第二章 热氧化.ppt

1、第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化 Thermal Oxidation,2.1 引言 2.2 SiO2的结构、性质及应用 2.3 热氧化生长动力学 2.4 热氧化方法 2.5 Si/SiO2界面特性 2.6 二氧化硅质量测量方法,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.1 引言,为什么硅是目前所有半导体材料中应用最为成功的材料？,Si有一系列的硅基材料：,SiO2: 绝缘材料； Si3N4：介质材料； 多晶硅：可以掺杂，导电； 硅化物：导电，作为接触和互连,SiO2生长容易，稳定，和Si具有理想的界面特性。这点对硅工艺贡献最大!,金属硅化物工艺在深亚微米集成电路工艺中已

2、被广泛采用，其目的是为了降低MOS元件在其源极和漏极的串联电阻。在不采用金属硅化物工艺的条件下，N+扩散区的阻值约为3040，但在金属硅化物工艺条件下其阻值降低到13,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化 Thermal Oxidation,2.1 引言 2.2 SiO2的结构, 性质及应用 2.3 热氧化生长动力学 2.4 热氧化方法 2.5 Si/SiO2界面特性 2.6 二氧化硅质量测量方法,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.2 SiO2的结构, 性质及应用,SiO2的结构 SiO2的基本性质 SiO2在集成电路中的应用,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理

3、,SiO2的结构,按结构特点分为 结晶型 (Crystallized):石英，水晶等 “长程有序” 非晶型（无定型amorphous） 由SiO四面体组成 四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子 四面体之间由Si-O-Si桥连接，该O原子称为桥联氧，仅和一个四面体（或硅）连接是非桥联氧,四面体(Tetrahedra) 桥联氧(Bridging Oxygen),第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,SiO44- tetrahedra,O-Si-O bond,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,杂质在SiO2处于Si-O四面体空隙的，称为网络调节者.取代硅原子的替代型杂质称为网络构成者，常见

4、的有硼，磷等会减少桥联和非桥联氧原子的比例，使氧化层在较低的温度下流动。,二氧化硅中的杂质,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,SiO2的基本性质,热氧化生长的SiO2是非晶的 熔点：1700C 重量密度：2.27g/cm3 原子密度：2.2E22 分子/cm3 折射率 (refractive index) n = 1.46 介电常数 (dielectric constant) 3.8,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,SiO2,Si,Amorphous SiO2（非晶）,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,SiO2的基本性质,良好的电绝缘介质 (Gate Oxide, Fiel

5、d Oxide) Resistivity 1020 ohmcm Energy Gap 9eV 高的击穿场强 (10MV/cm) 稳定的可重复的Si/SiO2界面特性 在Si表面的均匀的SiO2生长,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,对大多数杂质来说，SiO2是非常好的扩散掩膜,Si和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,SiO2在集成电路制造中的应用,Gate oxide and capacitor dielectric in MOS devices Isolation of individual devices (STI) Masking agai

6、nst implantation and diffusion Passivation of silicon surface,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,TEM image shows Gate Oxide with thickness of only 0.8nm in MOS structure,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,Shallow Trench Isolation (STI) 浅沟渠隔离,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,Masking against implantation and diffusion,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热

7、氧化,集成电路工 艺 原 理,SiO2在集成电路制造中的应用,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化 Thermal Oxidation,2.1 引言 2.2 SiO2的结构及性质及应用 2.3 热氧化生长动力学 2.4 热氧化方法 2.5 Si/SiO2界面特性 2.6 二氧化硅质量测量方法,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.3 热氧化生长动力学(Oxidation Growth Kinetics),氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅 SiO2生长动力学 Deal-Grove 模型 初始氧化阶段 影响氧化速率的原因 氧化时的杂质再分布,第二章 热氧化,集成电路工

8、艺 原 理,氧化反应方程式,这两种反应都在800C1200C之间进行 湿氧氧化比干氧氧化快10倍左右,Si(s) + O2(g) SiO2(s),Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g),干氧氧化 （Dry Oxidation),湿氧氧化 (Wet Oxidation),第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,Si + O2 = SiO2 氧分子以扩散方式通过SiO2， 到达Si-SiO2界面和硅反应，受氧分子 在SiO2中的扩散速率和界面处与硅的反应速率限制 氧化温度 8001200 C 结构致密、均匀性和重复性好,干氧氧化的氧化膜生长机理,第二章 热氧化,集成电路工

