半導(dǎo)體氧化工藝教案學(xué)習(xí)課件

會(huì)計(jì)學(xué)1半導(dǎo)體氧化工藝會(huì)計(jì)學(xué)1半導(dǎo)體氧化工藝內(nèi)容1、列出硅器件中，二氧化硅膜層的基本用途。2、描述熱氧化的機(jī)制。3、氧化方法及工藝設(shè)備。4、解釋氧化條件及基底條件對(duì)氧化的影響。5、氧化膜的質(zhì)量評(píng)估。第1頁(yè)/共49頁(yè)內(nèi)容1、列出硅器件中，二氧化硅膜層的基本用途。第1頁(yè)/共49在集成電路工藝中，氧化是必不可少的一項(xiàng)工藝技術(shù)。自從早期人們發(fā)現(xiàn)硼、磷、砷、銻等雜質(zhì)元素在SiO2的擴(kuò)散速度比在Si中的擴(kuò)散速度慢得多，SiO2膜就被大量用在器件生產(chǎn)中作為選擇擴(kuò)散的掩模，并促進(jìn)了硅平面工藝的出現(xiàn)。同時(shí)在Si表面生長(zhǎng)的SiO2膜不但能與Si有很好的附著性，而且具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和電絕緣性。因此SiO2在集成電路中起著極其重要的作用。在平導(dǎo)體器件生產(chǎn)中常用的SiO2膜的生長(zhǎng)方法有:熱生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、陰極濺射法,HF一HNO3氣相鈍化法、真空蒸發(fā)法、外延生長(zhǎng)法、陽(yáng)極氧化法等。在深亞微米IC制造中，還發(fā)展了快速加熱工藝技術(shù)。選擇何種方法來(lái)生SiO2層與器件的性能有很大關(guān)系。第2頁(yè)/共49頁(yè)在集成電路工藝中，氧化是必不可少的一項(xiàng)工藝技術(shù)。自從早期人們二氧化硅層的用途1、表面鈍化2、摻雜阻擋層3、表面絕緣體4、器件絕緣體5、緩沖層6、隔離層第3頁(yè)/共49頁(yè)二氧化硅層的用途1、表面鈍化2、摻雜阻擋層3、表面絕緣體4、作為MQS器件的絕緣柵介質(zhì):在集成電路的特征尺寸越來(lái)越小的情況下，作為MQS結(jié)構(gòu)中的柵介質(zhì)的厚度也越來(lái)越小。此時(shí)SiO2作為器件的一個(gè)重要組成部分(如圖1所示)，它的質(zhì)量直接決定器件的多個(gè)電學(xué)參數(shù)。同樣SiO2也可作為電容的介質(zhì)材料。第4頁(yè)/共49頁(yè)作為MQS器件的絕緣柵介質(zhì):在集成電路的特征尺寸越來(lái)越小的情作為選擇性摻雜的掩模:SiO2的掩蔽作用是指SiO2膜能阻擋雜質(zhì)(例如硼、磷、砷等)向半導(dǎo)體中擴(kuò)散的能力。利用這一性質(zhì)，在硅片表面就可以進(jìn)行有選擇的擴(kuò)散。同樣對(duì)于離子注人，SiO2也可作為注人離子的阻擋層。第5頁(yè)/共49頁(yè)作為選擇性摻雜的掩模:SiO2的掩蔽作用是指SiO2膜能阻作為隔離層:集成電路中，器件與器件之間的隔離可以有PN結(jié)隔離和SiO2介質(zhì)隔離。SiO2介質(zhì)隔離比PN結(jié)隔離的效果好，它采用一個(gè)厚的場(chǎng)氧化層來(lái)完成。第6頁(yè)/共49頁(yè)作為隔離層:集成電路中，器件與器件之間的隔離可以有PN結(jié)隔離作為緩沖層:當(dāng)Si3N4。直接沉積在Si襯底上時(shí)，界面存在極大的應(yīng)力與極高的界面態(tài)密度，因此多采用Si3N4/SiO2/Si結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)進(jìn)行場(chǎng)氧化時(shí)，SiO2會(huì)有軟化現(xiàn)象?？梢郧宄齋i3N4和襯底Si之間的應(yīng)力。第7頁(yè)/共49頁(yè)作為緩沖層:當(dāng)Si3N4。直接沉積在Si襯底上時(shí)，界面存在作為絕緣層:在芯片集成度越來(lái)越高的情況下就需要多層金屬布線(xiàn)。它們之間需要用絕緣性能良好的介電材料加以隔離，SiO2就能充當(dāng)這種隔離材料。第8頁(yè)/共49頁(yè)作為絕緣層:在芯片集成度越來(lái)越高的情況下就需要多層金屬布線(xiàn)。作為保護(hù)器件和電路的鈍化層:在集成電路芯片制作完成后，為了防止機(jī)械性的損傷，或接觸含有水汽的環(huán)境太久而造成器件失效，通常在IC制造工藝結(jié)束后在表面沉積一層鈍化層，摻磷的SiO2薄膜常用作這一用途。第9頁(yè)/共49頁(yè)作為保護(hù)器件和電路的鈍化層:在集成電路芯片制作完成后，為了防圖1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共49頁(yè)圖1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共49頁(yè)圖2場(chǎng)氧化層作為緩沖層第11頁(yè)/共49頁(yè)圖2場(chǎng)氧化層作為緩沖層第11頁(yè)/共49頁(yè)O2O2O2<100nmTox=(B/A)t線(xiàn)性階段OriginalSi>100nmTox=(Bt)1/2

