集成电路工艺基之氧化.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,电子科技大学中山学院,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,*,Chap 2,氧化,绪论,SiO,2,的结构和性质,SiO2,的掩蔽作用,硅的热氧化生长动力学,决定氧化速度常数和影响氧化速率的各种因素,热氧化过程中的杂质再分布,初始氧化阶段以及薄氧化层的生长,Si-SiO,2,界面特性,下一页,二氧化硅是上帝赐给,IC,的材料。,Introduction,硅易氧化,几个原子层厚，,1nm,左右,氧化膜化学性质稳定，绝缘性好,SiO2,的存在形态,晶体：石英、水晶等,石英砂，主要成分为,SiO,2,，为制备硅原料的核心材料,非晶体：玻璃等（热氧化方法制备的,SiO,2,）,在,MOS,电路中作为,MOS,器件的绝缘栅介质，作为器件的组成部分,作为集成电路的隔离介质材料,作为电容器的绝缘介质材料,作为多层金属互连层之间的介质材料,作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料,扩散时的掩蔽层，离子注入的,(,有时与光刻胶、,Si,3,N,4,层一起使用,),阻挡层,SiO,2,的作用,SiO,2,的制备,+,光刻,+,扩散 硅平面工艺,返回,2.1.1 SiO,2,的结构,无论是结晶形还是无定形,SiO,2,，都是以,Si,为中心，,Si-O,原子组成的正四面体，其中O,Si,O,键桥的键角为,109.5,，是固定的。,2.1 SiO,2,的结构及性质,结晶形,SiO,2,的结构,结晶形,SiO,2,是由,Si-O,四面体在空间规则排列所构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个,Si-O,四面体中心的硅形成共价键，氧原子的化合价也被满足。,无定形,SiO,2,的结构,Amorphous SiO,2,中,Si-O-Si,键角为,110 180,桥键氧：与两个相邻的,Si-O,四面体中心的硅原子形成共价键的氧,非桥键氧：只与一个,Si-O,四面体中心的硅原子形成共价键的氧,非桥键氧越多，无定型的程度越大，无序程度越大，密度越小，折射率越小,无定形,SiO,2,的强度：桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数,结晶态和无定形态区分,非桥联氧是否存在,SiO,2,结构在制备工艺中的应用,硅要运动，打破四个,O,Si,键,氧要运动，打破两个,O,Si,键，对非桥键氧，只需打破一个,O,Si,键,故氧的运动同硅相比更容易，,氧的扩散系数比硅的大几个数量级,氧化时，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，而非硅向外表面运动，在表面与氧化剂反应生成,SiO,2,。,2.1.2 SiO,2,的主要性质（,1,）,密度：表征致密程度,结晶形：,2.65g/cm,3,非,结晶形：,2.152.25g/cm,3,折射率：表征光学性质,密度较大的,SiO,2,具有较大的折射率,波长为,5500A,左右时，,SiO,2,的折射率约为,1.46,电阻率：,与制备方法及所含杂质数量等因素有关，高温干氧氧化制备的电阻率达,10,16,cm,介电强度：单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿 