第二章氧化工艺

1、n本章主要内容:6)6)氧化层质量评估与氧化层质量评估与C-VC-V测试测试引言引言 最后最后，虽然，虽然SiO2是坚固的，但是它容易被氢氟是坚固的，但是它容易被氢氟酸所分解，这样只要用抗氢氟酸的掩膜把酸所分解，这样只要用抗氢氟酸的掩膜把SiO2掩蔽掩蔽起来，就只有在暴露出起来，就只有在暴露出SiO2的窗口区把的窗口区把SiO2去掉，去掉，而掩蔽起来的而掩蔽起来的SiO2不被氢氟酸腐蚀，仍然保持坚固不被氢氟酸腐蚀，仍然保持坚固的特性。的特性。 SiO2的这些特性是造成硅集成电路迅速发展的重的这些特性是造成硅集成电路迅速发展的重要条件，相反要条件，相反Ge,GaAs正是缺少这样特性的保护膜。正是

2、缺少这样特性的保护膜。 由图可以看出，由图可以看出，SiO2在在CMOS电路中用于栅绝缘层电路中用于栅绝缘层（Gox），及绝缘隔离作用的场氧化层（），及绝缘隔离作用的场氧化层（Fox）。场氧化）。场氧化层较厚，而栅氧化层很薄。层较厚，而栅氧化层很薄。n在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，器件的组成部分n扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层n作为集成电路的隔离介质材料n作为电容器的绝缘介质材料n作为多层金属互连层之间的介质材料n作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料在集成电路制作中的主要作用在集成电路制作中的主要作用氧化膜(层)应用名称应用厚度说明自然氧化层

3、不希望的15-20屏蔽氧化层注入隔离，减小损伤200热生长掺杂阻挡层掺杂掩蔽400-1200选择性扩散场氧化层和LOCOS器件隔离3000-5000湿氧氧化衬垫氧化层为Si3N4提供应力减小 100-200热生长很薄牺牲氧化层去除缺陷 ,t A2/4B时，时，SiO2生长厚度有公式生长厚度有公式（抛物线型氧化规律，（抛物线型氧化规律，B为抛物线型速率常数）为抛物线型速率常数）(b)当氧化时间很短，即当氧化时间很短，即(t+) A2/4B；SiO2生长厚度公式生长厚度公式(线性型线性型氧化规律氧化规律,B/A为线性常数为线性常数) )B(t2SiOT2)(2tABSiOT SiOSiO2 2生长

4、的快慢将由氧化剂在生长的快慢将由氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散速度与中的扩散速度与SiSi反应速度中较慢的一个因数所决定反应速度中较慢的一个因数所决定扩散控制扩散控制反应控制反应控制TSiO2(O)氧化起始氧化起始t=0时已有时已有SiO2的厚度的厚度2.3.4 2.3.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素n温度n湿氧或干氧n厚度n压力n圆片晶向(或)n硅中杂质氧化速率与温度n氧化速率对温度很敏感，指数规律n温度升高会引起更大的氧化速率升高n物理机理：温度越高，O与Si的化学反应速率越高；温度越高，O在SiO2中的扩散速率越高。 氧化速率与圆片晶向n表面的氧化速率高于表面n表面的Si原

5、子密度高氧化速率氧化速率与氧化剂分压氧化剂分压氧化剂分压对氧化速率的影响：氧化剂分压对氧化速率的影响： 氧化剂分压提高，氧化速率加快氧化剂分压提高，氧化速率加快。B2DSiO2C*/N1C*Hpg氧化速率与杂质氧化速率与杂质掺有硼磷等高浓度杂质的硅其氧化速率明显掺有硼磷等高浓度杂质的硅其氧化速率明显变大。变大。对于干氧氧化，水汽是该工艺中的杂质，水对于干氧氧化，水汽是该工艺中的杂质，水汽会增加氧化速率。汽会增加氧化速率。 Si + 2HSi + 2H2 2O SiOO SiO2 2 + 2H + 2H2 2NaNa会使氧化速率增加，破坏桥键氧。会使氧化速率增加，破坏桥键氧。ClCl 1.1.会

