西安交通大学微电子制造技术第十氧化课件

电信学院 微电子学系 1 微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术微电子制造技术第第第第 10 10 章章章章 氧氧氧氧 化化化化 电信学院 微电子学系 2 微电子制造技术引引 言言半导体制造技术的基础之一是在硅片表面生长一层氧化层的能力。50年代最主要的发展就是氧化物的掩膜技术。它是一种在氧化层上通过刻蚀图形，达到对硅衬底进行扩散掺杂的工艺技术。几十年来氧化在硅平面工艺发展中扮演了十分的重要角色。通过不同的氧化工艺，制造的氧化层具有高质量、稳定和期待的介质特性。这些特性特别是对于MOS工艺中的栅结构来说是至关重要的。氧化物可以通过淀淀积积和热热生生长长得到。本章主要讨论热生长氧化物，包括它的结构、性质和生长工艺。电信学院 微电子学系 3 微电子制造技术学学 习习 目目 标标1.了解半导体制造中SiO2的结构、优缺点及各种用途；2.描述氧化的化学反应以及在Si上生长氧化物的机理；3.解释选择性氧化并给出两个实例；4.识别三种热氧化工艺的设备，讨论快速升温立式炉的优点；5.解释什么是快速热处理及其用途。电信学院 微电子学系 4 微电子制造技术氧化硅的结构与性质氧化硅的结构与性质结结构构 SiO2薄膜的原子结构如下图所示，可以看出，它是由由一一个个硅硅原原子子被被4 4个个氧氧原原子子包包围围着着的的四四面面体体单单元组成的。元组成的。SiliconOxygenFigure 10.2 二氧化硅的原子结构电信学院 微电子学系 5 微电子制造技术典型SiO2的物理结构由位于氧四面体中心的硅原子组成电信学院 微电子学系 6 微电子制造技术 由上图可见，二氧化硅薄膜是一种无定型的玻璃状结构，具体地说是一种近程有序的网状结构，没有长程有序的晶格周期，这是因为四面体单元在晶体内没有以规则的三维形式排列。性性质质 优质的绝缘材料，熔点温度：1732；热生长的SiO2能够牢固黏附在硅衬底上，并且具有优良的介质特性。硅片表面自然生成的氧化膜厚度最大为40，而且不均匀，通常认为是一种污染物。电信学院 微电子学系 7 微电子制造技术无定形无定形SiOSiO2 2、SiSi3 3N N4 4、AlAl2 2O O3 3性质比较性质比较SiSiO2Si3N4Al2O3结构单晶无定形无定形无定形密度2.332.182.272.93.13.14.0相对介电常数11.73.83.95.06.57.59.6表面电荷密度2x10111.5x1012-(0.31)x 1012扩散掩蔽能力B、P、Sb、AsB、P、Sb、As、Ga等热膨胀系数2.5x10-60.56x10-64x10-6热传导系数1.428.1硬度7.057.58.5抗辐射能力差一般强电信学院 微电子学系 8 微电子制造技术氧化膜的用途氧化膜的用途 由于二氧化硅的生长简单容易，并且与硅衬底有着良好界面，使其对硅半导体制造非常重要，因此成为半导体制造中广泛应用的薄膜材料。氧化硅薄膜在微芯片制造中的应用有：保护器件免划伤和隔离污染 表面钝化 栅氧或存储器单元结构中的介质材料 掺杂阻挡层 金属导电层间的介质层电信学院 微电子学系 9 微电子制造技术器件保护和隔离器件保护和隔离 硅片表面上生长的二氧化硅可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保护硅表面有源器件免受其它因素的影响。表表面面钝钝化化 热生长的SiO2，一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键。从而降低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化，它能防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其它外部沾污物引起的漏电流的通路。钝化对于控制结型器件的漏电流是非常重要的。Figure 10.3 电信学院 微电子学系 10 微电子制造技术栅栅氧氧电电介介质质 对于MOS技术中常用的重要栅氧结构（见下图），用极薄的氧化层做介质材料，一般通过热生长获得。要求具有高的电介质强度和高的电阻率、极好的膜厚均匀性、无杂质等。另外，任何可以使栅氧结构功能退化的沾污都必须严格加以控制。对于 0.18 m 工艺，典型的栅氧厚度是20nm1.5。Figure 10.4 电信学院 微电子学系 11 微电子制造技术掺掺杂杂阻阻挡挡 二氧化硅可做为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层(见下图)。与硅相比，掺杂物在SiO2里的移动较慢，所以只需要较薄的氧化层就可以阻挡掺杂物进入被保护的区域。