集成電路制造工藝 課件 5氧化工藝

氧化工藝/view/274ed1daad51f01dc281f129.html二氧化硅的基本特性二氧化硅膜的用途二氧化硅膜的制備方法

熱氧化機(jī)制熱氧化系統(tǒng)二氧化硅的結(jié)構(gòu)SiOOSiOOSiOOSiOOSiOOSiOOSiOOSiOOSiOOSiO2的平面結(jié)構(gòu)OOOOSiOOOOSiOOOOSiSiO2的立體結(jié)構(gòu)B長(zhǎng)程無(wú)序但短程有序。A微電子工藝中采用的二氧化硅薄膜是非晶態(tài)，是四面體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。幾個(gè)概念位于四面體之間，為兩個(gè)硅原子所共有的氧原子稱橋鍵氧原子。①橋鍵氧原子只與一個(gè)四面體（硅原子）相連的氧原子稱非橋鍵氧原子。它還能接受一個(gè)電子以維持八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。②非橋鍵氧原子橋鍵氧越少，非橋鍵氧越多，二氧化硅網(wǎng)絡(luò)就越疏松。通常的二氧化硅膜的密度約為2.20g/cm3③網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)劑④網(wǎng)絡(luò)形成劑⑤本征二氧化硅無(wú)雜質(zhì)的二氧化硅二氧化硅的性質(zhì)二氧化碳（CO2）二氧化硅(SiO2)存在空氣存在于巖石中，硅石、石英、水晶、硅藻土結(jié)構(gòu)分子晶體，存在CO2分子。原子晶體，不存在SiO2分子物理性質(zhì)無(wú)色氣體，熔、沸點(diǎn)低，微溶于水堅(jiān)硬難熔的固體，不溶于水。與水反應(yīng)CO2+H2O?H2CO3不反應(yīng)與NaOH反應(yīng)CO2+2NaOH=Na2CO3+H2OSiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O與酸反應(yīng)不反應(yīng)只與HF反應(yīng)與CaO反應(yīng)CO2+CaO=CaCO3SiO2+CaO===CaSiO3二氧化硅的性質(zhì)二氧化碳（CO2）二氧化硅(SiO2)與鹽反應(yīng)CO2+Na2CO3+H2O==2NaHCO3CO2+Na2SiO3+H2O==Na2CO3+H2SiO3↓SiO2+CaCO3===CaSiO3+CO2↑弱氧化性CO2+C===2COCO2+2Mg===C+2MgOSiO2+2C===Si+2CO↑2、二氧化硅膜的用途（1）表面鈍化A保護(hù)器件的表面及內(nèi)部——二氧化硅密度非常高，非常硬，保護(hù)器件免于沾污、損傷和化學(xué)腐蝕。B禁錮污染物——落在晶圓上的污染物（主要是移動(dòng)的離子污染物）在二氧化硅的生長(zhǎng)過(guò)程中被禁錮在二氧化硅膜中，在那里對(duì)器件的傷害最小。（2）摻雜阻擋層（作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽膜）A雜質(zhì)在二氧化硅中的運(yùn)行速度低于在硅中的運(yùn)行速度B二氧化硅的熱膨脹系數(shù)與硅接近選擇二氧化硅的理由：二氧化硅起掩蔽作用的條件：A：D二氧化硅<<D硅B：二氧化硅膜有足夠的厚度對(duì)于B、P、As等元素，D二氧化硅<<D硅，因此二氧化硅可以作為雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽膜。（3）絕緣介質(zhì)①IC器件的隔離和多層布線的電隔離SiO2介電性質(zhì)良好：②MOSFET的柵電極③MOS電容的絕緣介質(zhì)3二氧化硅膜的制備方法制備二氧化硅膜的方法有：熱生長(zhǎng)氧化法、化學(xué)氣相沉積等。但目前主要使用的還是熱生長(zhǎng)氧化法。氧化工藝的定義在硅或其它襯底上生長(zhǎng)一層二氧化硅膜。熱生長(zhǎng)氧化法優(yōu)點(diǎn)：致密、純度高、膜厚均勻等；缺點(diǎn)：需要暴露的硅表面、生長(zhǎng)速率低、需要高溫。硅暴露在空氣中，則在室溫下即可產(chǎn)生二氧化硅層，厚度約為250埃。如果需要得到更厚的氧化層，必須在氧氣氣氛中加熱。硅的氧化反應(yīng)是發(fā)生在Si/SiO2界面。2、熱氧化生長(zhǎng)方法熱氧化生長(zhǎng)方法是最常用的得到二氧化硅薄膜的方法。分類：（1）干氧氧化（2）水汽氧化（3）濕氧氧化（4）摻氯氧化干氧法：硅和分子氧反應(yīng)生成SiO2

