集成电路工艺氧化课件

集成电路工艺氧化课件 硅热氧化硅热氧化微电子3 张兴旺集成电路工艺氧化课件氧化工艺目的：氧化工艺目的： 在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。 氧化氧化是硅基集成电路的基础工艺之一是硅基集成电路的基础工艺之一集成电路工艺氧化课件 氧化原理氧化原理硅热氧化的概念：硅热氧化的概念：硅热氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化硅热氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化学反应，并在硅片表面生长氧化硅的过程。学反应，并在硅片表面生长氧化硅的过程。热氧化分为干氧、湿氧、水汽氧化，其化学反应式：热氧化分为干氧、湿氧、水汽氧化，其化学反应式： 干氧氧化：干氧氧化：SiO2 SiO2 湿氧氧化：湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2 水汽氧化：水汽氧化：Si H2O SiO2 H2 硅的氧化温度：硅的氧化温度：750 1100集成电路工艺氧化课件加热器集成电路工艺氧化课件氧化过程氧化过程氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达Si与与Si02界面同界面同Si发发生反应，其过程如下：生反应，其过程如下：1、氧化剂扩散穿过滞留层达到、氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2 表面，其流密度为表面，其流密度为F1 。2、氧化剂扩散穿过、氧化剂扩散穿过SiO2 层达到层达到SiO2-Si界面，流密度为界面，流密度为F2 。3、氧化剂在、氧化剂在Si 表面与表面与Si 反应生成反应生成SiO2 ，流密度为，流密度为F3 。4、反应的副产物离开界面。、反应的副产物离开界面。集成电路工艺氧化课件氧化物生长速率氧化物生长速率 氧化层生长第一阶段（氧化层生长第一阶段（150 ）线性：）线性： 氧化层生长第二阶段（氧化层生长第二阶段（ 150） 抛物线生长阶段：抛物线生长阶段：其中其中X为氧化层厚度为氧化层厚度B/A为线性速率系数、为线性速率系数、B为抛物线速率系数为抛物线速率系数t为生长时间为生长时间B/A和和B与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因素与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因素有关。有关。集成电路工艺氧化课件氧化物生长曲线氧化物生长曲线集成电路工艺氧化课件影响二氧化硅生长的因影响二氧化硅生长的因素素 氧化温度：氧化温度： 氧化时间：氧化时间： 掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快 硅片晶向硅片晶向：硅单晶的氧化速率比硅单晶的氧化速率比稍快稍快 反应室的压力：压力越高氧化速率越快反应室的压力：压力越高氧化速率越快 氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快集成电路工艺氧化课件常规氧化工艺常规氧化工艺 硅片清洗硅片清洗（除去硅片上的各种沾污）（除去硅片上的各种沾污） 进片进片/出片出片（进出（进出850温区的速度：温区的速度：5cm/分）分） 质量检查质量检查（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可动电荷的检测）动电荷的检测） SiO2厚度厚度大约大约600nm左右左右 集成电路工艺氧化课件常规氧化工艺常规氧化工艺 湿氧氧化湿氧氧化 水汽产生装置水汽产生装置集成电路工艺氧化课件氢氧合成氧化工艺氢氧合成氧化工艺 氢氧合成产生水分子代替去离子水加热产生水分氢氧合成产生水分子代替去离子水加热产生水分子子氢氧合成的化学反应方程式：氢氧合成的化学反应方程式：2H2 O2 = 2H2O（氢氧合成温度（氢氧合成温度750）氢氧合成工艺中，特别注意氢氧合成工艺中，特别注意H2与与O2的流量比！的流量比！集成电路工艺氧化课件 热生长热生长SiO2 Si 系统中的实际电荷情况系统中的实际电荷情况热生长热生长SiO2 Si 系统系统集成电路工艺氧化课件 在实际的在实际的SiO2 Si 系统中，存在四种电荷：系统中，存在四种电荷：1. 可动电荷：可动电荷： 指指Na、K离子，来源于工艺中的化离子，来源于工艺中的化学试剂、器皿和各种沾污等。学试剂、器皿和各种沾污等。2. 固定电荷：指位于固定电荷：指位于SiO2 Si 界面界面2nm以内的过剩以内的过剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。硅离子，可采用掺氯氧化降低。3. 界面态：指界面陷阱电荷界面态：指界面陷阱电荷(缺陷、悬挂键），可以缺陷、悬挂键），可以采用氢气退火降低。采用氢气退火降低。4. 陷阱电荷：由辐射产生。陷阱电荷：由辐射产生。热生长热生长SiO2 Si 系统系统集成电路工艺氧化课件 在氧化工艺中，通常在氧化系统中通入少量的在氧化工艺中，通常在氧化系统中通入少量的HCl气体（浓度在气体（浓度在3以下）以改善以下）以改善SiO2的质量。其优的质量。其优点：点： 1、氯离子进入、氯离子进入SiO2Si界面与正电荷中和以减少界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累界面处的电荷积累 2、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾污沾污掺氯氧化工艺掺氯氧化工艺集成电路工艺氧化课件 不掺氯热氧化层不掺氯热氧化层 1. 