拋物線(xiàn)階段熱氧化的機(jī)制受限反應(yīng)，受限擴(kuò)散反應(yīng)Si(S)+O2(V)—>SiO2(S)第12頁(yè)/共49頁(yè)O2O2O2<100nmTox=(B/A)t線(xiàn)性階Si的氧化過(guò)程是一個(gè)表面過(guò)程，即氧化劑是在硅片表面處與Si原子起反應(yīng)，當(dāng)表面已形成的SiO2層阻止了氧化劑與Si的直接接觸，氧化劑就必須以擴(kuò)散的方式穿過(guò)SiO2層、到達(dá)SiO2一Si界面與Si原子反應(yīng)，生成新的SiO2層，使SiO2膜不斷增厚，同時(shí)SiO2一Si界面向Si內(nèi)部推進(jìn).第13頁(yè)/共49頁(yè)Si的氧化過(guò)程是一個(gè)表面過(guò)程，即氧化劑是在硅片表面處與Si原SiO2的生長(zhǎng)示意圖第14頁(yè)/共49頁(yè)SiO2的生長(zhǎng)示意圖第14頁(yè)/共49頁(yè)第15頁(yè)/共49頁(yè)第15頁(yè)/共49頁(yè)DryOxidationSi(S)+O2(V)

—>SiO2(S)WetOxidation（streamOxidation）

Si(S)+H2O(V)—>SiO2(S)+H2(V)氧化率的影響900-1200oC900-1200oC1、氧化源：干氧<濕氧(發(fā)泡、干法)<Cl參入氧化干氧氧化優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)致密、均勻性和重復(fù)性好、與光刻膠黏附好且應(yīng)力小。缺點(diǎn)：生長(zhǎng)溫度高、生長(zhǎng)速度慢。第16頁(yè)/共49頁(yè)DryOxidation氧化率的影響900-1200oC9氧化率的影響2、高壓氧化在實(shí)際的工藝過(guò)程中增加氧化劑分壓來(lái)提高氧化速率，或者降低氧化溫度而保持同樣的氧化速率都是經(jīng)常采用方法。優(yōu)點(diǎn)：有利于降低材料中的位錯(cuò)缺陷。缺點(diǎn)：在利用高壓氧化時(shí)要注意安全問(wèn)題和高壓系統(tǒng)帶來(lái)的污染問(wèn)題。常壓<高壓第17頁(yè)/共49頁(yè)氧化率的影響2、高壓氧化在實(shí)際的工藝過(guò)程中增加氧化劑分壓來(lái)提氧化率的影響3、晶向因?yàn)椴煌蚱湓用芏炔煌?，所以在相同的溫度、氧化氣壓等條件下，原子密度大的晶面，氧化生長(zhǎng)速率要大，而且在低溫時(shí)的線(xiàn)性階段更為明顯。第18頁(yè)/共49頁(yè)氧化率的影響3、晶向因?yàn)椴煌蚱湓用芏炔煌?，所以在相同?溫度溫度對(duì)氧化速率的影響可以從拋物線(xiàn)速度常數(shù)B和線(xiàn)性常數(shù)B/A與溫度的關(guān)系米看，如表1所示給出了不同氧化氣氛和不同溫度下的A,B,B/A值。第19頁(yè)/共49頁(yè)4溫度第19頁(yè)/共49頁(yè)表1不同氧化氣氛和不同溫度下的A,B,B/A值第20頁(yè)/共49頁(yè)表1不同氧化氣氛和不同溫度下的A,B,B/A值第20頁(yè)/共5氧化的初始階段和模型的修正從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)氧化的初始階段(20一30nm)有一個(gè)快速的偏離線(xiàn)性關(guān)系的氧化過(guò)程。這意味著有與上述氧化不同的氧化機(jī)理。上述氧化模型是建立在中性氧氣分子穿過(guò)氧化膜與Si反應(yīng)的假設(shè)基礎(chǔ)上的，而在氧化初始階段，實(shí)際上氧在SiO2中的擴(kuò)散是以離子形式進(jìn)行的。第21頁(yè)/共49頁(yè)5氧化的初始階段和模型的修正第21頁(yè)/共49頁(yè)