薄氧化层(如150)也可以用于需要离子注入的区域，以减少注入对硅片表面的晶体损伤。还可以通过减小沟（管）道效应，获得对杂质注入时结深的控制（见第17章）。Phosphorus implantp+Silicon substratep-Epitaxial layern-wellBarrier oxidexjx0Figure 10.5 电信学院 微电子学系 12 微电子制造技术实现掩蔽扩散的条件实现掩蔽扩散的条件 二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用，如上图所示，在杂质向Si中扩散的同时，也要向SiO2层中扩散，设在Si中的扩散深度为 在SiO2层中的扩散深度为 式中：扩散时间，、分别表示杂质在SiO2和Si中的扩散系数，显然要实现掩蔽扩散的条件是 ，即当杂质在硅中的扩散深度达到 时杂质在SiO2中的扩散深度应 所以，氧化层厚度电信学院 微电子学系 13 微电子制造技术 原则上讲，只要 满足上面不等式，就可起到杂质扩散的掩蔽作用，但实际上只有那些 的杂质，用SiO2掩蔽才有实用价值，否则所需的SiO2厚度就很厚，既难于制备，又不利于光刻。但是，只要按照 的条件选择杂质种类，就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现，B、P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小，所以,通常选择B、P作为扩散的杂质种类。而对于Ga、Al等杂质，情况则相反。值得注意的是，Au虽然在SiO2中的扩散系数很小，但由于在Si中的扩散系数太大，这样以来横向扩散作用也大，所以也不能选用。电信学院 微电子学系 14 微电子制造技术掩蔽扩散所需氧化层的最小厚度确定掩蔽扩散所需氧化层的最小厚度确定 要确定最小厚度，就需知道杂质在氧化硅中的分布形式，据实验研究结果，一般为余误差分布和高斯分布，大多数情况下用余误差比较接近。硅的热氧化基本模型NOBNOSN(x)电信学院 微电子学系 15 微电子制造技术 在扩散时要完全使杂质不扩入硅中是很难实现的(除非氧化层厚度非常厚)，通常就定义扩入硅中的杂质数量不足以引起硅表面电性能的变化，就认为氧化硅的掩蔽有效。对不同器件要求不同，一般来说，MOS器件要求比双极高。通常用下式表示式中：NOB氧化硅与硅界面处的浓度；NOS氧化层表面处的浓度。电信学院 微电子学系 16 微电子制造技术 显然，所要求的N0B不同，氧化层最小厚度就不同，通常人们根据大量实验研究，针对不同器件对硅表面的要求，总结出N0B/N0S的取直在10-310-9之间。用上述结果作为估算，还必须知道杂质在氧化硅中的扩散系数(有关杂质在氧化硅中的扩散系数可查阅其它资料)。电信学院 微电子学系 17 微电子制造技术SiO2中常用杂质的扩散常数杂质1100下的扩散常数B3.410-17到10-14cm2/S Ga5.310-11cm2/SP2.910-16到2.010-13cm2/SAs1.910-16到3.510-15cm2/SSb9.910-17cm2/S电信学院 微电子学系 18 微电子制造技术金属层间的介质层金属层间的介质层 一般条件下氧化硅不导电，因此二氧化硅是芯片金属层间有效的绝缘体。二氧化硅能防止上层金属和下层金属间短路，就像导线上的绝缘体可以防止短路一样。作为绝缘介质层氧化硅质量要求无针孔和空隙。通常用化学气相淀积方法获得（不是热生长）。电信学院 微电子学系 19 微电子制造技术表 10.1 氧化硅的应用:自然氧化层目目 的的:这种氧化硅是沾污并且通常是不希望的，有时用于存储器存储或膜的钝化。说说 明明:在室温下生长速率是每小时15，最大 40p+Silicon substrateSilicon dioxide(oxide)Table 10.1A 电信学院 微电子学系 20 微电子制造技术表 10.1 氧化硅的应用:场氧化层目目 的的:用做MOS晶体管之间的隔离介质。说说 明明:通常场氧化膜厚度从 2,500 to 15,000.湿氧氧化是优选的生长方法Field oxideTransistor sitep+Silicon substrateTable 10.1B 电信学院 微电子学系 21 微电子制造技术表 10.1 氧化硅的应用:栅氧化层目目 的的:用做 MOS晶体管栅和源漏之间的介质说说 明明:通常栅氧化膜厚度从大约 30 to 500。干热氧化是优选的生长方法。Gate oxideTransistor sitep+Silicon substrateSourceDrainGateTable 10.1C 电信学院 微电子学系 22 微电子制造技术表 10.1 氧化硅的应用:阻挡层氧化目的：目的：保护有源器件和硅免受后续工序的影响。