特點(diǎn)：氧化速度慢，但氧化層致密。水汽氧化：硅和水汽反應(yīng)生成SiO2

特點(diǎn)：氧化速度快，但氧化層疏松。濕氧法：硅同時(shí)和氧分子及水汽反應(yīng)生成SiO2

特點(diǎn)：氧化速度介于干氧和水汽氧化之間。（1）干氧氧化氣源：干燥氧氣，不能有水分。適用：較薄的氧化層的生長(zhǎng)，例如MOS器件的柵極。原理：氧化劑擴(kuò)散到SiO2/Si界面與硅反應(yīng)。Si+O2

SiO2>1000度隨著氧化層的增厚，氧氣擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率減慢。（2）水汽氧化氣源：氣泡發(fā)生器或氫氧合成氣源①氣泡發(fā)生器②氫氧合成氧化缺點(diǎn)：A：水溫易波動(dòng)B：氣泡發(fā)生器可能成為污染源優(yōu)點(diǎn)：A：容易得到干凈和干燥的氣體B：氣體流量精確可控因此②是LSI和VLSI中比較理想的氧化技術(shù)缺點(diǎn)：易爆炸性（解決辦法：氧氣過(guò)量）原理：Si+2H2OSiO2+2H2>1000度干氧氧化和水汽氧化的比較：（3）濕氧氧化（4）摻氯氧化②作用：A：減弱二氧化硅中的移動(dòng)離子（主要是鈉離子）的沾污影響B(tài)：減少硅表面及氧化層的結(jié)構(gòu)缺陷①誘因：薄的MOS柵極氧化要求非常潔凈的膜層，如果在氧化中加入氯，器件的性能和潔凈度都會(huì)得到改善。③氣源：氣態(tài)氣源:Cl2HCl液態(tài)氣源:

三氯乙烯C2HCl3（TCE）氯仿CHCl3（TCA）都為劇毒物；半導(dǎo)體工業(yè)常用HCl，液態(tài)也用氯仿。④Cl-Si-O復(fù)合體：SiO2/Si界面過(guò)渡區(qū)存在大量過(guò)剩的Si，其中硅鍵并未飽和，所以可以通過(guò)反應(yīng)生成Cl-Si-O復(fù)合體。Si-O鍵能（870kJ/mol）>Si-Cl鍵能（627kJ/mol），所以在高溫下，有氧和水汽存在時(shí)，會(huì)使Cl-Si鍵離解。⑤Na+的中性化：4熱氧化機(jī)制（1）基本機(jī)理熱氧化是在Si/SiO2界面進(jìn)行，通過(guò)擴(kuò)散與化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。O2或H2O在生成的二氧化硅內(nèi)擴(kuò)散，到達(dá)Si/SiO2界面后再與Si反應(yīng)。結(jié)果：硅被消耗而變薄，氧化層增厚。Si（固態(tài)）+O2（氣態(tài)）

SiO2（固態(tài)）（>1000℃）生長(zhǎng)1μm厚SiO2約消耗0.45μm厚的硅 dSi=0.45dSiO2迪爾－格羅夫氧化模型NG氣體內(nèi)部氧化劑濃度NGSSiO2表面外側(cè)氧化劑濃度NOSSiO2表面內(nèi)側(cè)氧化劑濃度NSSiO2/Si界面處氧化劑濃度toxSiO2薄膜的厚度hG:氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)F1：氧化劑由氣體內(nèi)部傳輸?shù)綒怏w和氧化物界面的粒子流密度，即單位時(shí)間通過(guò)單位面積的原子數(shù)或分子數(shù)。D0：氧化劑在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)。F2：氧化劑擴(kuò)散通過(guò)已生成的二氧化硅到達(dá)SiO2/Si界面的擴(kuò)散流密度。Ks：表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)F3：SiO2/Si界面處，氧化劑和硅反應(yīng)生成新的SiO2層的反應(yīng)流密度。假設(shè)氧化過(guò)程為平衡過(guò)程，且氧化氣體為理想氣體，則平衡態(tài)下應(yīng)有：F1=F2=F3于是有氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系：當(dāng)時(shí)有：當(dāng)時(shí)有：（3）熱氧化生長(zhǎng)的兩個(gè)階段當(dāng)時(shí)有：當(dāng)時(shí)有：①線性階段②拋物線階段（生長(zhǎng)逐漸變慢，直至不可忍受）簡(jiǎn)記為：tox=B/At簡(jiǎn)記為：B/A被稱為線性速率系數(shù)；而B被稱為拋物線速率系數(shù)硅（100）晶面干氧氧化速率與氧化層厚度的關(guān)系自然氧化層迪爾－格羅夫模型在薄氧化層范圍內(nèi)不適用。在薄氧化階段，氧化速率非?？欤溲趸瘷C(jī)理至今仍然存在爭(zhēng)議，但可以用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示。由于薄氧化階段的特殊存在，迪爾－格羅夫模型需要用τ來(lái)修正。薄氧階段的經(jīng)驗(yàn)公式其中：tox為氧化層厚度；L1和L2是特征距離，C1和C2是比例常數(shù)。硅的氧化系數(shù)溫度(℃)干氧濕氧A(μm)B(μm2/h)τ(h)A(μm)B(μm2/h)8000.370.00119——9200.2350.00491.40.50.20310000.1650.01170.370.2260.28711000.090.0270.0760.110.5112000.040.0450.0270.050.72其中：τ是考慮到自然氧化層的因素，250?左右。計(jì)算在120分鐘內(nèi)，920℃水汽氧化（640Torr）過(guò)程中生長(zhǎng)的二氧化硅層的厚度。假定硅片在初始狀態(tài)時(shí)已有1000埃的氧化層。（5）熱氧化系統(tǒng)氧化系統(tǒng)由四部分組成：