氧離子和空穴同時(shí)向SiO2一Si界面擴(kuò)散，由于空穴擴(kuò)散速率快，就會(huì)在SiO2層內(nèi)產(chǎn)生一內(nèi)建電場(chǎng)，此電場(chǎng)又加速了O2-1的擴(kuò)散，如此就解釋了實(shí)際與模型曲線(xiàn)的差異。不過(guò)這種加速作用只存在于SiO2表面一個(gè)很薄的范圍內(nèi)，因此實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只是在氧化初始階段與理論模型存在偏差。第22頁(yè)/共49頁(yè)氧離子和空穴同時(shí)向SiO2一Si界面擴(kuò)散，由于空穴擴(kuò)散速率6、摻雜物氧化率：高摻雜>低摻雜n型摻雜物：P、As、Sbp型摻雜物：B7、多晶硅與單晶硅相比氧化率更快實(shí)際工藝中由于各個(gè)部分材料不同，造成氧化層厚度不均勻，出現(xiàn)臺(tái)階。第23頁(yè)/共49頁(yè)6、摻雜物實(shí)際工藝中由于各個(gè)部分材料不同，造成氧化層厚度不均氧化方法制備SiO2的方法很多，在集成電路工藝中最常用的方法為熱氧化法和化學(xué)氣相沉積法兩種。下面主要介紹熱氧化法。根據(jù)氧化氣氛的不同，熱氧化法又可分為干氧氧化、水汽氧化、濕氧氧化八摻氯氧化和氫氧合成氧化等。下面逐一進(jìn)行介紹。第24頁(yè)/共49頁(yè)氧化方法制備SiO2的方法很多，在集成電路工藝中最常用的方法干氧氧化干氧氧化就是在氧化過(guò)程中，直接通入O2進(jìn)行氧化的方法。通過(guò)干氧氧化生成的SiO2膜其有結(jié)構(gòu)致密;干燥、均勻性和重復(fù)性好;對(duì)雜質(zhì)掩蔽能力強(qiáng);鈍化效果好;與光刻膠的附著性好等優(yōu)點(diǎn)，該方法的缺點(diǎn)是氧化速率較慢。第25頁(yè)/共49頁(yè)干氧氧化第25頁(yè)/共49頁(yè)水汽氧化水汽氧化是指硅片一與高溫水蒸汽發(fā)生反應(yīng)的氧化方法。由于水在SiO2中的平衡濃度N±(1019atoms/cm3)比O2在SiO2中的平衡濃度N±(1016atoms/cm3)高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的速率大得多。但水汽氧化法生成的SiO2膜結(jié)構(gòu)疏松、表面有斑點(diǎn)和缺陷、含水量大、對(duì)雜質(zhì)(尤其是磷)掩蔽能力較差，所以現(xiàn)在很少使用這種氧化方法。第26頁(yè)/共49頁(yè)水汽氧化第26頁(yè)/共49頁(yè)濕氧氧化濕氧氧化法中，O2先通過(guò)95℃一98℃左右的去離子水，將水汽一起帶人氧化爐內(nèi)，O2和水汽同時(shí)與Si發(fā)生氧化反應(yīng)。采用這種氧化方法生成的SiO2膜的質(zhì)量比干氧氧化的略差，但遠(yuǎn)好過(guò)水汽氧化的效果，而且生長(zhǎng)速度較快，因此，當(dāng)所需氧化層厚度很厚且對(duì)氧化層的電學(xué)性能要求不高的情況下，為了量產(chǎn)的考慮，常采用這種氧化方法。其缺點(diǎn)是生成的SiO2膜與光刻膠的附著性不良、Si表面存在較多位錯(cuò)缺陷。在實(shí)際的制造工藝中，通常采用干氧一濕氧一干氧這種多步交替的氧化方法制備氧化層，這樣既能保證較好的SiO2膜質(zhì)量，又能有較快的氧化速率。第27頁(yè)/共49頁(yè)濕氧氧化第27頁(yè)/共49頁(yè)摻氯氧化摻氯氧化是指在干氧氧化通人O2的同時(shí)，通人含氯的化合物氣體，從而生成含氯的SiO2膜。這樣能減少SiO2中的鈉離子污染，提高器件的電學(xué)性能和可靠性。第28頁(yè)/共49頁(yè)摻氯氧化第28頁(yè)/共49頁(yè)氫氧合成氧化氫氧合成氧化是指在常壓下，把高純H2和O2通人石英管內(nèi)，使之在一定溫度下燃燒生成水，水在高溫下氣化，然后水汽與Si反應(yīng)生成SiO2的氧化方法。為了安全起見(jiàn)，通人的O2必須過(guò)量，因此，實(shí)際上是水汽和O2同時(shí)參與氧化反應(yīng)。因?yàn)闅怏w純度高，所以燃燒生成的水純度很高，這就避免了濕氧氧化過(guò)程中水蒸氣帶來(lái)的污染。這種氧化方法氧化效率高，生成的SiO2膜質(zhì)量好、均勻性和重復(fù)性好。第29頁(yè)/共49頁(yè)氫氧合成氧化第29頁(yè)/共49頁(yè)其他的氧化除了以上幾種熱氧化方法外，還有幾種特殊的氧化方法。例如：為了制備高質(zhì)量的薄柵氧化層，出現(xiàn)了低溫薄柵氧化（﹤900℃）和分壓氧化(在氧氣中通入一定比例的不活潑氣體，降低氧氣的分壓，以降低氧化速率);為了制備厚的氧化層，出現(xiàn)了高壓氧化方法。第30頁(yè)/共49頁(yè)其他的氧化第30頁(yè)/共49頁(yè)熱氧化工藝的設(shè)備熱氧化的設(shè)備主要有水平式和直立式兩種，6英寸以下的硅片都用水平式氧化爐,8英寸以上的硅片都采用直立式氧化爐。氧化爐管和裝載硅片的晶舟都用石英材料制成。在氧化過(guò)程中，要防止雜質(zhì)污染和金屬污染，為了減少人為的因素，現(xiàn)代IC制造中氧化過(guò)程都采用自動(dòng)化控制。如圖3和圖4所示分別是典型的水平式氧化爐系統(tǒng)和直立式氧化爐系統(tǒng)。第31頁(yè)/共49頁(yè)熱氧化工藝的設(shè)備熱氧化的設(shè)備主要有水平式和直立式兩種，6英寸影響氧化均勻性的重要工藝參數(shù)是氧化區(qū)域的溫度分布。在水平式氧化爐中采用五段加熱器進(jìn)行控溫即是為了達(dá)到最佳的溫度分布曲線(xiàn)，通常溫度誤差控制在士0.5℃。第32頁(yè)/共49頁(yè)影響氧化均勻性的重要工藝參數(shù)是氧化區(qū)域的溫度分布。在水平式氧與水平式氧化爐系統(tǒng)相比，直立式氧化系統(tǒng)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是氣體的向上熱流性，使得氧化的均勻性比水平式的要好，同時(shí)它體積小、占地面積小，可以節(jié)省凈化室的空間。在硅片進(jìn)出氧化區(qū)域的過(guò)程中，要注意硅片上溫度的變化不能太大，否則硅片會(huì)產(chǎn)生扭曲，引起很大的內(nèi)應(yīng)力。一個(gè)氧化過(guò)程的主要步驟如圖5所示。第33頁(yè)/共49頁(yè)與水平式氧化爐系統(tǒng)相比，直立式氧化系統(tǒng)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就步驟1:硅片送至爐管口，通人N2及少量O2步驟2:硅片被推至恒溫區(qū)，升溫速率為5一30℃/Min步驟步驟3:通人大量O2，氧化反應(yīng)開(kāi)始。步驟4:加人一定比例的含氯氣體(干氧化方式)，或通人H2(濕氧化方式)。步驟5:通O2，以消耗殘留的含氯氣體或H2步驟6:改通N2，做退火處理。步驟7:硅片開(kāi)始拉至爐口，降溫速率為2--10℃/Min步驟8:將硅片拉出爐管。第34頁(yè)/共49頁(yè)步驟1:硅片送至爐管口，通人N2及少量O2第34頁(yè)/共49頁(yè)圖3水平式氧化爐系統(tǒng)第35頁(yè)/共49頁(yè)圖3水平式氧化爐系統(tǒng)第35頁(yè)/共49頁(yè)圖4直立式氧化爐系統(tǒng)第36頁(yè)/共49頁(yè)圖4直立式氧化爐系統(tǒng)第36頁(yè)/共49頁(yè)圖5一個(gè)氧化程序的主要步驟第37頁(yè)/共49頁(yè)圖5一個(gè)氧化程序的主要步驟第37頁(yè)/共49頁(yè)氧化膜的質(zhì)量評(píng)價(jià)

