第04章硅的氧化

1、微電子工藝第四章 硅的氧化第一章第一章 引言引言第二章第二章 晶體生長晶體生長第三章第三章 工藝中的氣體、化試、水、環(huán)境和硅片的清洗工藝中的氣體、化試、水、環(huán)境和硅片的清洗第四章第四章 硅的氧化硅的氧化第五章第五章 光刻光刻第六章第六章 刻蝕刻蝕第七章第七章 擴散擴散第八章第八章 離子注入離子注入第九章第九章 薄膜淀積薄膜淀積第十章第十章 工藝集成工藝集成 第十一章第十一章 集成電路制造集成電路制造硅片制造廠的氧化擴散區(qū)硅片制造廠的氧化擴散區(qū)測試測試/揀選揀選薄膜薄膜注入注入氧化擴散氧化擴散刻蝕刻蝕拋光拋光光刻光刻完成的硅片完成的硅片硅片制造硅片制造 (前端前端)無圖形硅片無圖形硅片硅片起始硅

2、片起始氧化膜氧化膜 自然氧化膜自然氧化膜 氧化膜的用途氧化膜的用途 摻雜工藝中的擴散和注入掩蔽層摻雜工藝中的擴散和注入掩蔽層 場區(qū)隔離（避免產(chǎn)生寄生器件）場區(qū)隔離（避免產(chǎn)生寄生器件） 柵氧化層（作為柵氧化層（作為MOS器件結構的一部分）器件結構的一部分） 墊氧化層（作為氮化硅與硅之間的介質(zhì)，減小應力差）墊氧化層（作為氮化硅與硅之間的介質(zhì)，減小應力差） 金屬層之間的隔離介質(zhì)層金屬層之間的隔離介質(zhì)層 器件的保護層（表面鈍化，避免劃傷和沾污）器件的保護層（表面鈍化，避免劃傷和沾污） 氧化硅的應用氧化硅的應用: 自然氧化層自然氧化層Purpose: 這種氧化硅是沾污并且通常是不希望的。這種氧化硅是沾污

3、并且通常是不希望的。 有時用于存儲器存儲或膜的鈍化有時用于存儲器存儲或膜的鈍化Comments: 室溫下生長速率是每小時室溫下生長速率是每小時 15 到最大到最大 40 .p+ 硅襯底硅襯底二氧化硅（氧化硅）二氧化硅（氧化硅）氧化硅的應用氧化硅的應用: 摻雜阻擋層摻雜阻擋層Purpose: 作為摻雜或注入雜質(zhì)到硅片中的掩蔽材料作為摻雜或注入雜質(zhì)到硅片中的掩蔽材料Comments: 通過選擇性擴散摻雜物擴散到硅片未被掩蔽的通過選擇性擴散摻雜物擴散到硅片未被掩蔽的區(qū)域區(qū)域摻雜阻擋側墻摻雜阻擋側墻離子注入離子注入Gate側墻保護窄溝道免遭高能注入側墻保護窄溝道免遭高能注入氧化硅的應用氧化硅的應用:

4、注入屏蔽氧化層注入屏蔽氧化層Purpose: 有時也叫有時也叫 “sacrificial oxide”, 用于減小注入溝用于減小注入溝道和損傷道和損傷Comments: 熱生長熱生長離子注入離子注入屏蔽氧化層屏蔽氧化層硅上表面大的損傷硅上表面大的損傷 + 更強的更強的溝道效應溝道效應硅上表面小的損傷硅上表面小的損傷 + 更弱更弱的溝道效應的溝道效應p+ 硅襯底硅襯底氧化硅的應用氧化硅的應用: 場氧化層場氧化層Purpose: 用做單個晶體管之間的隔離阻擋層使它們彼此隔用做單個晶體管之間的隔離阻擋層使它們彼此隔離離Comments: 通常場氧化膜厚度從通常場氧化膜厚度從2,500 到到 15,0

5、00 . 濕氧氧化是優(yōu)選的選擇濕氧氧化是優(yōu)選的選擇場氧化層場氧化層晶體管的位置晶體管的位置p+ 襯底襯底氧化硅的應用氧化硅的應用: 柵氧化柵氧化Purpose: 用作用作 MOS 晶體管柵和源漏之間的介質(zhì)晶體管柵和源漏之間的介質(zhì)Comments: 通常柵氧化膜厚度從大約通常柵氧化膜厚度從大約30 到到 500 . 干法氧化是優(yōu)選的生長方法。干法氧化是優(yōu)選的生長方法。柵氧化柵氧化晶體管位置晶體管位置p+ 硅襯底硅襯底源源漏漏柵柵氧化硅的應用氧化硅的應用: 墊氧化層墊氧化層Purpose: 做做 Si3N4緩沖層以減小應力緩沖層以減小應力Comments: 熱生長并非常薄熱生長并非常薄Passiv