9、 艺 原 理,水汽氧化的氧化膜生长机理 2H2O + Si = SiO2 + 2H2 有两种过程 a)水分子在已生成的SiO2中扩散， 在Si-SiO2界面与Si原子反应 b)水分子先在Si表面反应生成硅烷醇(Si-OH)即非桥联羟基 H2O + Si-O-Si Si-OH + OH-Si 使SiO2网络削弱， 生成的硅烷醇,通过SiO2再扩散到达Si-SiO2界面与Si反应 Si-OH + Si-Si Si-O-Si + H2 Si-OH Si-O-Si 水汽氧化过程，SiO2不断受到削弱，所以水汽氧化速率较干氧 要快许多,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.3 氧化动力学,氧化反应

10、方程式 热氧化过程中消耗的硅 热氧化生长动力学 Deal-Grove 模型 初始氧化阶段 影响氧化速率的原因 氧化时的杂质再分布,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,热氧化过程中消耗的硅,厚度t0 x，面积为一平方厘 米的体内含SiO2的分子数 为NOx.t0 x,这数值应该与转 变为SiO2中的硅原子数 Nsi.tsi相等,Nsi.tsi NOx.t0 x,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,复习,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,图(a)（b)分别为基区扩散电阻的光刻版图和剖面图。请按照光刻顺序分

11、别画出每次光刻的图形，并说出其作用。,习题1,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,什么叫本征吸杂和非本征吸杂工艺？,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,本征吸杂 不需要外部加工，通过一些热处理过程(在惰性气体中）的一种自吸除技术,表面层的氧等杂质外扩散，形成“清洁区”,硅片体内氧沉积团的核化，,氧沉积团周围的应力场对硅片表面杂质和缺陷有吸除作用,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,非本征吸杂技术,硅片背面产生机械损伤，热处理后形成对金属等吸除陷阱,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,1. 热生长的SiO2的是何种晶体形态？ 2. 热生长的

12、SiO2的空间结构如何？ 3. SiO2在集成电路中有哪些应用（举出至少3个）， 这些应用是依赖于SiO2具有的何种性质？ 4. 氧化反应中反应界面在哪里？反应中消耗的硅如 何计算？,Review,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,桥联氧原子,非桥联氧原子,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,SiO2在集成电路制造中的应用,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.27 m SiO2,0.44m Si oxidized,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,起始氧化层厚度对硅片表面形貌(topography)的影响,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路

13、工 艺 原 理,氧化造成体积膨胀,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.3 氧化动力学,氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅 热氧化生长动力学 Deal-Grove 模型 初始氧化阶段 影响氧化速率的原因 氧化时的杂质再分布,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,SiO2生长动力学,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,DealGrove模型硅的热氧化模型,DealGrove模型（线性抛物线模型）(linear-parabolic model) 适用于： 氧化温度7001300oC； 局部压强0.125个大气压（2*104 1.01*105Pa ）； 氧化层厚度为302000nm的水

14、汽和干氧氧化,1965年DealGrove提出该模型,不适用非常薄的氧化层！,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,Deal-Grove Model,Cs Co,J: number/cm2sec,Gas/Oxide interface,CG:气相区氧化剂浓度； Cs:氧化物外表面氧化剂浓度； Co:氧化物内表面氧化剂浓度； Ci:氧化物生长界面氧化剂浓度,Oxide/silicon interface,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,J1:从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度,J2:从氧化物层扩散到Si/SiO2界面的氧 分子流密度,J3:通过Si/SiO2界面产生化学反应的氧 分