可动电荷（主要是可动电荷（主要是Na离子）密度：离子）密度： 3101211013/cm2 2. 固定电荷密度：固定电荷密度： 11012/cm2 掺氯热氧化层掺氯热氧化层 1. 可动电荷（主要是可动电荷（主要是Na离子）密度：离子）密度： 2101011011/cm2 2. 固定电荷密度：固定电荷密度： （13）1011/cm2 不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比集成电路工艺氧化课件氧化消耗硅氧化消耗硅 氧化前氧化前 氧化后氧化后 氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45左右左右集成电路工艺氧化课件 选择性氧化：常用于硅的局部场氧化选择性氧化：常用于硅的局部场氧化LOCOS （LOCal Oxidation of Silicon）氧化前氧化前氧化后氧化后集成电路工艺氧化课件三种热氧化层质量对比三种热氧化层质量对比质质量量氧化氧化水温水温氧化氧化速率速率均匀性均匀性重复性重复性结构结构掩蔽性掩蔽性干氧干氧氧化氧化慢慢好好致密致密好好湿氧湿氧氧化氧化95 快快较好较好适中适中基本基本满足满足水汽水汽氧化氧化102 最快最快差差疏松疏松较差较差集成电路工艺氧化课件1. 结构及质量：结构及质量：热生长的比沉积的结构致密，热生长的比沉积的结构致密， 质量质量 好。好。2. 成膜温度：成膜温度：热生长的比沉积的温度高。热生长的比沉积的温度高。 可在可在400获得沉积氧化层，在第一层金属布线形获得沉积氧化层，在第一层金属布线形成完进行，做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。成完进行，做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。3. 硅消耗：硅消耗：热生长的消耗硅，沉积的不消耗硅。热生长的消耗硅，沉积的不消耗硅。热生长氧化层与沉积氧热生长氧化层与沉积氧化层的区别化层的区别集成电路工艺氧化课件 SiO2层的质量检查层的质量检查 氧化层表面缺陷的检查氧化层表面缺陷的检查 目检和使用目检和使用100倍倍500倍的显微镜检查倍的显微镜检查 氧化层厚度及其均匀性的测量氧化层厚度及其均匀性的测量 利用光学干涉原理使用膜厚仪、椭偏仪等仪器测量利用光学干涉原理使用膜厚仪、椭偏仪等仪器测量 氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量 使用使用CV测试仪检测测试仪检测集成电路工艺氧化课件 通过颜色的不同可估算通过颜色的不同可估算SiO2 层厚度层厚度集成电路工艺氧化课件SiO2结构、性质和用结构、性质和用途途 SiO2的原子结构：的原子结构：属于非晶体、无定形结构，属于非晶体、无定形结构，Si-O 四面体在空四面体在空间无规则排列。间无规则排列。集成电路工艺氧化课件 SiO2的的物理性质物理性质集成电路工艺氧化课件SiO2的化学性质的化学性质 无论是结晶型或无定型的二氧化硅，都有很高的化学稳定性，它不溶于水，只能和氢氟酸发生化学反应。在高温下，能使活泼的金属或非金属还原。242426SiO +4HFSiF +2H OSiF +2HFH (SiF )集成电路工艺氧化课件SiO2在集成电路中的用在集成电路中的用途途1. 栅氧层：栅氧层：做做MOS结构的电介质层（热生长）结构的电介质层（热生长）2. 场氧层：场氧层：限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉积）积）3. 保护层：保护层：保护器件以免划伤和离子沾污（热生长）保护器件以免划伤和离子沾污（热生长） 4. 注入阻挡层：注入阻挡层：局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂（热生长）（热生长）5. 垫氧层：垫氧层：减小氮化硅与硅之间应力（热生长）减小氮化硅与硅之间应力（热生长）6. 注入缓冲层：注入缓冲层：减小离子注入损伤及沟道效应（热生减小离子注入损伤及沟道效应（热生长）长）7. 层间介质：层间介质：用于导电金属之间的绝缘（沉积）用于导电金属之间的绝缘（沉积）集成电路工艺氧化课件氧化层应用的典型厚度氧化层应用的典型厚度集成电路工艺氧化课件高温炉设备 卧式炉 立式炉 快速热处理（RTP）。单片集成电路工艺氧化课件氧化设备氧化设备卧式高温炉卧式高温炉集成电路工艺氧化课件集成电路工艺氧化课件立式炉系统立式炉系统集成电路工艺氧化课件高温炉的组成高温炉的组成1、工艺腔、工艺腔2、硅片传输系统、硅片传输系统3、气体分配系统、气体分配系统4、温控系统、温控系统5、尾气系统、尾气系统集成电路工艺氧化课件快速热处理快速热处理 快速热处理（快速热处理（RTP）是在非常短的时间内是在非常短的时间内（经常是几分之一秒）将单个硅片加热至（经常是几分之一秒）将单个硅片加热至4001300温度范围的过程。温度范围的过程。 RTP的优点的优点： 1. 减少热预算减少热预算 2. 硅中杂质运动最小硅中杂质运动最小 3. 冷壁加热减少沾污冷壁加热减少沾污 4. 腔体小气氛洁净腔体小气氛洁净 5. 更短的加工时间更短的加工时间集成电路工艺氧化课件RTP的应用的应用 1. 注入退火以减小注入损伤和杂质电激活注入退火以减小注入损伤和杂质电激活 2. 沉积氧化膜增密沉积氧化膜增密 3. 硼磷硅玻璃（硼磷硅玻璃（BPSG）回流）回流 4. 阻挡层退火（如阻挡层退火（如TiN） 5. 硅化物形成（如硅化物形成（如TiSi2） 6. 接触合金接触合金集成电路工艺氧化课件谢谢！谢谢！