第二章 氧化

JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 第二篇 单项工艺1 热处理和离子注入 第二章 热氧化 Thermal OxidationJILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 1 SiO 2 的基本性质 SiO 2 的结构 SiO 2 的用途 氧化方式 干氧与湿氧 迪尔 格罗夫模型 本章内容JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 硅工艺中的一系列重要硅基材料 SiO 2 绝缘栅 绝缘 介质材料 Si 3 N 4 介质材料 用作钝化 掩蔽等 多晶硅 可以掺杂 导电 硅化物 导电 作为接触和互连 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY TEM照片 单晶硅表面热氧化所得二氧化硅薄膜 TEM是透射电子 显微镜 简称透射电镜 是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄 的样品上 电子与样品中的原子碰撞而改变方向 从而产生立体角 散射 散射角的大小与样品的密度 厚度相关 因此可以形成明暗 不同的影像 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 的基本性质 通常热氧化生长的SiO 2 是非晶的 熔点 1700 C 重量密度 2 27 g cm 3 原子密度 2 2 10 22 分子 cm 3 折射率 refractive index n 1 46 介电常数 dielectric constant 3 9JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移 可以作为多数杂质掺杂的掩蔽 B P As Sb 优秀的绝缘性能 10 16 cm E g 9 eV 很高的击穿电场 10 7 V cm 体电学性能稳定 稳定 可重复制造的Si SiO 2 界面 SiO 2 的基本性质JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 结晶形和非结晶形 无定形 二氧化硅都是Si O正四 面体结构组成的 这些四面体通过各种不同的桥键氧 原子连接起来 形成各种不同状态和结构的二氧化 硅 微电子工艺中采用的二氧化硅薄膜是由热氧化法 生长的无定形结构 长程无序但短程有序 二氧化硅的结构和性质JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 的结构 按结构特点分为 结晶型 crystalline 石 英 水晶等 非晶型 无定型amorphous 桥键氧原子 位于四面体之间 为两个硅原子所共有 的氧原子称桥联氧原子 非桥联氧原子 只与一个四面体 硅原子 相连的氧 原子称非桥联氧原子 它还能接受一个电子以维持八 电子稳定结构 桥联氧越少 非桥联氧越多 二氧化硅网络就越疏松 通常的二氧化硅膜的密度约为2 20g cm 3JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 网络调节剂 网络调节剂即间隙 式杂质 处于Si O四面体网络 空隙中孔洞位置 主要有Na K Pb Ca Ba等正离子 其特点是 离子半径较大 多以氧化物形式 掺入SiO 2 膜 电离后 杂质正离 子占据网络空隙位置 而氧离子 进入网络 使得在一个桥联氧处 出现两个非桥联氧 网络形成剂 网络形成剂即替位 式杂质 在Si O四面体中可取 代硅原子并形成网络 主要有B P Sb 等正离子 其特点是离子 半径较与硅原子半径相近或更 小 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 在无定形SiO 2 网络中 硅在SiO 2 中的扩散系数比 氧的扩散系数小几个数量级 在热氧化法制备 的过程中 是氧或水汽等氧化剂穿过SiO 2 层 到达Si SiO 2 界面 与硅反应生成SiO 2 而不 是硅向SiO 2 外表面运动 在表面与氧化剂反应 生成SiO 2JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 非桥联氧 桥联氧 水晶 SiO 2 结构JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 热氧化生长 水存在的情况 Si O Si Si O H H O Si 掺杂杂质 取代Si 的位置 网络形成体 B P 占据间隙位置 网络变形体 金属原子Na K 含杂质的SiO 2 结构JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 在IC中的应用 0 8 nm 栅氧化层 离子注入掩蔽 隔离工艺 互连 层间 绝缘 介质JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 的制备 热氧化法 化学气相淀积法 CVD 真空蒸发法 电化学阳极氧化法 溅射法 离子注入法JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 的用途 保护器件免划伤和隔离沾污 限制带电载流子场区隔离 表面钝化 栅氧或存储器单元结构中的介质材料 掺杂中的注入掩蔽 