以熱氧化法生長(zhǎng)的SiO2薄膜，在半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)中具有多種用途，其中最主要的應(yīng)用是作為MOSFET器件的柵氧化層。下面將針對(duì)作為柵氧化層的Si仇膜來(lái)探討薄膜品質(zhì)對(duì)MOSFET器件的影響。第38頁(yè)/共49頁(yè)氧化膜的質(zhì)量評(píng)價(jià)

以熱氧化法生長(zhǎng)的SiO2薄膜，在半導(dǎo)體器件氧化層的電荷作為MOSFET器件結(jié)構(gòu)中的一部分，對(duì)柵氧化層的要求是非常高的。但是由于在SiO2一Si界面因?yàn)檠趸牟贿B續(xù)性，有一個(gè)過(guò)渡區(qū)的存在，各種不同的電荷和缺陷會(huì)隨著熱氧化而出現(xiàn)在這一過(guò)渡區(qū)，如鈉離子進(jìn)人SiO2層成為可動(dòng)電荷。氧化層中這些電荷存在會(huì)極大地影響MOSFET器件的參數(shù)，并降低器件的可靠性。在氧化層中各種電荷的分布如圖所示。第39頁(yè)/共49頁(yè)氧化層的電荷作為MOSFET器件結(jié)構(gòu)中的一部分，對(duì)柵氧化層的電荷在氧化層內(nèi)的分布第40頁(yè)/共49頁(yè)電荷在氧化層內(nèi)的分布第40頁(yè)/共49頁(yè)這四種電荷的產(chǎn)生原因、數(shù)量、對(duì)MOSFET器件性能的影響和減少的方法。①界面陷阱電荷Qit。它是在Si一SiO2界面的正的或負(fù)的電荷，起源于Si-SiO2界面結(jié)構(gòu)缺陷、氧化感生缺陷以及金屬雜質(zhì)和輻射等因素引起的其他缺陷。它的能級(jí)在Si的禁帶中，電荷密度在1010/cm2左右。Si一SiO2界面的Si原子懸掛鍵是一種主要的結(jié)構(gòu)缺陷，通過(guò)釋放或束縛電子的方式與Si表面層交換電子和空穴，進(jìn)而調(diào)制Si的表面勢(shì)，造成器件參數(shù)的不穩(wěn)定性。此外，它還會(huì)導(dǎo)致器件表面漏電流和it/f噪聲的增加以及四暗流增益(跨導(dǎo))的降低。通?？赏ㄟ^(guò)氧化后適當(dāng)?shù)耐嘶饋?lái)降低Qit的濃度。第41頁(yè)/共49頁(yè)這四種電荷的產(chǎn)生原因、數(shù)量、對(duì)MOSFET器件性能的影響和減②氧化層固定電荷Qf，這種電荷是指位于距離Si一SiO2界面3nm的氧化層內(nèi)的正電荷，又稱(chēng)界面電荷，是由氧化層中的缺陷引起的，電荷密度在1010-1012/cm2固定電荷的影響是使MOSFET結(jié)構(gòu)的C一V曲線(xiàn)向負(fù)方向平移，但不改變其形狀;山于其面密度Qf是固定的，所以?xún)H影響閥值電壓的大小，而不會(huì)導(dǎo)致閥值電壓的不穩(wěn)定性。適當(dāng)?shù)耐嘶鸺袄鋮s速率能減少Q(mào)f第42頁(yè)/共49頁(yè)②氧化層固定電荷Qf，這種電荷是指位于距離Si一SiO2界面③可動(dòng)離電荷Qm:由氧化系統(tǒng)中的堿金屬離子(如K+,Na+,Li+等)進(jìn)入氧化層引起的，電荷密度在1010-1012/cm2

在溫度偏壓實(shí)驗(yàn)中，Na+能在SiO2中橫向及縱向移動(dòng)，從而調(diào)制了器件有關(guān)表面的表面勢(shì)，引起器件參數(shù)的不穩(wěn)定。要減少此類(lèi)電荷，可在氧化前先通人含氯的化合物氣體清洗爐管，氧化方法采用摻氯氧化。第43頁(yè)/共49頁(yè)③可動(dòng)離電荷Qm:由氧化系統(tǒng)中的堿金屬離子(如K+,Na+,④氧化層陷阱電荷Qot:這是由氧化層內(nèi)的雜質(zhì)或不飽和鍵捕捉到加工過(guò)程中產(chǎn)生的電子或空穴所引起的，可能是正電荷，也可能是負(fù)電荷。電荷密度在109-1013/cm2左右。通過(guò)低溫H2退火能降低其濃度，以至消除。這些電荷的檢測(cè)可采用電容一電壓法，也就是通常所說(shuō)的C-V測(cè)量技術(shù)，在這里不作詳細(xì)介紹了。第44頁(yè)/共49頁(yè)④氧化層陷阱電荷Qot:這是由氧化層內(nèi)的雜質(zhì)或不飽和鍵捕氧化層的厚度和密度在集成電路的加工工藝中，氧化層厚度的控制也是十分重要的。如柵氧化層的厚度在亞微米工藝中僅幾十納米，甚至幾納米。另外SiO2膜是否致密可通過(guò)折射率來(lái)反映，厚度與折射率檢測(cè)多采用橢圓偏振法。這種方法鍘量精度高，是一種非破壞性的測(cè)量技術(shù)，能同時(shí)測(cè)出膜厚和折射率。第45頁(yè)/共49頁(yè)氧化層的厚度和密度在集成電路的加工工藝中，氧化層厚度的控制也氧化層的缺陷氧化層的缺陷主要是針孔和層錯(cuò)，他們是MOSFET器件柵氧化層漏電流的主要根源。針孔產(chǎn)生的原因主要有:1.氧化過(guò)程中在硅片表面產(chǎn)生缺陷、損傷、污染等;2，在光刻時(shí)，掩模板上有小島或光刻膠中有雜質(zhì)微粒，使刻蝕后的氧化膜上出現(xiàn)針孔;3.高溫氧化后在氧化層中形成層錯(cuò)。要減少這些缺陷，就要提高氧化系統(tǒng)中的潔凈程度，還要在氧化前將硅片清洗干凈。改進(jìn)氧化條件則是減少層錯(cuò)的有效方法。第46頁(yè)/共49頁(yè)氧化層的缺陷氧化層的缺陷主要是針孔和層錯(cuò)，他們是MOSFET熱應(yīng)力因?yàn)镾iO2與Si的熱膨脹系數(shù)不同(Si是2.6x10-6K-1,SiO2是5x10-7K-1),因此在結(jié)束氧化退出高溫過(guò)程后，會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，對(duì)Si仇膜來(lái)說(shuō)是來(lái)自Ss的壓縮應(yīng)力。這會(huì)造成硅片發(fā)生彎曲并產(chǎn)生缺陷。嚴(yán)重時(shí)，氧化層會(huì)產(chǎn)生破裂，從而使硅片報(bào)廢。所以在加熱或冷卻過(guò)程中要使硅片受熱均勻，同時(shí)，升溫和降溫速率不能太大。第47頁(yè)/共49頁(yè)熱應(yīng)力因?yàn)镾iO2與Si的熱膨脹系數(shù)不同(Si是2.6x氧化質(zhì)量評(píng)估

