氧化素材课件

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/9/14,#,离子束加工方式？,离子注入系统结构？,离子束用途？,掺杂分类？,离子源分类？,第二章 氧 化,硅热氧化,2.1,引 言,氧化是一种自然现象,银、铜、铁、铝等金属的自然氧化,硅的自然氧化层很薄在,4nm,左右,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、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。,氧化,是硅基集成电路的基础工艺之一。,2.2,氧化原理,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,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：,干氧氧化：,Si,O,2,SiO,2,湿氧氧化：,Si,H,2,O,O,2, SiO,2,+H,2,水汽氧化：,Si,H,2,O SiO,2,H,2,硅的氧化温度：,750 ,1100,氧化系统,卧式高温炉,立式高温炉,立式炉系统,高温炉的组成,1,、工艺腔,2,、硅片传输系统,3,、气体分配系统,4,、温控系统,5,、尾气系统,氧化过程,氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达,Si,与,Si02,界面同,Si,发生反应，其过程如下：,1,、氧化剂扩散穿过滞留层达到,SiO,2,表面。,2,、氧化剂扩散穿过,SiO,2,层达到,SiO,2,-Si,界面。,3,、氧化剂在,Si,表面与,Si,反应生成,SiO,2,。,4,、反应的副产物离开界面。,硅,氧化硅,滞留层,反应气体流,新的氧化硅生成,氧化过程的两个阶段,第一阶段：反应速度决定氧化速度,氧分子、水分子充足，硅原子不足,第二阶段：扩散速度决定氧化速度,氧分子、水分子不足，硅原子充足,氧化物生长速率计算公式,（不常用）,氧化物生长曲线,（常用）,影响二氧化硅生长的因素,氧化温度,氧化时间：,氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快,反应室的压力：压力越高氧化速率越快,掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快,硅片晶向,：,硅单晶的氧化速率比,稍快,热生长,SiO,2,Si,系统中的实际电荷情况,热生长,SiO,2,Si,系统,在实际的,SiO,2, Si,系统中，存在四种电荷：,1.,可动电荷： 指,Na,、,K,离子，来源于工艺中的化学试剂、器皿和各种沾污等。,2.,固定电荷：指位于,SiO,2,Si,界面,2nm,以内的过剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。,3.,界面态：指界面陷阱电荷,(,缺陷、悬挂键），可以采用氢气退火降低。,4.,陷阱电荷：由辐射产生。,热生长,SiO,2,Si,系统,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,3,以下）以改善,SiO,2, Si,的界面特性。其优点：,1,、氯离子进入,SiO,2,Si,界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累。,2,、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾污,掺氯氧化工艺,不掺氯热氧化层,1.,可动电荷（主要是,Na,离子）密度：,310,12,110,13,/cm,2,2.,固定电荷密度：,110,12,/cm,2,掺氯热氧化层,1.,可动电荷（主要是,Na,离子）密度：,210,10,110,11,/cm,2,2.,固定电荷密度： （,1,3,）,10,11,/cm,2,不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比,传统湿氧氧化工艺,湿氧氧化,水汽产生装置,氢氧合成湿氧氧化工艺,氢氧合成产生水分子代替去离子水加热产生水分子,氢氧合成的化学反应方程式：,2H,2,O,2,= 2H,2,O,（,氢氧合成温度,750,）,氢氧合成工艺中，特别注意,H,2,与,O,2,的,流量比！