第3章_2_氧化.ppt

,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,*,3.2,氧化工艺,1957,年研究发现,SiO,2,具有阻止杂质原子向硅内部扩散的作用。,硅表面总是覆盖一层,SiO,2,它具有极稳定的化学性质和电绝缘性质。,SiO,2,制备和光刻、扩散结合导致了平面工艺和超大规模集成电路的迅速发展。,3.2.1 SiO,2,的作用：,1.,对杂质扩散的掩蔽作用,2.,作为,MOS,器件的绝缘栅材料,3.,对器件的保护作用,(,钝化膜,),4.,用作集成电路的隔离介质和绝缘介质,5.,作为集成电路中电容元件的介质,SiO,2,结构和性质,SiO,2,是一种广泛存在的一种物质。分为结晶型和非结晶型。方石英和水晶属于结晶型的。热氧化制备的,SiO,2,是无定型的，是一种透明的玻璃体。,（,硅晶体演示,）,1,、结构：,Si-O,四面体。结晶型,SiO,2,是四面体在空间规则排列所构成的。非结晶型,SiO,2,是四面体在空间不规则排列所构成的。,二氧化硅晶体结构示意图,2,、主要性质,（,1,）密度,密度是,SiO,2,致密程度的标志。密度大表示,SiO,2,致密程度高，密度小表示,SiO,2,致密程度底，无定型的,SiO,2,密度一般为,2.20g/cm,3,.,（,2,）折射率,折射率是表征,SiO,2,薄膜光学性质的一个重要参数,.,一般来说,密度大的,SiO,2,具有较大的折射率,.,波长为,5500A,时,其折射率约为,1.46,（,3,）电阻率,SiO,2,的,电阻率高低与制备方法和所含杂质等因素有密切关系,高温干氧氧化法制备的,SiO,2,电阻率可超过,10,16,cm,（,4,）介电强度,SiO,2,作为绝缘介质时,常用介电常数来表示薄膜的耐压能力,SiO,2,薄膜的介电强度的大小与致密度、均匀性、杂质含量等因素有关。一般为,10,6,10,7,V/cm,。,（,5,）介电常数,介电常数表示电容性能，对,MOS,电容器，其电容量有下列关系式：,式中，,S,为金属电极的面积，,d,为,SiO,2,的,厚度。,0,为相对介电常数，一般为,3.84.0,SiO2,为,SiO,2,的,相对介电常数。,（,6,）腐蚀,SiO,2,的,化学性质非常稳定，只与氢氟酸能发生化学反应，反应式如下：,SiO,2,+4HFSiF,4,+2H,2,O,反应式生成的四氟化硅能进一步与氢氟酸反应生成可溶于水的络合物,-,六氟硅酸，反应式为：,SiF,4,+2HFH,2,（,SiF,6,),总的反应式为：,SiO,2,+6HFH,2,（,SiF,6,)+2H,2,O,在,生产中利用,SiO,2,能与,氢氟酸反应的性质，完成对,SiO,2,腐蚀的目的。,3,、,SiO,2,的,屏蔽作用,SiO,2,在,集成电路中的重要作用之一，就是作为选择扩散的掩蔽膜。,杂质在硅中的扩散系数：,D,SiO2,=D,0,exp(-E/kT),E,为杂质在,SiO,2,中,扩散激活能，,D,0,为表观扩散系数。,在确定所需,SiO,2,的,厚度时，假定,SiO,2,表面处的杂质浓度与,Si-SiO,2,界面处的杂质浓度为某一个值（例如为,10,3,）时，就认为起到了屏蔽作用，由此可求出所需,SiO,2,的,最小厚度。,下图给出了用干氧氧化方法生长的,SiO,2,层，在不同屏蔽气态,P,2,O,5,和,B,2,O,3,杂质源，扩散时间和所需最小厚度的关系。,3.2.2,SiO,2,的生长方法,-,热氧化,制备,SiO,2,的,方法很多，有分解沉积法，溅射法，真空蒸发法，阳极蒸发法，等离子氧化法等，对集成电路制造来说，热氧化法制备的,SiO,2,质量最好，是重要的基础工艺之一。化学气相淀积也是一种重要的氧化方法。,1,热氧化原理,热氧化是指硅与氧或水汽，在高温下经化学反应生成,SiO,2,。,热氧化的特点：,1.,具有很高的重复性和化学稳定性；,2.,表面悬挂键少，表面态密度减小。,热,氧化的基本过程：,SiO,2,表面,SiO,2,原先的,Si,界面,Si,衬底,氧化过程主要分为两步：,1,氧化物质（如氧气）通过扩散方式穿过硅表面上已有的一层,SiO,2,薄膜进入,SiO,2,和,Si,之间的界面。,2,氧化物质在界面处与,Si,起反应生成新的,SiO,2,层并不断变厚。其反应式：,若氧化物质是氧气：,Si+O,2,=SiO,2,若氧化物质是水蒸气：,Si+2H,2,O=SiO,2,+2H,2,可见，氧化反应生成新的,SiO,2,要消耗一部分,Si,，使硅片变薄。,消耗的,Si,层厚度,X,Si,与生成的,SiO,2,层的厚度,X,SiO2,之间的关系为：,X,Si,=0.44,SiO,2,总结：,热氧法生长的,SiO,2,来源于硅表面，随着反应的进行，硅表面的位置不断向硅内方向移动。