半导体工艺基础第三章氧化

第三章Oxidation氧化Oxidation氧化简介氧化膜的应用氧化机理氧化工艺氧化设备RTO快速热氧化简介硅与O2直接反应可得；SiO2性能稳定；氧化工艺在半导体制造中广泛使用Si+O2→SiO2氧化层简介Oxidation氧化层简介Silicon氧化膜的应用掺杂阻挡层表面钝化(保护)–Screenoxide,padoxide,barrieroxide隔离层–FieldoxideandLOCOS栅氧化层氧化层应用掺杂阻挡氧化层MuchlowerBandPdiffusionratesinSiO2thanthatinSiSiO2canbeusedasdiffusionmask氧化层应用表面钝化(保护)氧化层PadOxide衬垫氧化层,ScreenOxide屏蔽氧化层SacrificialOxide牺牲氧化层,BarrierOxide阻挡氧化层Normallythinoxidelayer(~150Å)toprotectsilicondefectsfromcontaminationandover-stress.氧化层应用ScreenOxide氧化层应用PadandBarrierOxidesinSTIProcess氧化层应用USG:UndopedSilicateGlass未掺杂硅酸盐玻璃Application,PadOxideRelievestrongtensilestressofthenitridePreventstressinducedsilicondefects氧化层应用牺牲氧化层SacrificialOxideDefectsremovalfromsiliconsurface氧化层应用器件隔离氧化层临近器件的绝缘隔离BlanketfieldoxideLocaloxidationofsilicon(LOCOS)Thickoxide,usually3,000to10,000Å氧化层应用BlanketFieldOxideIsolation氧化层应用LOCOSProcess氧化层应用LOCOSComparewithblanketfieldoxide–Betterisolation更好的隔离–Lowerstepheight更低台阶高度–Lesssteepsidewall侧墙不很陡峭Disadvantage缺点–roughsurfacetopography粗糙的表面形貌–Bird’sbeak鸟嘴被浅的管沟(STI)所取代氧化层应用栅氧化层Gateoxide:thinnestandmostcriticallayerCapacitordielectric氧化层应用氧化膜(层)应用名称应用厚度说明自然氧化层不希望的15-20A屏蔽氧化层注入隔离，减小损伤~200A热生长掺杂阻挡层掺杂掩蔽400-1200A选择性扩散场氧化层和LOCOS器件隔离3000-5000A湿氧氧化衬垫氧化层为Si3N4提供应力减小100-200A热生长很薄牺牲氧化层去除缺陷1000A热氧化栅氧化层用作MOS管栅介质30-120A干氧氧化阻挡氧化层防止STI工艺中的污染100-200A氧化层应用SiliconDioxideGrownonImproperlyCleanedSiliconSurface表面未清洗硅片的热氧化层热氧化生长的SiO2层是无定形的SiO2分子间趋于交联形成晶体未清洗硅片表面的缺陷和微粒会成为SiO2的成核点这种SiO2层的阻挡作用很差氧化前需要清洗硅片表面氧化前圆片清洗颗粒有机粘污无机粘污本征氧化层RCA清洗DevelopedbyKernandPuotinenin1960atRCAMostcommonlyusedcleanprocessesinICfabs(1号液)－NH4OH:H2O2:H2Owith1:1:5to1:2:8ratioat70to80℃toremoveorganic.(2号液)--HCl:H2O2:H2Owith1:1:6to1:2:8ratioat70to80℃toremoveinorganiccontaminates，DIwaterrinseHFdiporHFvaporetchtoremovenativeoxide.Pre-oxidationWaferCleanParticulateRemovalHighpuritydeionized(DI)waterorH2SO4:H2O2followedbyDIH2Orinse.高压清洗或者放在清洗液中加热漂洗，最后烘干Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).被氧化的硅片上有机物的清除强氧化剂清除有机污垢H2SO4:H2O2orNH3OH:H2O2followedbyDIH2Orinse.Highpressurescruborimmersioninheateddunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125°C).