集成电路工艺基之氧化

集成电路工艺基之氧化第1页，共73页，2023年，2月20日，星期四二氧化硅是上帝赐给IC的材料。第2页，共73页，2023年，2月20日，星期四Introduction硅易氧化几个原子层厚，1nm左右氧化膜化学性质稳定，绝缘性好SiO2的存在形态晶体：石英、水晶等石英砂，主要成分为SiO2，为制备硅原料的核心材料非晶体：玻璃等（热氧化方法制备的SiO2）第3页，共73页，2023年，2月20日，星期四在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，作为器件的组成部分作为集成电路的隔离介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层SiO2的作用SiO2的制备+光刻+扩散硅平面工艺返回第4页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.1.1SiO2的结构无论是结晶形还是无定形SiO2，都是以Si为中心，Si-O原子组成的正四面体，其中O－Si－O键桥的键角为109.5º，是固定的。2.1SiO2的结构及性质第5页，共73页，2023年，2月20日，星期四结晶形SiO2的结构结晶形SiO2是由Si-O四面体在空间规则排列所构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个Si-O四面体中心的硅形成共价键，氧原子的化合价也被满足。第6页，共73页，2023年，2月20日，星期四无定形SiO2的结构AmorphousSiO2中Si-O-Si键角为110º~180º桥键氧：与两个相邻的Si-O四面体中心的硅原子形成共价键的氧非桥键氧：只与一个Si-O四面体中心的硅原子形成共价键的氧非桥键氧越多，无定型的程度越大，无序程度越大，密度越小，折射率越小………无定形SiO2的强度：桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数结晶态和无定形态区分——非桥联氧是否存在第7页，共73页，2023年，2月20日，星期四SiO2结构在制备工艺中的应用硅要运动，打破四个O—Si键氧要运动，打破两个O—Si键，对非桥键氧，只需打破一个O—Si键故氧的运动同硅相比更容易，氧的扩散系数比硅的大几个数量级氧化时，是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2层，到达Si-