氧化后要對(duì)氧化質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)橛行z測(cè)是破壞性的，所以在把一批晶園送入爐管的同時(shí)，在不同位置放置一定數(shù)量的專(zhuān)門(mén)用來(lái)測(cè)試的樣片。一般情況下主要包括表面檢測(cè)和厚度檢測(cè)表面檢測(cè)

通常在高亮的紫外線(xiàn)下對(duì)每片晶園進(jìn)行檢測(cè)，包括表面顆粒、不規(guī)則度、污點(diǎn)都會(huì)在紫外線(xiàn)下顯現(xiàn)。厚度檢測(cè)

對(duì)厚度的檢測(cè)非常重要，因?yàn)椴煌钠骷蛘卟煌康囊?，比如，MOS柵極氧化層的厚度要求就很?chē)?yán)格。檢測(cè)的技術(shù)包括：顏色比較、邊沿記數(shù)、干涉、橢偏儀及電子掃描顯微鏡等。第48頁(yè)/共49頁(yè)氧化質(zhì)量評(píng)估第48頁(yè)/共49頁(yè)會(huì)計(jì)學(xué)50半導(dǎo)體氧化工藝會(huì)計(jì)學(xué)1半導(dǎo)體氧化工藝內(nèi)容1、列出硅器件中，二氧化硅膜層的基本用途。2、描述熱氧化的機(jī)制。3、氧化方法及工藝設(shè)備。4、解釋氧化條件及基底條件對(duì)氧化的影響。5、氧化膜的質(zhì)量評(píng)估。第1頁(yè)/共49頁(yè)內(nèi)容1、列出硅器件中，二氧化硅膜層的基本用途。第1頁(yè)/共49在集成電路工藝中，氧化是必不可少的一項(xiàng)工藝技術(shù)。自從早期人們發(fā)現(xiàn)硼、磷、砷、銻等雜質(zhì)元素在SiO2的擴(kuò)散速度比在Si中的擴(kuò)散速度慢得多，SiO2膜就被大量用在器件生產(chǎn)中作為選擇擴(kuò)散的掩模，并促進(jìn)了硅平面工藝的出現(xiàn)。同時(shí)在Si表面生長(zhǎng)的SiO2膜不但能與Si有很好的附著性，而且具有非常穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和電絕緣性。因此SiO2在集成電路中起著極其重要的作用。在平導(dǎo)體器件生產(chǎn)中常用的SiO2膜的生長(zhǎng)方法有:熱生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、陰極濺射法,HF一HNO3氣相鈍化法、真空蒸發(fā)法、外延生長(zhǎng)法、陽(yáng)極氧化法等。在深亞微米IC制造中，還發(fā)展了快速加熱工藝技術(shù)。選擇何種方法來(lái)生SiO2層與器件的性能有很大關(guān)系。第2頁(yè)/共49頁(yè)在集成電路工藝中，氧化是必不可少的一項(xiàng)工藝技術(shù)。自從早期人們二氧化硅層的用途1、表面鈍化2、摻雜阻擋層3、表面絕緣體4、器件絕緣體5、緩沖層6、隔離層第3頁(yè)/共49頁(yè)二氧化硅層的用途1、表面鈍化2、摻雜阻擋層3、表面絕緣體4、作為MQS器件的絕緣柵介質(zhì):在集成電路的特征尺寸越來(lái)越小的情況下，作為MQS結(jié)構(gòu)中的柵介質(zhì)的厚度也越來(lái)越小。此時(shí)SiO2作為器件的一個(gè)重要組成部分(如圖1所示)，它的質(zhì)量直接決定器件的多個(gè)電學(xué)參數(shù)。同樣SiO2也可作為電容的介質(zhì)材料。第4頁(yè)/共49頁(yè)作為MQS器件的絕緣柵介質(zhì):在集成電路的特征尺寸越來(lái)越小的情作為選擇性摻雜的掩模:SiO2的掩蔽作用是指SiO2膜能阻擋雜質(zhì)(例如硼、磷、砷等)向半導(dǎo)體中擴(kuò)散的能力。利用這一性質(zhì)，在硅片表面就可以進(jìn)行有選擇的擴(kuò)散。同樣對(duì)于離子注人，SiO2也可作為注人離子的阻擋層。第5頁(yè)/共49頁(yè)作為選擇性摻雜的掩模:SiO2的掩蔽作用是指SiO2膜能阻作為隔離層:集成電路中，器件與器件之間的隔離可以有PN結(jié)隔離和SiO2介質(zhì)隔離。SiO2介質(zhì)隔離比PN結(jié)隔離的效果好，它采用一個(gè)厚的場(chǎng)氧化層來(lái)完成。第6頁(yè)/共49頁(yè)作為隔離層:集成電路中，器件與器件之間的隔離可以有PN結(jié)隔離作為緩沖層:當(dāng)Si3N4。直接沉積在Si襯底上時(shí)，界面存在極大的應(yīng)力與極高的界面態(tài)密度，因此多采用Si3N4/SiO2/Si結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)進(jìn)行場(chǎng)氧化時(shí)，SiO2會(huì)有軟化現(xiàn)象?？梢郧宄齋i3N4和襯底Si之間的應(yīng)力。第7頁(yè)/共49頁(yè)作為緩沖層:當(dāng)Si3N4。直接沉積在Si襯底上時(shí)，界面存在作為絕緣層:在芯片集成度越來(lái)越高的情況下就需要多層金屬布線(xiàn)。它們之間需要用絕緣性能良好的介電材料加以隔離，SiO2就能充當(dāng)這種隔離材料。第8頁(yè)/共49頁(yè)作為絕緣層:在芯片集成度越來(lái)越高的情況下就需要多層金屬布線(xiàn)。作為保護(hù)器件和電路的鈍化層:在集成電路芯片制作完成后，為了防止機(jī)械性的損傷，或接觸含有水汽的環(huán)境太久而造成器件失效，通常在IC制造工藝結(jié)束后在表面沉積一層鈍化層，摻磷的SiO2薄膜常用作這一用途。第9頁(yè)/共49頁(yè)作為保護(hù)器件和電路的鈍化層:在集成電路芯片制作完成后，為了防圖1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共49頁(yè)圖1MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)第10頁(yè)/共49頁(yè)圖2場(chǎng)氧化層作為緩沖層第11頁(yè)/共49頁(yè)圖2場(chǎng)氧化層作為緩沖層第11頁(yè)/共49頁(yè)O2O2O2<100nmTox=(B/A)t線(xiàn)性階段OriginalSi>100nmTox=(Bt)1/2