6、ation LayerILD-4 ILD-5 M-3 M-4Pad oxideBonding pad metalNitride鈍化層鈍化層ILD-4ILD-5M-3 M-4層間氧化層層間氧化層壓點金屬壓點金屬氧化硅的應用氧化硅的應用: 金屬間絕緣阻擋層金屬間絕緣阻擋層Purpose: 用作金屬層間的介質(zhì)隔離用作金屬層間的介質(zhì)隔離Comments: 不是熱生長，而是沉積上的不是熱生長，而是沉積上的.各種要求下的氧化層厚度范圍各種要求下的氧化層厚度范圍SiO2的結構的結構按結構特點分為按結構特點分為 結晶型結晶型 (crystalline)：石英，水晶等：石英，水晶等 非晶型（無定型非晶型（無定型

7、amorphous）由由SiO四面體四面體組成組成 四面體中心是硅原子，四個頂角上是氧原子四面體中心是硅原子，四個頂角上是氧原子 四面體之間由四面體之間由Si-O-Si連接連接 與兩個硅連接的氧原子稱為橋鍵氧或氧橋與兩個硅連接的氧原子稱為橋鍵氧或氧橋0.262nm0.262nm0.162nmOSi非橋聯(lián)氧非橋聯(lián)氧橋聯(lián)氧橋聯(lián)氧結構結構水晶水晶二氧化硅二氧化硅含雜質(zhì)的含雜質(zhì)的SiOSiO2 2結構結構熱氧化生長，水存在的情況：熱氧化生長，水存在的情況：Si:O:Si Si:O:H+ H:O:Si摻雜雜質(zhì)：取代摻雜雜質(zhì)：取代Si的位置，的位置， 網(wǎng)絡形成體（網(wǎng)絡形成體（B，P） 占據(jù)間隙位置，網(wǎng)絡變

8、性體占據(jù)間隙位置，網(wǎng)絡變性體 （金屬原子（金屬原子Na, K）熱氧化生長熱氧化生長 關于氧化的化學反應關于氧化的化學反應 干氧氧化干氧氧化 水汽氧化水汽氧化 濕氧氧化濕氧氧化 氧化生長模式氧化生長模式 氧化硅表面氧化硅表面 氯化物在氧化中的應用氯化物在氧化中的應用 氧化的生長速率氧化的生長速率 影響氧化的因素影響氧化的因素 初始生長階段初始生長階段 選擇性氧化選擇性氧化 局部氧化局部氧化LOCOS 淺槽隔離淺槽隔離STI 氧化反應方程式（氧化反應方程式（Overall reaction）這兩種反應都在這兩種反應都在700 C1200 C之間進行之間進行水汽氧化比干氧氧化反應速率約高水汽氧化比干

9、氧氧化反應速率約高10倍倍Si(s) + O2(g) SiO2(s)Si(s) + 2H2O(g) SiO2(s) + 2H2(g)l干氧氧化（干氧氧化（Dry oxidation)l水汽氧化（水汽氧化（Steam oxidation）l濕氧（濕氧（Wet）氧化）氧化水汽法氧化水汽法氧化HClN2O2H2氣體儀表板氣體儀表板高溫爐高溫爐燃燒室燃燒室洗滌室洗滌室尾氣尾氣在氧化中硅的消耗在氧化中硅的消耗x0.56x0.44x氧化前氧化前氧化后氧化后穿過氧化層的氧擴散穿過氧化層的氧擴散SiSiO2O2SiO2/Si 表面表面O2/SiO2 表面表面供應到供應到反應表面的氧反應表面的氧DealGrov

10、e模型模型硅的熱氧化模型硅的熱氧化模型DealGrove模型（線性拋物線模型）模型（線性拋物線模型） 適用于：適用于：氧化溫度氧化溫度7001200 oC；壓強壓強0.125個大氣壓；個大氣壓；氧化層厚度為氧化層厚度為202000 nm的水汽和干法氧化的水汽和干法氧化F1：氣體輸運流量：氣體輸運流量F2：通過：通過SiO2的擴散流量的擴散流量F3：在界面處的反應流量：在界面處的反應流量F: number/(cm2-s)C：number/cm3CG：氣相區(qū)氧化劑濃度；氣相區(qū)氧化劑濃度；CS：氧化物外表面氧化劑濃度；氧化物外表面氧化劑濃度；CO：氧化物內(nèi)表面氧化劑濃度；氧化物內(nèi)表面氧化劑濃度；CI

11、：氧化物生長界面氧化劑濃度氧化物生長界面氧化劑濃度Cs CoF1：從氣相區(qū)到硅片氧化層表面的氧分子流密度：從氣相區(qū)到硅片氧化層表面的氧分子流密度)(1SGgCChFhg：質(zhì)量輸運系數(shù)，：質(zhì)量輸運系數(shù)，cm/sC：氣流濃度，分子數(shù)：氣流濃度，分子數(shù)/cm3F：氣流密度，分子數(shù)：氣流密度，分子數(shù)/(cm2-s)可求得可求得)()(1HkTCChkTPChFOGgSGg令令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，則則)(*1OCChF1、理想氣體方程：理想氣體方程：PSVNkT，所以，所以SOHPC 2、亨利定律：亨利定律：固體中溶解的氣體物質(zhì)的平衡濃度與固體表面固體中溶解的氣體物質(zhì)的平衡濃度與

