第二章氧化.

第二章氧化硅热氧化2.1引言■氧化是一种自然现象铁、铜、银等金属的自然氧化硅、硫、磷等非金属的自然氧化Si的自然氧化层很薄在40埃左右氧化是硅基集成电路的基础工艺之一氧化的目的：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。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＋O2→SiO2■湿氧氧化：Si＋H2O＋O2→SiO2+H2■水汽氧化：Si＋H2O→SiO2＋H2■硅的氧化温度：750℃～1100℃氧化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SiO2表面，其流密度为F1。2、氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2-Si界面，流密度为F2。3、氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度为F3。4、反应的副产物离开界面。氧化物生长速率氧化层生长第一阶段（≤150Å）线性：氧化层生长第二阶段（＞150Å）抛物线生长阶段：其中X为氧化层厚度B/A为线性速率系数、B为抛物线速率系数t为生长时间B/A和B与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因素有关。氧化物生长曲线影响二氧化硅生长的因素氧化温度：氧化时间：掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快硅片晶向：111硅单晶的氧化速率比100稍快反应室的压力：压力越高氧化速率越快氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快常规氧化工艺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）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厚度大约600nm左右常规氧化程序曲线常规氧化工艺湿氧氧化水汽产生装置氢氧合成氧化工艺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：2H2＋O2=2H2O（氢氧合成温度≥750℃）氢氧合成工艺中，特别注意H2与O2的流量比！热生长SiO2–Si系统中的实际电荷情况热生长SiO2–Si系统在实际的SiO2–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SiO2–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SiO2–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SiO2的质量。其优点：1、氯离子进入SiO2－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：3×1012～1×1013/cm22.固定电荷密度：1×1012/cm2掺氯热氧化层1.可动电荷（主要是Na＋离子）密度：2×1010～1×1011/cm22.固定电荷密度：（1～3）×1011/cm2不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对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（LOCalOxidationofSilicon）氧化前氧化后三种热氧化层质量对比质量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。沉积氧化层可在400℃获得，在金属布线形成后进行，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SiO2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■通过颜色的不同可估算SiO2层厚度2.3SiO2结构、性质和用途SiO2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SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁带宽度（eV）1.12~8相对介电常数11.73.9熔点（℃）14171700热导（W/cm.k）1.50.01击穿场强（V/cm）3×1056×106■SiO2的物理性质SiO2的化学性质SiO2的化学性质非常稳定，仅被氢氟酸（HF）腐蚀242426SiO+4HFSiF+2HOSiF+2HFH(SiF)SiO2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2.场氧层STI（ShallowTrenchIsolation）用CVD方法形成厚度2500-15000ÅNMOS阈值电压公式2.场氧层LOCOS隔离用热生长法形成厚度2500-15000ÅNMOS阈值电压公式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2.4氧化设备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2.5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TiSi2）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.简要描述硅热氧化（即回答硅热氧化的概念）2、影响二氧化硅生长的因素有哪些？3.列出热生长氧化层在IC制造中的6种用途