拋物線(xiàn)階段熱氧化的機(jī)制受限反應(yīng)，受限擴(kuò)散反應(yīng)Si(S)+O2(V)—>SiO2(S)第12頁(yè)/共49頁(yè)O2O2O2<100nmTox=(B/A)t線(xiàn)性階Si的氧化過(guò)程是一個(gè)表面過(guò)程，即氧化劑是在硅片表面處與Si原子起反應(yīng)，當(dāng)表面已形成的SiO2層阻止了氧化劑與Si的直接接觸，氧化劑就必須以擴(kuò)散的方式穿過(guò)SiO2層、到達(dá)SiO2一Si界面與Si原子反應(yīng)，生成新的SiO2層，使SiO2膜不斷增厚，同時(shí)SiO2一Si界面向Si內(nèi)部推進(jìn).第13頁(yè)/共49頁(yè)Si的氧化過(guò)程是一個(gè)表面過(guò)程，即氧化劑是在硅片表面處與Si原SiO2的生長(zhǎng)示意圖第14頁(yè)/共49頁(yè)SiO2的生長(zhǎng)示意圖第14頁(yè)/共49頁(yè)第15頁(yè)/共49頁(yè)第15頁(yè)/共49頁(yè)DryOxidationSi(S)+O2(V)

—>SiO2(S)WetOxidation（streamOxidation）

Si(S)+H2O(V)—>SiO2(S)+H2(V)氧化率的影響900-1200oC900-1200oC1、氧化源：干氧<濕氧(發(fā)泡、干法)<Cl參入氧化干氧氧化優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)致密、均勻性和重復(fù)性好、與光刻膠黏附好且應(yīng)力小。缺點(diǎn)：生長(zhǎng)溫度高、生長(zhǎng)速度慢。第16頁(yè)/共49頁(yè)DryOxidation氧化率的影響900-1200oC9氧化率的影響2、高壓氧化在實(shí)際的工藝過(guò)程中增加氧化劑分壓來(lái)提高氧化速率，或者降低氧化溫度而保持同樣的氧化速率都是經(jīng)常采用方法。優(yōu)點(diǎn)：有利于降低材料中的位錯(cuò)缺陷。缺點(diǎn)：在利用高壓氧化時(shí)要注意安全問(wèn)題和高壓系統(tǒng)帶來(lái)的污染問(wèn)題。常壓<高壓第17頁(yè)/共49頁(yè)氧化率的影響2、高壓氧化在實(shí)際的工藝過(guò)程中增加氧化劑分壓來(lái)提氧化率的影響3、晶向因?yàn)椴煌蚱湓用芏炔煌?，所以在相同的溫度、氧化氣壓等條件下，原子密度大的晶面，氧化生長(zhǎng)速率要大，而且在低溫時(shí)的線(xiàn)性階段更為明顯。第18頁(yè)/共49頁(yè)氧化率的影響3、晶向因?yàn)椴煌蚱湓用芏炔煌?，所以在相同?溫度溫度對(duì)氧化速率的影響可以從拋物線(xiàn)速度常數(shù)B和線(xiàn)性常數(shù)B/A與溫度的關(guān)系米看，如表1所示給出了不同氧化氣氛和不同溫度下的A,B,B/A值。第19頁(yè)/共49頁(yè)4溫度第19頁(yè)/共49頁(yè)表1不同氧化氣氛和不同溫度下的A,B,B/A值第20頁(yè)/共49頁(yè)表1不同氧化氣氛和不同溫度下的A,B,B/A值第20頁(yè)/共5氧化的初始階段和模型的修正從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)氧化的初始階段(20一30nm)有一個(gè)快速的偏離線(xiàn)性關(guān)系的氧化過(guò)程。這意味著有與上述氧化不同的氧化機(jī)理。上述氧化模型是建立在中性氧氣分子穿過(guò)氧化膜與Si反應(yīng)的假設(shè)基礎(chǔ)上的，而在氧化初始階段，實(shí)際上氧在SiO2中的擴(kuò)散是以離子形式進(jìn)行的。第21頁(yè)/共49頁(yè)5氧化的初始階段和模型的修正第21頁(yè)/共49頁(yè)