15、子流密度,(根据Fick第一定律),hg: 质量输运系数,DealGrove模型,Xsl 滞流层厚度 （气体通过固体时， 固体表面总是形成 滞流层）,Ks化学反应速率常数,j1,j2,j3,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,在平衡时，应有,联合上述式子，得到两个方程和三个未知的浓度：Cg，Co和Ci。求解生长速率还需要另外一个方程。这个方程是亨利定律，它说明平衡时溶解在固体中的物质的浓度和该物质在固体表面外的分压成正比。,Co = H Ps, H ( kT Cs ),式中，H 是亨利气体常数，并用理想气体定律代替Pg，这样就有三个方程和三个未知数， 经过一些运算可以得到,式中h为hg/

16、HkT,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,N1是指形成单位体积SiO2所需要的氧分子数,只要把界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数，就可得到生长速率。,N1 = 2.2 1022/cm3 当O2是氧化剂时 Si + O2 SiO2 N1 = 4.4 1022/cm3 当H2O是氧化剂时 Si + 2H2O SiO2 + 2H2 ,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,设t=0时，SiO2层厚度为X0，则微分方程的解可写为,这里h=hg/(HkT),有,A和B都是速率常数,A和B均和扩散系数成正比， 因此A和B和温度有指数关系,B/A这一比例去除了扩散系数， 它的激活能主要和KS有关,

17、X0,Xox,t,SiO2厚度与时间的普遍关系式,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,线性和抛物线速率常数,当生长的氧化层足够薄，(t+) A2/4B ,可忽略平方项，得到,当氧化层足够厚，t和tA2/4B, 则有,B/A称为线性速率常数，这一比例去 除了扩散系数，它的激活能主要和KS有关 反应速率控制Reaction rate controlled B称为抛物线速率常数, B均和扩散系数 成正比,和温度有指数关系 扩散控制 Diffusion controlled,两个极限情况！,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.3 氧化动力学,氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅 SiO2生

18、长动力学 Deal-Grove 模型 初始氧化阶段 影响氧化速率的原因 氧化时的杂质再分布,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,初始氧化阶段,自然氧化层的生长,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,当tOX300A,Deal-Grove模型估算的氧化层厚度要较实际情况厚,实际情况的生长速率要较模型快。,初始氧化阶段,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,硅（100）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系 氧化层厚度小于2530nm时，氧化速率比DG模型预计的大 虽然经过30多年的研究，初始氧化的机制仍然是激烈争论的问题,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.3 氧化动力学,氧化反应方

19、程式 热氧化过程中消耗的硅 SiO2生长动力学 Deal-Grove 模型 初始氧化阶段 影响氧化速率的原因 氧化时的杂质再分布,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,B和B/A与温度T的关系 压强、平衡浓度对氧化速率的影响 晶向对氧化速率的影响 掺杂对氧化速率的影响 掺氯对氧化速率的影响,影响氧化速率的原因,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,抛物线常数 Parabolic Constant B/A = 线性常数 Linear Constant,B和B/A与温度T的关系,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,B 抛物线速率常数，正比于扩散系数D B和温度呈指数关系 B0预指数常数(和

20、HPg和N1有关) Ea激活能，即O2或H2O要通过SiO2扩散所需的激活能 K玻尔兹曼常数 T绝对温度 Ea = 1.24 eV (干氧) Ea = 0.71 eV (湿氧),B和B/A与温度T的关系,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,B/A 线性速率常数 估计 h 103 Ks 上式近似为 Ea为打开Si-Si键所需激活能， B/A不受到氧化剂多少限制， 仅取决于Si/SiO2界面的化 学反应,Ea = 2.0 eV (干氧) Ea = 1.96 eV (湿氧),第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,影响氧化速率的原因,B和B/A与温度T的关系 压强、平衡浓度对氧化速率的影响 晶向

21、对氧化速率的影响 掺杂对氧化速率的影响 掺氯对氧化速率的影响,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,B、B/A与氧化剂分压的关系 亨利定律 所以B、B/A和压强正比 J2和B均正比于平衡浓度 在1000C下的氧化 氧在SiO2中的Co值为5.21016 cm-3 水在SiO2中的Co值为3.01019 cm-3 所以湿氧氧化速率比干氧快 (同时 D湿D干) B/A也与Co有关 湿氧氧化的线性速率常数大于干氧氧化的线性速率常数,Co = H Pg,Co氧化物内表面氧化剂浓度,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧化温度可以降低 如果在同样温度下生长一个

