半导体器件与工艺(7)

第七章氧化哈尔滨工程大学微电子学半导体器件与工艺氧化物掩蔽技术是一种在热生长的氧化层上通过刻印图形和刻蚀达到对硅衬底进行扩散掺杂的工艺技术，是集成电路发展的关键因素。硅片上的氧化物可以通过热生长或者淀积的方法产生。在升温环境里，通过外部供给高纯氧气使之与硅衬底反应，可以在硅片上得到一层热生长的氧化层。高温氧化工艺发生在硅片制造厂的扩散区域，是硅片进入制造过程的第一步工艺；淀积的氧化层可以通过外部供给氧气和硅源，使它们在腔体中反应，从而在硅片表面形成一层薄膜。引言通常硅上热生长氧化层的温度在750℃-1100℃之间。硅上生长的氧化层称为热氧化硅(thermaloxide）或热二氧化硅（SiO2）。二氧化硅是一种介质材料，不导电。SiO2膜的原子结构是由一个硅原子被四个氧原子包围着的四面体单元组成的。无定形的SiO2在原子水平上没有长程有序的晶格周期，这是因为四面体单元在晶体内没有以规则的三维形式排列。氧化膜由于氧化物制备容易并且与硅衬底有着优良的界面，使其对于硅基半导体工艺很重要，同时也成为最普遍应用的膜材料。氧化层在制造微型芯片中的应用有以下几个方面：●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）●栅氧或储存器单元结构中的介质材料●掺杂的注入掩蔽层●金属导电层间的介质层氧化膜的用途■器件保护和隔离硅片表面上生长的二氧化硅可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保护硅内的灵敏器件。这是因为SiO2是种坚硬和无孔（致密）的材料，可用来有效隔离硅表面的有源器件。坚硬的SiO2层将保护硅片免受在制造工艺中可能发生的划伤和损害。通常晶体管之间的电隔离可以用LOCOS工艺，在它们之间的区域热生长厚SiO2隔离实现。然而，这对于0.25微米以下工艺技术不接受，但可用浅槽隔离（STI）来代替。STI工艺技术用淀积的氧化物来做主要的介质材料。氧化膜的用途■表面钝化热生长SiO2的一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键，从而降低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化，它能防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其他外部沾污物引起的漏电流的通路。在Si表面生长的SiO2层可以将Si表面的电活性污染物（可动离子沾污）束缚在其中。氧化层作为一种优质的钝化层，它要有均匀的厚度、无针孔和空隙等质量要求。氧化膜的用途用氧化层做Si表面钝化层的另一个要素是氧化层的厚度。抑制电荷堆积的厚氧化层称为场氧化物层。二氧化硅还有与硅非常类似的热膨胀系数。硅片在高温工艺中将膨胀，而在冷却过程中收缩。SiO2以与Si很接近的速率膨胀或收缩，使得硅片在热旅程中产生的翘曲最小，这也避免了由于膜应力使氧化膜从硅衬底上分离。氧化膜的用途■栅氧电介质对于MOS技术中常用的重要栅氧结构，用极薄的氧化层做介质材料。因为栅氧与其下的Si具有高质量和稳定性的特点，栅氧一般通过热生长获得。SiO2具有高的电介质强度（107V/cm）和高的电阻率（约1017）。器件可靠性的关键是栅氧完整性。MOS器件中的栅结构可以控制电流的流动。因为这种氧化物是基于场效应技术的微芯片功能实现的基础，所以具有高质量、极好膜厚均匀性、无杂质是它的基本要求。氧化膜的用途■掺杂掩蔽层二氧化硅可做为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层。一旦硅表面形成氧化层，那么将掩膜透光处的SiO2刻蚀，形成窗口，掺杂材料可以通过此窗口进入硅片。在没有窗口的地方，氧化物可以保护硅表面，避免杂质扩散。与Si相比，掺杂物在SiO2里的移动缓慢，所以只需要薄氧化层即可阻挡掺杂物。薄氧化层也可以用于需要离子注入的区域。它可用来减小对硅表面的损伤，还可通过减小沟道效应，获得对杂质注入时结深的更好控制。注入后，可以用氢氟酸选择性地除去氧化物，使硅表面再次平坦。