说说 明：明：热生长几百埃的厚度。Barrier oxideDiffused resistorsMetalp+Silicon substrateTable 10.1D 电信学院 微电子学系 23 微电子制造技术表 10.1 氧化硅的应用:掺杂阻挡层目目 的的:作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料。说说 明：明：通过选择性扩散，掺杂扩散到硅片未被掩蔽的区域Dopant barrierspacer oxideIon implantationGateSpacer oxide protects narrow channel from high-energy implantTable 10.1E 电信学院 微电子学系 24 微电子制造技术表 10.1 氧化硅的应用:垫氧化层目目 的：的：做氮化硅缓冲层以减小应力。说说 明：明：热生长并非常薄。.Passivation LayerILD-4 ILD-5 M-3 M-4Pad oxideBonding pad metalNitrideTable 10.1F 电信学院 微电子学系 25 微电子制造技术表 10.1 氧化硅的应用:注入屏蔽氧化层目目 的的:用于减小注入沟道和损伤说说 明明:热生长Ion implantationScreen oxideHigh damage to upper Si surface+more channelingLow damage to upper Si surface+less channelingp+Silicon substrateTable 10.1G 电信学院 微电子学系 26 微电子制造技术Passivation layerILD-4ILD-5M-3 M-4Interlayer oxideBonding pad metal表 10.1 氧化硅的应用:金属层间绝缘阻挡层目目 的：的：用做金属连线间的保护层说说 明：明：这种氧化硅不是热生长的，而是淀积的。Table 10.1H 电信学院 微电子学系 27 微电子制造技术热氧化生长热氧化生长关于氧化的化学反应关于氧化的化学反应干氧湿氧氧化生长模式氧化生长模式SiO2-Si界面氯化物在氧气中的应用氧化生长速率影响氧化生长的因素初始生长阶段选择性氧化LOCOSSTI 电信学院 微电子学系 28 微电子制造技术 各种要求下的氧化物厚度范围各种要求下的氧化物厚度范围 热生长氧化物的各种运用对厚度有不同的要求。表10.2总结了对不同要求二氧化硅厚度的范围。附录D中的彩色图表显示了二氧化硅颜色对应的不同厚度。Table 10.2 电信学院 微电子学系 29 微电子制造技术热氧化的化学反应热氧化的化学反应 热生长氧化物是让硅片在高温环境下，与氧化剂发生反应而生长一层二氧化硅膜的方法，氧化剂气氛可分为干氧或湿氧，下面分别讨论。干氧干氧 高纯氧气直接通向高温氧化炉与硅片反应，其反应式为：Si(固固)O2(气气)SiO2(固固)氧化硅的质量受反应的时间、温度、氧气纯度等因素的影响。与温度和时间相对应的干氧化物厚度速率显示在图10.6中。电信学院 微电子学系 30 微电子制造技术HClN2O2H2气体仪表盘高温炉燃烧室洗剂室尾气Figure 10.7 氧化系统示意图 电信学院 微电子学系 31 微电子制造技术氧化层厚度(mm)(100)Silicon时间（分钟）101041021030.010.11.010.0700C800C900C1000C1,100C1,200CFigure 10.6 干氧氧化层厚度与温度和时间的对应关系 电信学院 微电子学系 32 微电子制造技术特特点点 氧化速率较慢，氧化物结构致密，表面是非极性 SiO 烷结构；与光刻胶黏附能力良好，不易产生浮胶现象。湿湿氧氧 当反应中有水汽参与，氧化反应速率会明显加快。其氧化反应式为：Si(固)+2H2O(水汽)SiO2(固)+2H2(气)对于湿氧氧化，用携带水蒸气的氧气替代干氧作为氧化气体。在氧化过程中，湿氧反应会产生一层二氧化硅膜和氢气，氧化速率较干氧高，原因是水蒸气比氧气在二氧化硅中的扩散系数更快、溶解度更高。然而反应生成的氢分子会束缚在固态的二氧化硅层内，这使得氧化层的密度比干氧小。通常通过在惰性气氛中加热氧化来改善，以得到与干氧生长相类似的氧化膜结构和性能。电信学院 微电子学系 33 微电子制造技术氧化过程中硅的消耗氧化过程中硅的消耗无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗硅。如图10.8所示。硅消耗的厚度占氧化物总厚度的0.46，就是说每生长1000的氧化物，就有460的硅被消耗。