氧離子和空穴同時(shí)向SiO2一Si界面擴(kuò)散，由于空穴擴(kuò)散速率快，就會(huì)在SiO2層內(nèi)產(chǎn)生一內(nèi)建電場(chǎng)，此電場(chǎng)又加速了O2-1的擴(kuò)散，如此就解釋了實(shí)際與模型曲線(xiàn)的差異。不過(guò)這種加速作用只存在于SiO2表面一個(gè)很薄的范圍內(nèi)，因此實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只是在氧化初始階段與理論模型存在偏差。第22頁(yè)/共49頁(yè)氧離子和空穴同時(shí)向SiO2一Si界面擴(kuò)散，由于空穴擴(kuò)散速率6、摻雜物氧化率：高摻雜>低摻雜n型摻雜物：P、As、Sbp型摻雜物：B7、多晶硅與單晶硅相比氧化率更快實(shí)際工藝中由于各個(gè)部分材料不同，造成氧化層厚度不均勻，出現(xiàn)臺(tái)階。第23頁(yè)/共49頁(yè)6、摻雜物實(shí)際工藝中由于各個(gè)部分材料不同，造成氧化層厚度不均氧化方法制備SiO2的方法很多，在集成電路工藝中最常用的方法為熱氧化法和化學(xué)氣相沉積法兩種。下面主要介紹熱氧化法。根據(jù)氧化氣氛的不同，熱氧化法又可分為干氧氧化、水汽氧化、濕氧氧化八摻氯氧化和氫氧合成氧化等。下面逐一進(jìn)行介紹。第24頁(yè)/共49頁(yè)氧化方法制備SiO2的方法很多，在集成電路工藝中最常用的方法干氧氧化干氧氧化就是在氧化過(guò)程中，直接通入O2進(jìn)行氧化的方法。通過(guò)干氧氧化生成的SiO2膜其有結(jié)構(gòu)致密;干燥、均勻性和重復(fù)性好;對(duì)雜質(zhì)掩蔽能力強(qiáng);鈍化效果好;與光刻膠的附著性好等優(yōu)點(diǎn)，該方法的缺點(diǎn)是氧化速率較慢。第25頁(yè)/共49頁(yè)干氧氧化第25頁(yè)/共49頁(yè)水汽氧化水汽氧化是指硅片一與高溫水蒸汽發(fā)生反應(yīng)的氧化方法。由于水在SiO2中的平衡濃度N±(1019atoms/cm3)比O2在SiO2中的平衡濃度N±(1016atoms/cm3)高出3個(gè)數(shù)量級(jí)，所以水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的速率大得多。但水汽氧化法生成的SiO2膜結(jié)構(gòu)疏松、表面有斑點(diǎn)和缺陷、含水量大、對(duì)雜質(zhì)(尤其是磷)掩蔽能力較差，所以現(xiàn)在很少使用這種氧化方法。第26頁(yè)/共49頁(yè)水汽氧化第26頁(yè)/共49頁(yè)濕氧氧化濕氧氧化法中，O2先通過(guò)95℃一98℃左右的去離子水，將水汽一起帶人氧化爐內(nèi)，O2和水汽同時(shí)與Si發(fā)生氧化反應(yīng)。采用這種氧化方法生成的SiO2膜的質(zhì)量比干氧氧化的略差，但遠(yuǎn)好過(guò)水汽氧化的效果，而且生長(zhǎng)速度較快，因此，當(dāng)所需氧化層厚度很厚且對(duì)氧化層的電學(xué)性能要求不高的情況下，為了量產(chǎn)的考慮，常采用這種氧化方法。其缺點(diǎn)是生成的SiO2膜與光刻膠的附著性不良、Si表面存在較多位錯(cuò)缺陷。在實(shí)際的制造工藝中，通常采用干氧一濕氧一干氧這種多步交替的氧化方法制備氧化層，這樣既能保證較好的SiO2膜質(zhì)量，又能有較快的氧化速率。第27頁(yè)/共49頁(yè)濕氧氧化第27頁(yè)/共49頁(yè)摻氯氧化摻氯氧化是指在干氧氧化通人O2的同時(shí)，通人含氯的化合物氣體，從而生成含氯的SiO2膜。這樣能減少SiO2中的鈉離子污染，提高器件的電學(xué)性能和可靠性。第28頁(yè)/共49頁(yè)摻氯氧化第28頁(yè)/共49頁(yè)氫氧合成氧化氫氧合成氧化是指在常壓下，把高純H2和O2通人石英管內(nèi)，使之在一定溫度下燃燒生成水，水在高溫下氣化，然后水汽與Si反應(yīng)生成SiO2的氧化方法。為了安全起見(jiàn)，通人的O2必須過(guò)量，因此，實(shí)際上是水汽和O2同時(shí)參與氧化反應(yīng)。因?yàn)闅怏w純度高，所以燃燒生成的水純度很高，這就避免了濕氧氧化過(guò)程中水蒸氣帶來(lái)的污染。這種氧化方法氧化效率高，生成的SiO2膜質(zhì)量好、均勻性和重復(fù)性好。第29頁(yè)/共49頁(yè)氫氧合成氧化第29頁(yè)/共49頁(yè)其他的氧化除了以上幾種熱氧化方法外，還有幾種特殊的氧化方法。例如：為了制備高質(zhì)量的薄柵氧化層，出現(xiàn)了低溫薄柵氧化（﹤900℃）和分壓氧化(在氧氣中通入一定比例的不活潑氣體，降低氧氣的分壓，以降低氧化速率);為了制備厚的氧化層，出現(xiàn)了高壓氧化方法。第30頁(yè)/共49頁(yè)其他的氧化第30頁(yè)/共49頁(yè)熱氧化工藝的設(shè)備熱氧化的設(shè)備主要有水平式和直立式兩種，6英寸以下的硅片都用水平式氧化爐,8英寸以上的硅片都采用直立式氧化爐。氧化爐管和裝載硅片的晶舟都用石英材料制成。在氧化過(guò)程中，要防止雜質(zhì)污染和金屬污染，為了減少人為的因素，現(xiàn)代IC制造中氧化過(guò)程都采用自動(dòng)化控制。如圖3和圖4所示分別是典型的水平式氧化爐系統(tǒng)和直立式氧化爐系統(tǒng)。第31頁(yè)/共49頁(yè)熱氧化工藝的設(shè)備熱氧化的設(shè)備主要有水平式和直立式兩種，6英寸影響氧化均勻性的重要工藝參數(shù)是氧化區(qū)域的溫度分布。在水平式氧化爐中采用五段加熱器進(jìn)行控溫即是為了達(dá)到最佳的溫度分布曲線(xiàn)，通常溫度誤差控制在士0.5℃。第32頁(yè)/共49頁(yè)影響氧化均勻性的重要工藝參數(shù)是氧化區(qū)域的溫度分布。在水平式氧與水平式氧化爐系統(tǒng)相比，直立式氧化系統(tǒng)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是氣體的向上熱流性，使得氧化的均勻性比水平式的要好，同時(shí)它體積小、占地面積小，可以節(jié)省凈化室的空間。在硅片進(jìn)出氧化區(qū)域的過(guò)程中，要注意硅片上溫度的變化不能太大，否則硅片會(huì)產(chǎn)生扭曲，引起很大的內(nèi)應(yīng)力。一個(gè)氧化過(guò)程的主要步驟如圖5所示。第33頁(yè)/共49頁(yè)與水平式氧化爐系統(tǒng)相比，直立式氧化系統(tǒng)有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就步驟1:硅片送至爐管口，通人N2及少量O2步驟2:硅片被推至恒溫區(qū)，升溫速率為5一30℃/Min步驟步驟3:通人大量O2，氧化反應(yīng)開(kāi)始。步驟4:加人一定比例的含氯氣體(干氧化方式)，或通人H2(濕氧化方式)。步驟5:通O2，以消耗殘留的含氯氣體或H2步驟6:改通N2，做退火處理。步驟7:硅片開(kāi)始拉至爐口，降溫速率為2--10℃/Min步驟8:將硅片拉出爐管。第34頁(yè)/共49頁(yè)步驟1:硅片送至爐管口，通人N2及少量O2第34頁(yè)/共49頁(yè)圖3水平式氧化爐系統(tǒng)第35頁(yè)/共49頁(yè)圖3水平式氧化爐系統(tǒng)第35頁(yè)/共49頁(yè)圖4直立式氧化爐系統(tǒng)第36頁(yè)/共49頁(yè)圖4直立式氧化爐系統(tǒng)第36頁(yè)/共49頁(yè)圖5一個(gè)氧化程序的主要步驟第37頁(yè)/共49頁(yè)圖5一個(gè)氧化程序的主要步驟第37頁(yè)/共49頁(yè)氧化膜的質(zhì)量評(píng)價(jià)