氧化膜的用途■金属层间的介质层一般条件下二氧化硅不能导电，因此SiO2是微芯片金属层间有效的绝缘体。SiO2能防止上层金属和下层金属间短路。氧化物质量要求无针孔和空隙。它常常通过掺杂获得更多有效的流动性，更好地使污染扩散减到最小。通常用化学气相淀积方法获得（不是热生长）。氧化膜的用途热氧化生长热生长氧化物的各种运用对厚度有不同的要求。干氧氧化热氧化物依靠硅和氧之间的化学反应生长。可通过把硅曝露在高纯氧的高温气氛围里完成均匀氧化层的生长。如果生长发生有干氧，也就是没有水汽的氛围里，则化学反应方程式为：氧化的化学反应固气固22SiOOSi反应速率会随着温度增加而增快。硅片制造过程中，硅的氧化温度通常在750℃-1100℃之间，而且在不同的氧化工艺步骤中是可变的。在任何一反应里，炉温都是精确控制的与温度和时间相对应的干氧化物厚度速率显示在下图。氧化的化学反应■湿氧氧化当反应中有水汽参与，即湿氧化时，氧化反应速率会大大加快。湿氧的化学反应方程式为：氧化的化学反应对于湿氧氧化，用携带水蒸气的氧气代替干氧作为氧化气体。水蒸气也常由蒸汽供给，称为热蒸汽。在氧化生长中，湿氧反应会产生一层二氧化硅膜和氢气。潮湿环境有更快的生长速率是由于水蒸气比氧气在二氧化硅中扩散更快、溶解度更高。然而反应生成的氢分子会束缚在固态的二氧化硅层内，这使得氧化层的密度比干氧要小。气固水汽固2222HSiOO2HSi氧化的化学反应无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗硅。硅消耗的厚度占氧化物总厚度的0.45，意味着每生长100nm的氧化物，就有45nm的硅被消耗。在硅片和氧化物的界面处，通过氧化物的氧气运动控制并限制氧化层的生长。对于连续生长氧化层，氧气必须进去和硅片接触反应。然而，SiO2将隔离开氧气和硅片。氧化物生长发生在氧分子通过已生成的SiO2层运动进入硅片的过程中。氧化生长模式■SiO2-Si界面在单晶硅到无定形SiO2间的Si/SiO2界面上存在着突变。在SiO2分子中，每个硅原子和四个氧原子键合，每个氧原子和两个硅原子键合。但在Si/SiO2界面上有些硅原子并没有和氧原子键合。距Si/SiO2界面2nm以内的硅的不完全氧化是带正电的固定氧化物电荷区。界面处积累的其他一些电荷包括界面陷阱电荷、可移动氧化物电荷。在远离界面的氧化物体内，也可能有正的或负的电荷氧化物陷阱电荷。界面处的电荷堆积会导致MOS器件的开启电压值漂移。通过在氢气或氢-氮混合气中低温（450℃）退火可以减少这种不可接受的电荷。氧化生长模式氯化物在氧化中的应用所谓掺氯氧化，是继上述三种氧化方法之后出现的一种热氧化技术，即在干氧中添加微量的Cl2、HCl或C2HCl3等含氯的气态物，以改善SiO2层质量，达到更加完美的钝化效果。在氧化工艺中用含氯气体可以中和界面处的电荷堆积。氯离子能扩散进入正电荷层，并形成中性层。氯化物浓度保持在3%以下，否则过多的氯化物离子将引起器件的不稳定。进而，氯的存在实际上能固定（称为俘获）来自炉体、工艺原材料和处理的可动离子沾污。氧化生长模式氯化物在氧化中的应用掺氯氧化有如下主要作用：(1)可吸收、提取硅中有害杂质。这是因为高温下氯可以和包括钠在内的多种金属杂质作用，生成挥发性的化合物，从反应室中排除的缘故。(2)不仅会减少SiO2中钠离子的沾污，并且集中分布在SiO2-Si界面附近的氯还能使迁移到这里的钠离子的正电荷效应减弱并被陷住不动，从而使其丧失电活性和不稳定性。氧化生长模式氯化物在氧化中的应用在掺氯氧化时，由于氯进入SiO2层中，有使网络结构发生变形与催化界面反应的作用，所以氧化物质的扩散速率及氧化反应速率增加，其氧化速率会比普通干氧氧化要快．综合考虑上述各种氧化方法的优越点，在生产实际中，硅片的热氧化过程一般是：首先，用含氯的干氧清洗石英管；然后，采用干氧（或含氯）-湿氧（或水汽）-干氧（或含氯）的交替氧化方式。氧化生长模式■氧化物生长速率氧化物生长速率影响参数有温度、压力、氧化方式（干氧或湿氧）、硅的晶向和掺杂水平。氧化物由两个生成阶段描述：线性阶段和抛物线阶段。