半导体工艺基础-氧化课件

第三章Oxidation氧化第三章Oxidation氧化1Oxidation氧化简介氧化膜的应用氧化机理氧化工艺氧化设备RTO快速热氧化Oxidation氧化简介2简介硅与O2直接反应可得；SiO2性能稳定；氧化工艺在半导体制造中广泛使用Si+O2→SiO2氧化层简介简介硅与O2直接反应可得；Si+O2→SiO2氧化层3Oxidation氧化层简介SiliconOxidation氧化层简介Silicon4氧化膜的应用掺杂阻挡层表面钝化(保护)–Screenoxide,padoxide,barrieroxide隔离层–FieldoxideandLOCOS栅氧化层氧化层应用氧化膜的应用掺杂阻挡层氧化层应用5掺杂阻挡氧化层MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinSiSiO2canbeusedasdiffusionmask氧化层应用掺杂阻挡氧化层MuchlowerBandPdiff6表面钝化(保护)氧化层PadOxide衬垫氧化层,ScreenOxide屏蔽氧化层SacrificialOxide牺牲氧化层,BarrierOxide阻挡氧化层Normallythinoxidelayer(~150Å)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.氧化层应用表面钝化(保护)氧化层PadOxide衬垫氧化层,Scr7ScreenOxide氧化层应用ScreenOxide氧化层应用8PadandBarrierOxidesinSTIProcess氧化层应用USG:UndopedSilicateGlass未掺杂硅酸盐玻璃PadandBarrierOxidesinSTI9Application,PadOxideRelievestrongtensilestressofthenitridePreventstressinducedsilicondefects氧化层应用Application,PadOxideRelieve10牺牲氧化层SacrificialOxideDefectsremovalfromsiliconsurface氧化层应用牺牲氧化层SacrificialOxideDefect11器件隔离氧化层临近器件的绝缘隔离BlanketfieldoxideLocaloxidationofsilicon(LOCOS)Thickoxide,usually3,000to10,000Å氧化层应用器件隔离氧化层临近器件的绝缘隔离氧化层应用12BlanketFieldOxideIsolation氧化层应用BlanketFieldOxideIsolation氧13LOCOSProcess氧化层应用LOCOSProcess氧化层应用14LOCOSComparewithblanketfieldoxide–Betterisolation更好的隔离–Lowerstepheight更低台阶高度–Lesssteepsidewall侧墙不很陡峭Disadvantage缺点–roughsurfacetopography粗糙的表面形貌–Bird’sbeak鸟嘴被浅的管沟(STI)所取代氧化层应用LOCOSComparewithblanketfiel15栅氧化层Gateoxide:thinnestandmostcriticallayerCapacitordielectric氧化层应用栅氧化层Gateoxide:thinnestandm16氧化膜(层)应用名称应用厚度说明自然氧化层不希望的15-20A屏蔽氧化层注入隔离，减小损伤~200A热生长掺杂阻挡层掺杂掩蔽400-1200A选择性扩散场氧化层和LOCOS器件隔离3000-5000A湿氧氧化衬垫氧化层为Si3N4提供应力减小100-200A热生长很薄牺牲氧化层去除缺陷<1000A热氧化栅氧化层用作MOS管栅介质30-120A干氧氧化阻挡氧化层防止STI工艺中的污染100-200A氧化层应用氧化膜(层)应用名称应用厚度说明自然氧化层不希望的15-2017SiliconDioxideGrownonImproperly

CleanedSiliconSurfaceSiliconDioxideGrownonImpro18表面未清洗硅片的热氧化层热氧化生长的SiO2层是无定形的SiO2分子间趋于交联形成晶体未清洗硅片表面的缺陷和微粒会成为SiO2的成核点这种SiO2层的阻挡作用很差氧化前需要清洗硅片表面表面未清洗硅片的热氧化层热氧化生长的SiO2层是无定形的19氧化前圆片清洗颗粒有机粘污无机粘污本征氧化层氧化前圆片清洗颗粒20RCA清洗DevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCAMostcommonlyusedcleanprocessesinICfabs(1号液)－NH4OH:H2O2:H2O