无定形的,SiO,2,分子密度为：,2.210,22,/cm,3,Si,的分子密度：,5.010,22,/cm,3,.,生长一个单位厚度的,SiO,2,需要消耗,0.44,个单位厚度的硅层。,氧化炉,2,常用的热氧化方法,（,1,）氧气氧化,分为干氧氧化和湿氧氧化两种方式。,A,、干氧氧化,干氧氧化是指在高温下，氧与硅反应生成,SiO,2,：,Si+O,2,SiO,2,氧化的温度为,9001200,。,干氧氧化生成的,SiO,2,结构致密，干燥，均匀性好，掩蔽能力强，与光刻胶粘附性好，但速率慢。,B,、水汽氧化,水汽氧化是指在高温下，水汽与硅反应生成,SiO,2,：,Si+2H,2,O,SiO,2,+2H,2,水汽氧化的过程复杂，水汽氧化过程中,SiO,2,网络不断削弱，致使水分子在,SiO,2,中扩散加快，因此，水汽氧化生成的,SiO,2,质量较差，但速度较快。,C,、湿氧氧化,湿氧氧化是将氧气通过,95,高纯水，鼓泡后将水汽带入炉中。既有氧，又含有水汽。有两种化学反应。湿氧氧化生成的,SiO,2,质量比干氧氧化生成的略差，但速度很快。缺点是光刻时与光刻胶接触不良。,在实际生产中采用较多的是干氧,-,湿氧,-,干氧的方法。,在工业生产中，氧化炉石英舟内可放置多达,200,片直径为,150300mm,的硅片。为保证同一片及各片之间的氧化层厚度的均匀性，要求硅片所在范围的炉内温度变化不得超过,0.5,。,氧化方式,氧化温度（,）,生长,0.5 um,时间（,min,）,密度,介电强度,(V/um),电阻率,(,.cm),干氧,1000,1800,2.27,550,10,6,1200,360,2.15,515,湿氧,1000,63,2.21,525,1200,22,2.12,535,水汽,1000,58,2.08,500,1200,18,2.05,490,（,2,）氢氧合成氧化,在常压下分别将纯氧和纯氢直接通入石英管内，使之燃烧成水：,H,2,+O,2 H,2,O,水在高温下与硅反应生成,SiO,2,。,可以减少,Na,离子污染，生长速率比湿氧快，氧化层质量高，速率易控制，均匀性也较好。,（,3,）高压氧化,高压氧化分为高压干氧氧化和高压湿氧氧化两种。与相应常压氧化方法的区别在于氧化氛围处于高压状态。,高压氧化的优点在于氧化层质量好，氧化速度快，可大大降低氧化温度，缩短氧化时间。,常压化学汽相淀积,3,化学气相淀积,CVD,方法,氧化质量控制：,1.,氧化膜厚度控制,2.,氧化膜表面质量控制,硅片表面检查，清洗，石英管和夹具的清洁，气体和去离子水，操作过程,3.,固定氧化物电荷控制,通过退火温度控制，氧化速率,4.,针孔密度控制,1,、性能,氮化硅（,SiN,4,),可以作为钝化膜、局部氧化掩膜、扩散掩膜、绝缘介质膜。,氮化硅对,H,2,O,和,N a,有强烈的阻挡作用,是一种较理想的钝化材料。,用氮化硅作扩散掩膜可实现,SiO,2,无法实现的阻止,AL,、,Ga,、,In,等,杂质的扩散。,Si,3,N,4,的,击穿强度较高，且有较高的热传导系数，适宜作多层布线的绝缘材料。,3.2.3,氮化硅薄膜,2,、制备,1.,常压,CVD,法,(APCVD),2.,低压,CVD,法,(LPCVD),3.,等离子体,CVD,法,(PCVD,法,),其中,PCVD,法可以在较低的温度下淀积,3.2.4,二氧化硅薄膜质量要求和检验方法,从四方面进行检查,1,、表观检查,检查氧化层颜色是否均匀,(,反映膜厚均匀情况,),表面有无斑点、裂纹、白雾等，一般用显微镜检查。,2,、氧化层厚度检测,(1),干涉法,(1),热,氧化形成,SiO,2,层,(2),在,SiO,2,膜层上,用腊形成保护层,(3),用,HF,酸腐蚀没保护层的,SiO,2,(4),用有机溶剂去掉腊保护层,(5),利用干涉显微镜测量干涉条纹的弯曲量,(6),用公式计算,(2),用椭偏法测试,3,、针孔密度检查,若氧化层质量不高，含有针孔，将破坏其绝缘性能和掩蔽杂质扩散的能力。目前已有多种方法检测是否有针孔及测量针孔密度的方法。,4,、二氧化硅中可动电荷密度、界面态密度等表面参数的测定,氧化层中可动电荷、界面态密度的高低将影响晶体管的漏电流和,MOS,器件的阈值电压，通常用专门的,C-V,测试仪进行测试。,3.2.5,氧化技术面临的挑战,超薄栅氧化层质量的保证,高介电常量（,high-k),栅材料的开发,低介电常量（,low-k),层间绝缘膜材料的开发,（资 料）,AMD,计划推出,45nm,采用,high-k,工艺的产品，始终保持对竞争对手,Intel,挑起的,high-k,工艺竞赛的漠不关心的态度。,到了,45,纳米技术节点，高介电常数绝缘材料和金属栅电极将被用于制造逻辑电路器件。而采用高金属功函数和能隙工程电荷陷阱的闪存也能从这些项技术中获益。,