半导体工艺基础第三章氧化

半导体工艺基础第三章氧化第一页，共59页。Oxidation氧化简介氧化膜的应用氧化机理氧化工艺氧化设备RTO快速热氧化第二页，共59页。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氧化层简介第三页，共59页。Oxidation氧化层简介Silicon第四页，共59页。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第五页，共59页。掺杂阻挡氧化层MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinSiSiO2canbeusedasdiffusionmask氧化层应用第六页，共59页。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.氧化层应用第七页，共59页。ScreenOxide氧化层应用第八页，共59页。PadandBarrierOxidesinSTIProcess氧化层应用USG:UndopedSilicateGlass未掺杂硅酸盐玻璃第九页，共59页。Application,PadOxideRelievestrongtensilestressofthenitridePreventstressinducedsilicondefects氧化层应用第十页，共59页。牺牲氧化层SacrificialOxideDefectsremovalfromsiliconsurface氧化层应用第十一页，共59页。器件隔离氧化层临近器件的绝缘隔离BlanketfieldoxideLocaloxidationofsilicon(LOCOS)Thickoxide,usually3,000to10,000Å氧化层应用第十二页，共59页。BlanketFieldOxideIsolation氧化层应用第十三页，共59页。LOCOSProcess氧化层应用第十四页，共59页。LOCOSComparewithblanketfieldoxide–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)所取代氧化层应用第十五页，共59页。栅氧化层Gateoxide:thinnestandmostcriticallayerCapacitordielectric氧化层应用第十六页，共59页。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氧化层应用第十七页，共59页。SiliconDioxideGrownonImproperly

CleanedSiliconSurface第十八页，共59页。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第十九页，共59页。氧化前圆片清洗颗粒有机粘污无机粘污本征氧化层第二十页，共59页。RCA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.第二十一页，共59页。Pre-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).第二十二页，共59页。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).第二十三页，共59页。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℃)第二十四页，共59页。Pre-oxidationWaferCleanNativeOxideRemovalHF:H2OImmersionindunktankorsinglewafervaporetcherfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)第二十五页，共59页。OxidationMechanismSi+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）第二十六页，共59页。OxideGrowthRateRegimeB/A为线性速率常数；B为抛物线速率常数第二十七页，共59页。<100>SiliconDryOxidation第二十八页，共59页。水汽氧化(SteamOxidation）Si+2H2O→SiO2+2H2AthightemperatureH2OisdissociatedtoHandH-OH-OdiffusesfasterinSiO2thanO2Steamoxidationhashighergrowthratethandryoxidation第二十九页，共59页。<100>SiliconWetOxidationRate第三十页，共59页。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第三十一页，共59页。氧化速率温度湿氧或干氧厚度压力圆片晶向(<100>或<111>)硅中杂质第三十二页，共59页。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。第三十三页，共59页。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原子密度高第三十四页，共59页。湿氧氧化速率第三十五页，共59页。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。第三十六页，共59页。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第三十七页，共59页。DepletionandPile-upEffects第三十八页，共59页。氧化速率与HCl掺杂氧化HClisusedtoreducemobileioncontaminationWidelyusedforgateoxidationprocessGrowthratecanincreasefrom1to5percent第三十九页，共59页。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第四十页，共59页。在干氧中的氧化速率第四十一页，共59页。在合成水汽中的氧化速率第四十二页，共59页。二氧化硅色谱第四十三页，共59页。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－扩散掩膜氧化层第四十四页，共59页。DryOxidationSystem第四十五页，共59页。氧化装置系统第四十六页，共59页。DryOxidationDryO2asthemainprocessgasHClisusedtoremovemobileionsforgateoxidationHighpurityN2asprocesspurgegasLowergradeN2asidlepurgegas第四十七页，共59页。DanglingBondsandInterfaceCharge第四十八页，共59页。WetOxidationProcessFaster,higherthroughputThickoxide,suchasLOCOSDryoxidehasbetterquality第四十九页，共59页。WaterVaporSourcesBoilerBubblerFlushPyrogenic第五十页，共59页。BoilerSystem第五十一页，共59页。BubblerSystem第五十二页，共59页。FlushSystem第五十三页，共59页。PyrogenicSteamSystem第五十四页，共59页。PyrogenicSystemAdvantage–Allgassystem–PreciselycontrolofflowrateDisadvantage–Introducingofflammable,explosivehydrogenTypicalH2:O2ratioisbetween1.8:1to1.9:1.第五十五页，共59页。RapidThermalOxidationForgateoxidationofdeepsub-microndeviceVerythinoxidefilm,<30ÅNeedverygoodcontroloftemperatureuniformityRTOwillbeusedtoac