第二章氧化工艺5讲义课件

第二章第二章 氧化工艺氧化工艺 2.1 SiO2的结构及性质一、结构一、结构一、结构一、结构分为晶态和非晶态，其区别在于结构的周期性。分为晶态和非晶态，其区别在于结构的周期性。分为晶态和非晶态，其区别在于结构的周期性。分为晶态和非晶态，其区别在于结构的周期性。一、结构一、结构连接两个连接两个Si-O四面体的氧称四面体的氧称桥键氧，桥键氧，连接一个连接一个Si-O四面四面体的氧称体的氧称非桥键氧非桥键氧结晶结晶SiO2是由是由Si-O四面体在空间四面体在空间规则规则排列所构成排列所构成,桥键氧桥键氧无定形无定形 SiO2是由是由Si-O四面体构成，排列四面体构成，排列没有规律没有规律,(桥键氧桥键氧、非桥键氧非桥键氧)无定形无定形 SiO2 SiO2 的分子只占空间体积的分子只占空间体积43%,密度：密度：2.15-2.25g/cm3结晶结晶SiO2 密度：密度：2.65g/cm3 桥键氧数目越多，网络结合就越紧密，否则就越疏松。桥键氧数目越多，网络结合就越紧密，否则就越疏松。二、性质（物理性质）二、性质（物理性质）密度：密度：是是SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程致密程度的标志。密度大表示致密程度高，无定形度高，无定形 SiO2密度：密度：2.15-2.25g/cm3制备的方法不同，密度也不同。制备的方法不同，密度也不同。电阻率：电阻率：是良好的绝缘体，但杂质含量对电阻率有很是良好的绝缘体，但杂质含量对电阻率有很大影响。不同制备的方法获得大影响。不同制备的方法获得SiO2电阻率也不电阻率也不同。同。如：热生长如：热生长 1015-1016 热分解热分解107-108 二、性质（物理性质）二、性质（物理性质）介电强度：介电强度：使用来表征薄膜的耐压能力。使用来表征薄膜的耐压能力。表示单位厚度的表示单位厚度的SiO2薄膜所能承受的最小击穿薄膜所能承受的最小击穿电压，单位：电压，单位：V/cm 介电强度大小与薄膜的致密成都、均匀性、介电强度大小与薄膜的致密成都、均匀性、杂质含量有关，与密度成正比。杂质含量有关，与密度成正比。折射率：折射率：表征表征SiO2薄膜光学性质的重要参数。薄膜光学性质的重要参数。与密度有关，密度大折射率大。与密度有关，密度大折射率大。二、性质（物理性质）二、性质（物理性质）介电常数：介电常数：表征电容性能的一个重要参数。表征电容性能的一个重要参数。对于对于MOS电容器，其电容量与结构参数的电容器，其电容量与结构参数的关系可用下式表示：关系可用下式表示：C=0 SiO2 S/d S为金属金属电极的面极的面积，d为SiO2层的厚度，层的厚度，0 真空介真空介电常数，常数，SiO2 为SiO2的相对介电常数，的相对介电常数，其值其值3.9。二、性质（化学性质）二、性质（化学性质）二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，二氧化硅膜的化学稳定性极高，不溶于水，除氢氟酸外，和别的酸不起作用。氢氟酸除氢氟酸外，和别的酸不起作用。氢氟酸腐蚀原理如下：腐蚀原理如下：SiO2+4HF SiF 4 +2H 2O SiF4+2 HF H 2SiF6 六氟化硅溶于水。六氟化硅溶于水。利用这一性质作为掩蔽膜，光刻出利用这一性质作为掩蔽膜，光刻出IC 制备制备中的各种窗口中的各种窗口条件：条件：HF温度温度25 oC 条件：条件：HF浓度浓度12%SiO2腐蚀速率浓度关系腐蚀速率浓度关系 SiO2腐蚀速率温度关系腐蚀速率温度关系 2.2 SiO2 2薄膜的用途 五种用途五种用途杂质扩散掩蔽膜杂质扩散掩蔽膜器件表面保护或钝化膜器件表面保护或钝化膜电路隔离介质或绝缘介质电路隔离介质或绝缘介质电容介质材料电容介质材料MOS管的绝缘栅材料管的绝缘栅材料一、一、二氧化硅膜的掩蔽性质二氧化硅膜的掩蔽性质 对对扩扩散散杂杂质质的的阻阻挡挡作作用用是是有有条条件件的的、是是相相对对的的。