with1:1:5to1:2:8ratioat70to80℃toremoveorganic.(2号液)--HCl:H2O2:H2O

with1:1:6to1:2:8ratioat70to80℃toremoveinorganiccontaminates，DIwaterrinseHFdiporHFvaporetchtoremovenativeoxide.RCA清洗DevelopedbyKernandPuo21Pre-oxidationWaferCleanParticulateRemovalHighpuritydeionized(DI)waterorH2SO4:H2O2followedbyDIH2Orinse.高压清洗或者放在清洗液中加热漂洗，最后烘干Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).Pre-oxidationWaferCleanPart22被氧化的硅片上有机物的清除强氧化剂清除有机污垢H2SO4:H2O2orNH3OH:H2O2followedbyDIH2Orinse.Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).被氧化的硅片上有机物的清除强氧化剂清除有机污垢23无机物的清洗先用HCl:H2O液体浸泡再在大的玻璃杯中浸泡清洗Immersionindunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)无机物的清洗先用HCl:H2O液体浸泡24Pre-oxidationWaferCleanNativeOxideRemovalHF:H2OImmersionindunktankorsinglewafervaporetcherfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)Pre-oxidationWaferCleanNati25OxidationMechanismSi+O2→SiO2O来源于提供的氧气Si来源于衬底硅圆片O通过表面已有的氧化层向内扩散并与Si反应生长SiO2氧化薄膜越厚，生长速率越低干氧氧化（DryOxidation）OxidationMechanismSi+O2→SiO2干26OxideGrowthRateRegimeB/A为线性速率常数；B为抛物线速率常数OxideGrowthRateRegimeB/A为线性27<100>SiliconDryOxidation<100>SiliconDryOxidation28水汽氧化(SteamOxidation）Si+2H2O→SiO2+2H2AthightemperatureH2OisdissociatedtoHandH-OH-OdiffusesfasterinSiO2thanO2Steamoxidationhashighergrowthratethandryoxidation水汽氧化(SteamOxidation）Si+2H2O29<100>SiliconWetOxidationRate<100>SiliconWetOxidationRa30湿氧氧化(WetOxidation)湿氧氧化法是将干燥纯净的氧气，在通入氧化炉之前，先经过一个水浴瓶，使氧气通过加热的高纯去离子水，携带一定量的水汽，湿氧氧化法的氧化剂是氧气和水的混合物。Si+O2→SiO2Si+2H2O→SiO2+2H2湿氧氧化(WetOxidation)湿氧氧化法是将干燥纯净31氧化速率温度湿氧或干氧厚度压力圆片晶向(<100>或<111>)硅中杂质氧化速率温度32氧化速率与温度氧化速率对温度很敏感，指数规律温度升高会引起更大的氧化速率升高物理机理：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。氧化速率与温度氧化速率对温度很敏感，指数规律33氧化速率与圆片晶向<111>表面的氧化速率高于<100>表面<111>表面的Si原子密度高氧化速率与圆片晶向<111>表面的氧化速率高于<100>表面34湿氧氧化速率湿氧氧化速率35氧化速率与杂质浓度杂质元素和浓度高掺磷的硅有更高的氧化层生长速率，更低密度的氧化层薄膜和更高的刻蚀速率通常，掺杂浓度越高，氧化层生长速率越高；在氧化过程的线性区(氧化层较薄时)更为显著。