6、使会使Na+Na+离子钝化；离子钝化；2.2.增加氧化层下硅中少数增加氧化层下硅中少数载流子寿命；载流子寿命；3.3.减少减少SiO2SiO2中的缺陷，提高了氧化层的中的缺陷，提高了氧化层的抗击穿能力；抗击穿能力；4.4.会降低界面态密度及表面固定电荷密会降低界面态密度及表面固定电荷密度；度；5.5.减少氧化层下硅的氧化层错减少氧化层下硅的氧化层错线性速率线性速率抛物线速率抛物线速率2.4 氧化工艺氧化设备n干氧氧化，薄氧化层干氧氧化，薄氧化层 栅氧化层 衬垫氧化层，屏蔽氧化层，牺牲氧化层，等等n湿氧氧化，厚氧化层湿氧氧化，厚氧化层 场氧化层 扩散掩膜氧化层Pyrogenic Steam Sy

7、stem湿氧氧化设备湿氧氧化设备干氧设备干氧设备Wet Oxide Instructions 1) Purge furnace with Argon or Nitrogen gas. a) Turn on the gas into the system from the tanks. b) Make sure that nitrogen is flowing straight into the furnace (see figure). c) Turn the gas flowing through the furnace up to about 10 SCFH (turn back down

8、 after about 10 minutes-see step 6). 2) Turn on the bubbler. a) Turn on switch 1 to the actual bubbler and make sure there is adequate water in the bowl. b) Turn on switch 2 to the entrance tube and make sure that the power does go up to somewhat less than 100. c) Make sure there is adequate water i

9、n the in the bowl. Use only 18M deionized water to fill bowl.3) Load the wafer. a) Place the wafer into one of the appropriate slots in the quartz tray. b) Load the wafers into the furnace right away; no appreciable oxide will grow at 400C, and its a good idea to continue the purge after the wafers

10、are inside. Gently load the tray into the furnace with the aluminium foil tray holder and slide it into the center third of the furnace with the quartz rod. c) Place the cap on the end of the furnace.4) Turn up the furnace. a) After the furnace has been purged of gases other than nitrogen (about 10

11、minutes), turn the furnace up to the desired temperature remembering that T(desired) - 200C = T(dial). b) Make sure that the output power goes to 5 and +/-50 dials are set at 200 and 500.5) Turn down the N2 gas flow to about 1 SCFH. 6) Start the wet oxide process.a) Once the furnace is up to the des

12、ired temperature (the output power fluctuates about the center of the dial), make sure that the bubbler has reached the setpoint at 202Fb) Turn the N2 gas flow rate up to about 4.5 SCFH.c) Switch the N2 input so that it goes through the bubbler by switching the tube to the northern valve on the back

13、 of the clean box.d) Start the timer as soon as soon as the N2 starts bubbling through the water. 7) Turn down the N2 gas flow.a) Once the furnace is purged with the steam (about 10 mintues), turn the N2 gas flow rate down to about 1 SCFH. (Unless you are doing a very short run in which case you wil

14、l do this step as step 9b.)b) If necessary, check the water level in the bubbler bowl and fill as appropriate.8) Turn off the bubbler.a) Once the timer goes off at the approved time switch the nitrogen input from the bubbler back to straight into the furnace.b) Turn the nitrogen flow back up to abou

15、t 4.5 SCFH or whatever flow rate it was when it initially first flowed through the bubbler.c) Turn off switch 1 and 2. 9) Turn down the furnace.a) After the furnace is again purged with nitrogen, turn down the furnace to the OFF temperature of 400A1C.b) Turn down the N2 flow to 1 SCFH.10) Unload the

16、 furnace.a) Once the furnace is below 500C (about 60-90 minutes), use the gloves to take the cap off of the end of the furnace tube.b) Taking the quartz rod, slide the tray out to the end of the tube.c) Wait 5 minutes.d) Using the gloves AND the aluminum tray holder, slide the tray completely out of

17、 the furnace tube and into the glass cooling tube to the right of the furnace.e) Wait 5 minutes or until the tray is cool.f) Slide the tray out of the cooling tube and set it down on the aluminum sheets.g) Using tweezers, remove the wafer from the tray. 11) Turn off the N2 gas.a) Turn the flow rate