22、给定的氧化层厚度，增加气压，则氧化时间可以降低。,B, B/A 和压强成正比,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,B和B/A与温度T的关系 压强、平衡浓度对氧化速率的影响 晶向对氧化速率的影响 掺杂对氧化速率的影响 掺氯对氧化速率的影响,影响氧化速率的原因,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,衬底取向对氧化速率影响的原因,硅原子密度 71014/cm2,硅原子密度 8 1014/cm2 更多的键可以参加反应,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,晶向对氧化速率的影响,化学反应速率常数Ks与晶向有关。因此线性速率常数B/A与晶向有关。在适当温度(111)晶向硅的B/A为(100)硅的1

23、.68倍。 抛物线速率常数B与晶向无关。 高温长时间氧化，抛物线速率常数B起主要作用，晶向影响减弱。,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,抛物线速率常数B与晶向无关。 高温长时间氧化，抛物线速率常数B起主要作用，晶向影响减弱。 化学反应速率常数Ks与晶向有关。因此线性速率常数B/A与晶向有关。在适当温度(111)晶向硅的B/A为(100)硅的1.68倍。,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,影响氧化速率的原因,B和B/A与温度T的关系 压强、平衡浓度对氧化速率的影响 晶向对氧化速率的影响 掺杂对氧化速率的影响 掺氯对氧化速率的影响,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,掺杂对氧化速率

24、的影响,900C时干氧氧化速率随表面P浓度的变化。反应速率限制情况。,对反应速率限制，B/A起主要作用，氧化速率取决与硅表面的掺杂浓度 对扩散速率限制，B起主要作用，对重掺杂硅的氧化速率取决于SiO2中的杂质浓度。,水汽、钠掺杂的影响看书,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,影响氧化速率的原因,B和B/A与温度T的关系 压强、平衡浓度对氧化速率的影响 晶向对氧化速率的影响 掺杂对氧化速率的影响 掺氯对氧化速率的影响,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,掺氯对氧化速率的影响,干氧加少量（15）卤素（最常用是氯）是常用的一种氧化气氛，会增加氧化速率,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,

25、掺氯对氧化速率的影响,掺氯能增加B/A和B Si-O键能4.25eV, Si-Cl键能0.5eV, Cl2先与Si反应生成氯硅化合物，然后再与氧反应生成SiO2，起催化作用 会产生H2O 增加 氧化速率 4HCl+O22H2O+2Cl2,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,大多数重金属原子与氯反应生成挥发性的金属氯化物 氯有清洗环境气体和制备优质氧化层的功能 improve oxide properties * Reduction of the mobile ions * Gettering of metallics * Lifetime enhancement * Improve SiO

26、2breakdown strength * Reduction in interface & fixed charge density * Suppression of oxidation-induced stacking faults,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.3 氧化反应,氧化反应方程式 热氧化过程中消耗的硅 SiO2生长动力学 Deal-Grove 模型 影响氧化速率的原因 薄氧化层的生长 氧化时的杂质再分布,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,掺有杂质的硅在热氧化过程中，靠近界面的硅中杂质，将在界面两边的硅和二氧化硅中发生再分布。其决定因素有： 杂质的分凝现象 杂

27、质通过SiO2表面逸散 氧化速率的快慢 杂质在SiO2中的扩散速度,热氧化时杂质在界面上的再分布,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,热氧化时杂质在界面上的再分布,杂质在Si和SiO2中的溶解度不同，扩散系数不同，热氧化时，杂质在SiO2Si两边要重新分布，这种规律由分凝系数(Segregation Coefficient)来描述,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,m1,杂质在氧化物中扩散慢。例如 P, As, Sb杂质在硅界面处堆积 m1,杂质在氧化物中扩散快。例如Ga,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,各种类型氧化中，硼的分凝系数和温度依赖关系,第二章 热氧化,集成电路工