氧化速率与杂质浓度杂质元素和浓度36氧化：杂质堆积和耗尽效应N型杂质(P、As、Sb)在Si中的溶解度高于在SiO2中的溶解度，当SiO2生长时，杂质向Si中移动，这引起杂质堆积或滚雪球效应B倾向于向SiO2中运动，这引起杂质耗尽效应氧化：杂质堆积和耗尽效应N型杂质(P、As、Sb)在Si中的37DepletionandPile-upEffectsDepletionandPile-upEffects38氧化速率与HCl掺杂氧化HClisusedtoreducemobileioncontaminationWidelyusedforgateoxidationprocessGrowthratecanincreasefrom1to5percent氧化速率与HCl掺杂氧化HClisusedtored39氧化速率与不均匀氧化氧化层越厚，氧化速率越小对于更厚的氧化层，O需要更多的时间扩散过氧化层与衬底硅发生反应氧化速率与不均匀氧化氧化层越厚，氧化速率越小40在干氧中的氧化速率在干氧中的氧化速率41在合成水汽中的氧化速率在合成水汽中的氧化速率42二氧化硅色谱二氧化硅色谱43氧化工艺干氧氧化，薄氧化层－栅氧化层－衬垫氧化层，屏蔽氧化层，牺牲氧化层，等等湿氧氧化，厚氧化层－场氧化层－扩散掩膜氧化层氧化工艺干氧氧化，薄氧化层44DryOxidationSystemDryOxidationSystem45氧化装置系统氧化装置系统46DryOxidationDryO2asthemainprocessgasHClisusedtoremovemobileionsforgateoxidationHighpurityN2asprocesspurgegasLowergradeN2asidlepurgegasDryOxidationDryO2asthemai47DanglingBondsandInterfaceChargeDanglingBondsandInterfaceC48WetOxidationProcessFaster,higherthroughputThickoxide,suchasLOCOSDryoxidehasbetterqualityWetOxidationProcessFaster,h49WaterVaporSourcesBoilerBubblerFlushPyrogenicWaterVaporSourcesBoiler50BoilerSystemBoilerSystem51BubblerSystemBubblerSystem52FlushSystemFlushSystem53PyrogenicSteamSystemPyrogenicSteamSystem54PyrogenicSystemAdvantage–Allgassystem–PreciselycontrolofflowrateDisadvantage–Introducingofflammable,explosivehydrogenTypicalH2:O2ratioisbetween1.8:1to1.9:1.PyrogenicSystemAdvantage55RapidThermalOxidationForgateoxidationofdeepsub-microndeviceVerythinoxidefilm,<30ÅNeedverygoodcontroloftemperatureuniformityRTOwillbeusedtoachievethedevicerequirement.RapidThermalOxidationForgat56HighPressureOxidationFastergrowthrateReducingoxidationtemperature:1amt.=–30°CHigherdielectricstrength缺点:设备复杂，存在安全问题HighPressureOxidationFaster57氧化小结氧化层稳定性好，容易获得应用：栅氧化层，场氧化层，衬垫氧化层，掺杂阻挡层，牺牲氧化层，阻挡氧化层，注入屏蔽氧化层干氧氧化和湿氧氧化氧化小结氧化层稳定性好，容易获得58第三章Oxidation氧化第三章Oxidation氧化59Oxidation氧化简介氧化膜的应用氧化机理氧化工艺氧化设备RTO快速热氧化Oxidation氧化简介60简介硅与O2直接反应可得；SiO2性能稳定；氧化工艺在半导体制造中广泛使用Si+O2→SiO2氧化层简介简介硅与O2直接反应可得；Si+O2→SiO2氧化层61Oxidation氧化层简介SiliconOxidation氧化层简介Silicon62氧化膜的应用掺杂阻挡层表面钝化(保护)–Screenoxide,padoxide,barrieroxide隔离层–FieldoxideandLOCOS栅氧化层氧化层应用氧化膜的应用掺杂阻挡层氧化层应用63掺杂阻挡氧化层MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinSiSiO2canbeusedasdiffusionmask氧化层应用掺杂阻挡氧化层MuchlowerBandPdiff64表面钝化(保护)氧化层PadOxide衬垫氧化层,ScreenOxide屏蔽氧化层SacrificialOxide牺牲氧化层,BarrierOxide阻挡氧化层Normallythinoxidelayer(~150Å)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.