事事实实上上，当当杂杂质质向向硅硅片片表表面面扩扩散散的的同同时时也也向向表表面面进进行扩散。行扩散。扩散系数与温度的关系：扩散系数与温度的关系：DSiO2=D0exp(-E/kT)上式表明：上式表明：T D X t X 实验表明杂质在中的扩散服从扩散规律：实验表明杂质在中的扩散服从扩散规律：1.扩散源的选取扩散源的选取 Dsi DSiO2B、P、As等杂质在等杂质在SiO2的扩散系数远小的扩散系数远小于在于在Si中的扩散系数。中的扩散系数。一、一、二氧化硅膜的掩蔽性质二氧化硅膜的掩蔽性质2.掩蔽膜厚度的确定掩蔽膜厚度的确定SiO2 膜要有足够的厚度。一定的杂质扩散时间、膜要有足够的厚度。一定的杂质扩散时间、扩散温度下，有一最小厚度。扩散温度下，有一最小厚度。杂质在中的扩散服从扩散规律。如果定义扩散杂质杂质在中的扩散服从扩散规律。如果定义扩散杂质扩透层，并在扩透层，并在SiO2-Si界面处形成界面处形成p-n结的厚度，称结的厚度，称为对扩散杂质起掩蔽作用所需的最小厚度为对扩散杂质起掩蔽作用所需的最小厚度。不不易易过过厚厚，过过厚厚T高高t长长，将将引引起起硅硅片片的的不不完完整整性和性和P-N结特性的退化结特性的退化。二、作为器件表面的保护和钝化膜二、作为器件表面的保护和钝化膜在整个工艺流程中，使硅片表面免受机械在整个工艺流程中，使硅片表面免受机械损伤以及蒸发烧结，封装等工序中可能带损伤以及蒸发烧结，封装等工序中可能带来的杂质玷污或金属丝的粘联起到保护的来的杂质玷污或金属丝的粘联起到保护的作用。作用。将将Si片表面及片表面及PN结同外界环境隔离开，消结同外界环境隔离开，消除环境气氛对除环境气氛对Si片表面及片表面及PN结的直接影响。结的直接影响。三、电路隔离介质或绝缘介质三、电路隔离介质或绝缘介质四、四、MOS管的绝缘栅材料管的绝缘栅材料 2.3热氧化生长动力学热氧化生长动力学 Si的氧化过程是一个表面过程，即氧化剂是的氧化过程是一个表面过程，即氧化剂是Si 表面处表面处Si 原子发生反应，由于原子发生反应，由于 Si的表面不的表面不断向断向 Si体内移动，因此氧化剂要到达体内移动，因此氧化剂要到达 Si表面表面并与并与 Si原子发生反应，必须经过三个步骤：原子发生反应，必须经过三个步骤：氧化剂从气体内部被传输到气体氧化剂从气体内部被传输到气体/氧化物界面氧化物界面通过扩散穿过已形成的氧化层通过扩散穿过已形成的氧化层在氧化层在氧化层/Si界面处发生化学反应界面处发生化学反应 2.2.3热氧化生长动力学F1：氧化剂由气体内部传输到气体和氧化物界面的粒子流密度：氧化剂由气体内部传输到气体和氧化物界面的粒子流密度 F2F2：氧化剂扩散通过已生成的氧化物到达：氧化剂扩散通过已生成的氧化物到达：氧化剂扩散通过已生成的氧化物到达：氧化剂扩散通过已生成的氧化物到达Si-SiOSi-SiO2 2界面的扩散流密度界面的扩散流密度界面的扩散流密度界面的扩散流密度 F3F3：Si-SiOSi-SiO2 2界面处，氧化剂和硅反应生成新的界面处，氧化剂和硅反应生成新的界面处，氧化剂和硅反应生成新的界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiOSiO2 2层的反应流密度层的反应流密度层的反应流密度层的反应流密度F1F2F3 2.3热氧化生长动力学A.热氧化生长动力学原理方程热氧化生长动力学原理方程F1：氧化剂由气体内部传输到气体和氧化：氧化剂由气体内部传输到气体和氧化物界面的粒子流密度，即单位时间通过单物界面的粒子流密度，即单位时间通过单位面积的原子数或分子数：位面积的原子数或分子数：F1=hg(Cg-Cs）（2.15）hg：气相质量输运系数：气相质量输运系数 Cg：离硅片较远处气体的氧浓度：离硅片较远处气体的氧浓度 CS：二氧化硅表面外侧氧浓度：二氧化硅表面外侧氧浓度F2：氧化剂扩散通过已生成的氧化物到：氧化剂扩散通过已生成的氧化物到达达Si-SiO2界面的扩散流密度界面的扩散流密度:F2=D0 dN/dtox =线性近似=-D0(C0-Cs)/tox (2.22)Do：氧化剂在二氧化硅中的扩散系数：氧化剂在二氧化硅中的扩散系数 Co：氧化剂在氧化层表面内侧的浓度：氧化剂在氧化层表面内侧的浓度 Cs：界面处的氧化剂浓度：界面处的氧化剂浓度 tox：二氧化硅的厚度：二氧化硅的厚度F3：Si-SiO2界面处，氧化剂和硅反界面处，氧化剂和硅反应生成新的应生成新的SiO2层的反应流密度层的反应流密度 F3=kSCi （2.23）ks:表面化学反应速率常数表面化学反应速率常数,Ci:Si-SiO2界面处氧浓度界面处氧浓度稳定状态下，应有稳定状态下，应有FF1F2F3 稳定状态下，应有稳定状态下，应有FF1F2F3 条件，联立求解，条件，联立求解，于是得到平衡情况下热氧化的一般方程为：于是得到平衡情况下热氧化的一般方程为：2.28 式中：式中：A=2D0(1/ks+1/h);B=2D0N1/n;为时间常数为时间常数;2.31Do为为SiO2扩散常数，扩散常数，ks为表面化学反映速率常数为表面化学反映速率常数h是用固体中的浓度来表示的气相质量转移常数是用固体中的浓度来表示的气相质量转移常数h=hg/HkT;N1为氧化层中的平衡氧化剂浓度；为氧化层中的平衡氧化剂浓度；Xi是天然氧化厚度修正是天然氧化厚度修正;n是是SiO2分子密度分子密度X0X0 X X干氧氧化，干氧氧化，n2.21022/cm-3，湿氧氧化，湿氧氧化，n4.51022/cm-3,在湿氧氧化时，扩散系数、质量输运系数、在湿氧氧化时，扩散系数、质量输运系数、反应速率、气体压力和单位体积分子数都会不反应速率、气体压力和单位体积分子数都会不同。同。氧化层与时间的关系氧化层与时间的关系 假定氧化过程为平衡过程，且氧化气氛是理假定氧化过程为平衡过程，且氧化气氛是理想气体，则可推导出氧化层与时间的关系想气体，则可推导出氧化层与时间的关系两种极端情况：（1）氧化时间很短时，由于）氧化时间很短时，由于(t+)A2/4B，其关系趋于抛物线关，其关系趋于抛物线关系系:2.33 其中其中B：抛物线速率常数。：抛物线速率常数。X02.32X0X0简单氧化计算简单氧化计算 计算计算120分钟，分钟，920干氧化过程中生长的氧化层厚干氧化过程中生长的氧化层厚度。假定硅片的初始氧化层厚度为度。假定硅片的初始氧化层厚度为1000。查表：查表：920干氧，干氧，A0.235m，B=0.0049m2/h 代入式（代入式（2.31）求）求。=？代入式（代入式（2.32）（求根公式）求）（求根公式）求Xo。Xo=？X XX0简单氧化计算简单氧化计算氧化过程中，氧化过程中，SiOSiO2 2/Si/Si界面向界面向SiSi层内部移动，由于层内部移动，由于SiOSiO2 2的分子的分子密度密度n=2.2n=2.210102222/3 3，每个，每个SiOSiO2 2中分子中含有一个中分子中含有一个SiSi原子原子,所所以以 SiOSiO2 2中所含中所含 SiSi原子密度也为原子密度也为2.22.210102222/3 3，硅晶体的原子硅晶体的原子密度密度5.05.010102222/3 3,既有形成的既有形成的 SiOSiO2 2层比消耗的层比消耗的 SiSi体积疏松，体积疏松，氧化后的氧化后的SiOSiO2 2层表面与原来的层表面与原来的SiSi表面不在同一平面表面不在同一平面所生成所生成XSiO2,所消耗所消耗XSi 的关系：的关系：XSi=0.44XSiO2 热生长热生长3000SiO2，顶部比，顶部比Si起始表面高出多少？起始表面高出多少？3000-30000.44=1680氧化前氧化前氧化后氧化后 2.4热生长氧化层的方法及原理一、热生长氧化层一、热生长氧化层1.