SiO2界面，与硅反应，而非硅向外表面运动，在表面与氧化剂反应生成SiO2。第8页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.1.2SiO2的主要性质（1）密度：表征致密程度结晶形：2.65g/cm3非结晶形：2.15~2.25g/cm3折射率：表征光学性质密度较大的SiO2具有较大的折射率波长为5500A左右时，SiO2的折射率约为1.46电阻率：与制备方法及所含杂质数量等因素有关，高温干氧氧化制备的电阻率达1016Ω·cm第9页，共73页，2023年，2月20日，星期四介电强度：单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿电压大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关一般为106~107V/cm（10－1~1V/nm）介电常数:表征电容性能SiO2的相对介电常数为3.9SiO2的主要性质（2）第10页，共73页，2023年，2月20日，星期四腐蚀：化学性质非常稳定，只与氢氟酸发生反应还可与强碱缓慢反应薄膜应力为压应力SiO2的主要性质（3）返回第11页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.2SiO2的掩蔽作用2.2.1杂质在SiO2中的存在形式第12页，共73页，2023年，2月20日，星期四杂质在SiO2中的存在形式网络形成者：可以替代SiO2网络中硅的杂质，即能代替Si－O四面体中心的硅、并能与氧形成网络的杂质特点是离子半径与Si原子相近或者更小三价网络形成者(如B)增加非桥键氧数目，降低SiO2强度五价网络形成者(如P)减少非桥键氧数目，增加SiO2强度第13页，共73页，2023年，2月20日，星期四杂质在SiO2中的存在形式网络改变者：存在于SiO2网络间隙中的杂质特点：离子半径大，多以氧化物形式进入SiO2后离化，增加非桥键氧浓度，降低SiO2强度，易运动，破坏电路的稳定性和可靠性。Na、K、Pb、Ba水汽的行为类似于网络改变者第14页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.2.2杂质在SiO2中的扩散系数（1）∆E为杂质在SiO2中的扩散激活能，Do为表观扩散系数选择扩散（在集成电路中的重要应用）在相同的条件下，一些杂质在SiO2中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度，即SiO2对某些杂质起掩蔽作用。掩蔽是相对的，杂质在SiO2的扩散系数：第15页，共73页，2023年，2月20日，星期四杂质在SiO2中的扩散系数（2）杂质在SiO2中的扩散系数B、P、As等常用杂质的扩散系数小，SiO2对这类杂质可以起掩蔽作用Ga、某些碱金属（Na）的扩散系数大，SiO2对这类杂质就起不到掩蔽作用Na离子在SiO2中的扩散系数和迁移率都非常大Na离子来源非常丰富Na离子玷污是造成双极器件和MOS器件性能不稳定的重要原因之一第16页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.2.3掩蔽层厚度的确定（1）有效掩蔽条件杂质的SiO2有一定厚度掺杂杂质B、P、As等常用杂质在SiO2中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数B、P、As的杂质源制备容易、纯度高，操作方便第17页，共73页，2023年，2月20日，星期四掩蔽层厚度的确定（2）掩蔽层厚度的确定杂质在SiO2表面的浓度为在Si-SiO2界面浓度的1000倍时的SiO2的厚度为最小厚度对恒定源(余误差），浓度为C(x)所对应的深度表达式为：对有限源（高斯分布），A随时间变化其中：得到：第18页，共73页，2023年，2月20日，星期四图2.5各种温度下能掩蔽磷和硼所需SiO2厚度与杂质在硅中达到扩散深度所需时间的关系第19页，共73页，2023年，2月20日，星期四SiO2掩蔽P的扩散过程返回第20页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.3硅的热氧化生长动力学CVD（化学气相淀积）PVD（物理气相淀积）热氧化：硅与氧或水汽等氧化剂，在高温下经化学反应生成SiO2——有什么特点？？热氧化生成的SiO2掩蔽能力最强质量最好，重复性和稳定性好降低表面悬挂键从而使表面态密度减小，且能很好的控制界面陷阱和固定电荷2.3.1硅的热氧化第21页，共73页，2023年，2月20日，星期四每生长一单位厚度的SiO2，将消耗约0.44单位厚度的硅（台阶覆盖性）SiO2中所含Si的原子密度CSiO2=2.2×1022/cm3Si晶体中的原子密度CSi=5.0×1022/cm3硅的热氧化生长（1）第22页，共73页，2023年，2月20日，星期四厚度为，面积为一平方厘米的SiO2体内所含的Si原子数为，而这个数值应该与转变为SiO2中的硅原子数相等，即得到：硅的热氧化生长（2）第23页，共73页，2023年，2月20日，星期四热氧化法干氧氧化水汽氧化湿氧氧化氢氧合成氧化（LSI和VLSI的理想氧化技术）掺氯氧化（为减小SiO2中的Na+玷污）第24页，共73页，2023年，2月20日，星期四干氧氧化干氧氧化氧化剂：干燥氧气反应温度：900~1200℃干氧氧化制备的SiO2的特点结构致密、干燥、均匀性和重复性好与光刻胶粘附性好，掩蔽能力强。生长速度非常慢干氧氧化的应用MOS晶体管的栅氧化层第25页，共73页，2023年，2月20日，星期四干氧氧化第26页，共73页，2023年，2月20日，星期四Si表面无SiO2，则氧化剂与Si反应，生成SiO2，生长速率由表面化学反应的快慢决定。生成一定厚度的SiO2层，氧化剂必须以扩散方式运动到Si-SiO2界面，再与硅反应生成SiO2，即生长速率为扩散控制。干氧氧化时，厚度超过40Å湿氧氧化时，厚度超过1000Å则生长过程由表面化学反应控制转为扩散控制第27页，共73页，2023年，2月20日，星期四水汽氧化第28页，共73页，2023年，2月20日，星期四湿氧氧化反应条件氧化剂：高纯水（95℃左右）+氧气特点：生长速率较高SiO2结构略粗糙第29页，共73页，2023年，2月20日，星期四进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图第30页，共73页，2023年，2月20日，星期四热氧化法三种氧化法比较干氧氧化结构致密但氧化速率极低湿氧氧化氧化速率高但结构略粗糙，制备厚二氧化硅薄膜水汽氧化结构粗糙---不可取实际生产：干氧氧化+湿氧氧化+干氧氧化5分钟+（视厚度而定）+5分钟常规三步热氧化模式既保证了SiO2表面和界面的质量，又解决了生长速率问题第31页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.3.2热氧化生长动力学（1）生长过程：第32页，共73页，2023年，2月20日，星期四D-G模型的使用范围D-G模型对温度在700-1300℃范围内，压力从2×104Pa到1.01×105Pa，氧化层厚度在300-20000A之间的氧气氧化和水汽氧化都是适用的。薄氧化层的生长模型？第33页，共73页，2023年，2月20日，星期四菲克第一定律根据稳态条件：hg是质量输运系数ks为氧化剂与Si反应的化学反应常数热氧化生长动力学（2）第34页，共73页，2023年，2月20日，星期四当氧化剂在SiO2中的扩散系数DSiO2