金属导电层间的介质层JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 的用途 1 P 硅衬底 SiO 2 自然氧化层 目的 这种氧化层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 在室温下生长速率是每小时15 到最大40 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY P 硅衬底 SiO 2 SiO 2 的应用1 栅氧化层 目的 用作MOS晶体管栅和源漏之间的介质 通常栅氧化膜厚度从大约20 到几百 干热氧化 是优选的生长方法 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 制备深亚微米器件的栅氧层非常薄 30 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY P 硅衬底 SiO 2 SiO 2 的应用2 场氧化层 目的 用作单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们 彼此隔离 通常场氧化膜厚度从2500 到15000 湿氧氧化 是优选的生长方法 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY P 硅衬底 SiO 2 SiO 2 的应用3 阻挡层氧化 目的 保护有源器件和硅免受后续工艺的影响 热生长几百埃的厚度 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY P 硅衬底 SiO 2 SiO 2 的应用4 掺杂阻挡层 目的 作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材 料 通过选择性扩散掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区 域 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 的应用5 垫氧层 当氮化硅直接沉积在硅衬底上时 界面存在极大 应力和界面态密度 多采用Si 3 N 4 SiO 2 Si 结构 场氧化时 SiO 2 会有软化现象 可消除氮化硅与 衬底之间的应力 通常采用热氧化生成 厚度很 薄 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY P 硅衬底 SiO 2 的应用6 注入屏蔽氧化层 目的 用于减小注入沟道和损伤 热生长 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 的应用7 金属层间绝缘阻挡层 目的 用于金属连线间的保护层 在集成电路制备中 电极引线和器件之间 往往有一种绝缘材料 工艺上大 多采用SiO2作为这一层绝缘材料 使得器件之间 电极 引线之间绝缘 隔离相邻金属层之间电连接的绝缘材 料 金属线传导信号 介质层则保证信号不受临近金属 线影响 通常采用CVD 方法制备 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 热生长SiO 2 的各种运用对厚度有不同要求 下表总结了对不同要求二氧化硅厚度的范围 半导体应用 典型的氧化物厚度 栅氧 0 18 m 工艺 20 60 电容器的电介质 5 100 掺杂掩蔽的氧化物 400 1200 依赖于掺杂剂 注入能量 时间和温度 STI 隔离氧化物 150 LOCOS 垫氧 200 500 场氧 2500 15000JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Si SiO 2 界面以及氧化层陷阱的特性 SiO 2 和Si SiO 2 界面都包含有各种各样的电荷和 陷阱 这些电荷对在底层硅中制造的器件的特 性具有深刻的影响 有四种类型的电荷存在于 氧化层内部或在SiO 2 和Si SiO 2 界面附近 a 界面陷阱电荷Q it b 固定氧化层电荷Q f c 移动离子电荷Q m d 大量氧化层陷阱电荷Q otJILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 界面陷阱电荷Q it 即存在于Si SiO 2 界面处 的电荷 在此处这些电荷可以和硅中的移动 载流子 电子和空穴 进行交换 从而改变它 们的带电状态 Q it 取决于氧化温度 炉子环 境 湿或干 氧气分压以及硅衬底晶向 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 固定氧化层电荷Q f 存在于Si SiO 2 界面处 35 的范围内 Si SiO 2 界面位于硅和SiO 2 之 间被称为过渡区的地方 Q f 的值取决于氧化 环境 水或氧气 氧化温度 硅晶向 降 温速率 降温环境以及随后的退火周期 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 移动离子电荷Q m 一般是由于碱金属离子的存 在而引起的这种类型的电荷即存在于栅 金 属或多晶硅 SiO 2 界面 最初它们经常会进 入氧化层 也存在于Si SiO 2 界面 在该区 域中它们在正电场的作用下向栅极漂移 Q m 值取决于 a 氧化炉 b 工艺用化学品 c 氧化环境 d 栅电极材料 e 硅片的 取放 