28、艺 原 理, 图中说明，硼被分凝到SiO2中，SiO2网络结构强度变弱， 氧化剂扩散系数增加，氧化速率增加。,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理, 铝、镓、铟 杂质分凝到氧化膜中，又扩散掉，故影响不大。 在掺磷情况，大部分磷跑到硅表面，因此在低温(920C)短 时间氧化，是反应速率限制情况，氧化速率强烈依赖于掺杂浓度。 相反，在高温长时间氧化， 掺杂影响不大。,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,Review,影响氧化速率的原因有那些？ 氧化速率和压强有什么样的关系 哪一种晶向的Si氧化速率最快，为什么？ 对于非常薄的氧化层，应用Deal-Grove模型计算厚度和实际厚度有何不同？ 掺

29、氯氧化工艺对提高氧化膜质量有哪些作用？,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,线性和抛物线速率常数,当生长的氧化层足够薄，(t+) A2/4B ,可忽略平方项，得到,当氧化层足够厚，t和tA2/4B, 则有,B/A称为线性速率常数， Reaction rate controlled B称为抛物线速率常数 Diffusion controlled,两个极限情况！,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化 Thermal Oxidation,2.1 引言 2.2 SiO2的结构及性质及应用 2.3 氧化反应 2.4 热氧化方法 2.5 Si/SiO2界面特性 2.6 二氧化硅质量测

30、量方法,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理, 2.4热氧化方法,常规热氧化 掺氯氧化 氢氧合成氧化 高压氧化,Horizontal furnace（水平炉）,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,热氧化方法,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2 掺氯氧化,氯源 3% HCl, 三氯乙烯(C2HCl3)简称TCE,三氯乙烷(TCA),三氯甲烷,Cl2, NH4Cl, CCl4 方法 最好瓶装HCl气体,使用方便,浓度容易控制,渗透法 二步TCE或TCA法, 850C 干氧 850C TCE 或 TCA氧化

31、 1050C TCE或TCA氧化 1050C N2中退火,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,3.氢氧合成氧化 2H2 + O2 = 2H2O, 生成的水纯度高.氧需过量,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,4. 高压氧化：一种快速低温的氧化方法 C*和氧化剂（例如水汽）分压成正比，则： B和/A也和氧化剂分压成正比 每增加一个大气压氧化速率增加一倍。 如速率不变，则每增加一个大气压，温度下降30C 但在VLSI工艺中，尚未广泛使用，原因： 1）安全问题，一般设备25大气压 2）设备占地太大，生产产量小 3）厚度不均匀,Co = H Pg,第二章

32、 热氧化,集成电路工 艺 原 理,生长超薄(10nm)氧化物的方法,RTO (rapid thermal oxidation,快速热氧化) 单晶片过程 (Single wafer process) 快速升温过程 (fast ramp) (100C/sec),第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化 Thermal Oxidation,2.1 引言 2.2 SiO2的结构及性质及应用 2.3 氧化反应 2.4 热氧化方法 2.5 Si/SiO2界面特性 2.6 二

33、氧化硅质量测量方法,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.5 Si/SiO2界面特性,在SiO2内或Si/SiO2界面 存在各种电荷和缺陷。 这些电荷和缺陷对器件 特性影响很大。,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.5 Si/SiO2界面特性,1.可动离子电荷Qm(Mobile ionic charge) 2. 界面陷阱电荷(Qit)(Interface trapped charge) 3. 氧化层固定电荷(Qf)(Fixed Oxide Charge) 4. 氧化层陷阱电荷(Qot)Oxide trapped charge,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,1 可动离子电

34、荷Qm,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,位置：可以在氧化层中任意地方。开始位于栅（金属或多晶硅）/SiO2界面，如在正偏或加温(BT)情况，Qm将向Si/SiO2界面移动 来源：金属化(Metallization)及别的污染 碱金属离子(Na+, K+)沾污引起 会引起MOS器件阈值电压Vt的变化。,1 可动离子电荷Qm,Not so important today!,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,减少Qm必须减少Na+的沾污 Na的来源： 1) 栅或接触金属 2）氧化和退火过程及气体 3）扩散炉，氧化管 4）光刻胶的烘陪过程 5）清洗硅片的化学试剂 6）器件存贮过程中也会引