﹤﹤

ksxo则Ci~0，Co

~

C*，氧化为扩散控制当氧化剂在SiO2中的扩散系数DSiO2很大，则Ci=Co=

C*/（1+ks/h），氧化为反应控制热氧化生长动力学（3）第35页，共73页，2023年，2月20日，星期四SiO2不断生长，界面处的Si也就不断转化为SiO2中的成份，因此表面处的流密度：热氧化生长速率（1）其中：N1为每生长一个单位体积SiO2所需要氧化剂的分子个数。在氧化膜中有2.2×1022个SiO2分子/cm3，在进行氧化时，要获得一个SiO2分子，在干氧环境中需要一个氧分子，在水汽环境中需要两个水分子）第36页，共73页，2023年，2月20日，星期四热氧化生长速率（2）解关系式（6）得：微分方程（5）的解给出了SiO2的生长厚度与时间的普遍关系式（6）：（6）其中：第37页，共73页，2023年，2月20日，星期四SiO2生长快慢将由氧化剂在SiO2中的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个因素所决定：当氧化时间很长(Thickoxide)，即t>>τ和t>>A2/4B时，则SiO2的厚度和时间的关系简化为：（抛物型规律，扩散控制）热氧化生长速率（3）第38页，共73页，2023年，2月20日，星期四当氧化时间很短(thinoxide)，即（t+τ）<<A2/4B时，则SiO2的厚度和时间的关系简化为

（线性规律，反应控制）B/A为线性速率常数；B为抛物型速率常数热氧化生长速率（4）返回第39页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.4决定氧化速率常数的因素氧化剂分压氧化温度第40页，共73页，2023年，2月20日，星期四氧化剂分压pg通过C*对B产生影响，B与pg成正比关系出现高压氧化和低压氧化来控制氧化速率决定氧化速率常数的因素（1）第41页，共73页，2023年，2月20日，星期四决定氧化速率常数的因素（2）氧化温度温度对抛物型速率常数B的影响是通过影响氧化剂在SiO2中的扩散系数DSiO2

