比于PG； 对于对于O2的氧化，无法完全用线性关系描述。的氧化，无法完全用线性关系描述。压强对氧化速率

22、的影响压强对氧化速率的影响1. 1. 如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧化温度可以降低如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧化温度可以降低2. 2. 如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度，增加气压，则如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度，增加气压，则氧化时间可以减少。氧化时间可以减少。掺杂对氧化速率的影响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。反应速率限制情况。时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化。反应速率限制情况。n：反应速率反应速率限制，限制，B/A起主要作用，氧化速率取决于硅表面起主要作用，氧化速率取决于硅表面的掺杂浓度的掺杂浓度掺杂的影响分析掺杂的影

23、响分析硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。对于硼来说，氧化过程中大量的硼进入到对于硼来说，氧化过程中大量的硼进入到SiO2中，中，破坏了破坏了SiO2的结构，从而使氧化剂在的结构，从而使氧化剂在SiO2中的扩散中的扩散能力增强，因此增加氧化速率。能力增强，因此增加氧化速率。1.对于磷来说，虽然进入对于磷来说，虽然进入SiO2的磷不多，但在高浓度的磷不多，但在高浓度时，高浓度磷掺杂会改变硅的费米能级，使硅表面时，高浓度磷掺杂会改变硅的费米能级，使硅表面空位增多空位增多（存在争议）（存在争议），从而提供了额外的氧化点，从而提供了额外的氧化点，

24、增加了氧化速率。增加了氧化速率。（100）Si，in H2O at 900 C for 30 min衬底晶向对氧化速率的影响衬底晶向对氧化速率的影响衬底晶向对氧化速率影响的原因衬底晶向对氧化速率影响的原因 B与晶向无关与晶向无关（B/A)111= 1.68（B/A)100)/exp(0kTEkkass ks0是常数，与单位晶是常数，与单位晶面上能与氧化剂反应面上能与氧化剂反应的硅价键数成正比。的硅价键数成正比。1112 ()2sggADkhDHPBN晶向对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响 化学反应速率常数化学反应速率常数ks与晶向有关。与晶向有关。 因此线性速率常数因此线性速率常数B/A与晶

25、向有关。与晶向有关。2. 在在适当温度下，适当温度下， （B/A)111= 1.68（B/A)100 （B/A)110= 1.45（B/A)1003. 抛物线速率常数抛物线速率常数B与晶向无关。与晶向无关。4. 高温长时间氧化，抛物线速率常数高温长时间氧化，抛物线速率常数B起主要作用，起主要作用，晶向影响减弱。晶向影响减弱。1112 ()2sggADkhDHPBN2D热氧化热氧化 在转角处，受到热氧化时体积膨胀的限制，在转角处，受到热氧化时体积膨胀的限制，2D热氧化不同于平面的热氧化。热氧化不同于平面的热氧化。1. 氧化硅在凸角和凹角处均比平坦处薄。氧化硅在凸角和凹角处均比平坦处薄。2. 凹角

26、比凸角影响更大。凹角比凸角影响更大。3. 氧化滞后与转角的曲率半径氧化滞后与转角的曲率半径 r 相关：相关：r越小，滞后越小，滞后 越严重。越严重。4. 低温下氧化滞后更严重。低温下氧化滞后更严重。1200 C未见滞后。未见滞后。2D热氧化的影响热氧化的影响线性速率常数线性速率常数B/A抛物线速率常数抛物线速率常数B氧化气压（水汽氧化）氧化气压（水汽氧化）随氧气气压呈线性随氧气气压呈线性随氧化气压呈线性随氧化气压呈线性氧化气压（干氧化）氧化气压（干氧化）随氧气气压呈亚线性随氧气气压呈亚线性随氧化气压呈线性随氧化气压呈线性水汽氧化水汽氧化 和和 干氧化对比干氧化对比水汽氧化速率更大水汽氧化速率更

27、大水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大硅衬底取向硅衬底取向B/A(111):B/A(100)=1.68:1和衬底取向无关和衬底取向无关硅中掺杂类型和浓度硅中掺杂类型和浓度随掺杂浓度增加随掺杂浓度增加关系不大关系不大氧化气氛中掺氯氧化气氛中掺氯增加增加增加增加B/A 及及 B 和和 工工 艺艺 参参 数数 的的 关关 系系 掺有杂质的硅在热氧化过程中，靠近界面的硅中杂质，将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。其决定因素有：在界面两边的硅和二氧化硅中发生再分布。其决定因素有： 1. 1. 杂质的分凝现象杂质的分凝现象 2. 2. 杂质通过杂质通过Si

