第04章 硅的氧化ppt课件.ppt

,微电子工艺第四章 硅的氧化,第一章 引言第二章 晶体生长第三章 工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗第四章 硅的氧化第五章 光刻第六章 刻蚀第七章 扩散第八章 离子注入第九章 薄膜淀积第十章 工艺集成 第十一章 集成电路制造,硅片制造厂的氧化扩散区,氧化膜,自然氧化膜氧化膜的用途掺杂工艺中的扩散和注入掩蔽层场区隔离（避免产生寄生器件）栅氧化层（作为MOS器件结构的一部分）垫氧化层（作为氮化硅与硅之间的介质，减小应力差）金属层之间的隔离介质层器件的保护层（表面钝化，避免划伤和沾污）,氧化硅的应用:自然氧化层,氧化硅的应用:掺杂阻挡层,氧化硅的应用:注入屏蔽氧化层,氧化硅的应用:场氧化层,氧化硅的应用:栅氧化,Purpose:用作 MOS 晶体管栅和源漏之间的介质,Comments:通常栅氧化膜厚度从大约30 到 500.干法氧化是优选的生长方法。,氧化硅的应用:垫氧化层,氧化硅的应用:金属间绝缘阻挡层,各种要求下的氧化层厚度范围,SiO2的结构,按结构特点分为结晶型(crystalline)：石英，水晶等非晶型（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连接 与两个硅连接的氧原子称为桥键氧或氧桥,结构,水晶,二氧化硅,含杂质的SiO2结构,热氧化生长,关于氧化的化学反应干氧氧化水汽氧化湿氧氧化氧化生长模式氧化硅表面氯化物在氧化中的应用氧化的生长速率影响氧化的因素初始生长阶段选择性氧化局部氧化LOCOS浅槽隔离STI,氧化反应方程式（Overall reaction）,这两种反应都在700 C1200 C之间进行水汽氧化比干氧氧化反应速率约高10倍,Si(s)+O2(g)SiO2(s),Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g),干氧氧化（Dry oxidation),水汽氧化（Steam oxidation）,湿氧（Wet）氧化,水汽法氧化,在氧化中硅的消耗,穿过氧化层的氧扩散,DealGrove模型硅的热氧化模型,DealGrove模型（线性抛物线模型）适用于：氧化温度7001200 oC；压强0.125个大气压；氧化层厚度为202000 nm的水汽和干法氧化,Deal-Grove 模型,F1：气体输运流量,F2：通过SiO2的扩散流量,F3：在界面处的反应流量,F:number/(cm2-s)C：number/cm3,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,F1：从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度,hg：质量输运系数，cm/sC：气流浓度，分子数/cm3F：气流密度，分子数/(cm2-s),可求得,令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，则,1、理想气体方程：PSVNkT，所以,2、亨利定律：固体中溶解的气体物质的平衡浓度与固体表面 该处气体物质的压强成正比：,CSN/V=PS/kT,F3：通过Si/SiO2界面产生化学反应的氧分子流密度,ks：界面反应 速率，cm/s,F2：从氧化物层表面扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度,根据费克Fick第一定律，有,假设：稳态过程，氧化剂 通过SiO2没有损耗,D：氧化剂在SiO2中的 扩散系数，cm2/s,在稳态条件下，应有,若N1是指形成单位体积（cm3）SiO2所需要的氧化剂分子数即对于O2氧化，N12.21022 cm-3对于H2O氧化，N14.41022 cm-3,求得生长速率,令B2DC*/N1，A=2D(1/ks+1/h)（h特别大，忽略了1/h项）则B/AC*ks/N1，有,为了讨论方便，上式改写为,B 2DC*/N1抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流F2的贡献B/A C*ks/N1线性速率常数，表示界面反应流F3的贡献,式中,薄氧化硅时，线性速率常数B/A,两种极限情况,厚氧化硅时，抛物线速率常数B,实验法提取B和B/A的值,t有实验值可供使用。,D-G模型的计算值：干O2气氛中的热氧化，100200 nm常用。,800-1200 C,1 atm,0.1 mm/hr 高密度栅氧化等,x00,D-G模型的计算值：H2O气氛中的热氧化，100200 nm常用。,700-1100 C,25 atm,1 mm/hr,疏松，扩散阻挡能力较差 刻蚀掩膜和场氧化,x00,DG模型小结,适用条件：1.平坦、无图形的平面硅的氧化2.轻掺杂硅的氧化3.单一O2或H2O的氧化4.初始氧化硅的厚度大于20 nm,B/A被称为线性速率系数；B被称为抛物线速率系数,薄氧化层,1.DG模型在薄氧化层范围内不适用。2.在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。3.由于薄氧化阶段的特殊存在，DG模型需要用来修正。,对于薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实验表明在20 nm之内的热氧化生长速度和厚度比G-D模型大的多。,薄氧化的模拟,23nm,D-G(=0),D-G(=40hr),计算在120分钟内，920水汽氧化过程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000埃的氧化层。