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 最后讨论的氧化层电荷为氧化层陷阱电荷 Q ot 大量氧化层陷阱可能存在于栅 二氧化 硅界面 Si SiO 2 界面 即和氧化层厚度一样 深 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氧化反应方程式 Overall reaction 这两种反应都在700 C 1200 C之间进行 湿氧氧化比干氧氧化反应速率约高10倍 这是由于O 2 在SiO 2 中的扩散系数通常小于 H 2 O 在SiO 2 中的扩散系数 Si s O 2 g SiO 2 s Si s 2H 2 O g SiO 2 s 2H 2 g 干氧氧化 Dry oxidation 湿氧 Wet 水汽氧化 Steam oxidation JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 干氧氧化方式制备的氧化层特点是 氧化温度约为 1000 1200 为了防止外部气体对氧化的影 响 炉内的气压要高于炉外的气压 干氧生长的氧 化膜表面干燥 结构致密 表面是非极性的硅烷 Si O Si 结构 光刻时与光刻 胶接触良 好 不易产生浮胶 但氧化速率极慢 这是由于 O 2 在SiO 2 中扩散系数通常小于H 2 O 在SiO 2 中的扩 散系数 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 硅干氧氧化层厚度与时间的关系JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 湿氧氧化方式制备的氧化层特点是 结构 疏松 但是氧化速度快 质量不如干氧氧 化的好 特别是氧化层表面是极性的硅烷 醇 它她极易吸附水 所以与光刻胶的粘 附性差 同时 湿氧氧化后的Si片表面存 在较多的位错和腐蚀坑 在实际工艺应用中 对于SiO 2 膜厚度需要 几千 以上的情况 一般采用干氧 湿氧 干氧的方式 既保证了所需的厚度 又改 善了表面的完整性和解决了光刻时的浮胶 问题 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 硅湿氧氧化层厚度与时间的关系JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 不同方法制备的SiO 2 薄膜的物理参数 氧化方法 密度 g cm 3 折射率 546nm 电阻率 cm 介电常数 介电强度 10 8 V cm 干氧 2 24 2 27 1 46 1 466 3 10 15 2 10 16 3 4 9 湿氧 2 18 2 27 1 435 1 458 3 82 水汽 2 2 2 1 452 1 462 10 15 10 17 3 2 6 8 9 高压氧化 2 32 1 45 1 48 7 9 热分解淀 积 2 09 2 15 1 43 1 45 10 7 10 8 外延淀积 2 3 1 46 1 47 7 10 14 8 10 14 3 54 5 6 热生长二氧化硅薄膜JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氧化设备JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 基本的扩散 氧化 系统包含下列组件 a 一个柜子 b 加热单元 c 测量用热偶 d 工艺炉管 e 扩散源柜 f 一个温度控制系统 g 置放台 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氧化生长 消耗硅 体积膨胀2 2 倍 1 m 厚SiO 2 消耗0 46 m Si SiO 2 受压应力作用JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 例题 如果通过热氧化生成的SiO 2 层厚度为x 那么被 消耗掉的Si的厚度是多少 已知Si的摩尔质量为28 9 g mol 密度为2 33 g cm 3 S iO 2 摩尔质量为 60 08 g mol 密度为2 21 g cm 3 解 1 mol 硅的摩尔体积为 V si 28 9 2 33 12 06 cm 3 mol 同样 1 mol SiO 2 的摩尔体积为 V siO2 60 08 2 21 27 18 cm 3 mol 当1mol 硅转化为1mol 二氧化硅时 V si V siO2 Ad si Ad siO2 12 06 27 18 0 44 即 d si d siO2 0 44 例如产生100 nm 的二氧化硅需消耗44 nm 的硅 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY LOCOS中 氧化硅的体积为所消耗的硅体积的2 2倍 LOCOS Local Oxidation of Silicon 局部氧化JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY SiO 2 生长动力学 气体中扩散 固体中扩散 SiO 2 形成 SiO 2 Si 衬底 气流滞流层 氧化剂流动方向 如 O 2 或H 2 O JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氧化步骤JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Deal