无机物的清洗先用HCl:H2O液体浸泡再在大的玻璃杯中浸泡清洗Immersionindunktankfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)Pre-oxidationWaferCleanNativeOxideRemovalHF:H2OImmersionindunktankorsinglewafervaporetcherfollowedbyrinse,spindryand/ordrybake(100to125℃)OxidationMechanismSi+O2→SiO2O来源于提供的氧气Si来源于衬底硅圆片O通过表面已有的氧化层向内扩散并与Si反应生长SiO2氧化薄膜越厚，生长速率越低干氧氧化（DryOxidation）OxideGrowthRateRegimeB/A为线性速率常数；B为抛物线速率常数100SiliconDryOxidation水汽氧化(SteamOxidation）Si+2H2O→SiO2+2H2AthightemperatureH2OisdissociatedtoHandH-OH-OdiffusesfasterinSiO2thanO2Steamoxidationhashighergrowthratethandryoxidation100SiliconWetOxidationRate湿氧氧化(WetOxidation)湿氧氧化法是将干燥纯净的氧气，在通入氧化炉之前，先经过一个水浴瓶，使氧气通过加热的高纯去离子水，携带一定量的水汽，湿氧氧化法的氧化剂是氧气和水的混合物。Si+O2→SiO2Si+2H2O→SiO2+2H2氧化速率温度湿氧或干氧厚度压力圆片晶向(100或111)硅中杂质氧化速率与温度氧化速率对温度很敏感，指数规律温度升高会引起更大的氧化速率升高物理机理：温度越高，O与Si的化学反应速率越高；温度越高，O在SiO2中的扩散速率越高。氧化速率与圆片晶向111表面的氧化速率高于100表面111表面的Si原子密度高湿氧氧化速率氧化速率与杂质浓度杂质元素和浓度高掺磷的硅有更高的氧化层生长速率，更低密度的氧化层薄膜和更高的刻蚀速率通常，掺杂浓度越高，氧化层生长速率越高；在氧化过程的线性区(氧化层较薄时)更为显著。氧化：杂质堆积和耗尽效应N型杂质(P、As、Sb)在Si中的溶解度高于在SiO2中的溶解度，当SiO2生长时，杂质向Si中移动，这引起杂质堆积或滚雪球效应B倾向于向SiO2中运动，这引起杂质耗尽效应DepletionandPile-upEffects氧化速率与HCl掺杂氧化HClisusedtoreducemobileioncontaminationWidelyusedforgateoxidationprocessGrowthratecanincreasefrom1to5percent氧化速率与不均匀氧化氧化层越厚，氧化速率越小对于更厚的氧化层，O需要更多的时间扩散过氧化层与衬底硅发生反应在干氧中的氧化速率在合成水汽中的氧化速率二氧化硅色谱氧化工艺干氧氧化，薄氧化层－栅氧化层－衬垫氧化层，屏蔽氧化层，牺牲氧化层，等等湿氧氧化，厚氧化层－场氧化层－扩散掩膜氧化层DryOxidationSystem氧化装置系统DryOxidationDryO2asthemainprocessgasHClisusedtoremovemobileionsforgateoxidationHighpurityN2asprocesspurgegasLowergradeN2asidlepurgegasDanglingBondsandInterfaceChargeWetOxidationProcessFaster,higherthroughputThickoxide,suchasLOCOSDryoxidehasbetterqualityWaterVaporSourcesBoilerBubblerFlushPyrogenicBoilerSystemBubblerSystemFlushSystemPyrogenicSteamSystemPyrogenicSystemAdvantage–Allgassystem–PreciselycontrolofflowrateDisadvantage–Introducingofflammable,explosivehydrogenTypicalH2:O2ratioisbetween1.8:1to1.9:1.RapidThermalOxidationForgateoxidationofdeepsub-microndeviceVerythinoxidefilm,30ÅNeedverygoodcontroloftemperatureuniformityRTOwillbeusedtoachievethedevicerequirement.HighPressureOxidationFastergrowthrateReducingoxidationtemperature:1amt.=–30°CHigherdielectricstrength缺点:设备复杂，存在安全问题氧化小结氧化层稳定性好，容易获得应用：栅氧化层，场氧化层，衬垫氧化层，掺杂阻挡层，牺牲氧化层，阻挡氧化层，注入屏蔽氧化层干氧氧化和湿氧氧化