28、OSiO2 2表面逸散表面逸散 3. 3. 氧化速率的快慢氧化速率的快慢 4. 4. 杂质在杂质在SiOSiO2 2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热氧化时杂质在界面上的再分布热氧化时杂质在界面上的再分布的诱因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SiOSiO2 2中的溶解度不同，扩散系数不同，热氧中的溶解度不同，扩散系数不同，热氧化时，杂质在化时，杂质在SiOSiO2 2SiSi两边要重新分布。两边要重新分布。这种规律由这种规律由来描述：来描述： 杂质在硅中的平衡浓度杂质在硅中的平衡浓度 杂质在二氧化硅中的平衡浓度杂质在二氧化硅中的平衡浓度 k =

29、C1C2k1k1，并且杂质在氧化物中，并且杂质在氧化物中 扩散很慢。扩散很慢。 例如例如B B，k=0.3k=0.3 杂质在杂质在SiOSiO2 2界面处浓度很高界面处浓度很高 k1 k1k1，并且杂质在氧化物中，并且杂质在氧化物中 扩散慢。扩散慢。 例如例如 P P，AsAs，SbSb杂质在硅杂质在硅 界面处堆积界面处堆积k1k1，并且杂质在氧化物，并且杂质在氧化物 中扩散快。中扩散快。 例如例如GaGa，硅界面处的杂，硅界面处的杂 质浓度低于体浓度。质浓度低于体浓度。Si/SiOSi/SiO2 2界面特性界面特性1.1.界面陷阱电荷，界面陷阱电荷，Q QititInterface trap

30、ped chargeInterface trapped charge2.2.固定氧化物电荷，固定氧化物电荷，Q Qf fFixed Oxide ChargeFixed Oxide Charge3.3.氧化物陷阱电荷，氧化物陷阱电荷，Q QototOxide trapped chargeOxide trapped charge4.4.可动离子电荷，可动离子电荷，Q Qm mMobile ionic chargeMobile ionic charge界面陷阱电荷界面陷阱电荷：硅表面出现晶格周期中断，从而导致界：硅表面出现晶格周期中断，从而导致界面处出现悬挂键，成为电子或空穴的陷阱，并在禁带中面处出

31、现悬挂键，成为电子或空穴的陷阱，并在禁带中引入能级，称为界面态。引入能级，称为界面态。固定电荷层（固定电荷层（Fixed Oxide Charge ）：存在于：存在于Si/SiO2界面界面附近，是一些过剩的硅离子。这些过剩的硅在氧化过程附近，是一些过剩的硅离子。这些过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但还没有与氧分子反应，于是形成固定中与晶格脱开，但还没有与氧分子反应，于是形成固定电荷层。电荷层。氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷：由氧化层内的缺陷引起，这些缺陷可：由氧化层内的缺陷引起，这些缺陷可以捕获电子或空穴。以捕获电子或空穴。可移动离子电荷可移动离子电荷：来自钾、钠等其它碱金属离子污染，：来自钾、

32、钠等其它碱金属离子污染，在高温和电场的作用下可在氧化层内移动，非常有害。在高温和电场的作用下可在氧化层内移动，非常有害。 界面陷阱电荷界面陷阱电荷/ /界面态界面态Q Qitit（Interface trapped chargeInterface trapped charge）位置位置: Si/SiO: Si/SiO2 2 界面界面来源推测来源推测: : 1.1.在衬底硅指向氧化层的在衬底硅指向氧化层的SiSi表面的悬挂键（表面的悬挂键（Dangling bond Dangling bond SiSi）2.2.可以束缚载流子的界面电离杂质（荷电中心）可以束缚载流子的界面电离杂质（荷电中心）电荷

33、：能量处于禁带中，可以和电荷：能量处于禁带中，可以和SiSi交换电荷，电荷态依赖于偏压，可交换电荷，电荷态依赖于偏压，可能是正，负或者中性；密度能是正，负或者中性；密度10109 9-10-101111 cm cm-2-2eVeV-1-1与与Q Qf f为同一来源：高为同一来源：高Q Qf f一定高一定高Q Qitit。Q Qitit和下列因素有关：和下列因素有关：氧化温度，氧化气氛（湿氧、干氧），晶向等氧化温度，氧化气氛（湿氧、干氧），晶向等Q Qitit和干氧氧化温度的关系：和干氧氧化温度的关系：1.1.Q Qit it 随温度升高而降低；随温度升高而降低；2.2.干氧干氧Q Qitit高