二氧化硅生长的最初阶段是线性阶段，硅片表面上硅的消耗与时间呈线性关系。氧化物生长线性阶段的有效性是氧化物的厚度大约生长到15nm左右。用线性等式描述为：氧化生长模式tABX其中，X＝氧化物生长厚度；（B/A）＝线性速率系数；t＝生长时间在线性阶段，氧化随时间线性变化。氧化在线性区域是反应速率控制（reaction-ratecontrolled）的，这是因为对于氧化生长，其制约因素是发生在Si/SiO2界面上的反应。线性速率系数B/A是这种线性关系的斜率，温度升高，B/A值会增加，这意味着氧化速率也会增大。氧化生长模式氧化生长的抛物线阶段是氧化生长的第二阶段，而且是在氧化物厚度大约15nm以后才开始的。用于描述抛物线阶段的公式是：氧化生长模式21BtX在抛物线阶段的氧化物生长要比在线性阶段慢得多。反应受到通过氧化物的氧扩散速率的限制。所以，氧化物生长的抛物线阶段被称为扩散控制。当抛物线速率系数变大时，氧化物生长的速率也会增大。例如，湿氧的抛物线速率系数B要比干氧的大许多，所以湿氧化的速率要快。氧化生长模式氧化层的氧扩散影响氧化物生长的因素除了氧化温度和氧化气氛的存在，还有其他一些因素能影响氧化物的生长速率。掺杂效应重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快。在抛物线阶段，硼掺杂比磷掺杂氧化得快。氧化膜中硼趋向混合，这将减弱它的键结构，使通过它的氧扩散随之增大。衬底晶向线性氧化速率依赖于晶向的原因是(111)面的硅原子密度比(100)面的大。因此，在线性阶段，(100)硅单晶的氧化速率将比(100)快，但是(111)的电荷堆积要多。氧化生长模式氧化剂分压由于氧化层的生长速率依赖于氧化剂从气相运动到硅界面的速度，所以生长速率将随着压力增大而增大。高压强迫氧原子更快地穿越正在生长的氧化层，这对线性和抛物线速率系数的增加很重要。这就允许降低温度但仍保持不变的氧化速率，或者在相同温度下获得更快的氧化生长。每增加一个大气压的压力，相当于炉体温度可降低30℃。高压氧化工艺可用于生长厚的场氧层。氧化生长模式■选择性氧化硅片上的选择性氧化区域是利用SiO2来实现对硅表面相邻器件间的电隔离。传统工艺的器件隔离方法是硅的局部氧化（LOCOS）。用淀积氮化物膜（Si3N4）作为氧化阻挡层。因为淀积在硅上的氮化物不能被氧化，所以刻蚀后的区域可用来选择性氧化生长。热氧化之后，氮化物和任何掩膜下的氧化物都将被除去，露出硅表面，为形成器件做准备。氧化生长模式当氧扩散穿越已生长的氧化物时，它是在各个方向上扩散的。一些氧原子纵向扩散进入硅，另一些氧原子横向扩散。这意味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边缘。称之为“鸟嘴效应”。为了减小氮化物掩膜和硅之间的应力，在它们之间热生长一层薄氧化层，称之为垫氧（padoxide)。氧化生长模式浅槽隔离用于亚微米工艺的选择性氧化的主要技术是浅槽隔离（STI）。STI技术中的主要绝缘材料是淀积氧化物。选择性氧化利用掩膜来完成，通常是氮化硅(Si3N4)。氧化生长模式氧化生长模式用于热工艺的基本设备有三种：●卧式炉●立式炉●快速热处理（RTP）卧式炉是在硅片热处理中被广泛应用的设备。它的命名来自石英管的水平位置，石英管是用来放置和加热硅片的。在上世纪90年代初期，这种炉大部分被立式炉取代，主要是因为立式炉更易自动化、可改善操作者的安全以及减少颗粒沾污。立式炉与卧式炉相比可更好地控制温度和均匀性。卧式和立式炉体被认为是常规的热壁（hotwall）炉体，这是因为硅片和炉壁都需要加热，并且可同时处理大量的硅片（100～200片）。高温炉设备立式炉立式炉出现的主要原因是利用立式炉减少净化室的占地面积并提高自动化处理程度。立式炉的主要控制系统分为五部分（对于卧式炉有同样的五部分）：●工艺腔●硅片传输系统●气体分配系统●尾气系统●温控系统高温炉设备■工艺腔工艺腔或炉管是对硅片加热的场所。它由垂直的石英钟罩、多区加热电阻丝和加热管套组成。炉管材料硅片在炉管中水平放置于垂直的硅舟上。舟和其他炉管元件是用耐高温的无定形石英做成的。炉管容器通常称为