电压,大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关,一般为,10,6,10,7,V/cm,（,10,1,1V/nm,）,介电常数,:,表征电容性能,SiO,2,的相对介电常数为,3.9,SiO2,的主要性质（,2,）,腐蚀：化学性质非常稳定，,只与氢氟酸发生反应,还可与强碱缓慢反应,薄膜应力为压应力,SiO2,的主要性质（,3,）,返回,2.2 SiO2,的掩蔽作用,2.2.1,杂质在,SiO2,中的存在形式,杂质在,SiO2,中的存在形式,网络形成者：,可以替代,SiO,2,网络中硅的杂质，即能代替,Si,O,四面体中心的硅、并能与氧形成网络的杂质,特点是离子半径与,Si,原子相近或者更小,三价网络形成者,(,如,B),增加非桥键氧数目，降低,SiO,2,强度,五价网络形成者,(,如,P),减少非桥键氧数目，增加,SiO,2,强度,杂质在,SiO2,中的存在形式,网络改变者：,存在于,SiO,2,网络间隙中的杂质,特点：离子半径大，多以氧化物形式进入,SiO,2,后离化，增加非桥键氧浓度，降低,SiO,2,强度，易运动，破坏电路的稳定性和可靠性Na,、,K,、,Pb,、,Ba,水汽的行为类似于网络改变者,2.2.2,杂质在,SiO,2,中的扩散系数（,1,）,E,为杂质在,SiO,2,中的扩散激活能，,D,o,为表观扩散系数,选择扩散（在集成电路中的重要应用）,在相同的条件下，一些杂质在,SiO,2,中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度，即,SiO,2,对某些杂质起掩蔽作用。,掩蔽是相对的，杂质在,SiO,2,的扩散系数：,杂质在,SiO,2,中的扩散系数（,2,）,杂质在,SiO,2,中的扩散系数,B,、,P,、,As,等常用杂质的扩散系数小,，,SiO,2,对这类杂质可以起掩蔽作用,Ga,、,某些碱金属（,Na,）的扩散系数大SiO,2,对这类杂质就起不到掩蔽作用,Na,离子在,SiO2,中的扩散系数和迁移率都非常大,Na,离子来源非常丰富,Na,离子玷污是造成双极器件和,MOS,器件性能不稳定的重要原因之一,2.2.3,掩蔽层厚度的确定（,1,）,有效掩蔽条件,杂质的,SiO,2,有一定厚度,掺杂杂质,B,、,P,、,As,等常用杂质在,SiO2,中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数,B,、,P,、,As,的杂质源制备容易、纯度高，操作方便,掩蔽层厚度的确定（,2,）,掩蔽层厚度的确定,杂质在,SiO,2,表面的浓度为在,Si,-SiO,2,界面浓度的,1000,倍时的,SiO2,的厚度为最小厚度,对恒定源,余误差），浓度为,C(x,),所对应的深度表达式为：,对有限源（高斯分布），,A,随时间变化,其中：,得到：,图,2.5,各种温度下能掩蔽磷和硼所需,SiO,2,厚度与杂质在硅中达到扩散深度所需时间的关系,SiO,2,掩蔽,P,的扩散过程,返回,2.3,硅的热氧化生长动力学,CVD,（,化学气相淀积）,PVD,（物理气相淀积）,热氧化：,硅与氧或水汽等氧化剂，在高温下经化学反应生成,SiO,2,有什么特点？,热氧化生成的,SiO,2,掩蔽能力最强,质量最好，重复性和稳定性好,降低表面悬挂键从而使表面态密度减小，且能很好的控制界面陷阱和固定电荷,2.3.1,硅的热氧化,每生长一单位厚度的,SiO,2,，将消耗约,0.44,单位厚度的硅,（台阶覆盖性）,SiO,2,中所含,Si,的原子密度,C,SiO2,=2.2,10,22,/cm,3,Si,晶体中的原子密度,C,Si,=5.0,10,22,/cm,3,硅的热氧化生长（,1,）,厚度为 ，面积为一平方厘米的,SiO,2,体内所含的,Si,原子数为 ，而这个数值应该与转变为,SiO,2,中的硅原子数 相等，即,得到：,硅的热氧化生长（,2,）,热氧化法,干氧氧化,水汽氧化,湿氧氧化,氢氧合成氧化（,LSI,和,VLSI,的理想氧化技术）,掺氯氧化（为减小,SiO2,中的,Na,+,玷污）,干氧氧化,干氧氧化,氧化剂：干燥氧气,反应温度：,9001200,干氧氧化制备的,SiO,2,的特点,结构致密、干燥、均匀性和重复性好,与光刻胶粘附性好，掩蔽能力强。