Grove 迪尔 格罗夫模型 硅的热氧化模型 Deal Grove模型 线性 抛物线模型 linear parabolic model 可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模 型 适用于 氧化温度700 1200 o C 局部压强0 1 25个大气压 氧化层厚度为20 2000 nm的湿氧和干法氧化JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 费克第一定律是描述扩散规律性的定律 由德国生理 学家费克 1829 1901 于1855年提出 包括两个内 容 1 扩散第一定律 系统中i物质的扩散达到稳 定状态时 也即i物质在各处的浓度分别不随时间而变 化时 单位时间内通过垂直于扩散方向单位横截面的i 物质的通量J i 与i物质的浓度梯度dC i dx x方向上单位 距离上i物质的浓度差 成正比 即J i D i dC i dx 式中D为比例常数 亦称 扩散系数 其量纲为L 2 T 1 L为长度 T为时间 因总是负值 故在等式右方 加负号 以使J i 为正值 费克第一定律JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY Deal Grove迪尔 格罗夫模型 N G 气体内部氧化剂浓度 N GS SiO 2 表面外侧氧化剂浓度 N OS SiO 2 表面内侧氧化剂浓度 N S SiO 2 Si界面处氧化剂浓度 t ox SiO 2 薄膜的厚度 对温度700 1300 C 压力2 10 4 1 01 10 5 Pa 氧化层厚度30 2000nm 范围内的氧气和水汽 氧化 D G模型都是适用的 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 热氧化过程包括几个连续的步骤 1 氧化剂从气体内部以扩散形式穿过滞流层到达气体 SiO 2 界面 流密度为F 1 滞流层中的流密度取线性 近似 表达式 N G 是气体内部化剂的浓度 N GS 是贴近SiO 2 表面上的氧化剂浓 度 h G 气相质量转移系数 F 1 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 即单位时间通过单位面积的原子 数或分子数 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 2 氧化剂穿过SiO 2 层到达SiO 2 Si 界面 流密度为 F 2 假定在已生长的氧化层中没有氧化剂的源和漏 则 氧化剂的浓度呈线性变化 且有 式中 N OS 和N O 分别表示SiO 2 层中和SiO 2 Si 界面处的氧化剂浓 度 t ox 为SiO 2 层厚度 D 0 氧化剂在SiO 2 中的扩散系数 F 2 氧 化剂扩散通过已生成的二氧化硅到达SiO 2 Si界面的扩散流密度 0 20 os s ox ox DNN dN FD dt t 线性近似JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY K s 表面化学反应速率常数 F 3 SiO 2 Si界面处 氧化剂和硅 反应生成新的SiO 2 层的反应流密度 3 s s Fk N 3 氧化剂在Si 表面与Si 反应生成 SiO 2 流密度为F 3 应速率取决于化学反应动力学 由于SiO 2 Si 界面有充足的硅 供应 氧化剂与硅反应的速率及流密度将与界面处氧化剂浓度成 正比 4 反应副产物离开界面 热氧化过程中 SiO 2 Si 界面不断内移 这是一个边界随时间变化 的扩散问题 此时 可采用准静态近似 即假定所有反应立即达到 稳定状态 这样变动的边界对扩散过程的影响可以忽略 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 亨利定律 平衡条件下 固体中某种物质的浓度正比于该物质在固 体周围气体中的分压 在气相平衡时 二氧化硅中氧化剂的浓度N S 应与气体中氧化剂分压p g 成正比 即 N S Hp g 其中H 为亨利 气体常数 假设氧化过程为平衡过程 且氧化气体为理想气体 则平衡态下应 有 F 1 F 2 F 3 再经过一系列 数学运算 得到 2 1 g S sGs o xS i O Hp N kHktD 2 2 1 1 g s ox SiO GS sGs o xS i O Hp k t D N kHktD JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 当时 N S 0 N GS H G p g 氧化剂以扩散方式通过SiO 2 层运动到SiO 2 Si 界 面处的量极少 以至于到达界面处的氧化剂与硅 立即发生反应生成SiO 2 界面处没有氧化剂堆 积 其浓度趋于零 而在SiO 2 表面处 氧化剂因 扩散速度慢而产生堆积 浓度趋向于气相平衡时 的浓度Hp g 此时 热氧化硅生长速率主要由氧 化剂在SiO 2 中的扩散速度决定 这种极限情况称 为扩散控制 2 so x S iO kt D JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 当 时 N S N GS Hp g 1 k S h G 在这种情况下 进入SiO 2 中的氧化剂快速扩散到SiO 2 Si 界面 相比之下 界面处氧化剂与硅反应生成SiO 2 的速度很慢 造成氧 化剂在界面处堆积 趋近于SiO 2 层中的浓度 