,影响氧化速率的因素,温度：氧化速率随温度升高而增大。气氛：适量掺氯气氛可以增加氧化速率。氧化剂分压：氧化速率与氧化剂分压成正比。硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)R(110)R(100)。,线性速率常数B/A随温度的变化,温度的影响,抛物线速率常数B随温度的变化,温度的影响,温度的影响分析,对于线性速率常数B/A，温度的影响则主要是通过反应速率常数Ks体现的。具体表现在干氧和湿氧具有相同的激活能，这是因为干氧和水汽氧化本质上都是硅硅键的断裂，具有相同的激活能。对于抛物线速率常数B，温度的影响是通过扩散系数D体现的。具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激活能不一样。,氯对氧化速率的影响,掺氯能增大B/A和B。Si-O键能4.25 eV,Si-Cl键能0.5 eV,Cl2先与S反应生成氯硅化合物，然后再与氧反应生成SiO2，起催化作用。,氯气氛的影响分析,在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：钝化可动离子，特别是钠离子，清洁氧化层；增加硅中少数载流子的寿命；减少SiO2中的缺陷，提高了抗击穿能力；Cl-可以中和界面的电荷堆积,降低界面态密度和固定电 荷密度；减少硅中的堆积层错,氧化速率常数随温度和压强的关系,氧化剂分压的影响分析,A与氧化剂分压无关，而B与氧化剂分压成正比。通过改变氧化剂分压可以达到调整SiO2生长速率的目的，因此出现了高压氧化和低压氧化技术。,实验表明：对于H2O氧化，氧化硅生长速率正比于PG；对于O2的氧化，无法完全用线性关系描述。,压强对氧化速率的影响,1.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2.如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度，增加气压，则氧化时间可以减少。,掺杂对氧化速率的影响,900 C时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化。反应速率限制情况。,n：反应速率限制，B/A起主要作用，氧化速率取决于硅表面的掺杂浓度,掺杂的影响分析,硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。对于硼来说，氧化过程中大量的硼进入到SiO2中，破坏了SiO2的结构，从而使氧化剂在SiO2中的扩散能力增强，因此增加氧化速率。对于磷来说，虽然进入SiO2的磷不多，但在高浓度时，高浓度磷掺杂会改变硅的费米能级，使硅表面空位增多（存在争议），从而提供了额外的氧化点，增加了氧化速率。,（100）Si，in H2O at 900 C for 30 min,衬底晶向对氧化速率的影响,衬底晶向对氧化速率影响的原因,B与晶向无关（B/A)111=1.68（B/A)100,ks0是常数，与单位晶面上能与氧化剂反应的硅价键数成正比。,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。2.在适当温度下，（B/A)111=1.68（B/A)100（B/A)110=1.45（B/A)1003.抛物线速率常数B与晶向无关。4.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。,2D热氧化,在转角处，受到热氧化时体积膨胀的限制，2D热氧化不同于平面的热氧化。,1.氧化硅在凸角和凹角处均比平坦处薄。2.凹角比凸角影响更大。3.氧化滞后与转角的曲率半径 r 相关：r越小，滞后 越严重。4.低温下氧化滞后更严重。1200 C未见滞后。,2D热氧化的影响,B/A 及 B 和 工 艺 参 数 的 关 系,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：1.杂质的分凝现象 2.杂质通过SiO2表面逸散 3.氧化速率的快慢 4.杂质在SiO2中的扩散速度,热氧化时杂质在界面上的再分布,热氧化时杂质在界面上的再分布的诱因,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：,k1，并且杂质在氧化物中 扩散很慢。例如B，k=0.3 杂质在SiO2界面处浓度很高,k1，并且杂质在氧化物 中扩散很快。例如 B在含H2气氛下氧化，杂质在Si界面处的浓度趋于 零。,k1，并且杂质在氧化物中 扩散慢。例如 P，As，Sb杂质在硅 界面处堆积,k1，并且杂质在氧化物 中扩散快。例如Ga，硅界面处的杂 质浓度低于体浓度。,Si/SiO2界面特性,1.界面陷阱电荷，QitInterface trapped charge2.固定氧化物电荷，QfFixed Oxide Charge3.氧化物陷阱电荷，QotOxide trapped charge4.可动离子电荷，QmMobile ionic charge,界面陷阱电荷：硅表面出现晶格周期中断，从而导致界面处出现悬挂键，成为电子或空穴的陷阱，并在禁带中引入能级，称为界面态。固定电荷层（Fixed Oxide Charge）：存在于Si/SiO2界面附近，是一些过剩的硅离子。这些过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但还没有与氧分子反应，于是形成固定电荷层。氧化层陷阱电荷：由氧化层内的缺陷引起，这些缺陷可以捕获电子或空穴。可移动离子电荷：来自钾、钠等其它碱金属离子污染，在高温和电场的作用下可在氧化层内移动，非常有害。