硅片表面一旦有氧化物的生成，它将阻碍氧原子与硅原子的接触。所以其后的继续氧化（氧化物的增厚）是氧原子通过扩散，穿透已生长的氧化层向内运动，抵达SiO2-O2的界面进行反应。氧化的过程也是气体穿过固态阻挡层扩散的过程，所以硅片制造厂中进行氧化的工作间仍被称为扩散区。电信学院 微电子学系 34 微电子制造技术t t0.55t0.55t0.45t0.45tBefore oxidationAfter oxidationFigure 10.8 氧化中硅的消耗 电信学院 微电子学系 35 微电子制造技术SiOSiO2 2-O-O2 2界面界面 在单晶硅到无定形SiO2间的Si/SiO2界面上存在着突变。大家知道，在SiO2分子中，每个硅原子和四个氧原子键合，每个氧原子和两个硅原子键合。但在Si/SiO2界面上有些硅原子并没有和氧原子键合（见图10.10）距Si/SiO2界面2nm以内的硅不完全氧化是带正电荷的固定氧化物电荷区。除此之外界面处还存在一些包括界面陷阱电荷、可移动氧化物(mobile oxide charge)电荷。电信学院 微电子学系 36 微电子制造技术OxygenSiliconPositive chargeSiliconSiO2Figure 10.10 Si/SiO2 界面的电荷积累 电信学院 微电子学系 37 微电子制造技术(可动离子电荷)(氧化层陷阱电荷)(氧化层固定电荷)(界面陷阱电荷)带有可动电荷、固定电荷和界面态的Si-SiO2 结构电信学院 微电子学系 38 微电子制造技术 前者是由结构缺陷、氧化诱生缺陷或者金属杂质引起的正的或负的电荷组成，后者是由可动离子沾污引起的。在远离界面氧化物体内，也可能有正的或负的、氧化物陷阱电荷。对于器件的正常工作，界面处的电荷堆积是不受欢迎的，因为它会导致MOS器件的阈值电压变得无法控制。通 过 在 氢 气 或 氢 氮 混 合 气 中 低 温(450）退火处理可以减少这种不可接受的电荷。电信学院 微电子学系 39 微电子制造技术氯化物在氧化中的应用氯化物在氧化中的应用 在氧化工艺中用含氯的气体可以有效降低界面处电荷积累，原因是氯离子能扩散进入正电荷层，并形成中性层，起到固定（称为俘获）来自炉体、工艺原材料和处理过程带来的可动离子沾污。通常氯化物浓度保持在3以内，负责过多的氯化物离子将引起器件性能的不稳定。在热氧化工艺中加入氯化物的另一个重要的优点是它们能够使氧化速率提升1015。通常使用的是氯气或气态的氯化氢(HCL),氯气有剧毒，HCL气体混合水蒸气有腐蚀性。电信学院 微电子学系 40 微电子制造技术 研究分析表明，在O2气氧化的同时，氯结合到氧化层中，并集中分布在SiO2/Si界面附近。掺氯氧化有如下作用：可吸收、提取硅中的有害杂质。这是因为高温下氯可以和包括钠在内的多种金属杂质作用，产生挥发性的化合物从反应室中排除的缘故。因此，氧化之前用含氯的干氧气氛清洗工艺腔，可以减少来源于工艺腔的杂质污染，净化氧化气氛。不仅会减少SiO2中纳离子的沾污，并且集中分布在SiO2/Si界面附近的氯还能使迁移到这里的纳离子的正电荷效应减弱并被陷住不动，从而使其丧失电活性和不稳定性。电信学院 微电子学系 41 微电子制造技术氧化物生长速率氧化物生长速率 氧化物生长速率用于描述氧化物在硅片上生长的快慢，对生长速率的研究将有助于如何获得高质量的氧化物而怎样节省成本的问题。通过前面的定性分析大家知道，氧化物的增厚是氧原子通过扩散，穿透已生长的氧化层向内运动，抵达SiO2-Si界面进行反应完成的，即可看成是通过以下步骤完成：（1）氧化剂（O2和H2O）从气相内部输运到气体氧 化层界面（SiO2的外表面）；（2）扩散穿透已生成的氧化层，抵达SiO2-O2界面；（3）在界面处与硅发生反应；（4）反应副产物扩散出氧化层，并向主气流转移。电信学院 微电子学系 42 微电子制造技术SiSiO2O,O2氧化硅硅界面氧氧化硅界面供应到反应表面的氧图 10.11 穿过氧化层的氧扩散电信学院 微电子学系 43 微电子制造技术 所以用扩散定律可以很好地对氧化进行定量分析。而这个定律是基于一套菲克定律数学公式。菲克定律根据温度、浓度和扩散的激活能描述分子(离子)扩散的运动规律。氧化物生长模型是由迪尔(Deal)和格罗夫(Grove)通过解扩散方程得出的，即所谓的线性抛物线模型。它可以在较宽厚度范围(30020000）内精确的计算氧化层的厚度。二氧化硅生长的最初阶段是线性阶段，即硅片表面硅的消耗与时间呈线性关系。这就意味着氧化层的厚度是随时间的增加以线性速率增加的。电信学院 微电子学系 44 微电子制造技术 氧化物生长线性阶段的有效性是厚度小于150。用线性等式可表示为：其中，X：氧化层厚度，B/A：线性速率系数 t：生长时间 显然，随着时间的增加氧化层厚度线性增加。