产生的温度对线性速率常数B/A的影响是通过影响化学反应常数ks产生的第42页，共73页，2023年，2月20日，星期四温度对B及B/A的影响图2.13温度对B的影响图2.14温度对B/A的影响第43页，共73页，2023年，2月20日，星期四影响氧化速率的因素硅表面晶向杂质第44页，共73页，2023年，2月20日，星期四影响氧化速率的因素（1）硅表面晶向对氧化速率的影响线性速率常数B/A受硅的晶向影响表达式：不同晶向所对应的晶面硅原子的密度不同，表面化学反应速率（ks)是与硅表面的原子密度，即表面的价键密度有关(111)面上的硅原子密度比(100)面上大，因此，(111)面上的线性速率常数大于(100)面上的线性速率常数第45页，共73页，2023年，2月20日，星期四影响氧化速率的因素（1）硅表面晶向对氧化速率的影响抛物型速率常数B与硅的晶向无关B的关系式氧化剂压力pg一定时，B的大小只与氧化剂在SiO2中的扩散能力有关参考P37表2-1水汽压力为85KPa时的氧化速率常数图2.15氧化层厚度与氧化时间的关系第46页，共73页，2023年，2月20日，星期四影响氧化速率的因素（2）杂质对氧化速度的影响掺有高浓度杂质的硅，其氧化速率明显变大B增大抛物型速率常数，对线性速率常数无明显影响m<1,慢扩散增加SiO2非桥键氧的数目，降低SiO2强度，因此增大抛物型速率常数。P线性氧化速率常数明显增大m>1,慢扩散，分凝到SiO2中的杂质量少，对抛物型速率常数影响不大，因大部分杂质集中在靠近硅表面的硅中，因而使线性氧化速率常数明显变大。第47页，共73页，2023年，2月20日，星期四杂质对氧化速度的影响水汽（极少量的水汽就会极大增大氧化速率）水汽含量<1×10-6时，氧化700分钟，SiO2约为300Å水汽含量25×10-6时，氧化700分钟，SiO2约为370Å钠以氧化物形式进入，离化后增加非桥键氧数，线性和抛物型氧化速率明显增大影响氧化速率的因素（2）第48页，共73页，2023年，2月20日，星期四杂质对氧化速度的影响氯（O2＋TCA/HCL/TCE）钝化可动离子，尤其是钠离子，生成可挥发的金属氯化物改善Si-SiO2界面特性——氯进入Si-SiO2界面，界面态密度减小，表面固定电荷密度减小提高氧化速率10～15％抑制层错TCA（三氯乙烷）在高温下形成光气（COCl2），是一种剧毒物质；TCE（三氯乙烯）可能致癌；HCL腐蚀性极强影响氧化速率的因素（2）返回第49页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.5热氧化过程中的杂质再分布（1）分凝系数定义：掺有杂质的硅在热氧化过程中，在Si-SiO2界面上的平衡杂质浓度之比公式：常用杂质的分凝系数P、As约为10B0.1-12.5.1杂质的再分布第50页，共73页，2023年，2月20日，星期四当m

<1，在SiO2中是慢扩散的杂质，即在分凝过程中杂质通过SiO2表面损失的很少，再分布之后靠近界面处的SiO2中杂质浓度比硅中高。硅表面附近的浓度下降。（中性和氧化气氛中的B）当m

<1，在SiO2中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质通过SiO2表面损失的厉害，使SiO2中杂质浓度比较低，硅表面的杂质浓度几乎降到零。（H2气氛中的B）热氧化过程中的杂质再分布（2）氧化层提取杂质（m<1)第51页，共73页，2023年，2月20日，星期四当m

>1，在SiO2中是慢扩散的杂质，再分布之后硅表面的浓度升高。（P、As）当m

>1，在SiO2中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质通过SiO2表面损失的厉害，最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要低。（Ga）热氧化过程中的杂质再分布（3）氧化层排出杂质（m>1)第52页，共73页，2023年，2月20日，星期四M=1，而且也没有杂质从SiO2表面逸散的情况？Si表面杂质浓度同样降低。这是因为一个体积的Si氧化之后变成两个体积的SiO2而界面两边具有相等的杂质浓度，故杂质必定从高浓度硅中向低浓度SiO2中扩散。即硅中消耗杂质，以补偿SiO2体积增加所需要的杂质热氧化过程中的杂质再分布（4）第53页，共73页，2023年，2月20日，星期四磷