12、固體表面 該處氣體物質(zhì)的壓強成正比：該處氣體物質(zhì)的壓強成正比：CSN/V=PS/kTF3：通過：通過Si/SiO2界面產(chǎn)生化學反應的氧分子流密度界面產(chǎn)生化學反應的氧分子流密度IsCkF 3 ks：界面反應：界面反應 速率，速率，cm/sF2：從氧化物層表面擴散到：從氧化物層表面擴散到Si/SiO2界面的氧分子流密度界面的氧分子流密度xCCDFIO2根據(jù)費克根據(jù)費克Fick第一定律，有第一定律，有假設：穩(wěn)態(tài)過程，氧化劑假設：穩(wěn)態(tài)過程，氧化劑 通過通過SiO2沒有損耗沒有損耗D：氧化劑在：氧化劑在SiO2中的中的 擴散系數(shù)，擴散系數(shù)，cm2/s在穩(wěn)態(tài)條件下，應有在穩(wěn)態(tài)條件下，應有321FFF)(1

13、1*ssssIkhDxkCDxkhkCC ksx/D1時，擴散控制時，擴散控制ksx/D 1時，氧化從線性過渡到拋物線時，氧化從線性過渡到拋物線若若N1是指形成單位體積（是指形成單位體積（ cm3）SiO2所需要的氧化劑分子數(shù)所需要的氧化劑分子數(shù)即對于即對于O2氧化，氧化，N12.21022 cm-3對于對于H2O氧化，氧化， N14.41022 cm-3 求得生長速率求得生長速率令令B2DC*/N1，A=2D(1/ks+1/h) （ h特別大，忽略了特別大，忽略了1/h項）項）則則B/A C*ks/N1，有，有tABxxBxx/0202DxkhkNCkdtdxNFRSSS11*1tSxxSS

14、dtCkdxDxkhkN0*101為了討論方便，上式改寫為為了討論方便，上式改寫為tABxBx/2B 2DC*/N1拋物線速率常數(shù)，表示氧化劑擴散流拋物線速率常數(shù)，表示氧化劑擴散流F2的貢獻的貢獻B/A C*ks/N1線性速率常數(shù)，表示界面反應流線性速率常數(shù)，表示界面反應流F3的貢獻的貢獻式中式中BAxx02014/122BAtAx)(2tBx)(tABx薄氧化硅時，線性速率常數(shù)薄氧化硅時，線性速率常數(shù)B/A兩種極限情況兩種極限情況厚氧化硅時，拋物線速率常數(shù)厚氧化硅時，拋物線速率常數(shù)Bxoxt實驗法提取實驗法提取B和和B/A的值的值 有實驗值可供使用。有實驗值可供使用。tABxBx/2AxtB

15、xD-G模型的計算值：干模型的計算值：干O2氣氛中的熱氧化，氣氛中的熱氧化， 100200 nm常用。常用。700-1100 C, 25 atm , 1 m mm / hr疏松，疏松， 擴散阻擋能力較差擴散阻擋能力較差 刻蝕掩膜和場氧化刻蝕掩膜和場氧化x00DG模型小結模型小結適用條件：適用條件：1. 平坦、無圖形的平面硅的氧化平坦、無圖形的平面硅的氧化2. 輕摻雜硅的氧化輕摻雜硅的氧化3. 單一單一O2或或H2O的氧化的氧化4.初始氧化硅的厚度大于初始氧化硅的厚度大于20 nmB/A被稱為線性速率系數(shù)；被稱為線性速率系數(shù)； B被稱為拋物線速率系數(shù)被稱為拋物線速率系數(shù)薄氧化層薄氧化層1. D1

16、. DG G模型在模型在薄氧化層范圍內(nèi)薄氧化層范圍內(nèi)不適用。不適用。2. 2. 在薄氧化階段，氧化速率非?？?，其氧化機理在薄氧化階段，氧化速率非常快，其氧化機理至今仍然存在爭議，但可以用經(jīng)驗公式來表示。至今仍然存在爭議，但可以用經(jīng)驗公式來表示。3. 3. 由于薄氧化階段的特殊存在，由于薄氧化階段的特殊存在， D DG G模型需要用模型需要用來修正。來修正。 對于薄熱干氧化，對于薄熱干氧化，G-D模型無法準確描述，實驗表明模型無法準確描述，實驗表明在在20 nm之內(nèi)的熱氧化生長速度和厚度比之內(nèi)的熱氧化生長速度和厚度比G-D模型大的多。模型大的多。薄氧化的模擬薄氧化的模擬23nmD-G (= 0)