,氧化消耗硅,氧化前,氧化后,氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的,45,左右,选择性氧化：,常用于硅的局部场氧化,LOCOS,（,LOC,al,O,xidation of,S,ilicon,）,氧化前,氧化后,三种热氧化层质量对比,氧化,水温,氧化,速率,均匀性,重复性,结构,掩蔽性,干氧,氧化,慢,好,致密,好,湿氧,氧化,95 ,快,较好,适中,基本,满足,水汽,氧化,102 ,最快,差,疏松,较差,1.,结构及质量：,热生长的比沉积的结构致密， 质量,好。,2.,成膜温度：,热生长的比沉积的温度高。,可在,400,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。,3.,硅消耗：,热生长的消耗硅，沉积的不消耗硅。,热生长氧化层与沉积氧化层的区别,常规氧化工艺流程,硅片清洗,（除去硅片上的各种沾污）,进片,/,出片,（进出,850,温区的速度：,5cm/,分，,N,2,）,升温,/,降温,（升温,20,o,C/min,，降温,10,o,C/min,，,N,2,）,温度稳定,/,退火,（,N,2,）,氧化,（,O,2,+HCl,，,O,2,+H,2,）,质量检查,（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可动电荷的检测）,SiO2,对杂质的掩蔽特性,对硼、磷、砷等有很好的屏蔽性，是,理想的,扩散掩蔽层,。,某些碱金属离子，尤其是钠离子，即使在低,温下也只需很短的时间就能扩散至整个,SiO2,层，故氧化硅要尽量,避免钠一类离子的沾污,。,镓在氧化硅中的扩散系数很大，故,对镓不起,屏蔽作用,。,2024/8/25,26,SiO2,作掩蔽层的基本要求,氧化硅层要起到扩散掩蔽作用的基本,要求：,杂质的 ；,分凝系数,：掺有杂质的硅在热氧化过程中，在硅和氧化硅界面上的平衡杂质浓度之比定义为分凝系数。,氧化硅屏蔽层要有一定的厚度；,对杂质在,Si-SiO2,界面的分凝系数也有一定要求。,2024/8/25,27,氧化生长速率的物理意义,氧化生长速率,是用于描述氧化,当氧化剂的量足够时，,SiO2,生长的快慢,最,终由氧化剂在,SiO2,中的,扩散速度,和它与,Si,的,反,应速度,中,较慢的一个所决定,。,硅片上氧化物生长模型是用,Deal-Grove,模,型描述的。,物在硅片上生长的快慢。,2024/8/25,28,氧化模型,(D-G Model),的两种极限情况,Very short Time:,Longer Time:,or,2024/8/25,29,硅的线性氧化,(Linear Regimes),当氧化层足够薄时，可忽略,D,G,模型中的二次项，则：,其中：,B/A,称为,线性速率常数,，它,与,反应速率常数,Ks,成正比,。,即：,氧化层厚度与氧化时间成线性关系,(,正比,),，称为,硅的线性氧化,，有：,2024/8/25,30,硅的抛物线氧化,(Parabolic Regimes),当氧化层足够厚时，可忽略,D,G,模型中,x,的一次,项，则：,即：,氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比,，称为,硅的抛物线氧化,。,其中：,B,称为,抛物线速率常数,，,与扩散,系数成正比,。,2024/8/25,31,抛物线阶段的氧化速率要比线性阶段的慢得多,，即厚氧化层的生长比薄氧化层的生长需要更多的时间。,32,B,2,DC,*,/,N,1,抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流,F,2,的贡献,式中,薄氧化硅时，线性速率常数,B,/,A,；,两种极限情况,厚氧化硅时，抛物线速率常数,B,x,0,t,线性氧化模型,vs.,抛物线氧化模型,B/A,C,*,k,s,/,N,1,线性速率常数，表示界面反应流,F,3,的贡献,2024/8/25,33,Deal-Grove,模型的两种极限情况,氧化,层,厚度,氧化時,间,线,性,生,長,区,域,B,A,X = t,扩,散限制,区,域,X =,B t,氧化层厚度及主要用途,硅器件中的氧化层厚度的变化范围很大：,( ),应 用,60 100,沟道栅极（栅氧）,150 500,栅极氧化、电容绝缘层,200 500,LOCOS,氧化,2000 5000,掩膜氧化、表面钝化,3000 10 000,场氧,2024/8/25,34,常规氧化程序曲线,温度,时间,850,o,C,850,o,C,20,o,C/min,5,o,C/min,1000,o,C,O,2,+HCl,30 min,N,2,30 min,N,2,N,2,N,2,干氧氧化,温度,时间,850,o,C,850,o,C,20,o,C/min,5,o,C/min,1100,o,C,O,2,20 min,O,2,+H,2,60 min,N,2,N,2,O,2,+HCl,20 min,湿氧氧化,N,2,N,2,20 