m=10在相同温度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度增大，即水汽氧化Cs/CB值比干氧氧化大在同一氧化气氛中，温度越高，磷向硅内扩散速度就越快，减小了在表面的堆积。即Cs/CB下降。2.5.2再分布对硅表面杂质浓度的影响（1）第54页，共73页，2023年，2月20日，星期四硼m=0.3在相同温度下，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度增大，即水汽氧化Cs/CB值比干氧氧化小在同一氧化气氛中，Cs/CB随温度的升高而变大。因为温度升高扩散速度升高，从而加快补偿硅表面杂质的损耗。再分布对硅表面杂质浓度的影响（2）第55页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.6初始氧化阶段以及薄氧化层的生长（1）快速初始氧化阶段700℃，干氧氧化第56页，共73页，2023年，2月20日，星期四初始氧化阶段的氧化机制机制不清，但有经验公式；实际生产时，可以生长出厚度为3nm的高质量的栅氧化层猜想模型2.6初始氧化阶段以及薄氧化层的生长（2）第57页，共73页，2023年，2月20日，星期四Massoud的实验结果：图2.27硅的（100）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系第58页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.6.2薄氧化层的制备1、预氧化清洗2、工艺与栅氧化硅质量的关系3、用化学方法改进栅氧化层4、CVD和叠层氧化硅第59页，共73页，2023年，2月20日，星期四2.7Si-SiO2界面特性Si-SiO2界面电荷类型：可动离子电荷界面陷阱电荷氧化层固定电荷氧化层陷阱电荷Si-SiO2界面不是绝对的断然的分开，而是存在一个10A左右的过渡层，在过渡层中x的配比在1-2之间，是非理想的。第60页，共73页，2023年，2月20日，星期四可动离子电荷Qm（1）存在形式网络改变者(荷正电的碱金属离子，主要是钠)主要来源于化学试剂、玻璃器皿、炉管、石英舟、人体玷污等。危害：在电场作用下显著漂移，引起MOS晶体管的阈值电压不稳定分布的不均匀性引起局部电场的加速，从而引起MOS晶体管栅极的局部低击穿。第61页，共73页，2023年，2月20日，星期四预防措施含氯的氧化工艺用氯周期性的清洗管道、炉管和相关容器使用超纯净的化学物质保证气体及气体传输过程的清洁用BPSG和PSG玻璃钝化可动离子用等离子淀积Si3N4来封闭已经完成的器件可动离子电荷Qm（2）第62页，共73页，2023年，2月20日，星期四界面陷阱电荷Qit（1）定义存在于Si-SiO2界面（距硅界面3-5A以内），能量处于硅禁带中的电子态。类型高于禁带中心能级的界面态，可以得到电子，起受主作用低于能带中间能级的界面态可以失去电子，起施主作用第63页，共73页，2023年，2月20日，星期四危害：使阈值电压漂移大量的界面态电荷会显著降低晶体管沟道迁移率（金属化后退火（PMA），减少界面态）使MOS电容的C-V曲线发生畸变成为有效的复合中心，导致漏电流的增加界面态密度与衬底晶向、氧化层生长条件、和退火条件有关。(111)晶向界面态密度最大→(100)晶向低温惰性气体退火（90%N2+10%H2），用H2来饱和悬挂键，可降低界面态密度界面陷阱电荷Qit（2）第64页，共73页，2023年，2月20日，星期四解释界面态的物理机制悬挂键硅原子周期排列中断，存在悬挂键，当硅氧化为SiO2时，悬挂键大部分与氧结合，使Si-SiO2界面悬挂键密度减小。但仍存在少量的悬挂键，这些悬挂键上有一个未配对的电子，可以得失电子而表现为界面态。在过渡区中，硅原子的氧化状态很不相同，没有完全氧化的硅原子，即所谓的三价硅也是界面态的主要来源荷电中心存在界面附近的化学杂质界面陷阱电荷Qit（3）第65页，共73页，2023年，2月20日，星期四氧化层固定电荷Qf（1）简介通常由Si-SiO2之间过渡区的结构改变引起一般为正电荷，在外电场的作用下，不会移动机理过剩硅离子模型危害影响阈值电压（对NMOS、PMOS的影响？）减小沟道载流子迁移率（固定正电荷对载流子的散射）第66页，共73页，2023年，2月20日，星期四特征：固定正电荷密度与氧化层厚度、硅衬底掺杂类型和浓度关系不大，但与氧化层生长条件关系密切。不同晶向硅材料的Qf密度有如下关系Qf（111）>Qf（110）>Qf（100）解决措施：适当选择氧化、退火条件和衬底晶向，降低氧化时氧气的分压，采用含氯氧化工艺氧化层固定电荷Qf（2）第67页，共73页，2023年，2月20日，星期四氧化层陷阱电荷Qot（1）氧化层中的缺陷：在SiO2层中，存在一些电子和空穴陷阱，它们与杂质和缺陷有关。危害：严重影响器件的可靠性第68页，共73页，2023年，2月20日，星期四产生方式：由于x射线或γ射线的辐射、或是在氧化层中发生了雪崩击穿，将打破Si-O-Si键，在SiO2层中产生电子-空穴对，如果氧化层中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净电荷，氧化层中存在电场时，由于电子可以在SiO2中移动，可以移动到电极上，而空穴在SiO2