,界面陷阱电荷/界面态Qit（Interface trapped charge）,位置:Si/SiO2 界面来源推测:1.在衬底硅指向氧化层的Si表面的悬挂键（Dangling bond Si）2.可以束缚载流子的界面电离杂质（荷电中心）电荷：能量处于禁带中，可以和Si交换电荷，电荷态依赖于偏压，可能是正，负或者中性；密度109-1011 cm-2eV-1,与Qf为同一来源：高Qf一定高Qit。,Qit和下列因素有关：氧化温度，氧化气氛（湿氧、干氧），晶向等Qit和干氧氧化温度的关系：1.Qit 随温度升高而降低；2.干氧Qit高于湿氧3.在能带中间部分，Qit(100)比Qit(111)低约5倍降低Qit的方法：1.低温金属化后退火（PMA）2.在H2或H2N2（Forming Gas Annealing,FGA）中350500 C退火30分钟退火前，Qit约1011 cm-2eV-1退火后，Qit约1010 cm-2eV-1,通过退火有效地降低Qit的实例,固定氧化物电荷Qf（fixed oxide charge）,位置：靠近界面氧化层内:Qf:Qf=3:2:1,Si,Qf和Qit与晶向的关系：（100）晶向最低,Qit&Qf：温度越高，越小界面越粗糙，越大比小得多,低温合金退火（氢钝化）,高温氩气退火,位置：位于氧化层中任意地方。来源:1.氧化层中一些断裂的Si-O、Si-Si、Si-H、Si-OH2.电离辐照（ionization irradiation）3.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、离子注入结果：这些陷阱会捕获空穴或电子，影响器件的工作改善方法:,1000 C干氧化可以改善SiO2结构，使其不易打断抗辐射氧化可通过在H2或惰性气体中300 C消除。加对于辐射不敏感的钝化层，如Al2O3和Si3N4,氧化物陷阱电荷，Qot（oxide trapped charge）,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，如在正偏或加温情况，Qm将向Si/SiO2界面移动。来源：金属化(Metallization)及别的污染。影响：碱金属离子（Na+,K+）玷污引起（以网络变性体形式存在）。会引起MOS器件阈值电压VT的变化和稳定性问题。,可动离子电荷Qm（mobile ionic charge）,减少Qm的具体方法1)清洗石英管 O2-HCl气体 1150 C/2 h2)采用掺氯氧化，源有HCl-O2、TCE、TCA等3)用磷硅玻璃PSG（phosphosilicate glass）4)Si3N4作为最后钝化层,卧式扩散炉,Photograph courtesy of International SEMATECH,立式扩散炉,Photograph courtesy of International SEMATECH,立式炉系统示意图,气体分配系统,立式炉管装片图,立式炉炉管,加热单元的功率分布,Used with permission from International SEMATECH,高温炉中热电偶的位置,工艺中的常用气体,燃烧尾气的燃烧室,Used with permission from International SEMATECH,传统与快速升温立式炉的温度曲线,Reprinted from the June 1996 edition of Solid State Technology,copyright 1996 by PennWell Publishing Company.,快速升降,传统,快速热处理的主要优点,减少热预算硅中杂质运动最小减少沾污，这归功于冷壁（cold wall)加热由于较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛更短的加工时间（指循环时间）,快速热处理,快速热处理,Photograph courtesy of Advanced Micro Devices,Applied Materials 5300 Centura RTP,厚度测量,机械法比色法光干涉法椭偏法,1、机械法,二氧化硅质量的检验,台阶仪-profilometer,表面形貌仪（台阶仪）,2、比色法（白光垂直照射硅片表面）,3、光干涉法（Interferometry）,由光的相干原理，膜表面与界面反射二束光相干涉。由光学原理，两束光的光程差为入射光的波长整数倍时出现加强的亮度,n：二氧化硅折射率：入射光波长 如=589.6 nmm：干涉级数,垂直入射时:,椭偏仪的基本原理,单色光经过起偏器变成偏振光，再经1/4波片变成椭圆偏振光，照射样品，再经过膜的反射、检偏后进入光电管。两个相互垂直的偏振光的分量的振幅与相位变化是与膜厚度及折射率有关，查图表（软件自动计算）可得到厚度。,热氧化工艺流程图,干法氧化工艺的工艺菜单,生长超薄氧化物（10nm）的方法,本节课主要内容,1.影响氧化速率的因素有那些？氧化速率和压强有什么样的关系？压强、晶向、掺杂浓度、掺氯压强越高，氧化速率越快。水汽氧化线形关系，干氧化指数关系。2.哪一种晶向的硅氧化速率最快，哪种最慢？为什么？（111）晶向氧化最快，（100）最慢。ks与硅价键密度有关。B不受晶向影响，厚氧化层，晶向作用下降。,3.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？如何修正？20 nm以下的干氧化，D-G模型计算厚度远小于实际厚度。修正方法：附加一个随厚度增加而指数衰减项。,4.掺氯氧化工艺对提高氧化膜质量有哪些作用？可以增加反应速度，减少界面固定电荷和界面态（电荷中和作用），可以实现对碱金属离子的吸杂作用。,作业,课后第1、2、4、7题,