生长机理生长机理1）干氧氧化法干氧氧化法生长机理：高温下的氧分子与硅片表面的硅原生长机理：高温下的氧分子与硅片表面的硅原子反应，生成起始层，其反应式为：子反应，生成起始层，其反应式为：SiO2 SiO22）水气氧化法）水气氧化法生长机理生长机理:高温水气与硅片接触时高温水气与硅片接触时,水分子与硅水分子与硅片表面的硅原子反应生成起始层片表面的硅原子反应生成起始层,其反应式为其反应式为:2H2OSiSiO22H23）湿氧氧化法）湿氧氧化法 湿氧氧化法与干氧氧化不同之处是将干湿氧氧化法与干氧氧化不同之处是将干氧通入炉前，先通过加热的高纯法离子水，氧通入炉前，先通过加热的高纯法离子水，使氧气中携带一定量的水汽。因此在温氧使氧气中携带一定量的水汽。因此在温氧氧化中，即有氧的氧化作用，又有水的氧氧化中，即有氧的氧化作用，又有水的氧化作用。化作用。三种氧化的比较作业：为什么在实际的氧化工艺采用干氧湿氧干氧？影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素温度温度：T V 氧化剂分压：氧化剂分压：Pg V 晶向：晶向：(111)(100)氧化剂的有效性氧化剂的有效性：有效性的影响因素：有效性的影响因素：D：DH20DO2 H2O 湿氧湿氧 O2溶解度：硅中溶解度：硅中H2O溶解度高于氧溶解度溶解度高于氧溶解度600倍，界倍，界面处面处H20浓度大于浓度大于O2浓度。浓度。H2O 湿氧湿氧 O2二、设备（氧化炉）卧式炉立式炉卧式炉卧式炉是硅卧式炉是硅片热处理中片热处理中被广泛应用被广泛应用的设备的设备,到到9090年代年代,这这种炉大部分种炉大部分被立式炉取被立式炉取代代,但相对但相对于立式炉的于立式炉的低成本使他低成本使他们对于大于们对于大于0.50.5mm图形图形化的硅片具化的硅片具有吸引力。有吸引力。立式炉立式炉立式炉最早出立式炉最早出现在上世纪现在上世纪9090年代，它出现年代，它出现的主要原因是的主要原因是利用立式炉减利用立式炉减少净化室的占少净化室的占地面积并提高地面积并提高自动化处理的自动化处理的程度。与卧式程度。与卧式炉相比可更好炉相比可更好的控制温度和的控制温度和均匀性。均匀性。清洗：清洗：要获得高质量的氧化，硅片的清洗至关重要，如颗粒要获得高质量的氧化，硅片的清洗至关重要，如颗粒和可移动离子沾污等污染物对器件的性能和成品率有严和可移动离子沾污等污染物对器件的性能和成品率有严重的影响。重的影响。清洗的方法：去油清洗的方法：去油去离子去离子去原子去原子丙酮棉球擦硅片表面丙酮棉球擦硅片表面浓浓H2SO4煮煮(2遍遍)王水王水(HNO3:HCI=1:3)煮煮号液（号液（NH4OH:H2O2:H20=1:2:5）号液号液(HCI:H2O2:H2O=1:2:8)煮煮3-4分钟，用去离子水冲洗分钟，用去离子水冲洗 三、氧化工艺流程三、氧化工艺流程实验步骤实验步骤T=1180 水浴水浴95 流量：流量：500ml/min先通干氧排除管内的先通干氧排除管内的空气，将硅片推入恒空气，将硅片推入恒温区。温区。干氧干氧10min湿氧湿氧 40min干氧干氧10min 薄膜的质量检验厚度的测量厚度的测量:）双光干涉法）双光干涉法:利用测定氧化层台阶上的干涉条纹数利用测定氧化层台阶上的干涉条纹数目，计算目，计算SiO2的厚度的厚度 d=(/2n)x n:SiO2的折射率的折射率 ，为，为1.5：入入射光波长，钠灯：入入射光波长，钠灯=0.6m薄膜的质量检验厚度的测量厚度的测量:2）比色法：根据）比色法：根据氧化层表面的颜色氧化层表面的颜色判断氧化层的厚度判断氧化层的厚度 3）磨角染色法：）磨角染色法：颜色色氧化氧化层厚度厚度/埃埃第一周第一周期期第二周期第二周期第三周期第三周期第四周期第四周期灰色灰色100黄褐色黄褐色300棕色棕色500蓝色色800紫色紫色1000275046506500深深蓝色色1500300049006800绿色色1850330052007200黄色黄色2100370056007500橙色橙色225040006000红色色250043506250氧化膜缺陷的检测氧化膜缺陷的检测 表面观察法：表面观察法：1）均匀性）均匀性 2）表面缺陷）表面缺陷 3）结构缺陷）结构缺陷SiO2的主要用途生成SiO2与消耗Si的关系式掩蔽层厚度的确定热氧化工艺