氧化层应用表面钝化(保护)氧化层PadOxide衬垫氧化层,Scr65ScreenOxide氧化层应用ScreenOxide氧化层应用66PadandBarrierOxidesinSTIProcess氧化层应用USG:UndopedSilicateGlass未掺杂硅酸盐玻璃PadandBarrierOxidesinSTI67Application,PadOxideRelievestrongtensilestressofthenitridePreventstressinducedsilicondefects氧化层应用Application,PadOxideRelieve68牺牲氧化层SacrificialOxideDefectsremovalfromsiliconsurface氧化层应用牺牲氧化层SacrificialOxideDefect69器件隔离氧化层临近器件的绝缘隔离BlanketfieldoxideLocaloxidationofsilicon(LOCOS)Thickoxide,usually3,000to10,000Å氧化层应用器件隔离氧化层临近器件的绝缘隔离氧化层应用70BlanketFieldOxideIsolation氧化层应用BlanketFieldOxideIsolation氧71LOCOSProcess氧化层应用LOCOSProcess氧化层应用72LOCOSComparewithblanketfieldoxide–Betterisolation更好的隔离–Lowerstepheight更低台阶高度–Lesssteepsidewall侧墙不很陡峭Disadvantage缺点–roughsurfacetopography粗糙的表面形貌–Bird’sbeak鸟嘴被浅的管沟(STI)所取代氧化层应用LOCOSComparewithblanketfiel73栅氧化层Gateoxide:thinnestandmostcriticallayerCapacitordielectric氧化层应用栅氧化层Gateoxide:thinnestandm74氧化膜(层)应用名称应用厚度说明自然氧化层不希望的15-20A屏蔽氧化层注入隔离，减小损伤~200A热生长掺杂阻挡层掺杂掩蔽400-1200A选择性扩散场氧化层和LOCOS器件隔离3000-5000A湿氧氧化衬垫氧化层为Si3N4提供应力减小100-200A热生长很薄牺牲氧化层去除缺陷<1000A热氧化栅氧化层用作MOS管栅介质30-120A干氧氧化阻挡氧化层防止STI工艺中的污染100-200A氧化层应用氧化膜(层)应用名称应用厚度说明自然氧化层不希望的15-2075SiliconDioxideGrownonImproperly

CleanedSiliconSurfaceSiliconDioxideGrownonImpro76表面未清洗硅片的热氧化层热氧化生长的SiO2层是无定形的SiO2分子间趋于交联形成晶体未清洗硅片表面的缺陷和微粒会成为SiO2的成核点这种SiO2层的阻挡作用很差氧化前需要清洗硅片表面表面未清洗硅片的热氧化层热氧化生长的SiO2层是无定形的77氧化前圆片清洗颗粒有机粘污无机粘污本征氧化层氧化前圆片清洗颗粒78RCA清洗DevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCAMostcommonlyusedcleanprocessesinICfabs(1号液)－NH4OH:H2O2:H2O

with1:1:5to1:2:8ratioat70to80℃toremoveorganic.(2号液)--HCl:H2O2:H2O

with1:1:6to1:2:8ratioat70to80℃toremoveinorganiccontaminates，DIwaterrinseHFdiporHFvaporetchtoremovenativeoxide.RCA清洗DevelopedbyKernandPuo79Pre-oxidationWaferCleanParticulateRemovalHighpuritydeionized(DI)waterorH2SO4:H2O2followedbyDIH2Orinse.高压清洗或者放在清洗液中加热漂洗，最后烘干Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).Pre-oxidationWaferCleanPart80被氧化的硅片上有机物的清除强氧化剂清除有机污垢H2SO4:H2O2orNH3OH:H2O2followedbyDIH2Orinse.Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).被氧化的硅片上有机物的清除强氧化剂清除有机污垢81无机物的清洗先用HCl:H2O液体浸泡再在大的玻璃杯中浸泡清洗Immersionindunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)无机物的清洗先用HCl:H2O液体浸泡82Pre-oxidationWaferCleanNativeOxideRemovalHF:H2OImmersionindunktankorsinglewafervaporetcherfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)Pre-oxidationWaferCleanNati83OxidationMechanismSi+O2→SiO2O来源于提供的氧气Si来源于衬底硅圆片O通过表面已有的氧化层向内扩散并与Si反应生长SiO2氧化薄膜越厚，生长速率越低干氧氧化（DryOxidation）OxidationMechanismSi+O2→SiO2干84OxideGrowthRateRegimeB/A为线性速率常数；B为抛物线速率常数OxideGrowthRateRegimeB/A为线性85<100>SiliconDryOxidation<100>SiliconDryOxidation86水汽氧化(SteamOxidation）Si+2H2O→SiO2+2H2AthightemperatureH2OisdissociatedtoHandH-OH-OdiffusesfasterinSiO2thanO2Steamoxidationhashighergrowthratethandryoxidation水汽氧化(SteamOxidation）Si+2H2O87<100>SiliconWetOxidationRate<100>SiliconWetOxidationRa88湿氧氧化(WetOxidation)湿氧氧化法是将干燥纯净的氧气，在通入氧化炉之前，先经过一个水浴瓶，使氧气通过加热的高纯去离子水，携带一定量的水汽，湿氧氧化法的氧化剂是氧气和水的混合物。Si+O2→SiO2Si+2H2O→SiO2+2H2湿氧氧化(WetOxidation)湿氧氧化法是将干燥纯净89氧化速率温度湿氧或干氧厚度压力圆片晶向(<100>或<111>)硅中杂质氧化速率温度90氧化速率与温度氧化速率对温度很敏感，指数规律温度升高会引起更大的氧化速率升高物理机理：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。氧化速率与温度氧化速率对温度很敏感，指数规律91氧化速率与圆片晶向<111>表面的氧化速率高于<100>表面<111>表面的Si原子密度高氧化速率与圆片晶向<111>表面的氧化速率高于<100>表面92湿氧氧化速率湿氧氧化速率93氧化速率与杂质浓度杂质元素和浓度高掺磷的硅有更高的氧化层生长速率，更低密度的氧化层薄膜和更高的刻蚀速率通常，掺杂浓度越高，氧化层生长速率越高；在氧化过程的线性区(氧化层较薄时)更为显著。氧化速率与杂质浓度杂质元素和浓度94氧化：杂质堆积和耗尽效应N型杂质(P、As、Sb)在Si中的溶解度高于在SiO2中的溶解度，当SiO2生长时，杂质向Si中移动，这引起杂质堆积或滚雪球效应B倾向于向SiO2中运动，这引起杂质耗尽效应氧化：杂质堆积和耗尽效应N型杂质(P、As、Sb)在Si中的95DepletionandPile-upEffectsDepletionandPile-upEffects96氧化速率与HCl掺杂氧化HClisusedtoreducemobileioncontaminationWidelyusedforgateoxidationprocessGrowthratecanincreasefrom1to5percent氧化速率与HCl掺杂氧化HClisusedtored97氧化速率与不均匀氧化氧化层越厚，氧化速率越小对于更厚的氧化层，O需要更多的时间扩散过氧化层与衬底硅发生反应氧化速率与不均匀氧化氧化层越厚，氧化速率越小98在干氧中的氧化速率在干氧中的氧化速率99在合成水汽中的氧化速率在合成水汽中的氧化速率100二氧化硅色谱二氧化硅色谱101氧化工艺干氧氧化，薄氧化层－栅氧化层－衬垫氧化层，屏蔽氧化层，牺牲氧化层，等等湿氧氧化，厚氧化层－场氧化层－扩散掩膜氧化层氧化工艺干氧氧化，薄氧化层102DryOxidationSystemDryOxidationSystem103氧化装置系统氧化装置系统104Dry