min,SiO,2,层的质量检查,氧化层表面缺陷的检查,目检和使用,100,倍,500,倍的显微镜检查,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,氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量,使用,C,V,测试仪检测,SiO,2,层颜色与厚度的关系,SiO,2,与,Si,的目检：颜色、亲疏水性,膜厚仪,（干涉法）,硅,氧化硅,入射光（,）,出射光,椭偏仪,-,测量薄膜厚度非常精确,-,原理类似膜厚仪，只是测量的是反射光平行,和垂直方向偏振强度的变化,台阶仪,-,需要刻蚀掉部分薄膜才能测量,-,竖直方向台阶测量非常精确,4.3 SiO,2,结构、性质和用途,集成电路,SiO,2,的原子结构：,属于非晶体、无定形结构，,Si-O,四面体在空,间无规则排列。,物理性质,Si,SiO,2,比重（,g/cm3,）,2.23,2.20,禁带宽度（,eV,）,1.12, 8,相对介电常数,11.7,3.9,熔点（）,1414,1700,热导（,W/cm.k,）,1.5,0.01,击穿场强（,V/cm,）,3,10,5,6,10,6,SiO,2,的物理性质,SiO,2,的化学性质,SiO,2,的化学性质非常稳定，仅被,HF,酸腐蚀,SiO,2,在集成电路中的用途,1.,栅氧层：,做,MOS,结构的电介质层（热生长）,2.,场氧层：,限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉积）,3.,保护层：,保护器件以免划伤和离子沾污（热生长）,4.,注入阻挡层：,局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂,（热生长）,5.,垫氧层：,减小氮化硅与硅之间应力（热生长）,6.,注入缓冲层：,减小离子注入损伤及沟道效应（热生长）,7.,层间介质：,用于导电金属之间的绝缘（沉积）,1.,栅氧层：,热生长方法形成（干法）,2.,场氧层,STI,（,S,hallow,T,rench,I,solation,）,用,CVD,方法形成,厚度,2500-15000,2.,场氧层,LOCOS,隔离,用热生长法形成（干法,-,湿法,-,干法掺氯）,厚度,2500-15000,3.,保护层：,保护有源器件和硅表面免受后续工艺的影响,用热生长法形成,4.,注入阻挡层：,作为注入或扩散掺杂杂质到硅中的掩蔽材料,用热生长法形成,5.,垫氧层,用于减小氮化硅与硅之间的应力,用热生长法形成,6.,注入缓冲层：,用于减小注入损伤及减小沟道效应,用热生长法形成,7.,层间介质：,用作金属连线间的绝缘层,用,CVD,方法形成,氧化层应用的典型厚度,氧化硅薄膜生长,90nm,工艺栅氧厚度约,2nm,1.,降低温度：可减小膜厚到,5nm,，厚度均匀性差,2.,降低气压：可减小膜厚到,3-4nm,，厚度均匀性差,3.,快速热氧化（,RTO,，,Rapid Thermal Oxidation):,可减小膜厚到,1.8nm,，高温膜质量好,高温、短时间,例如,1050,o,C,，,40s,2.4,快速热处理,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,400,1300,温度范围的过程。,RTP,的优点,：,1.,减少热预算,2.,硅中杂质运动最小,3.,冷壁加热减少沾污,4.,腔体小气氛洁净,5.,更短的加工时间,RTP,的应用,1.,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,3.,硼磷硅玻璃（,BPSG,）回流,4.,阻挡层退火（如,TiN,）,5.,硅化物形成（如,TiSi,2,）,6.,接触合金,常规炉与快速热退火炉的升温曲线对比,RTP,系统,本 章 作业,1.,栅氧化层是用干法氧化还是湿法氧化生成？,2. LOCOS,场氧化层是由干法氧化,-,湿法氧化,-,干法掺氯氧化三步生成。解释每一步的作用。,3.,列出热生长氧化层在,IC,制造中的,6,种用途。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,经常,不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有,力量,Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will,Be,写,在最后,谢谢你的到来,学习并没有结束，希望大家继续努力,Learning Is Not Over. I Hope You Will Continue To Work Hard,演讲人：,XXXXXX,时 间：,XX,年,XX,月,XX,日,