17、 D-G (= 40hr) 計算在計算在120分鐘內(nèi)，分鐘內(nèi)，920水汽氧化過程中生長的二水汽氧化過程中生長的二氧化硅層的厚度。假定硅片在初始狀態(tài)時已有氧化硅層的厚度。假定硅片在初始狀態(tài)時已有1000埃的氧化層。埃的氧化層。影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素溫度：氧化速率隨溫度升高而增大。溫度：氧化速率隨溫度升高而增大。氣氛：適量摻氯氣氛可以增加氧化速率。氣氛：適量摻氯氣氛可以增加氧化速率。氧化劑分壓：氧化速率與氧化劑分壓成正比。氧化劑分壓：氧化速率與氧化劑分壓成正比。硅襯底摻雜：一般情況下硅中的摻雜會增加氧化速率。硅襯底摻雜：一般情況下硅中的摻雜會增加氧化速率。硅片晶向：硅原子密度大的晶面

18、上氧化速率大，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)R(111)R(110)R(100)。線性速率常數(shù)線性速率常數(shù)B/A隨溫度的變化隨溫度的變化溫度的影響溫度的影響拋物線速率常數(shù)拋物線速率常數(shù)B隨溫度的變化隨溫度的變化溫度的影響溫度的影響溫度的影響分析溫度的影響分析對于線性速率常數(shù)對于線性速率常數(shù)B/A，溫度的影響，溫度的影響則主要是通過反應速率常數(shù)則主要是通過反應速率常數(shù)Ks體現(xiàn)的。體現(xiàn)的。具體表現(xiàn)在干氧和濕氧具有相同的激具體表現(xiàn)在干氧和濕氧具有相同的激活能，這是因為干氧和水汽氧化本質(zhì)活能，這是因為干氧和水汽氧化本質(zhì)上都是硅硅鍵的斷裂，具有相同的上都是

19、硅硅鍵的斷裂，具有相同的激活能。激活能。對于拋物線速率常數(shù)對于拋物線速率常數(shù)B，溫度的影響，溫度的影響是通過擴散系數(shù)是通過擴散系數(shù)D體現(xiàn)的。體現(xiàn)的。具體表現(xiàn)具體表現(xiàn)在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，這是因為干氧和水汽在硅中的擴散激這是因為干氧和水汽在硅中的擴散激活能不一樣?；钅懿灰粯?。1112 ()2sggADkhDHPBN氯對氧化速率的影響氯對氧化速率的影響摻氯能增大摻氯能增大B/A和和B。Si-O鍵能鍵能4.25 eV, Si-Cl鍵能鍵能0.5 eV, Cl2先與先與S反應生成氯硅化合物，然后再與氧反應生成反應生成氯硅化合物，然后再與氧反應生成SiO2，

20、起催化作用。，起催化作用。氯氣氛的影響分析氯氣氛的影響分析 在氧化氣氛中加入氯可以使在氧化氣氛中加入氯可以使SiO2的質(zhì)量得到很大的的質(zhì)量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：鈍化可動離子，特別是鈉離子，清潔氧化層；鈍化可動離子，特別是鈉離子，清潔氧化層；增加硅中少數(shù)載流子的壽命；增加硅中少數(shù)載流子的壽命；減少減少SiO2中的缺陷，提高了抗擊穿能力；中的缺陷，提高了抗擊穿能力；Cl-可以中和界面的電荷堆積可以中和界面的電荷堆積,降低界面態(tài)密度和固定電降低界面態(tài)密度和固定電 荷密度；荷密度；減少硅中的堆積層錯減少硅中的堆積層錯氧化速率常數(shù)隨

21、溫度和壓強的關系氧化速率常數(shù)隨溫度和壓強的關系氧化劑分壓的影響分析氧化劑分壓的影響分析A與氧化劑分壓無關，而與氧化劑分壓無關，而B與氧化與氧化劑分壓成正比。劑分壓成正比。通過改變氧化劑分壓可以達到調(diào)整通過改變氧化劑分壓可以達到調(diào)整SiO2生長速率的目的，因此出現(xiàn)了生長速率的目的，因此出現(xiàn)了高壓氧化和低壓氧化技術。高壓氧化和低壓氧化技術。1112 ()2sggADkhDHPBN1NPHkABGS12NDHPBG 實驗表明：實驗表明： 對于對于H2O氧化，氧化硅生長速率正比于氧化，氧化硅生長速率正比于PG； 對于對于O2的氧化，無法完全用線性關系描述。的氧化，無法完全用線性關系描述。壓強對氧化速率

22、的影響壓強對氧化速率的影響1. 1. 如果要達到給定的氧化速率，增加氣壓，則氧化溫度可以降低如果要達到給定的氧化速率，增加氣壓，則氧化溫度可以降低2. 2. 如果在同樣溫度下生長一個給定的氧化層厚度，增加氣壓，則如果在同樣溫度下生長一個給定的氧化層厚度，增加氣壓，則氧化時間可以減少。氧化時間可以減少。摻雜對氧化速率的影響摻雜對氧化速率的影響900 C時干氧氧化速率隨表面磷濃度的變化。反應速率限制情況。時干氧氧化速率隨表面磷濃度的變化。反應速率限制情況。n：反應速率反應速率限制，限制，B/A起主要作用，氧化速率取決于硅表面起主要作用，氧化速率取決于硅表面的摻雜濃度的摻雜濃度摻雜的影響分析摻雜的影