在线性阶段氧化是受线性反应速率控制的，这是因为对于氧化物生长，制约因素是发生在Si/SiO2界面上的反应。而线性速率系数B/A就是这种线性关系的斜率，所以此阶段常称为线性控制阶段。电信学院 微电子学系 45 微电子制造技术 氧化生长的抛物线关系是氧化生长的第二阶段，而且是在氧化层厚度大约150以后才开始的。用于描述抛物线阶段的公式是：X=(Bt)1/2其中，X：氧化层厚度，B：抛物线速率系数，t：生长时间。即氧化层厚度和时间是抛物线关系。通过比较可知，在抛物线阶段的氧化物生长要比在线性阶段慢的多，这是因为当氧化层变厚时，参与反应的氧必须通过更长的距离才能达到Si/SiO2界面，所以反应受到通过氧化物的氧扩散速率的限制。所以此阶段也称为扩散控制。电信学院 微电子学系 46 微电子制造技术100200300400500氧化时间(minutes)4,000 2,000 3,000 1,000 氧化层厚度 近似线性区Figure 10.12 在1100C干氧氧化生长的线性和抛物线阶段 电信学院 微电子学系 47 微电子制造技术大量的实践表明，氧化生长系数B/A、B都与温度有关，而且随着温度的升高，都会增加，但增加幅度随着温度范围的不同而不同。氧化速率还与氧化气氛有关，湿氧的B要比干氧大的多，所以湿氧的速率比干氧快。除此之外还与工艺腔的压力、硅片的晶向、掺杂等因素有关。图10.12中的曲线显示了线性和抛物线两个阶段。这是通过由迪尔和格罗夫于1965年发明的用于硅的热氧化的原始曲线简化得到的。电信学院 微电子学系 48 微电子制造技术硅常压热氧化常数表（低掺杂硅常压热氧化常数表（低掺杂衬底）衬底）氧化气氛温度（）A（m)B(m2/min)干氧氧化12000.0407.5x10-411000.0904.5x10-410000.1651.95x10-49200.2350.82x10-4湿氧氧化（95水）12000.0501.2x10-211000.110.85x10-210000.2260.48x10-29200.500.34x10-2电信学院 微电子学系 49 微电子制造技术热氧化与水浴温度的关系热氧化与水浴温度的关系氧化层厚度(mm)氧化温度T=1200时间（分钟）101041021030.11.010.0102干氧288595水汽电信学院 微电子学系 50 微电子制造技术影响氧化物生长的因素影响氧化物生长的因素1.1.掺掺杂杂效效应应 研究发现对于掺B的衬底，无论温度高低(9001200)，随着掺杂浓度的增加氧化速率增加；而对于掺P的衬底，在温度1100后几乎观察不到掺杂浓度对氧化速率的影响，只有当温度较低时（1000 ）才能观察到掺杂浓度对氧化速率的影响。原因是对于B二氧化硅的分凝系数1，而对于P分凝系数1。即二氧化硅具有“吸硼排磷”的作用。所以，可以说重掺杂的硅要比轻掺杂的硅氧化速率快。在抛物线阶段，硼掺杂比磷掺杂氧化的快。氧化膜中硼趋向混合，这将减弱它的键合结构，使通过它的氧扩散随之增大。硼掺杂和磷掺杂的线性速率系数相差不大。电信学院 微电子学系 51 微电子制造技术120011001000920NB=41016/cm-3NB=41019/cm-3t(h)X0(m)掺硼衬底电信学院 微电子学系 52 微电子制造技术120011001000920NB=41016/cm-3NB=41019/cm-3t(h)X0(m)掺磷衬底电信学院 微电子学系 53 微电子制造技术 分凝系数 m=硅中杂质浓度/二氧化硅中杂质浓度情况2：氧化层排出杂质(m1)情况1：氧化层提取杂质(m1)(A)氧化硅中慢扩散 m1(硼在中性或氧 化环境中)(B)氧化硅中快扩散 m1(磷，砷)(D)氧化硅中快扩散 m1(镓)电信学院 微电子学系 54 微电子制造技术2.2.晶晶向向 线性氧化速率依赖于晶向的原因是(111)面的原子密度比(100)面的大，因此，在线性阶段(111)硅单晶的氧化速率比(100)稍快，但是，(111)电荷堆积要多。在抛物线阶段，抛物线速率系数B不依赖于硅衬底的晶向，对于(111)和(100)晶向，在抛物线阶段的氧化生长速率没有差别。这是因为氧化生长的抛物线速率由通过已生成的SiO2的氧扩散决定，而且它对Si/SiO2界面处的反应没有影响，然而，电荷堆积依然很高，因为这是由表面的原子密度来决定的。电信学院 微电子学系 55 微电子制造技术3.3.压压力力效效应应 由于氧化层的生长速率依赖于氧化剂从气相运动到硅界面的速度，所以生长速率将随着压力的增大而增加。高压强迫氧原子更快地穿越正在生长的氧化层，因此，对线性和抛物线速率系数的增加都很重要，因为它能允许降低温度但仍保持不变的氧化速率，或者在相同的温度下获得更快的氧化生长。