34、于湿氧高于湿氧3.3.在能带中间部分，在能带中间部分， Q Qitit(100)(100)比比Q Qitit(111)(111)低约低约5 5倍倍降低降低Q Qitit的方法：的方法：1.1.低温金属化后退火（低温金属化后退火（PMAPMA） 2.2.在在H H2 2或或H H2 2N N2 2（Forming Gas Annealing, FGAForming Gas Annealing, FGA）中）中350350500 500 C C退火退火3030分钟分钟退火前，退火前，Q Qitit约约10101111 cm cm-2-2eVeV-1-1退火后，退火后，Q Qitit约约101010

35、10 cm cm-2-2eVeV-1-1 Annealing w/o H2500 oC/10 min/10% H2 in N2450 oC/10 min/25% H2 in N2Midgap Qit (1011 cm-2 eV-1)Oxidation temperature (oC)3.02.52.01.51.00.5024681210120011001000900通过退火有效地降低通过退火有效地降低Qit的实例的实例固定氧化物电荷固定氧化物电荷Qf （fixed oxide charge） 位置：靠近界面氧化层内位置：靠近界面氧化层内23 nm范围范围 电荷：正电荷。电荷密度：电荷：正电荷。

36、电荷密度：109-1011 cm-2。电荷态在器件。电荷态在器件工作期间不变化。工作期间不变化。 来源推测：由不完全氧化的带有净正电荷的来源推测：由不完全氧化的带有净正电荷的Si引起的。引起的。特点：特点： Si中的杂质浓度、导电类型及中的杂质浓度、导电类型及SiO2厚度与厚度与Qf关系不大关系不大 Qf和生长温度关系：温度升高，和生长温度关系：温度升高，Qf下降。下降。 降温速率越快，降温速率越快，Qf值越低，但硅片直径大于值越低，但硅片直径大于100 mm的硅的硅片不宜降温太快。片不宜降温太快。 氧化速率越快，氧化速率越快， Qf越高越高 Qf :Qf:Qf =3:2:1 SiQ Qf f

37、和和Q Qitit与晶向的关系：与晶向的关系： （100100）晶向最低）晶向最低Q Qitit & & Q Qf f：温度越高，越小温度越高，越小界面越粗糙，越大界面越粗糙，越大比比小得多小得多低温合金退火低温合金退火（氢钝化）（氢钝化）高温氩气退火高温氩气退火掺氯氧化掺氯氧化位置：位于氧化层中任意地方。位置：位于氧化层中任意地方。来源来源: : 1.1.氧化层中一些断裂的氧化层中一些断裂的Si-OSi-O、Si-SiSi-Si、Si-HSi-H、Si-OHSi-OH2.2.电离辐照（电离辐照（ionization irradiationionization irradiat

38、ion）3.VLSI3.VLSI工艺过程引入：如电子束蒸发、溅射、等离子体刻蚀、电工艺过程引入：如电子束蒸发、溅射、等离子体刻蚀、电 子束或子束或X X射线光刻、离子注入射线光刻、离子注入结果：这些陷阱会捕获空穴或电子，影响器件的工作结果：这些陷阱会捕获空穴或电子，影响器件的工作改善方法改善方法: :u1000 1000 C C干氧化可以改善干氧化可以改善SiOSiO2 2结构，使其不易打断结构，使其不易打断抗辐射氧化抗辐射氧化u可通过在可通过在H H2 2或惰性气体中或惰性气体中300 300 C C消除。消除。u加对于辐射不敏感的钝化层，如加对于辐射不敏感的钝化层，如AlAl2 2O O3

39、 3和和SiSi3 3N N4 4 氧化物陷阱电荷，氧化物陷阱电荷，Q Qotot （oxide trapped chargeoxide trapped charge）位置：位置：可以在氧化层中任意地方。开始位于栅（金属或多晶硅）可以在氧化层中任意地方。开始位于栅（金属或多晶硅）/SiO/SiO2 2界面，如在正偏或加温情况，界面，如在正偏或加温情况，Q Qm m将向将向Si/SiOSi/SiO2 2界面移动。界面移动。来源：来源：金属化金属化(Metallization)(Metallization)及别的污染。及别的污染。影响：影响：碱金属离子（碱金属离子（NaNa+ +, K, K+ +