以熱氧化法生長(zhǎng)的SiO2薄膜，在半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)中具有多種用途，其中最主要的應(yīng)用是作為MOSFET器件的柵氧化層。下面將針對(duì)作為柵氧化層的Si仇膜來(lái)探討薄膜品質(zhì)對(duì)MOSFET器件的影響。第38頁(yè)/共49頁(yè)氧化膜的質(zhì)量評(píng)價(jià)

以熱氧化法生長(zhǎng)的SiO2薄膜，在半導(dǎo)體器件氧化層的電荷作為MOSFET器件結(jié)構(gòu)中的一部分，對(duì)柵氧化層的要求是非常高的。但是由于在SiO2一Si界面因?yàn)檠趸牟贿B續(xù)性，有一個(gè)過(guò)渡區(qū)的存在，各種不同的電荷和缺陷會(huì)隨著熱氧化而出現(xiàn)在這一過(guò)渡區(qū)，如鈉離子進(jìn)人SiO2層成為可動(dòng)電荷。氧化層中這些電荷存在會(huì)極大地影響MOSFET器件的參數(shù)，并降低器件的可靠性。在氧化層中各種電荷的分布如圖所示。第39頁(yè)/共49頁(yè)氧化層的電荷作為MOSFET器件結(jié)構(gòu)中的一部分，對(duì)柵氧化層的電荷在氧化層內(nèi)的分布第40頁(yè)/共49頁(yè)電荷在氧化層內(nèi)的分布第40頁(yè)/共49頁(yè)這四種電荷的產(chǎn)生原因、數(shù)量、對(duì)MOSFET器件性能的影響和減少的方法。①界面陷阱電荷Qit。它是在Si一SiO2界面的正的或負(fù)的電荷，起源于Si-SiO2界面結(jié)構(gòu)缺陷、氧化感生缺陷以及金屬雜質(zhì)和輻射等因素引起的其他缺陷。它的能級(jí)在Si的禁帶中，電荷密度在1010/cm2左右。Si一SiO2界面的Si原子懸掛鍵是一種主要的結(jié)構(gòu)缺陷，通過(guò)釋放或束縛電子的方式與Si表面層交換電子和空穴，進(jìn)而調(diào)制Si的表面勢(shì)，造成器件參數(shù)的不穩(wěn)定性。此外，它還會(huì)導(dǎo)致器件表面漏電流和it/f噪聲的增加以及四暗流增益(跨導(dǎo))的降低。通?？赏ㄟ^(guò)氧化后適當(dāng)?shù)耐嘶饋?lái)降低Qit的濃度。第41頁(yè)/共49頁(yè)這四種電荷的產(chǎn)生原因、數(shù)量、對(duì)MOSFET器件性能的影響和減②氧化層固定電荷Qf