,生长速度非常慢,干氧氧化的应用,MOS,晶体管的栅氧化层,干氧氧化,Si,表面无,SiO,2,，,则氧化剂与,Si,反应，生成,SiO,2,，,生长速率由,表面化学反应的快慢决定,。,生成一定厚度的,SiO,2,层，氧化剂必须以扩散方式运动到,Si-SiO,2,界面，再与硅反应生成,SiO,2,，,即生长速率为,扩散控制,。,干氧氧化时，厚度超过,40,湿氧氧化时，厚度超过,1000,则生长过程由表面化学反应控制转为扩散控制,水汽氧化,湿氧氧化,反应条件,氧化剂：高纯水（95,左右）,+,氧气,特点：,生长速率较高,SiO,2,结构略粗糙,进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图,热氧化法,三种氧化法比较,干氧氧化 结构致密但氧化速率极低,湿氧氧化 氧化速率高但结构略粗糙，,制备厚二氧化硅薄膜,水汽氧化 结构粗糙,-,不可取,实际生产：,干氧氧化,+,湿氧氧化,+,干氧氧化,5,分钟,+,（视厚度而定）,+5,分钟,常规三步热氧化模式既保证了,SiO,2,表面,和,界面的质量,，又解决了生长速率问题,2.3.2,热氧化生长动力学（,1,）,生长过程：,D-G,模型的使用范围,D-G,模型对温度在,700-1300,范围内，压力从,210,4,Pa,到,1.0110,5,Pa,，氧化层厚度在,300-20000A,之间的氧气氧化和水汽氧化都是适用的。,薄氧化层的生长模型？,菲克第一定律,根据稳态条件：,h,g,是质量输运系数,ks,为氧化剂与,Si,反应的化学反应常数,热氧化生长动力学（,2,）,当氧化剂在,SiO,2,中的扩散系数,D,SiO2,k,s,x,o,则,C,i,0,，,C,o,C,*,，,氧化为扩散控制,当氧化剂在,SiO,2,中的扩散系数,D,SiO2,很大，则,C,i,=C,o,=,C,*,/,（,1+k,s,/h,），,氧化为反应控制,热氧化生长动力学（,3,）,SiO,2,不断生长，界面处的,Si,也就不断转化为,SiO,2,中的成份因此表面处的流密度：,热氧化生长速率（,1,）,其中：,N1,为每生长一个单位体积,SiO,2,所需要氧化剂的分子个数。在氧化膜中有,2.210,22,个,SiO,2,分子,/cm,3,，在进行氧化时，要获得一个,SiO,2,分子，在干氧环境中需要一个氧分子，在水汽环境中需要两个水分子）,热氧化生长速率（,2,）,解关系式（,6,）得：,微分方程（,5,）的解给出了,SiO,2,的生长厚度与时间的普遍关系式（,6,）：,（,6,）,其中：,SiO,2,生长快慢将由氧化剂在,SiO,2,中的扩散速度以及与,Si,反应速度中较慢的一个因素所决定：,当氧化时间很长,(Thick oxide),，即t,和,t,A,2,/4B,时，则,SiO,2,的厚度和时间的关系简化为：,（抛物型规律，扩散控制）,热氧化生长速率（,3,）,当氧化时间很短,(thin oxide),，即（,t+,）,A,2,/4B,时，则,SiO,2,的厚度和时间的关系简化为,（线性规律，反应控制）,B/A,为线性速率常数；,B,为抛物型速率常数,热氧化生长速率（,4,）,返回,2.4,决定,氧化速率常数的因素,氧化剂分压,氧化温度,氧化剂分压,p,g,通过,C*,对,B,产生影响，,B,与,p,g,成正比关系,出现高压氧化和低压氧化来控制氧化速率,决定氧化速率常数的因素（,1,）,决定氧化速率常数的因素（,2,）,氧化温度,温度对抛物型速率常数,B,的影响是通过影响,氧化剂在,SiO2,中的扩散系数,D,SiO2,产生的,温度对线性速率常数,B/,A,的影响是通过影响,化学反应常数,k,s,产生的,温度对,B,及,B/A,的影响,图,2.13,温度对,B,的影响 