此时SiO 2 生长速 率由硅表面的化学反应速度决定 这种极限情况称为反应控制 氧化剂与硅反应 每生长单位体积SiO 2 所需氧化剂的分子个数用N l 表示 已知每立方厘米SiO 2 的分子数为2 2 10 22 个 每生成一 分子SiO 2 需要一个O 2 或两个H 2 O 那么 对氧气氧化 N l 为 2 2 10 22 atoms cm 3 对水汽氧化 N l 为 4 4 10 22 atoms cm 3 此时 生长速率为 2 so x S iO kt D 2 3 1 sg ox l l s G s ox SiO kHp dt F R dt N NkHk tD JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 简记为 t ox B At 简记为 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY B A被称为线性速率系数 而B被称为抛物线速率系数JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 对于超薄热干氧化 G D 模型无法准确描述 实 验表明在20 nm 之内的热氧化生长速度和厚度比 G D 模型大的多 超薄热氧化的模拟 23nm D G 0 D G 40hr JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 热氧化生长速率 SiO 2 的生长的快慢将由氧化剂在SiO 2 中的扩散速度以及 与Si反应速度中较慢的一个因素来决定 即由扩散控 制和表面化学反应速率来决定 当在氧化物生长的开始阶段或氧化时间很短时 限制生 长速率的主要因素是表面反应 氧化服从线性规律 氧化层厚度随时间线性变化 即此时SiO 2 的生长速率 主要由表面化学反应来决定 当氧化层变厚或氧化时间很长时 氧化剂必须通过氧化 层扩散 氧化剂与硅的氧化反应服从抛物型规律 此 时SiO 2 的生长速率主要由氧化剂在SiO 2 中的扩散快慢 来决定 氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 影响氧化速率的因素 1 氧化时间 氧化时间短时 氧化速率与时间呈线性 氧化速率很 快 且由表面化学反应控制 氧化层厚度增加快 随着时间的增 长 氧化速率与时间成抛物线关系 氧化速率变慢 改为由扩散 控制 即氧化层加厚的速度变慢 2 氧化剂分压 抛物线型速率常数B以及线性速率常数B A与氧化 剂分压都是线性关系 所以在一定的氧化条件下 通过改变氧化 剂分压可以达到改变二氧化硅生长速率的目的 即所谓的高压氧 化和低压氧化技术 3 氧化温度 B与B A与温度成指数关系 且在一个大气压下B A 的值由表面化学反应来决定 即由表面化学反应快慢决定氧化速 率 只有低压情况氧化速率才由扩散控制 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 压强对氧化速率的影响 氧化速率常数随温度和压强的关系JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 温度的影响分析 1 对于抛物线速率常数B 温度的影响 是通过扩散系数D体现的 具体表现 在干氧和水汽氧化具有不同的激活 能 这是因为干氧和水汽在硅中的扩 散激活能不一样 2 对于线性速率常数B A 温度的影响 则主要是通过反应速率常数Ks体现 的 具体表现在干氧和湿氧具有相同 的激活能 这是因为干氧和水汽氧化 本质上都是硅 硅键的断裂 具有相 同的激活能 1 11 2 2 s g g AD kh DHP B N JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 抛物线速率常数B随温度的 变化 阿列尼乌斯曲线 线性速率常数B A随温度的 变化 阿列尼乌斯曲线 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 1 硅表面晶向 在氧化剂压力一定的情况下 B与硅衬底 晶向无关 而 111 面上的B A比 100 面上的 大 随着氧化温度升高 晶向对B A影响减小 因为在 高温下氧化速率受B即扩散控制 同样当氧化时间很 长 氧化层很厚时 氧化速率受B即扩散控制 因此晶 面取向对B A也不起作用 2 杂质 1 硅衬底中掺杂P B对氧化速率的影响 掺杂 浓度增加氧化速率增大 因此在氧化过程中 同一硅 片表面上的重区域的氧化层厚度可能比轻掺杂区域的大 很多 2 水汽 钠 加快氧化速率 使得相同条件 下生成的氧化层厚度变大 3 氯 在氧化气氛中加 入氯可以改善二氧化硅的特性 影响氧化速率的其他因素JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氯气氛的影响分析 在氧化气氛中加入氯可以使SiO 2 的质量得到很大的 改善 并可以增大氧化速率 主要有以下方面 钝化可动离子 特别是钠离子 增加硅中少数载流子的寿命 减少中的缺陷 提高了抗击穿能力 降低界面态密度和固定电荷密度 减少硅中的堆积层错 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氯对氧化速率的影响JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 经过一些制作工艺后 晶圆表面 的条件会有所不同 有的是场 氧化区 有些是掺杂区 有些 