40、）玷污引起（以网络变性体形式存在）。）玷污引起（以网络变性体形式存在）。会引起会引起MOSMOS器件阈值电压器件阈值电压V VT T的变化和稳定性问题。的变化和稳定性问题。可动离子电荷可动离子电荷Q Qm m（mobile ionic chargemobile ionic charge）减少减少Q Qm m的具体方法的具体方法1)1)清洗石英管清洗石英管 O O2 2-HCl-HCl气体气体 1150 1150 C/2 hC/2 h2)2)采用掺氯氧化，源有采用掺氯氧化，源有HCl-OHCl-O2 2、TCETCE、TCATCA等等3)3)用磷硅玻璃用磷硅玻璃PSG PSG （phosphos

41、ilicate glassphosphosilicate glass）4)Si4)Si3 3N N4 4作为最后钝化层作为最后钝化层卧式扩散炉卧式扩散炉Photograph courtesy of International SEMATECH立式扩散炉立式扩散炉Photograph courtesy of International SEMATECH立式炉系统示意图立式炉系统示意图Heater 1Heater 2Heater 3压力控制Gas flowcontroller硅片传送控制器BoatloaderExhaustcontroller温度控制微控制器Wafer load/unload sy

42、stemBoat motor drive system石英舟石英工艺腔Three-zone heater气体仪表板Process gas cylinder尾气气体分配系统立式炉管装片图立式炉管装片图16014 添加添加 (假假)硅片硅片4添加添加 (假假)硅片硅片1 测试硅片测试硅片1测试硅片测试硅片1测试硅片测试硅片75生产硅片生产硅片75 生产硅片生产硅片校正参数校正参数:舟尺寸舟尺寸: 160 硅片硅片舟间距舟间距: 0.14 英寸英寸硅片尺寸硅片尺寸: 8 英寸英寸上升速度上升速度: 9.29 厘米厘米/分钟分钟冷却延迟冷却延迟: 20 分钟分钟立式炉炉管立式炉炉管加热套管石英管三温区

43、加热单元管帽加热单元的功率分布加热单元的功率分布加热单元的变压器204 - 480 VAC 3fSCRsSCRsSCRs触发电路1区2区3区高温炉加热单元Used with permission from International SEMATECH高温炉中热电偶的位置高温炉中热电偶的位置1区2区3区热电偶测量温度控制器侧热电偶控制TC过温TC系统控制TC工艺中的常用气体工艺中的常用气体燃烧尾气的燃烧室燃烧尾气的燃烧室燃烧室（燃烧盒或气流反应器）过滤器残渣在热的富氧室内多余的可燃气体燃烧来自高温炉工艺腔的气体至工厂的尾气系统湿式洗涤器循环水Used with permission from I

44、nternational SEMATECH传统与快速升温立式炉的温度曲线传统与快速升温立式炉的温度曲线Reprinted from the June 1996 edition of Solid State Technology, copyright 1996 by PennWell Publishing Company. 020406080100 120 140 160 180020406080100 120 140 160 1801200100080060040012001000800600400时间 (分钟)时间 (分钟)湿度 (C)温度(C)快速升降传统快速热处理的主要优点快速热处理的主

45、要优点 减少热预算减少热预算 硅中杂质运动最小硅中杂质运动最小 减少沾污，这归功于冷壁（减少沾污，这归功于冷壁（cold wall)加热加热 由于较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛由于较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛 更短的加工时间（指循环时间）更短的加工时间（指循环时间） 快速热处理快速热处理温度控制温度控制轴对称排列的灯阵列轴对称排列的灯阵列硅片硅片反射板反射板光纤光纤高温计高温计加热头加热头反馈电压反馈电压设定电压设定电压快速热处理快速热处理Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, Applied Materials 5300 Centura RTP厚度测量厚度测量 机械法机械法 比色法比色法 光干涉法光干涉法 椭偏法椭偏法Stylus1、机械法、机械法二氧化硅质量的检验二氧化硅质量的检验台阶仪台阶仪-profilometer表面形貌仪（台阶仪）表面形貌仪（台阶仪）CRT接近传感器针运动针X-Y 台扫描方向 硅片表面线性驱动单元控制电子仪器Amp+5V-5V+24 VDI2、比色法（白光垂直照射硅片表面）、比色法（白光垂直照射硅片表面）3、光干涉法（、光干涉法（Interferometry） 由光的相干原理，