23、響分析硅中常見雜質(zhì)如硼、磷，都傾向于使氧化速率增大。硅中常見雜質(zhì)如硼、磷，都傾向于使氧化速率增大。對于硼來說，氧化過程中大量的硼進入到對于硼來說，氧化過程中大量的硼進入到SiO2中，中，破壞了破壞了SiO2的結構，從而使氧化劑在的結構，從而使氧化劑在SiO2中的擴散中的擴散能力增強，因此增加氧化速率。能力增強，因此增加氧化速率。1.對于磷來說，雖然進入對于磷來說，雖然進入SiO2的磷不多，但在高濃度的磷不多，但在高濃度時，高濃度磷摻雜會改變硅的費米能級，使硅表面時，高濃度磷摻雜會改變硅的費米能級，使硅表面空位增多空位增多（存在爭議）（存在爭議），從而提供了額外的氧化點，從而提供了額外的氧化點，

24、增加了氧化速率。增加了氧化速率。（100）Si，in H2O at 900 C for 30 min襯底晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懸r底晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懸r底晶向?qū)ρ趸俾视绊懙脑蛞r底晶向?qū)ρ趸俾视绊懙脑?B與晶向無關與晶向無關（B/A)111= 1.68（B/A)100)/exp(0kTEkkass ks0是常數(shù)，與單位晶是常數(shù)，與單位晶面上能與氧化劑反應面上能與氧化劑反應的硅價鍵數(shù)成正比。的硅價鍵數(shù)成正比。1112 ()2sggADkhDHPBN晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懢驅(qū)ρ趸俾实挠绊?化學反應速率常數(shù)化學反應速率常數(shù)ks與晶向有關。與晶向有關。 因此線性速率常數(shù)因此線性速率常數(shù)B/A與晶

25、向有關。與晶向有關。2. 在在適當溫度下，適當溫度下， （B/A)111= 1.68（B/A)100 （B/A)110= 1.45（B/A)1003. 拋物線速率常數(shù)拋物線速率常數(shù)B與晶向無關。與晶向無關。4. 高溫長時間氧化，拋物線速率常數(shù)高溫長時間氧化，拋物線速率常數(shù)B起主要作用，起主要作用，晶向影響減弱。晶向影響減弱。1112 ()2sggADkhDHPBN2D熱氧化熱氧化 在轉(zhuǎn)角處，受到熱氧化時體積膨脹的限制，在轉(zhuǎn)角處，受到熱氧化時體積膨脹的限制，2D熱氧化不同于平面的熱氧化。熱氧化不同于平面的熱氧化。1. 氧化硅在凸角和凹角處均比平坦處薄。氧化硅在凸角和凹角處均比平坦處薄。2. 凹角

26、比凸角影響更大。凹角比凸角影響更大。3. 氧化滯后與轉(zhuǎn)角的曲率半徑氧化滯后與轉(zhuǎn)角的曲率半徑 r 相關：相關：r越小，滯后越小，滯后 越嚴重。越嚴重。4. 低溫下氧化滯后更嚴重。低溫下氧化滯后更嚴重。1200 C未見滯后。未見滯后。2D熱氧化的影響熱氧化的影響線性速率常數(shù)線性速率常數(shù)B/A拋物線速率常數(shù)拋物線速率常數(shù)B氧化氣壓（水汽氧化）氧化氣壓（水汽氧化）隨氧氣氣壓呈線性隨氧氣氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性氧化氣壓（干氧化）氧化氣壓（干氧化）隨氧氣氣壓呈亞線性隨氧氣氣壓呈亞線性隨氧化氣壓呈線性隨氧化氣壓呈線性水汽氧化水汽氧化 和和 干氧化對比干氧化對比水汽氧化速率更大水汽氧化速率更

27、大水汽氧化速率更大水汽氧化速率更大硅襯底取向硅襯底取向B/A(111):B/A(100)=1.68:1和襯底取向無關和襯底取向無關硅中摻雜類型和濃度硅中摻雜類型和濃度隨摻雜濃度增加隨摻雜濃度增加關系不大關系不大氧化氣氛中摻氯氧化氣氛中摻氯增加增加增加增加B/A 及及 B 和和 工工 藝藝 參參 數(shù)數(shù) 的的 關關 系系 摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過程中，靠近界面的硅中雜質(zhì)，將摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過程中，靠近界面的硅中雜質(zhì)，將在界面兩邊的硅和二氧化硅中發(fā)生再分布。其決定因素有：在界面兩邊的硅和二氧化硅中發(fā)生再分布。其決定因素有： 1. 1. 雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象 2. 2. 雜質(zhì)通過雜質(zhì)通過Si