是多晶硅区等等 每个区上面 氧化层厚度不同 氧化层厚度 的不同被称为不均匀氧化 不同的氧化率导致了在晶 圆表面形成台阶 图中显示的 是与比较厚的场氧化区相邻的 氧化区形成了一个台阶 在暴 露区的氧化反应较快 硅晶片 台阶 硅晶片 再氧化之前 再氧化之后 a b 不均匀的氧化率及氧化步骤JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 自然氧化层 迪尔 格罗夫模型在薄氧化层范围内不适用 在薄氧化 阶段 氧化速率非常快 其氧化机理至今仍然存在争 议 但可以用经验公式来表示 由于薄氧化阶段的特殊 存在 迪尔 格罗夫模型需要用 来修正 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 硅 100 晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 薄氧阶段的经验公式 其中 t ox 为氧化层厚度 L 1 和L 2 是特征距 离 C 1 和C 2 是比例常数 12 12 2 ox ox tL tL ox ox dt B Ce Ce dt t A JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 硅的氧化系数 温度 干氧 湿氧 A m B m 2 h h A m B m 2 h 800 0 37 0 0011 9 920 0 235 0 0049 1 4 0 5 0 203 1000 0 165 0 0117 0 37 0 226 0 287 1100 0 09 0 027 0 076 0 11 0 51 1200 0 04 0 045 0 027 0 05 0 72 其中 是考虑到自然氧化层的因素 250 左右 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGYJILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 有一硅样品在温度为1200 下进行干氧氧化1小时 产 生的氧化层厚度是多少 在温度为1200 下再进行 湿氧氧化生成0 1 m 的氧化层需要增加多长时间 已 知在1200 下干氧氧化速率常数A 0 04 m B 0 045 m 2 h 0 027h 1200 下湿氧氧化速率 常数A 0 05 m B 0 72 m 2 h 解 将A B 代入方程 得到氧化层厚度为0 196 m 干氧氧化后再进行湿氧氧化 则d 0 0 196 m 此时 d 0 2 Ad 0 B 0 067h 最后理想厚度 d 0 0 1 0 296 m 得到需增加的氧化时间为 0 075h 4 5min JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 计算在120分钟内 920 水汽氧化 640Torr 过程中生长的二氧化硅层的厚度 假定硅片在初始 状态时已有1000埃的氧化层 o2 2 2 2 0 2 2 0 1 0 1 920 C A 0 50 m B 0 203 m h m 0 5 m m 0 203 0 295h AA4 m 0 48 2 h m A o ox ox ox ox tA t B tA tB t Bt t t 据公 查表得知 时 式有 这种情况下不能 注意 用近似法 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 线性速率常数B A 抛物线速率常数B 氧化气压 水汽氧 化 随氧气气压呈线性 随氧化气压呈线性 氧化气压 干氧化 随氧气气压呈亚线性 随氧化气压呈线性 水汽氧化 和 干氧化 对比 水汽氧化速率更大 水汽氧化速率更大 硅衬底取向 B A 111 B A 100 1 68 1 和衬底取向无关 硅中掺杂类型和浓度 随掺杂浓度增加 关系不大 氧化气氛中掺氯 增加 增加 B A 及 B 和工艺参数的关系JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 3 3 热氧化过程中的杂质再分布 决定杂质再分布的主要因素 1 杂质的分凝现象 2 杂质通过SiO 2 表面 逸散 3 氧化层的产生 4 杂质在SiO 2 的扩散速度 1 分凝现象 硅在热氧化时所形成的界面随着热 氧化的进行不断向硅中推进 原存在硅中的杂 质将在界面两边再分布 直到达到在界面两边 的化学势相同 分凝系数 m 杂质在硅中的平衡浓度 杂质在 SiO 2 中的平衡浓度 不同杂质的分凝系数不同 磷 砷等为10左右 镓约20 硼随温度上升而增大 一般小于1 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 2 杂质通过SiO 2 表面逸散 影响杂质再分布的第二个因 素是杂质会迅速通过SiO 2 层进行扩散并逃逸至气体环 境 如果SiO 2 中的杂质扩散速率非常大 这个因素将 会变得更加重要 3 氧化层的产生 随着氧化层的产生 Si SiO 2 界面按 时间函数向硅推进 相关的推进速率与杂质通过氧化 层的扩散速率之比对杂质的再分布程度影响非常大 如果假设硅中杂质分布是均匀的 且氧化气氛中不含 任何杂质 则有四种可能的再分布过程 这些过程可 以分为两组 一组是氧化层吸收杂质 另一组是氧化 层排斥杂质 每一例中 杂质再分布取决于杂质通过 氧化层的扩散速率 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 