35、入Na+,减少Qm的具体方法 1）清洗石英管O2-HCl气体1150C/2h 2)采用掺氯氧化， 3)用磷硅玻璃PSG(phosphosilicate glass ) 4）Si3N4作为最后钝化层.,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.界面陷阱电荷(Interface trapped Charge)Qit,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.界面陷阱电荷(Interface trapped Charge)Qit,位置: Si/SiO2 界面 本质: 在衬底硅指向氧化层的Si表面的悬挂键(Dangling Bond) 电荷：可能是正，负或者中性；可以和Si交换电荷，电荷态依赖于偏

36、压。密度109-1011cm-2eV-1,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,硅表面存在未配对的 悬空电子，硅氧化后， 悬空键密度大大降低， 但仍然存在少量悬空键,第三章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,可以和Si交换电荷， 可能是正，负或者中性,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,界面态分布在硅的 禁带之中，呈U字形。 靠近导带的态是受主 态，接收电子带负电 靠近价带的态是施主 态，给出电子带正电,位于禁带中央的 界面态密度更重要， 它将增加器件表面复合， 晶体管放大系数下降， MOS管跨导降低,界面陷阱密度随能量的变化关系,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,Qit和下列因素有

37、关：氧化温度，氧化气氛(湿氧、干氧），压力，晶向 Qit和干氧氧化温度的关系1）Qit随温度升高而降低；2）(100)比(111)低 MOS器件一般用（100）晶向材料 降低Qit的方法1）低温合金化退火（the low temperature post-metallization anneal)PMA例：在H2气或H2N2(Forming Gas)或氩气中350500C退火30分钟。 退火前，Qit约1011cm-2eV-1 退火后，Qit约1010cm-2eV-1 - 可应用,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,3 氧化层固定电荷Qf,第三章 热

38、氧化,集成电路工 艺 原 理,Qf 过剩的Si原子，固定正电荷,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,位置：靠近界面3.0nm范围，存在一些位置相对 固定的正表面电荷。SiO2中过剩硅原子是 固定氧化物电荷的来源。 电荷：正电荷。电荷密度：109-1011cm-2 Qf和下面一些因素有关： 不完全氧化的Si原子 氧化物气氛(H2O或O2)，氧化温度，硅晶向，降温速率，降温时的气氛，退火处理热过程。 Qf和温度关系：温度升高，Qf下降。 降温速率越快，Qf值越低，但硅片直径大于100mm的硅片不宜降温太快。,3 氧化层固定电荷Qf,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化,集成电

39、路工 艺 原 理,Deal 三角关系(Deal Triangle),斜边代表了Qf和温度的关系 温度越高，Qf降低,垂直边表示氧化温度不变，只要改变气氛(N2或Ar)会使Qf大大降低,水平边表示在惰性气体中的降温过程,Qf和氧化温度和条件的关系,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,4 氧化物陷阱电荷Qot,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,4 氧化物陷阱电荷Qot 位置：位于SiO2或界面附近，如Y射线能进入SiO2，产生电子、空穴对，并被氧化层中的缺陷俘获。 来源: 氧化层中一些断裂的Si-O键(broken Si-O bonds 电离辐照(ionization radiation

40、) VLSI工艺过程引入: 如电子束蒸发、溅射、等离子体刻蚀、电子束或X射线光刻、离子注入。 Effect: 这些陷阱会捕获空穴或电子，在器件工作时会注入到氧化层中。 可通过在H2或惰性气体中150-400C退火消除。,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,第二章 热氧化 Thermal Oxidation,2.1 引言 2.2 SiO2的结构及性质及应用 2.3 氧化反应 2.4 热氧化方法 2.5 Si/SiO2界面特性 2.6 二氧化硅质量测量方法,第二章 热氧化,集成电路工 艺 原 理,2.6 二氧化硅质量的检验,一、氧化膜的缺陷检查 1.氧化膜针孔的检测 PAV（苯二酚已二胺水腐蚀法） 阳极氧化法 氯气腐蚀法 MOS 二极管法 2. 氧化层错的检测（Oxidation induce stacking faults),第二章 热氧化,