28、OSiO2 2表面逸散表面逸散 3. 3. 氧化速率的快慢氧化速率的快慢 4. 4. 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiOSiO2 2中的擴散速度中的擴散速度熱氧化時雜質(zhì)在界面上的再分布熱氧化時雜質(zhì)在界面上的再分布熱氧化時雜質(zhì)在界面上的再分布的誘因熱氧化時雜質(zhì)在界面上的再分布的誘因 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiSi和和SiOSiO2 2中的溶解度不同，擴散系數(shù)不同，熱氧中的溶解度不同，擴散系數(shù)不同，熱氧化時，雜質(zhì)在化時，雜質(zhì)在SiOSiO2 2SiSi兩邊要重新分布。兩邊要重新分布。這種規(guī)律由這種規(guī)律由來描述：來描述： 雜質(zhì)在硅中的平衡濃度雜質(zhì)在硅中的平衡濃度 雜質(zhì)在二氧化硅中的平衡濃度雜質(zhì)在二氧化硅中的平衡濃度 k =

29、C1C2k1k1，并且雜質(zhì)在氧化物中，并且雜質(zhì)在氧化物中 擴散很慢。擴散很慢。 例如例如B B，k=0.3k=0.3 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiOSiO2 2界面處濃度很高界面處濃度很高 k1 k1k1，并且雜質(zhì)在氧化物中，并且雜質(zhì)在氧化物中 擴散慢。擴散慢。 例如例如 P P，AsAs，SbSb雜質(zhì)在硅雜質(zhì)在硅 界面處堆積界面處堆積k1k1，并且雜質(zhì)在氧化物，并且雜質(zhì)在氧化物 中擴散快。中擴散快。 例如例如GaGa，硅界面處的雜，硅界面處的雜 質(zhì)濃度低于體濃度。質(zhì)濃度低于體濃度。Si/SiOSi/SiO2 2界面特性界面特性1.1.界面陷阱電荷，界面陷阱電荷，Q QititInterface trap

30、ped chargeInterface trapped charge2.2.固定氧化物電荷，固定氧化物電荷，Q Qf fFixed Oxide ChargeFixed Oxide Charge3.3.氧化物陷阱電荷，氧化物陷阱電荷，Q QototOxide trapped chargeOxide trapped charge4.4.可動離子電荷，可動離子電荷，Q Qm mMobile ionic chargeMobile ionic charge界面陷阱電荷界面陷阱電荷：硅表面出現(xiàn)晶格周期中斷，從而導致界：硅表面出現(xiàn)晶格周期中斷，從而導致界面處出現(xiàn)懸掛鍵，成為電子或空穴的陷阱，并在禁帶中面處出

31、現(xiàn)懸掛鍵，成為電子或空穴的陷阱，并在禁帶中引入能級，稱為界面態(tài)。引入能級，稱為界面態(tài)。固定電荷層（固定電荷層（Fixed Oxide Charge ）：存在于：存在于Si/SiO2界面界面附近，是一些過剩的硅離子。這些過剩的硅在氧化過程附近，是一些過剩的硅離子。這些過剩的硅在氧化過程中與晶格脫開，但還沒有與氧分子反應，于是形成固定中與晶格脫開，但還沒有與氧分子反應，于是形成固定電荷層。電荷層。氧化層陷阱電荷氧化層陷阱電荷：由氧化層內(nèi)的缺陷引起，這些缺陷可：由氧化層內(nèi)的缺陷引起，這些缺陷可以捕獲電子或空穴。以捕獲電子或空穴?？梢苿与x子電荷可移動離子電荷：來自鉀、鈉等其它堿金屬離子污染，：來自鉀、

32、鈉等其它堿金屬離子污染，在高溫和電場的作用下可在氧化層內(nèi)移動，非常有害。在高溫和電場的作用下可在氧化層內(nèi)移動，非常有害。 界面陷阱電荷界面陷阱電荷/ /界面態(tài)界面態(tài)Q Qitit（Interface trapped chargeInterface trapped charge）位置位置: Si/SiO: Si/SiO2 2 界面界面來源推測來源推測: : 1.1.在襯底硅指向氧化層的在襯底硅指向氧化層的SiSi表面的懸掛鍵（表面的懸掛鍵（Dangling bond Dangling bond SiSi）2.2.可以束縛載流子的界面電離雜質(zhì)（荷電中心）可以束縛載流子的界面電離雜質(zhì)（荷電中心）電荷

33、：能量處于禁帶中，可以和電荷：能量處于禁帶中，可以和SiSi交換電荷，電荷態(tài)依賴于偏壓，可交換電荷，電荷態(tài)依賴于偏壓，可能是正，負或者中性；密度能是正，負或者中性；密度10109 9-10-101111 cm cm-2-2eVeV-1-1與與Q Qf f為同一來源：高為同一來源：高Q Qf f一定高一定高Q Qitit。Q Qitit和下列因素有關：和下列因素有關：氧化溫度，氧化氣氛（濕氧、干氧），晶向等氧化溫度，氧化氣氛（濕氧、干氧），晶向等Q Qitit和干氧氧化溫度的關系：和干氧氧化溫度的關系：1.1.Q Qit it 隨溫度升高而降低；隨溫度升高而降低；2.2.干氧干氧Q Qitit高