图,2.14,温度对,B/A,的影响,影响,氧化速率的因素,硅表面晶向,杂质,影响氧化速率的因素（,1,）,硅表面晶向对氧化速率的影响,线性速率常数,B/A,受硅的晶向影响,表达式：,不同晶向所对应的晶面硅原子的密度不同，表面化学反应速率（,k,s,),是与硅表面的原子密度，即表面的价键密度有关,(111),面上的硅原子密度比,(100),面上大因此，,(111),面上的线性速率常数大于,(100),面上的线性速率常数,影响氧化速率的因素（,1,）,硅表面晶向对氧化速率的影响,抛物型速率常数,B,与硅的,晶向无关,B,的关系式,氧化剂压力,p,g,一定时，,B,的大小只与氧化剂在,SiO2,中的扩散能力有关,参考,P37,表,2-1,水汽压力为,85KPa,时的氧化速率常数,图,2.15,氧化层厚度与氧化时间的关系,影响氧化速率的因素（,2,）,杂质对氧化速度的影响,掺有高浓度杂质的硅，其氧化速率明显变大,B,增大抛物型速率常数，对线性速率常数无明显影响,m1,慢扩散，分凝到,SiO,2,中的杂质量少，对抛物型速率常数影响不大，因大部分杂质集中在靠近硅表面的硅中，因而使线性氧化速率常数明显变大。,杂质对氧化速度的影响,水汽（极少量的水汽就会极大增大氧化速率）,水汽含量,110,-6,时，氧化,700,分钟，,SiO,2,约为,300,水汽含量,2510,-6,时，氧化,700,分钟，,SiO,2,约为,370,钠,以氧化物形式进入，离化后增加非桥键氧数，线性和抛物型氧化速率明显增大,影响氧化速率的因素（,2,）,杂质对氧化速度的影响,氯（,O2,TCA/HCL/TCE,）,钝化可动离子，尤其是钠离子，生成可挥发的金属氯化物,改善,Si-SiO,2,界面特性,氯进入,Si-SiO,2,界面，界面态密度减小，表面固定电荷密度减小,提高氧化速率,10,15,抑制层错,TCA,（三氯乙烷）在高温下形成光气（,COCl2,），是一种剧毒物质；,TCE,（三氯乙烯）可能致癌；,HCL,腐蚀性极强,影响氧化速率的因素（,2,）,返回,2.5,热氧化过程中的杂质再分布（,1,）,分凝系数,定义：,掺有杂质的硅,在,热氧化过程,中，在,Si-SiO,2,界面上的平衡杂质浓度之比,公式：,常用杂质的分凝系数,P,、,As,约为,10,B 0.1-1,2.5.1,杂质的再分布,当,m,1,，在,SiO,2,中是慢扩散的杂质，即在分凝过程中杂质通过,SiO,2,表面损失的很少，再分布之后靠近界面处的,SiO,2,中杂质浓度比硅中高。硅表面附近的浓度下降。（中性和氧化气氛中的,B,）,当,m,1,，在,SiO,2,中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质通过,SiO,2,表面损失的厉害，使,SiO,2,中杂质浓度比较低，硅表面的杂质浓度几乎降到零。（,H2,气氛中的,B,）,热氧化过程中的杂质再分布（,2,）,氧化层提取,杂质（,m 1,，在,SiO,2,中是慢扩散的杂质，再分布之后硅表面的浓度升高。（,P,、,As,）,当,m,1,，在,SiO,2,中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质通过,SiO,2,表面损失的厉害，最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要低。