经验表明，每增加一个大气压的压力，相当于炉体温度降低30。这就提示我们在设计氧化工艺时对那些不宜在高温下进行的操作，可以采用降低温度提高压强而实现。电信学院 微电子学系 56 微电子制造技术压力对抛物线速率常数压力对抛物线速率常数(B)的影响的影响0.050.10.20.55.02.01.010.0抛物线速率常数m2/h0.700.800.901.01atm5atm10atm20atm1000/T(k-1)Ea=1.17evEa=0.78ev电信学院 微电子学系 57 微电子制造技术薄氧化层的生长薄氧化层的生长 迪尔和格罗夫的线性抛物线性模型能精确计算300的氧化生长厚度。然而在小于这个厚度时其计算是不准确的。而对于0.25m以下MOS技术的栅氧厚度现在大约为2060左右。因此，制造工艺必须有能力生产具有高成品率和长期可靠稳定的这些氧化物。由于栅氧变得如此之薄，还没有一个模型可以精确计算氧化速率。进一步的研究发现，在干氧生长的非常薄的氧化层中，存在着直径大约为10左右的空隙。这些空隙允许氧化剂在早期生长阶段与硅直接接触，导致氧化物在初始阶段的快速生长。对薄栅氧化的研究是正在发展的一个领域。电信学院 微电子学系 58 微电子制造技术选择性氧化选择性氧化LOCOSLOCOS 选择性氧化的目的是利用SiO2实现对硅表面相邻器件间的电隔离。针对0.25m工艺以上的器件隔离是硅的局部氧化（LOCOS）。用淀积氮化硅膜作为氧化阻挡层。被刻蚀的氮化硅区域用来选择性氧化生长（见图10.13）。缺点是“鸟嘴效应”，且随着氧化物厚度的增加这种效应更明显。出现的原因是当氧扩散穿越已生长的氧化物时，一些氧原子纵向扩散的同时也有横向扩散。这意味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边缘。这种现象称为“鸟嘴效应”。电信学院 微电子学系 59 微电子制造技术3.硅的局部氧化LOCOS 场氧化层的剖面(氧化硅的实际生长是全方向的)1.氮化硅淀积垫氧(原氧)Silicon2.氮化硅掩蔽与刻蚀SiliconSiliconNitrideSiO2 growthSilicon4.氮化硅去除SiliconSiO2SiO2NitrideSiliconFigure 10.13 LOCOS 工艺 电信学院 微电子学系 60 微电子制造技术氮氧化硅氮化硅掩蔽氧化鸟嘴区选择性氧化垫氧化层硅衬底二氧化硅二氧化硅Figure 10.14 选择性氧化的鸟嘴效应 电信学院 微电子学系 61 微电子制造技术选择性氧化浅曹隔离选择性氧化浅曹隔离 用于亚0.25工艺的选择性氧化的主要技术是浅曹隔离（STI）。通常是氮化硅掩膜经过淀积、图形化、刻蚀硅后形成曹。在掩膜图形暴露的区域，热氧化150200厚的氧化层之后，再进行沟槽氧化物的淀积（见图10.15）。热生长的氧化物使硅表面钝化，并且可以使浅曹填充的淀积氧化物与硅相互隔离。它还能作为有效的阻挡层，避免器件中的侧墙漏电流产生。如图所示，由于沟槽填充的氧化物是通过CVD工艺实现的，所以就避免了LOCOS工艺中热氧化带来的“鸟嘴效应”，而且局部氧化的区域面积较之为小。电信学院 微电子学系 62 微电子制造技术浅曹隔离(STI)的剖面Silicon用淀积氧化硅填充的曹恻壁衬底1.氮化硅淀积垫氧(原氧)Silicon2.沟槽掩蔽与刻蚀SiliconSilicon氮化硅4.氧化硅平坦化(CMP)Silicon5.氮化硅去除Oxide3.侧墙氧化与沟槽填充氮化硅上氧化层SiliconFigure 10.15 STI 浅曹隔离 电信学院 微电子学系 63 微电子制造技术浅曹隔离浅曹隔离电信学院 微电子学系 64 微电子制造技术 二二氧氧化化硅硅的的应应力力 二氧化硅的应力会使硅片翘曲并且有可能产生层状缺陷，测量热氧化膜的应力发现，它是收缩的并且有着相对较小的数值。氧化膜的应力是由于Si和SiO2的热胀冷缩系数不同造成的。氧氧化化诱诱生生堆堆垛垛层层错错 无论干氧还是湿氧都会在Si和SiO2之间的界面处形成氧化诱生堆垛层错（OISF）。OISF是造成Si/SiO2界面氧化不完全的原因，这将导致此区域中过多的硅空隙。如果堆垛层错在pn结附近，将会导致漏电流的增加。由于氯在硅表面将提供空位形成，所以掺氯的热氧化会明显减小OISF，这就提供了一种清除过多硅空隙的手段。电信学院 微电子学系 65 微电子制造技术高温炉设备高温炉设备 本节将介绍有关高温炉设备的基本慨况，因为该设备在硅片制造中用途较多，比如热生长氧化物、扩散式掺杂、离子注入后的退火、各种淀积膜、玻璃体的回流、硅化物膜的形成等都会用到。用于热工艺的基本设备有三种：卧式炉卧式炉 立式炉立式炉 快速热处理快速热处理 (RTP)(RTP)卧式炉是用于硅片制造的第一代设备，90年代被立式炉替代，原因是立式炉更容易实现自动化生产。