34、于濕氧高于濕氧3.3.在能帶中間部分，在能帶中間部分， Q Qitit(100)(100)比比Q Qitit(111)(111)低約低約5 5倍倍降低降低Q Qitit的方法：的方法：1.1.低溫金屬化后退火（低溫金屬化后退火（PMAPMA） 2.2.在在H H2 2或或H H2 2N N2 2（Forming Gas Annealing, FGAForming Gas Annealing, FGA）中）中350350500 500 C C退火退火3030分鐘分鐘退火前，退火前，Q Qitit約約10101111 cm cm-2-2eVeV-1-1退火后，退火后，Q Qitit約約101010

35、10 cm cm-2-2eVeV-1-1 Annealing w/o H2500 oC/10 min/10% H2 in N2450 oC/10 min/25% H2 in N2Midgap Qit (1011 cm-2 eV-1)Oxidation temperature (oC)3.02.52.01.51.00.5024681210120011001000900通過退火有效地降低通過退火有效地降低Qit的實例的實例固定氧化物電荷固定氧化物電荷Qf （fixed oxide charge） 位置：靠近界面氧化層內(nèi)位置：靠近界面氧化層內(nèi)23 nm范圍范圍 電荷：正電荷。電荷密度：電荷：正電荷。

36、電荷密度：109-1011 cm-2。電荷態(tài)在器件。電荷態(tài)在器件工作期間不變化。工作期間不變化。 來源推測：由不完全氧化的帶有凈正電荷的來源推測：由不完全氧化的帶有凈正電荷的Si引起的。引起的。特點：特點： Si中的雜質(zhì)濃度、導電類型及中的雜質(zhì)濃度、導電類型及SiO2厚度與厚度與Qf關系不大關系不大 Qf和生長溫度關系：溫度升高，和生長溫度關系：溫度升高，Qf下降。下降。 降溫速率越快，降溫速率越快，Qf值越低，但硅片直徑大于值越低，但硅片直徑大于100 mm的硅的硅片不宜降溫太快。片不宜降溫太快。 氧化速率越快，氧化速率越快， Qf越高越高 Qf :Qf:Qf =3:2:1 SiQ Qf f

37、和和Q Qitit與晶向的關系：與晶向的關系： （100100）晶向最低）晶向最低Q Qitit & & Q Qf f：溫度越高，越小溫度越高，越小界面越粗糙，越大界面越粗糙，越大比比小得多小得多低溫合金退火低溫合金退火（氫鈍化）（氫鈍化）高溫氬氣退火高溫氬氣退火摻氯氧化摻氯氧化位置：位于氧化層中任意地方。位置：位于氧化層中任意地方。來源來源: : 1.1.氧化層中一些斷裂的氧化層中一些斷裂的Si-OSi-O、Si-SiSi-Si、Si-HSi-H、Si-OHSi-OH2.2.電離輻照（電離輻照（ionization irradiationionization irradiat

38、ion）3.VLSI3.VLSI工藝過程引入：如電子束蒸發(fā)、濺射、等離子體刻蝕、電工藝過程引入：如電子束蒸發(fā)、濺射、等離子體刻蝕、電 子束或子束或X X射線光刻、離子注入射線光刻、離子注入結果：這些陷阱會捕獲空穴或電子，影響器件的工作結果：這些陷阱會捕獲空穴或電子，影響器件的工作改善方法改善方法: :u1000 1000 C C干氧化可以改善干氧化可以改善SiOSiO2 2結構，使其不易打斷結構，使其不易打斷抗輻射氧化抗輻射氧化u可通過在可通過在H H2 2或惰性氣體中或惰性氣體中300 300 C C消除。消除。u加對于輻射不敏感的鈍化層，如加對于輻射不敏感的鈍化層，如AlAl2 2O O3

39、 3和和SiSi3 3N N4 4 氧化物陷阱電荷，氧化物陷阱電荷，Q Qotot （oxide trapped chargeoxide trapped charge）位置：位置：可以在氧化層中任意地方。開始位于柵（金屬或多晶硅）可以在氧化層中任意地方。開始位于柵（金屬或多晶硅）/SiO/SiO2 2界面，如在正偏或加溫情況，界面，如在正偏或加溫情況，Q Qm m將向?qū)⑾騍i/SiOSi/SiO2 2界面移動。界面移動。來源：來源：金屬化金屬化(Metallization)(Metallization)及別的污染。及別的污染。影響：影響：堿金屬離子（堿金屬離子（NaNa+ +, K, K+ +