18、into the furnace offb) Turn the N2 flow into the system off.2.5 热氧化过程中的杂质再分布2.5.12.5.1分凝现象分凝现象 任何一种杂质在不同相中的任何一种杂质在不同相中的溶解度是不同的，硅在热氧化时所形成溶解度是不同的，硅在热氧化时所形成的界面随热氧化而不断向硅中推进，原的界面随热氧化而不断向硅中推进，原存于存于Si中的杂质将在界面两边中的杂质将在界面两边Si-SiO2进进行重新分布，直到达到界面两边化学势行重新分布，直到达到界面两边化学势相同，这就是分凝现象。相同，这就是分凝现象。掺有杂质的硅在热氧化中，掺有杂质的硅在热氧化

19、中，在在Si-SiO2界面上，两相中平衡杂质浓度界面上，两相中平衡杂质浓度之比定义为分凝系数之比定义为分凝系数m。 杂质硼的分凝系数一般为杂质硼的分凝系数一般为m0.11； 杂质磷的分凝系数一般杂质磷的分凝系数一般m为为10左右。左右。 衡浓度杂质在二氧化硅中的平杂质在硅中的平衡浓度m 由此可见，在扩有杂质硼的硅由此可见，在扩有杂质硼的硅热氧化中，热氧化中，Si表面的硼杂质浓度会表面的硼杂质浓度会下降，而大量杂质会分凝到下降，而大量杂质会分凝到Si-SiO2的的SiO2中。相反，在扩有杂质中。相反，在扩有杂质磷的硅热氧化中，磷的硅热氧化中，Si表面的磷杂质表面的磷杂质浓度会增加，这是因为大量杂

20、质将浓度会增加，这是因为大量杂质将从从SiO2中分凝到中分凝到Si中。中。硅中杂质硼磷在硅中杂质硼磷在Si-SiOSi-SiO2 2界面的分凝现象界面的分凝现象利用硼的分凝系利用硼的分凝系数数m1,当硼预淀积表面浓度大时，当硼预淀积表面浓度大时，可通过控制热氧化可通过控制热氧化“吃掉吃掉”一些过一些过量的硅中硼，让杂质富集到量的硅中硼，让杂质富集到SiO2中，中，使表面浓度降低。相反磷预淀积浓使表面浓度降低。相反磷预淀积浓度小，可通过热氧化度小，可通过热氧化“吐出吐出”一些一些SiO2中的磷，使表面浓度升高。中的磷，使表面浓度升高。2.62.6栅氧化层的制备栅氧化层的制备 随着随着IC尺寸不断

21、缩小，电路尺寸不断缩小，电路的工作速度不断提高，要求栅氧的工作速度不断提高，要求栅氧化层也按比例减薄，目前栅氧化化层也按比例减薄，目前栅氧化层厚度已经薄到层厚度已经薄到100左右，因此左右，因此制备栅氧化层显得十分重要。制备栅氧化层显得十分重要。栅氧化层应满足下列要求：栅氧化层应满足下列要求： 低缺陷密度，具有好的抗杂质扩散的势低缺陷密度，具有好的抗杂质扩散的势垒特性，在热载流子应力和辐射条件下稳定。垒特性，在热载流子应力和辐射条件下稳定。 具有低的界面态密度和低的固定电荷密具有低的界面态密度和低的固定电荷密度的高质量度的高质量Si-SiOSi-SiO2 2界面，低的热预算工艺。界面，低的热预

22、算工艺。 栅氧化层制备要求包括严格予清洗，去栅氧化层制备要求包括严格予清洗，去有机物，去金属玷污，中间包括用稀有机物，去金属玷污，中间包括用稀HFHF酸漂酸漂洗，采用高温快速氧化等等措施。洗，采用高温快速氧化等等措施。改善栅氧化层质量方法：改善栅氧化层质量方法： 1 1 预氧化清洗。预氧化清洗。 硅清洗工艺的基本准则是消除表面有机物、过渡金属硅清洗工艺的基本准则是消除表面有机物、过渡金属和碱性离子和颗粒。和碱性离子和颗粒。 2 2 工艺与栅氧化硅质量的关系。工艺与栅氧化硅质量的关系。 采取高温氧化采取高温氧化 3 3 用化学方法改进栅氧化层用化学方法改进栅氧化层。 在栅氧化层中加入氮或氟在栅氧