（,Ga,）,热氧化过程中的杂质再分布（,3,）,氧化层排出,杂质（,m1)M=1,，而且也没有杂质从,SiO,2,表面逸散的情况？,Si,表面杂质浓度同样降低。,这是因为一个体积的,Si,氧化之后变成两个体积的,SiO,2,而界面两边具有相等的杂质浓度，故杂质必定从高浓度硅中向低浓度,SiO,2,中扩散。即硅中消耗杂质，以补偿,SiO,2,体积增加所需要的杂质,热氧化过程中的杂质再分布（,4,）,磷,m,=,10,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增大，即水汽氧化,C,s,/C,B,值比干氧氧化大,在同一氧化气氛中,，温度越高，磷向硅内扩散速度就越快，减小了在表面的堆积。即,C,s,/C,B,下降。,2.5.2,再分布对硅表面杂质浓度的影响（,1,）,硼,m,=,0.3,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增大，即水汽氧化,C,s,/C,B,值比干氧氧化小,在同一氧化气氛中,，,C,s,/C,B,随温度的升高而变大。因为温度升高扩散速度升高，从而加快补偿硅表面杂质的损耗。,再分布对硅表面杂质浓度的影响（,2,）,2.6,初始氧化阶段以及薄氧化层的生长（,1,）,快速初始氧化阶段,700,，干氧氧化,初始氧化阶段的氧化机制,机制不清，但有经验公式；,实际生产时，可以生长出厚度为,3nm,的高质量的栅氧化层,猜想模型,2.6,初始氧化阶段以及薄氧化层的生长（,2,）,Massoud,的实验结果：,图2.27,硅的（,100,）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系,2.6.2,薄氧化层的制备,1,、预氧化清洗,2,、工艺与栅氧化硅质量的关系,3,、用化学方法改进栅氧化层,4,、,CVD,和叠层氧化硅,2.7,Si,-SiO,2,界面特性,Si-SiO,2,界面电荷类型：,可动离子电荷,界面陷阱电荷,氧化层固定电荷,氧化层陷阱电荷,Si-SiO2,界面不是绝对的断然的分开，而是存在一个,10A,左右的过渡层，在过渡层中,x,的配比在,1-2,之间，,是非理想的。,可动离子电荷,Q,m,（,1,）,存在形式,网络改变者,(,荷正电的碱金属离子，主要是钠,),主要来源于化学试剂、玻璃器皿、炉管、石英舟、人体玷污等。,危害：,在电场作用下显著漂移，引起,MOS,晶体管的阈值电压不稳定,分布的不均匀性引起局部电场的加速，从而引起,MOS,晶体管栅极的局部低击穿。,预防措施,含氯的氧化工艺,用氯周期性的清洗管道、炉管和相关容器,使用超纯净的化学物质,保证气体及气体传输过程的清洁,用,BPSG,和,PSG,玻璃钝化可动离子,用等离子淀积,Si3N4,来封闭已经完成的器件,可动离子电荷,Q,m,（,2,）,界面陷阱电荷,Q,it,（,1,）,定义,存在于,Si-SiO,2,界面（距硅界面,3-5A,以内），能量处于硅禁带中的电子态。,类型,高于禁带中心能级的界面态，可以得到电子，起受主作用,低于能带中间能级的界面态可以失去电子，起施主作用,危害：,使阈值电压漂移,大量的界面态电荷会显著降低晶体管沟道迁移率（金属化后退火（,PMA,），减少界面态）,使,MOS,电容的,C-V,曲线发生畸变,成为有效的复合中心，导致漏电流的增加,界面态密度与衬底晶向、氧化层生长条件、和退火条件有关。,(111),晶向界面态密度最大,(100),晶向,低温惰性气体退火（,90%N,2,+10%H,2,），用,H,2,来饱和悬挂键，可降低界面态密度,界面陷阱电荷,Q,it,（,2,）,解释界面态的物理机制,悬挂键,硅原子周期排列中断，存在悬挂键，当硅氧化为,SiO,2,时，悬挂键大部分与氧结合，使,Si-SiO,2,界面悬挂键密度减小。