①氣源柜②爐體柜③裝片臺(tái)④計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)水平爐管反應(yīng)爐

最早使用也一直延續(xù)至今。主要用在氧化、擴(kuò)散、熱處理及各種淀積工藝中。水平爐管反應(yīng)爐整個(gè)系統(tǒng)包含反應(yīng)室、溫度控制系統(tǒng)、反應(yīng)爐、氣體柜、清洗站、裝片站等快速升溫反應(yīng)爐

隨著晶園尺寸越來(lái)越大，升溫降溫時(shí)間會(huì)增加，成本也越來(lái)越高。解決這個(gè)問題的手段就是確保最大批量，但這又會(huì)減慢流程。為了解決這個(gè)問題，引進(jìn)了快速升溫、小批量生產(chǎn)的反應(yīng)爐，這就是大功率加熱的小型水平爐。通常反應(yīng)爐每分鐘升溫幾度，而快速升溫反應(yīng)爐每分鐘升溫十幾度。小容量的低效率缺陷由快速的反應(yīng)時(shí)間來(lái)補(bǔ)償。快速加熱工藝（RTP）

快速加熱工藝主要是用在離子注入后的退火，目的是消除由于注入帶來(lái)的晶格損傷和缺陷。傳統(tǒng)上的退火工藝由爐管反應(yīng)爐來(lái)完成。

普通退火消除缺陷的同時(shí)又會(huì)帶來(lái)一些其他的負(fù)面影響，比如，摻雜的再分布。這又是不希望發(fā)生的。這就使得人們?cè)趯ふ移渌耐嘶鸱绞剑@個(gè)方式仍是快速加熱工藝。

RTP工藝是基于熱輻射原理，參見下圖

由示意圖可看出，加熱源（十字鎢燈）在晶園的上面，這樣晶園就可被快速加熱。熱輻射偶合進(jìn)入晶園表面并快速到達(dá)工藝溫度，由于加熱時(shí)間很短，晶園體內(nèi)溫度并未升溫，這在傳統(tǒng)的反應(yīng)爐內(nèi)是不可能實(shí)現(xiàn)的。用這個(gè)工藝進(jìn)行離子注入后的退火，就意味著晶格破壞修復(fù)了，而摻入雜質(zhì)的分布沒有改變。

RTP技術(shù)不只是用在“退火工藝”，對(duì)于MOS柵極中薄的氧化層的生長(zhǎng)是自然而然的選擇，由于器件尺寸越來(lái)越小的趨勢(shì)使得加在晶園上的每層的厚度越來(lái)越薄，厚度減少最顯著的是柵極氧化層。先進(jìn)的器件要求柵極厚度小于0.01微米。如此薄的氧化層對(duì)于普通的反應(yīng)爐來(lái)說(shuō)，是難以實(shí)現(xiàn)的。而RTP系統(tǒng)快速升溫降溫可以提供所需的控制能力。

RTP時(shí)間/溫度曲線如下：

高壓氧化

增加氧化劑分壓提高氧化速率前面已經(jīng)提到，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。因?yàn)闇囟仍礁邥r(shí)間越長(zhǎng)越會(huì)引起其它負(fù)面影響，比如晶園表面層中“錯(cuò)位”和溫度及高溫下的時(shí)間密切相關(guān)，而這種錯(cuò)位對(duì)器件特性是很不利的。高溫氧化系統(tǒng)如圖所示。

和普通水平反應(yīng)爐相似，不同的是爐管是密封的，氧化劑被用10~25倍大氣壓的壓力泵入爐管。在這種壓力下，氧化溫度可降到300~700℃而又能