23、化层中加入氮或氟 4 CVD4 CVD和叠层氧化硅和叠层氧化硅2.7Si-SiO2.7Si-SiO2 2界面特性界面特性降低降低Na+的措施包括：的措施包括： 使用含氯的氧化工艺使用含氯的氧化工艺 用氯定期清洗管道及相关容器用氯定期清洗管道及相关容器 使用使用超纯净超纯净的化学物质的化学物质 保证气体或气体传输过程的清洁。保证气体或气体传输过程的清洁。 使用使用PSGPSG（磷硅玻璃）钝化可移动（磷硅玻璃）钝化可移动离子离子2.7.22.7.2界面态或界面陷阱电荷界面态或界面陷阱电荷 Qit(c/cm2ev) Qit是指存在于是指存在于Si-SiO2界面，能量处于硅禁带界面，能量处于硅禁带中的

24、可与价带、导带方便交换电荷的陷阱能中的可与价带、导带方便交换电荷的陷阱能级或电荷状态。级或电荷状态。 对于（对于（100）Si来说来说 Qit231010/cm2ev 对于（对于（111）Si来说来说 Qit11.51011/cm2ev 解释界面态的物理机制有三种，一解释界面态的物理机制有三种，一般认为在硅表面有一个键是空的，没有般认为在硅表面有一个键是空的，没有形成共价键，称为形成共价键，称为悬挂键悬挂键。氧化中大部。氧化中大部分硅表面悬挂键和分硅表面悬挂键和O结合形成结合形成O-Si-O键，键，但仍有少量剩余悬挂键，这些悬挂键有但仍有少量剩余悬挂键，这些悬挂键有一个未配对电子而表现为界面态

25、。一个未配对电子而表现为界面态。荷电荷电中心、化学杂质中心、化学杂质(Cu Fe)。 界面态会造成界面态会造成MOS器件器件VT漂移，降漂移，降低沟道迁移率，降低了器件性能。低沟道迁移率，降低了器件性能。降低界面态的方法有降低界面态的方法有： PMA( (金属化后退火金属化后退火) )，有，有H H2 2气氛，气氛，H H使悬挂键钝化。使悬挂键钝化。 选用（选用（100100）晶面硅片。）晶面硅片。 低温，惰性气体退火。低温，惰性气体退火。降低界面陷阱密度降低界面陷阱密度金属化后，在氢气气氛金属化后，在氢气气氛中，由于中，由于ALAL的存在，可的存在，可以形成氢原子，并扩散以形成氢原子，并扩散

26、到到siosio2 2-si-si界面，与悬挂界面，与悬挂键相结合，使这些键钝键相结合，使这些键钝化，从而减少界面态化，从而减少界面态2.7.3 SiO2.7.3 SiO2 2中的固定正电荷中的固定正电荷QQf f 在在SiO2中，在靠近中，在靠近Si-SiO2界面处，由于氧化层中的界面处，由于氧化层中的氧空位，造成氧化层中氧空位，造成氧化层中过剩的硅离子过剩的硅离子，形成位置相对固定，形成位置相对固定的正电荷。的正电荷。 固定正电荷与工艺条件和晶面有关。固定正电荷与工艺条件和晶面有关。 (111)面固定正电荷密度大于面固定正电荷密度大于(100)面。面。 降低固定正电荷办法：选择适当的硅衬底

27、晶向、氧化条件和退火温降低固定正电荷办法：选择适当的硅衬底晶向、氧化条件和退火温度。是度。是N2气下热处理。气下热处理。影响影响MOS器件域值电压（器件域值电压（P沟，增加；沟，增加；N沟，减少）；沟，减少）；减少沟道载流子迁移率。减少沟道载流子迁移率。2.7.42.7.4氧化层电离陷阱电荷氧化层电离陷阱电荷QotQot 位于位于SiO2中，靠近中，靠近Si-SiO2界面，当界面，当- -射射线，线，- -射线，中子辐射及高低能电子辐射时，射线，中子辐射及高低能电子辐射时，打破打破Si-O-SiSi-O-Si键，在键，在SiOSiO2 2中产生电子空穴对，中产生电子空穴对，如果如果SiOSiO