但仍存在少量的悬挂键，这些悬挂键上有一个未配对的电子，可以得失电子而表现为界面态。,在过渡区中，硅原子的氧化状态很不相同，没有完全氧化的硅原子，即所谓的三价硅也是界面态的主要来源,荷电中心,存在界面附近的化学杂质,界面陷阱电荷,Q,it,（,3,）,氧化层固定电荷,Q,f,（,1,）,简介,通常,由,Si-SiO,2,之间过渡区的结构改变引起,一般为正电荷，在外电场的作用下，不会移动,机理,过剩硅离子模型,危害,影响阈值电压（对,NMOS,、,PMOS,的影响？）,减小沟道载流子迁移率（固定正电荷对载流子的散射）,特征：,固定正电荷密度与氧化层厚度、硅衬底掺杂类型和浓度关系不大，但与氧化层生长条件关系密切。,不同晶向硅材料的,Q,f,密度有如下关系,Q,f,（,111,）,Q,f,（,110,）,Q,f,（,100,）,解决措施：,适当选择氧化、退火条件和衬底晶向，降低氧化时氧气的分压，采用含氯氧化工艺,氧化层固定电荷,Q,f,（,2,）,氧化层陷阱电荷,Q,ot,（,1,）,氧化层中的缺陷：,在,SiO,2,层中，存在一些,电子和空穴陷阱,，它们与杂质和缺陷有关。,危害：,严重影响器件的可靠性,产生方式：,由于,x,射线或,射线的辐射、或是在氧化层中发生了雪崩击穿，将打破,Si-O-Si,键，在,SiO,2,层中产生电子,-,空穴对，如果氧化层中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净电荷，氧化层中存在电场时，由于电子可以在,SiO,2,中移动，可以移动到电极上，而空穴在,SiO,2,中很难移动，可能陷于这些陷阱中，成为正的陷阱电荷。,解决措施,选择适当的氧化条件，使,Si-O-Si,键不易打破。,在惰性气体中进行低温退火。,氧化层陷阱电荷,Q,ot,（,2,）,作业：,1,、假设经热氧化方式生长厚度为,x,的二氧化硅，将要消耗多少硅？每摩硅的质量是,28.9g,，密度为,2.33g/cm,3,；每摩二氧化硅的质量是,60.08g,，密度为,2.25g/cm,3,。,2,、试举例说明二氧化硅在集成电路中的应用，并指出哪些应用不可以用热氧化的方法制备，为什么？,3,、某一硅片上面已覆盖有,0.2um,厚的,SiO2,层，现需要在,1200,下用干氧氧化法再生长,0.1um,厚的氧化层，问干氧氧化的时间是（）,min.,已知：干氧,A=0.04um,B=7.510,-4,um,2,/min,=1.62min,。,选择题：,1,、在温度相同的情况下，制备相同厚度的氧化层，分别用干氧，湿氧和水汽氧化，哪个需要的时间最长？（）,A.,干氧,B.,湿氧,C.,水汽氧化,2,、二氧化硅膜能有效的对扩散杂质起掩蔽作用的基本条件有哪些,_,1,杂质在硅中的扩散系数大于在二氧化硅中的扩散系数,2,杂质在硅中的扩散系数小于在二氧化硅中的扩散系数,3,二氧化硅的厚度大于杂质在二氧化硅中的扩散深度,4,二氧化硅的厚度小于杂质在二氧化硅中的扩散深度,A,2,4 B.1,3 C.1,4 D.2,3,3,、半导体器件生产中所制备的二氧化硅薄膜属于（）,A,结晶形二氧化硅,B.,无定形二氧化硅,填空题：,1,、在硅,-,二氧化硅系统中存在,_,电荷、可动电荷、界面态电荷和氧化层陷阱电荷。,2,、温度是影响氧化速率的一个重要因素，温度越高，氧化速率越,_,（大,/,小）。,3,、在一定的氧化条件下，通过改变氧化剂分压可以改变氧化层生长速率，氧化剂分压越,_,（大,/,小），生长速率越慢。,4,、清洗硅片所用的化学试剂、去离子水和生产工具、操作者的汗液及呼出的气体等是氧化层中的,_,离子的来源。,