RTP是小型的快速加热系统，不能用于批量生产，通常一次只能处理一片硅片。电信学院 微电子学系 66 微电子制造技术卧式炉和立式炉系统性能比较卧式炉和立式炉系统性能比较Table 10.3 电信学院 微电子学系 67 微电子制造技术卧式扩散炉卧式扩散炉Photo 10.1 电信学院 微电子学系 68 微电子制造技术立式扩散炉立式扩散炉Photo 10.2 电信学院 微电子学系 69 微电子制造技术 卧卧式式炉炉 卧式炉仍然在使用，并且技术上一直在改进，相对立式炉的低成本使它们对大于0.5m图形化的硅片具有吸引力。也就是说卧式炉用于一定的不太苛刻的条件，立式炉用于苛刻条件。立立式式炉炉 立式炉最早出现在90年代初期。出现的原因是立式炉战地面积小而且可提高自动化处理程度。为了解基本的炉体结构，将对常规立式炉进行介绍。立式炉的主要控制系统分为五部分：气体分配系统气体分配系统 硅片传输系统硅片传输系统 尾气处理系统尾气处理系统 温度控制系统温度控制系统 工艺腔工艺腔电信学院 微电子学系 70 微电子制造技术Heater 1Heater 2Heater 3压力控制器气流控制器硅片传送控制器舟装载器尾气控制器温度控制器微控制器硅片装载/卸载系统舟电机驱动系统石英舟石英工艺腔三温区加热器气体仪表板工艺气体尾气Figure 10.16 立式炉系统示意图 电信学院 微电子学系 71 微电子制造技术加热套管石英管三温区加热单元管帽Figure 10.17 立式炉炉管 电信学院 微电子学系 72 微电子制造技术加热单元变压器204-480 VAC 3fSCRsSCRsSCRs触发电路Zone 1Zone 2Zone 3高温炉加热单元Figure 10.18 加热单元的功率分布 电信学院 微电子学系 73 微电子制造技术Heater 1Heater 2Heater 3热电偶测量温度控制器侧热电偶控制TC过温 TCs系统控制TCFigure 10.19 高温炉中热电偶的位置电信学院 微电子学系 74 微电子制造技术Table 10.4 工艺中的常用气体工艺中的常用气体 电信学院 微电子学系 75 微电子制造技术O O2 2O O2 2燃烧室(燃烧盒或气流反应器)过滤器残渣在热的富氧室内多余的可燃气体燃烧来自高温炉工艺腔的气体至工厂的尾气系统湿式洗剂室循环水Figure 10.20 燃烧尾气的燃烧室 电信学院 微电子学系 76 微电子制造技术快速升温立式炉快速升温立式炉 传统高温炉升温和降温都需要相对长的时间，是制约生产效率的一个重要因素。快速升温炉的发展使得硅片以100/分的升温速率和60/分的冷却速率，同时处理100片硅片成为可能。改善热处理的温度控制和硅片上热均匀性，是减少硅片制造中热预算的关键因素。典型的快速升温炉在80/分升温循环中，所有硅片上能把工艺温度的一致性控制在0.1以内。图10.21显示的是快速升温立式炉和传统立式炉的热过程的对比。电信学院 微电子学系 77 微电子制造技术Figure 10.21 传统与快速升温立式炉的温度曲线 020406080100 120 140 160 180020406080100 120 140 160 1801200100080060040012001000800600400Time(minutes)Time(minutes)Temperature(C)Temperature(C)快速升温传统电信学院 微电子学系 78 微电子制造技术快速热处理快速热处理（Rapid Thermal Processor）快速热处理(RTP)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4001300温度范围内的一种方法，相对于传统的立式炉，RTP的主要优点是：减少热预算硅中杂质运动最小容易集成多种工具由于冷壁加热，可以减少污染由于较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛更短的加工时间 电信学院 微电子学系 79 微电子制造技术传统立式炉和传统立式炉和 RTPRTP间的对比间的对比Table 10.5 电信学院 微电子学系 80 微电子制造技术RTP RTP 设计设计 图10.22是RTP的示意图，单个硅片在腔体内被快速加热，这种腔体通常称为反应腔。大多数的RTP采用多盏卤钨灯组装在一起作为热源，卤钨灯通常安在硅片的顶部和底部，数目从25盏到超过150盏，置于多个区域里，这样可使硅片上温度等高。硅片加热依靠选择性吸收卤钨灯的辐射。RTP在辐射热源和硅片间传递能量，同时也不会对反应腔壁加热。这就是使用冷壁的原因。RTP的温度控制是依靠热电偶或光学高温计完成，热电偶和硅片直接接触，确定硅片的真实温度。