再分布对硅表面杂质浓度的影响 再分布后的硅表面附近的杂质浓度 只与杂质的分凝 系数 杂质在SiO 2 与在硅中的扩散系数之比 以及氧化 速率与杂质的扩散速率之比有关 1 掺杂P 在一定温度下 快速的水汽氧化比慢速的干氧 氧化所引起的再分布程度大 在同一氧化气氛中 氧化 温度越高 杂质在硅表面浓度与在硅内温度趋于平衡 2 掺杂B 在相同温度下 快速的水汽氧化比慢速的干氧 氧化所引起的再分布程度大 温度升高 C S C B 杂质 在硅表面浓度与硅内浓度之比 变大 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 再分布的四种可能 1 m 1 在SiO 2 中是慢扩散的杂质 如硼 2 m1 在SiO 2 中是慢扩散的杂质 如磷 4 m 1 在SiO 2 中是快扩散的杂质JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氧化层的厚度和密度 颜色表 不同厚度的氧化层 呈现出不同的颜色 随厚度的增加 颜色从灰色逐步变到红色 当厚度继续增加时 氧化层颜色从紫 色到红色周期性变化 当用垂直方向的白光照射表面被氧化的硅 片时 光会穿过氧化层 并被下层的硅反射 相长干涉会增强某 一反射光的波长 使相应于这一波长的硅片颜色发生变化 这种方法仅适用于100 700nm之间的氧化层 注意二点 1 观察时也应成垂直角度 2 首先要确定要测的氧化 层是属于第几周期 然后再观察氧化层的颜色 物理测定法 更精确判定氧化层厚度的方法 采用掩蔽腐蚀方法在 氧化层上形成一个台阶 然后去掉掩蔽膜 使用SEM 或TEM 测 量台阶高度 例如 表面光度法 profilometry 用表面光度 仪测量台阶高度 可测量100nm 到5 m 间的薄膜厚度 物理测定法是破坏性的 常需要专用的测试片 二氧化硅层质量分析JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 光学测定法 干涉法 用近乎垂直的光线入射到薄膜上 当入射光与反 射光发 生相长干涉时 出现光强的最大值 当入射光与反射光发 生相消干涉时 出现光强的最小值 通过测量最大光强 与最小光强之间的波长差 可计算出薄膜的厚度 这 种方法可测量几百埃的透明薄膜 测量上限取决于光在 膜中的损耗和分辨高次峰的能力 利用氧化层台阶上干涉条纹数目来求氧化层的厚度 劈尖干涉法 n 2 二氧化硅的折射率 N 干涉条纹数 光干涉显微镜测量JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 不同氧化层厚度的干涉色彩 颜色 氧化层厚度 10 8 cm 第一周期 第二周期 第三周期 第四周期 灰色 100 黄褐色 300 蓝色 800 紫色 1000 2750 4650 6500 深蓝色 1500 3000 4900 6800 绿色 1850 3300 5200 7200 黄色 2100 3700 5600 7500 橙色 2250 4000 6000 红色 2500 4300 6500JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 椭圆偏光法 ellipsometry 是以光的波动性为理论基 础的 当一束椭圆偏振光投射到薄膜上 并从薄膜上反 射时 它的偏振状态就要发生变化 其变化的程度与薄 膜的厚度和薄膜的折射率有关 通过测定椭圆偏振光在 薄膜上反射后偏振状态的变化确定薄膜的厚度和折射 率 测量精度高 可达几个纳米 是一种非破坏性的测量方 法 不仅可以同时测量出膜厚和折射率 还可以测量非 硅衬底上的各种透明膜和半透明膜的厚度与折射率 另 外 还可以用来检验膜层厚度的均匀性 氧化层厚度的光学测量是非破坏性的测量技术 此外 SiO 2 薄膜是否致密可通过折射率得到反映 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 高频C V测试 利用金属 氧化物 半导体结构 测量其电容 电 压关系曲线 由于C V曲线与氧化层的厚度及膜 中含有的杂质 电荷和能级状态有关 确定氧化层中可动电荷密度 确定氧化层中可动电荷密度 N N Na Na 0 FB BT FB BT Na C NVV q JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 二氧化硅膜缺陷检验 SiO 2 膜的缺陷有宏观缺陷和微观缺陷两种 所谓宏观缺陷是指用肉 眼就可以直接观察到的缺陷 所谓微观缺陷是指必须借助于测试 仪器方能观察到的缺陷 宏观缺陷 又称表面缺陷 它是指 氧化层厚度不均匀 表面有斑 点 氧化层上有针孔等等 氧化层厚度不均匀 造成氧化层厚度不均匀的主要原因是氧化炉管 内氧气或水汽不均匀 此外 氧化炉温不稳定 恒温区太短 水 温变化不均匀等也都会造成氧化层厚度不均匀 这种不均匀现 象 不仅影响了SiO 2 的掩蔽功能 也使得绝缘性变差 而且光刻 工序也会出现钻蚀现象 要想得到厚度均匀的氧化层 必须使恒温区长而稳定 石英舟必须 严格控制在恒温区中间 对于气体流量 炉温 水温都要很好地 控制 二氧化硅层质量分析JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氧化斑点 造成氧化层斑点的原因是硅片表面处理的不干 净 残留一些玷污杂质颗粒 在高温下粘附在SiO 2 层表 面 形成局部黑点 解决方法是认真处理硅片表面 对石英管进行严格的清 洗 严格控制水温和氧化流量 