28、2 2中没有电场存在，电子空穴对将重中没有电场存在，电子空穴对将重新复合，但当新复合，但当SiOSiO2 2中有电场存在，如中有电场存在，如NMOSNMOS栅极栅极加正电压，电子向栅极运动，被复合掉。而空加正电压，电子向栅极运动，被复合掉。而空穴被陷阱俘获，在穴被陷阱俘获，在Si-SiOSi-SiO2 2界面附近积累起正界面附近积累起正电荷，电荷， 这些正电荷会在这些正电荷会在Si表面感应出负电荷，表面感应出负电荷，使半导体表面有使半导体表面有N型化趋势。这使型化趋势。这使BJT管表面击穿电压下降。管表面击穿电压下降。 NMOS增强型难于制造增强型难于制造(VT=0(VT=0时，时，由于由于S

29、i-SiOSi-SiO2 2界面已有积累正电荷且无界面已有积累正电荷且无法控制，使增强型法控制，使增强型NMOS管管VTVT不好控不好控制制) )减少电离辐射陷阱电荷的主要方法是减少电离辐射陷阱电荷的主要方法是： 采用抗辐照氧化最佳条件，常采用抗辐照氧化最佳条件，常用用1000 1000 在惰性气体中进行低温退火在惰性气体中进行低温退火(150(150400400) ) 采用抗辐射的钝化层采用抗辐射的钝化层SiSi3 3N N4 4等。等。Si-SiOSi-SiO2 2系统中的电荷系统中的电荷2.8 2.8 氧化层质量评估与氧化层质量评估与C-VC-V测试测试 要求要求SiO2层致密，无针孔，

30、厚度准确，均匀，无玷层致密，无针孔，厚度准确，均匀，无玷污。污。 (1)厚度检查方法：厚度检查方法： (a)目检：在白光下，不同厚度目检：在白光下，不同厚度SiO2层呈现不同层呈现不同干涉色彩，且有周期性。干涉色彩，且有周期性。 (b)单色光干涉法测单色光干涉法测SiO2厚度，测量精度厚度，测量精度TSiOTSiO2 2500500。利用单色光照射。利用单色光照射SiO2表面时由于表面时由于SiO2为透明介质，为透明介质， 入射光在入射光在SiO2表面和表面和Si-SiO2界面分别产生反射界面分别产生反射光，根据光的干涉原理，当两相干光光程差为光，根据光的干涉原理，当两相干光光程差为半波长的奇

31、数倍时，相位相反，两光互相减弱，半波长的奇数倍时，相位相反，两光互相减弱，出现暗条纹。两相干光以光程差与出现暗条纹。两相干光以光程差与SiO2的厚度的厚度TSiO2与与SiO2的折射率有关。有的折射率有关。有 , , 为光程差，为光程差，n n为为SiOSiO2 2的折射率。根据光相干原理，的折射率。根据光相干原理，若若2k2k/2/2时出现亮条纹，时出现亮条纹， (2k+1)(2k+1)/2/2时出现暗条纹。式中，时出现暗条纹。式中，为入射光波长，为入射光波长，k k为正为正整数整数k=0,1,2k=0,1,2 那么，假定在那么，假定在A点出现亮条纹，点出现亮条纹，B点出现暗点出现暗条纹，那

32、么有：光程差条纹，那么有：光程差A=2nTA=2nTA A , , B=2nTB=2nTB B 产生产生一明一暗条纹（一个干涉条纹）则一明一暗条纹（一个干涉条纹）则: : (c)椭圆偏振测厚仪测椭圆偏振测厚仪测SiO2厚度厚度 测量精度测量精度1010。(2)针孔、致密性检查针孔、致密性检查 镜检、暗伤查亮点、不均匀镜检、暗伤查亮点、不均匀(3)玷污情况检查玷污情况检查 采用采用C-V法测量较为普遍。法测量较为普遍。2.8.2 C-V法测量1.测试原理测试原理SiO2为电容电介质层，为电容电介质层，Co为以为以SiO2为介质的为介质的平板电容器平板电容器Cs为半导体空间电荷为半导体空间电荷区电容器区电容器由于由于Co不随外电压变不随外电压变化可看成常数，而化可看成常数，而Cs随随V变化，因此变化，因此有有C-V变化曲线。变化曲线。在理想情况下，对于P-Si，MOS电容有如下C-V特性（高频测试）2.BT(Bias Voltage-Temperature) C-V法法 首先对首先对MOS电容进行一次电容进行一次C-V测试，获得如上页图所式的测试，获得如上页图所式的C-V曲曲线，然后在栅极线，然后在栅极(上极板上极板)加约加约1MV/cm的正向偏压电场的正向偏压电场(10v/10