40、）玷污引起（以網(wǎng)絡變性體形式存在）。）玷污引起（以網(wǎng)絡變性體形式存在）。會引起會引起MOSMOS器件閾值電壓器件閾值電壓V VT T的變化和穩(wěn)定性問題。的變化和穩(wěn)定性問題?？蓜与x子電荷可動離子電荷Q Qm m（mobile ionic chargemobile ionic charge）減少減少Q(mào) Qm m的具體方法的具體方法1)1)清洗石英管清洗石英管 O O2 2-HCl-HCl氣體氣體 1150 1150 C/2 hC/2 h2)2)采用摻氯氧化，源有采用摻氯氧化，源有HCl-OHCl-O2 2、TCETCE、TCATCA等等3)3)用磷硅玻璃用磷硅玻璃PSG PSG （phosphos

41、ilicate glassphosphosilicate glass）4)Si4)Si3 3N N4 4作為最后鈍化層作為最后鈍化層臥式擴散爐臥式擴散爐Photograph courtesy of International SEMATECH立式擴散爐立式擴散爐Photograph courtesy of International SEMATECH立式爐系統(tǒng)示意圖立式爐系統(tǒng)示意圖Heater 1Heater 2Heater 3壓力控制Gas flowcontroller硅片傳送控制器BoatloaderExhaustcontroller溫度控制微控制器Wafer load/unload sy

42、stemBoat motor drive system石英舟石英工藝腔Three-zone heater氣體儀表板Process gas cylinder尾氣氣體分配系統(tǒng)立式爐管裝片圖立式爐管裝片圖16014 添加添加 (假假)硅片硅片4添加添加 (假假)硅片硅片1 測試硅片測試硅片1測試硅片測試硅片1測試硅片測試硅片75生產(chǎn)硅片生產(chǎn)硅片75 生產(chǎn)硅片生產(chǎn)硅片校正參數(shù)校正參數(shù):舟尺寸舟尺寸: 160 硅片硅片舟間距舟間距: 0.14 英寸英寸硅片尺寸硅片尺寸: 8 英寸英寸上升速度上升速度: 9.29 厘米厘米/分鐘分鐘冷卻延遲冷卻延遲: 20 分鐘分鐘立式爐爐管立式爐爐管加熱套管石英管三溫區(qū)

43、加熱單元管帽加熱單元的功率分布加熱單元的功率分布加熱單元的變壓器204 - 480 VAC 3fSCRsSCRsSCRs觸發(fā)電路1區(qū)2區(qū)3區(qū)高溫爐加熱單元Used with permission from International SEMATECH高溫爐中熱電偶的位置高溫爐中熱電偶的位置1區(qū)2區(qū)3區(qū)熱電偶測量溫度控制器側熱電偶控制TC過溫TC系統(tǒng)控制TC工藝中的常用氣體工藝中的常用氣體燃燒尾氣的燃燒室燃燒尾氣的燃燒室燃燒室（燃燒盒或氣流反應器）過濾器殘渣在熱的富氧室內(nèi)多余的可燃氣體燃燒來自高溫爐工藝腔的氣體至工廠的尾氣系統(tǒng)濕式洗滌器循環(huán)水Used with permission from I

44、nternational SEMATECH傳統(tǒng)與快速升溫立式爐的溫度曲線傳統(tǒng)與快速升溫立式爐的溫度曲線Reprinted from the June 1996 edition of Solid State Technology, copyright 1996 by PennWell Publishing Company. 020406080100 120 140 160 180020406080100 120 140 160 1801200100080060040012001000800600400時間 (分鐘)時間 (分鐘)濕度 (C)溫度(C)快速升降傳統(tǒng)快速熱處理的主要優(yōu)點快速熱處理的主

45、要優(yōu)點 減少熱預算減少熱預算 硅中雜質(zhì)運動最小硅中雜質(zhì)運動最小 減少沾污，這歸功于冷壁（減少沾污，這歸功于冷壁（cold wall)加熱加熱 由于較小的腔體體積，可以達到清潔的氣氛由于較小的腔體體積，可以達到清潔的氣氛 更短的加工時間（指循環(huán)時間）更短的加工時間（指循環(huán)時間） 快速熱處理快速熱處理溫度控制溫度控制軸對稱排列的燈陣列軸對稱排列的燈陣列硅片硅片反射板反射板光纖光纖高溫計高溫計加熱頭加熱頭反饋電壓反饋電壓設定電壓設定電壓快速熱處理快速熱處理Photograph courtesy of Advanced Micro Devices, Applied Materials 5300 Centura RTP厚度測量厚度測量 機械法機械法 比色法比色法 光干涉法光干涉法 橢偏法橢偏法Stylus1、機械法、機械法二氧化硅質(zhì)量的檢驗二氧化硅質(zhì)量的檢驗臺階儀臺階儀-profilometer表面形貌儀（臺階儀）表面形貌儀（臺階儀）CRT接近傳感器針運動針X-Y 臺掃描方向 硅片表面線性驅(qū)動單元控制電子儀器Amp+5V-5V+24 VDI2、比色法（白光垂直照射硅片表面）、比色法（白光垂直照射硅片表面）3、光干涉法（、光干涉法（Interferometry） 由光的相干原理，