氧化层针孔 针孔的产生与氧化方法有关 一 般来说热 氧化产生的针孔较少 只有当硅片质量不好时 有严重 的位错 扩散系数较大的杂质 如铜 铁等 在位 错线处不太会很好地形成SiO 2 于是就形成针孔 解决方法是严格选择衬底材料 氧化前进行严格的清洗 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 显示针孔的方法 1 电学写真法 利用联苯胺的盐酸溶液在电化学作用 后有无色液体变为蓝色产物 2 化学腐蚀法 利用对硅和二氧化硅腐蚀不同的腐蚀 液进行选择腐蚀 3 自愈合击穿技术 涂极薄的金属铝 在MOS结构上 加电压 使电容击穿 4 染色法 利用电解液 以铜做阳极 硅片做阴极 5 液晶探测真空 通过真空引起液晶分子的扰动 6 铝的氧化 只能显示有无针孔 对小针孔无能为力JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 微观缺陷 指的是钠离子玷污和热氧化层层错 钠离子玷污 主要来源于操作环境 去离子水及化学试 剂 石英管道和气体系统 另外在热氧化时 炉温很高 钠离子扩散系数很大 钠 离子会穿过石英管壁进入二氧化硅层 采用双层 夹层 中通惰性气体 热氧化层错 含氧的气氛中 由表面和体内某些缺陷先构 成层错的核 然后再高温下核运动加剧 形成层错 原 因 硅片表面机械损伤 离子注入的损伤点缺陷的凝 聚 氧化物的淀积等 会造成杂质的局部堆积 形成扩 散 管道 造成电极间短路 严重影响器件的电学性 能 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 氧化诱生层错是热氧化产生的缺陷 它通常存在于 Si SiO 2 界面附近硅衬底一侧 产生原因 氧化过程中产生硅自填隙点缺陷 这些点缺 陷凝聚起来 在 111 面内形成层错 减少层错的措施 a 磷 硼掺杂引入晶格失配缺陷作 为点缺陷的吸收源 b 掺氯氧化可以吸收点缺陷 阻止点缺陷凝聚长大 c 采用高压氧化 从而减少 氧化温度和时间 d 采用 111 硅片 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 硅工艺技术的未来发展路线 第一个DRAM 上市年份 1997 1999 2003 2006 2009 2012 最小特征尺寸 nm 250 180 130 100 70 50 DRAM 位 芯片 256M 1G 4G 16G 64G 256G 最小电源电压 V 1 8 2 5 1 5 1 8 1 2 1 5 0 9 1 2 0 6 0 9 0 5 0 6 等效的栅氧化层厚度 T ox nm 4 5 3 4 2 3 1 5 2 1 5 5 5 5 栅氧化层漏电流 DRAM pA m 2 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 隧穿氧化层厚度 nm 8 5 8 7 5 7 6 5 6 最多的布线层数 6 6 7 7 7 8 8 9 9 用于层间绝缘层的介电常 数K 3 4 1 2 5 3 1 5 2 1 5 2 1 5 1 5JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 为了控制杂质扩散将更多使用低温工艺 低温下生长厚SiO 2 膜的途径 1 在氧化期间使用 高压 2 淀积氧化硅膜 首先要生长一层薄的热 氧化硅 然后在其上淀积氧化硅 或在淀积氧化硅 之后进行退火 未来趋向于使用组合介质层 氮氧 化硅介质 通过热生长氧化硅薄膜暴露于氨气中制 备 或用氮注入到衬底及随后的氧化工艺 预测非 平面衬底上生长的氧化硅形状 还涉及预测氧化硅 中和硅中所产生的应力 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 本节课主要内容 压强 晶向 掺杂浓度 掺氯 压强越高 氧化速率越快 水汽氧化 线形关系 干氧化指数关系 111 晶向氧化最快 100 最慢 k s 与硅价键密度有关 B不受晶向影 响 厚氧化层 晶向作用下降 20 nm以下的干氧化 D G模型计算 厚度远小于实际厚度 修正方法 附 加一个随厚度增加而指数衰减项 可以增加反应速度 减少界面固定电 荷和界面态 电荷中和作用 可以 实现对碱金属离子的吸杂作用 3 哪一种晶向的硅氧 化速率最快 哪种 最慢 为什么 1 影响氧化速率的因素有 那些 2 氧化速率和压强有什么 样的关系 4 对于非常薄的氧化层 应用Deal Grove模型计 算厚度和实际厚度有何 不同 如何修正 5 掺氯氧化工艺对提高氧 化膜质量有哪些作用 JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 1 列举得到半导体级硅的步骤 给出半导体级硅的纯 度 2 为什么要用单晶硅制造集成电路 3 直拉法和区熔法的优缺点 4 给出更大直径硅片的好处 5 硅片为什么要导角 作用是什么 第一章 作业JILIN UNIVERSITY 集成电路工艺 INTEGRATED CIRCUIT TECHNOLOGY 第二章 作业 1 栅氧要用干氧法还是湿氧法生长 为什么 2 说明干法氧化的化学反应式 给出反应的温度范围 3 说明湿法氧化的化学反应式 与干法氧化是块还是 慢 为什么 4 计算在1150摄氏度时 在 100 硅片上干法1 2微米 二氧化硅所需的时间 5 1100摄氏度下 在 100 硅片上先进行30分钟干法 氧化 再进行30 分钟湿法氧化 最终得到的氧化层厚度 是多少