热氧化工艺课件

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的结构4个O原子位于四面体的顶

2、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度：对特定的杂质、扩散 时间、扩散温度等条件，

3、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

4、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)干氧氧化（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/secCG 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SiO2中的扩散系数，单位：cm2/secC0 SiO2表面内侧氧化剂浓度Ci SiO2-Si界面

5、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

6、：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

7、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

8、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/A4、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 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

9、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=4000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

10、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

11、.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

12、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；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)，

13、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，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

14、(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

15、：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Si3N4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

16、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0.5。(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

17、，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

18、 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

19、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。 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。 氧化温度越高，Si-SiO2的