电信学院 微电子学系 81 微电子制造技术温度控制器轴对称排列的灯阵列硅片反射板光纤高温计加热头反馈电压设定电压Figure 10.22 Rapid Thermal Processor 电信学院 微电子学系 82 微电子制造技术Photo 10.3 Rapid Thermal Processor 电信学院 微电子学系 83 微电子制造技术RTP RTP 应用应用 RTP已经在硅片制造业的许多工艺中被广泛应用，经常使用到的操作有：注入后的退火，以消除缺陷并激活和扩散杂质 淀积膜的致密，如淀积氧化膜 硼磷硅玻璃(BPSG)回流 阻挡层退火，如氮化钛(TiN)硅化物形成，如硅化钛(TiSi2)接触合金 RTP工艺中应用最广泛的是离子注入后的退火，与传统扩散炉高温退火相比，RTP的优点是缩短了加热时间，从而避免了常时间高温工艺带来的负面影响。电信学院 微电子学系 84 微电子制造技术氧化工艺氧化工艺 热氧化的目标是要求生长无缺陷、厚度均匀的SiO2膜。用于特定硅片制造步骤的氧化工艺条件的类型取决于氧化层的厚度和性能要求。薄氧化物（如栅氧）通常用干氧生长。由于纳离子的沾污不可避免，所以在氧化过程中将HCl加入O2中，从而获得高质量的氧化物。对于厚氧化物（如场氧）使用湿氧氧化工艺。提高工艺腔的压强可以缩短氧化时间，或者在相同的时间内降低生长温度。电信学院 微电子学系 85 微电子制造技术氧化前的清洗氧化前的清洗 要获得高质量的氧化物，硅片的清洗至关重要。诸如颗粒和可动离子沾污（MIC）等污染物对器件的性能和成品率有严重影响。对热氧化工艺避免MIC和颗粒造成的麻烦，要依靠维持系统处于高度清洁状态。以下内容对于尽量减少污染非常重要。炉体及相关设备的清洗维护（特别是对石英器 皿）工艺中化学物品的纯度 氧化气氛的纯度 硅片清洗和操作实践 电信学院 微电子学系 86 微电子制造技术湿法清洗 化学品%溶液 温度 时间氧化炉 O2,H2,N2,Cl 流量 抽气 温度 温度分布曲线 时间检查 膜厚 均匀性 颗粒 缺陷Figure 10.23 热氧化工艺流程图 电信学院 微电子学系 87 微电子制造技术Table 10.6干法氧化工艺的工艺菜单干法氧化工艺的工艺菜单 电信学院 微电子学系 88 微电子制造技术质量测量质量测量 质量测量的内容：质量测量的内容：氧化物厚度栅氧化物完整性(氧化物击穿、可动离子沾污)氧化物内的颗粒氧化膜下的颗粒（氧化前的清洗沾污）当一批硅片进行氧化时，将有一定数量表面裸露的检测片（通常称为陪片）放置在炉管的不同位置上。这些检测片用于氧化步骤之后的各种评估，确保氧化物具有可接受的质量。电信学院 微电子学系 89 微电子制造技术小小 结结 在硅片上可以热生长或淀积二氧化硅（或氧化物）。SiO2的原子结构是一个硅原子被四个氧原子包围着的四面体单元组成。氧化膜的作用有：保护和隔离、钝化、电介质材料、掺杂掩蔽、金属层间的介质层。厚度依赖于用途。热生长氧化物的化学反应需要氧化剂气体，在反应中消耗硅，湿氧的反应速率比干氧快。在SiO2/Si界面上存在不受欢迎的氧化物电荷。氧化物生长可分为两个阶段：分别为线性和抛物线阶段。在线性阶段（150）速率较快；随后是慢速的抛物线生长阶段。电信学院 微电子学系 90 微电子制造技术 影响氧化物生长速率的因素有：掺杂物、晶向、压力和温度。热处理工艺设备主要有三种：卧式炉、立式炉和快速热处理（RTP）器。制造中主要使用立式炉。它由工艺腔、硅片传输系统、气体分配系统、温度控制系统和尾气系统组成。快速热处理（RTP）器以高达每秒几百度的升温速率对硅片加热。主要用于离子注入后的退火。电信学院 微电子学系 91 微电子制造技术补充习题：1.在1m厚的热氧化层中刻孔，然后将其在1000下湿法氧化一小时。接着刻蚀掉所有氧化层。那么最终硅的台阶高度是多少？2.250分钟湿法氧化能得到1m厚的氧化物。在相同条件下生长10m厚的氧化物需要多长时间？生长0.1m厚的氧化物需要多少时间？3(19).生长1000的氧化层，假若在1000下进行干氧氧化，如果不考虑初始氧化层，氧化需要多长时间？氧化是处于线性区、抛物线区还是两者之间？4(20).如果氧化在湿氧气氛中进行，重复习题19。电信学院 微电子学系 92 微电子制造技术解1：湿法氧化，温度1000、时间1小时氧化层的厚度为：X=(Bt)1/2=(0.4810-260)1/2=0.5366m1m厚氧化层消耗的硅为：10.45=0.45m0.5366m厚氧化层消耗的硅为：0.53660.45=0.24m最终硅的台阶高度最大为：0.45+0.24=0.69m电信学院 微电子学系 93 微电子制造技术解2：对湿法氧化，氧化层厚度和时间的关系为：X=(Bt)1/2，在同等条件下则意味着温度等因素不变，亦即上式中的B不变。