第二章--热氧化

第二章热氧化集成电路工艺原理第二章热氧化ThermalOxidation§2.1引言§2.2SiO2的结构、性质及应用§2.3热氧化生长动力学§2.4热氧化方法§2.5Si/SiO2界面特性§2.6二氧化硅质量测量方法第二章热氧化集成电路工艺原理§2.1引言为什么硅是目前所有半导体材料中应用最为成功的材料？Si有一系列的硅基材料：SiO2:绝缘材料；Si3N4：介质材料；多晶硅：可以掺杂，导电；硅化物：导电，作为接触和互连……SiO2生长容易，稳定，和Si具有理想的界面特性。这点对硅工艺贡献最大!金属硅化物工艺在深亚微米集成电路工艺中已被广泛采用，其目的是为了降低MOS元件在其源极和漏极的串联电阻。在不采用金属硅化物工艺的条件下，N+扩散区的阻值约为30～40Ω／□，但在金属硅化物工艺条件下其阻值降低到1～3第二章热氧化集成电路工艺原理第二章热氧化ThermalOxidation§2.1引言§2.2SiO2的结构,性质及应用§2.3热氧化生长动力学§2.4热氧化方法§2.5Si/SiO2界面特性§2.6二氧化硅质量测量方法第二章热氧化集成电路工艺原理§2.2SiO2的结构,性质及应用SiO2的结构SiO2的基本性质SiO2在集成电路中的应用第二章热氧化集成电路工艺原理SiO2的结构按结构特点分为–结晶型(Crystallized):石英，水晶等“长程有序”–非晶型（无定型amorphous）由Si－O四面体组成–四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子–四面体之间由Si-O-Si桥连接，该O原子称为桥联氧，仅和一个四面体（或硅）连接是非桥联氧四面体(Tetrahedra)桥联氧(BridgingOxygen)桥联氧非桥联氧第二章热氧化集成电路工艺原理SiO44-tetrahedraO-Si-Obond第二章热氧化集成电路工艺原理杂质在SiO2处于Si-O四面体空隙的，称为网络调节者.取代硅原子的替代型杂质称为网络构成者，常见的有硼，磷等会减少桥联和非桥联氧原子的比例，使氧化层在较低的温度下流动。二氧化硅中的杂质第二章热氧化集成电路工艺原理SiO2的基本性质热氧化生长的SiO2是非晶的熔点：1700°C重量密度：2.27g/cm3原子密度：2.2E22分子/cm3折射率(refractiveindex)n=1.46介电常数(dielectricconstant)＝3.8第二章热氧化集成电路工艺原理SiO2SiAmorphousSiO2（非晶）第二章热氧化集成电路工艺原理SiO2的基本性质良好的电绝缘介质(GateOxide,FieldOxide)–Resistivity1020ohm·cm–EnergyGap~9eV高的击穿场强(10MV/cm)稳定的可重复的Si/SiO2界面特性在Si表面的均匀的SiO2生长第二章热氧化集成电路工艺原理对大多数杂质来说，SiO2是非常好的扩散掩膜Si和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率SiSiO2HFDipSi第二章热氧化集成电路工艺原理SiO2在集成电路制造中的应用•GateoxideandcapacitordielectricinMOSdevices•Isolationofindividualdevices(STI)•Maskingagainstimplantationanddiffusion•Passivationofsiliconsurface第二章热氧化集成电路工艺原理TEMimageshowsGateOxidewiththicknessofonly0.8nminMOSstructure第二章热氧化集成电路工艺原理ShallowTrenchIsolation(STI)浅沟渠隔离STI第二章热氧化集成电路工艺原理Maskingagainstimplantationanddiffusion第二章热氧化集成电路工艺原理第二章热氧化集成电路工艺原理SiO2在集成电路制造中的应用第二章热氧化集成电路工艺原理第二章热氧化ThermalOxidation§2.1引言§2.2SiO2的结构及性质及应用§2.3热氧化生长动力学§2.4热氧化方法§2.5Si/SiO2界面特性§2.6二氧化硅质量测量方法第二章热氧化集成电路工艺原理§2.3热氧化生长动力学(OxidationGrowthKinetics)氧化反应方程式热氧化过程中消耗的硅SiO2生长动力学Deal-Grove模型初始氧化阶段影响氧化速率的原因氧化时的杂质再分布第二章热氧化集成电路工艺原理氧化反应方程式这两种反应都在800ºC～1200ºC之间进行湿氧氧化比干氧氧化快10倍左右Si(s)+O2(g)SiO2(s)Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g)干氧氧化（DryOxidation)湿氧氧化(WetOxidation)第二章热氧化集成电路工艺原理Si+O2=SiO2氧分子以扩散方式通过SiO2，到达Si-SiO2界面和硅反应，受氧分子在SiO2中的扩散速率和界面处与硅的反应速率限制氧化温度800－1200C结构致密、均匀性和重复性好干氧氧化的氧化膜生长机理第二章热氧化集成电路工艺原理水汽氧化的氧化膜生长机理2H2O+Si=SiO2+2H2有两种过程a)水分子在已生成的SiO2中扩散，在Si-SiO2界面与Si原子反应b)水分子先在Si表面反应生成硅烷醇(Si-OH)即非桥联羟基H2O+Si-O-SiSi-OH+OH-Si使SiO2网络削弱，生成的硅烷醇,通过SiO2再扩散到达Si-SiO2界面与Si反应Si-OH+Si-SiSi-O-Si+H2Si-OHSi-O-Si水汽氧化过程，SiO2不断受到削弱，所以水汽氧化速率较干氧要快许多第二章热氧化集成电路工艺原理§2.3氧化动力学氧化反应方程式热氧化过程中消耗的硅热氧化生长动力学Deal-Grove模型初始氧化阶段影响氧化速率的原因氧化时的杂质再分布第二章热氧化集成电路工艺原理热氧化过程中消耗的硅SioxoxSiNNttox322322oxsit44.0cm/atoms105cm/molecules102.2ttMoleculardensityofSiO2toxSiSiSiO2OriginalsurfaceAtomicdensityofSi厚度t0x，面积为一平方厘米的体内含SiO2的分子数为NOx.t0x,这数值应该与转变为SiO2中的硅原子数Nsi.tsi相等,Nsi.tsi＝NOx.t0x第二章热氧化集成电路工艺原理复习第二章热氧化集成电路工艺原理第二章热氧化集成电路工艺原理第二章热氧化集成电路工艺原理图(a)（b)分别为基区扩散电阻的光刻版图和剖面图。请按照光刻顺序分别画出每次光刻的图形，并说出其作用。习题1第二章热氧化集成电路工艺原理什么叫本征吸杂和非本征吸杂工艺？第二章热氧化集成电路工艺原理本征吸杂不需要外部加工，通过一些热处理过程(在惰性气体中）的一种自吸除技术表面层的氧等杂质外扩散，形成“清洁区”硅片体内氧沉积团的核化，氧沉积团周围的应力场对硅片表面杂质和缺陷有吸除作用第二章热氧化集成电路工艺原理非本征吸杂技术硅片背面产生机械损伤，热处理后形成对金属等吸除陷阱第二章热氧化集成电路工艺原理第二章热氧化集成电路工艺原理1.热生长的SiO2的是何种晶体形态？2.热生长的SiO2的空间结构如何？3.SiO2在集成电路中有哪些应用（举出至少3个），这些应用是依赖于SiO2具有的何种性质？4.氧化反应中反应界面在哪里？反应中消耗的硅如何计算？Review第二章热氧化集成电路工艺原理桥联氧原子非桥联氧原子第二章热氧化集成电路工艺原理SiO2在集成电路制造中的应用第二章热氧化集成电路工艺原理2.27mSiO21mSioxidized0.44mSioxidized1mSiO2第二章热氧化集成电路工艺原理起始氧化层厚度对硅片表面形貌(topography)的影响第二章热氧化集成电路工艺原理第二章热氧化集成电路工艺原理氧化造成体积膨胀第二章热氧化集成电路工艺原理§2.3氧化动力学氧化反应方程式热氧化过程中消耗的硅热氧化生长动力学Deal-Grove模型初始氧化阶段影响氧化速率的原因氧化时的杂质再分布第二章热氧化集成电路工艺原理SiO2生长动力学GasDiffusionSolid-StateDiffusionSiO2FormationSiO2Si-SubstrateGasFlowstagnantLayerOxidantFlow(e.g.O2,orH2O第二章热氧化集成电路工艺原理Deal－Grove模型－硅的热氧化模型Deal－Grove模型（线性－抛物线模型）(linear-parabolicmodel)适用于：–氧化温度700～1300oC；–局部压强0.1~25个大气压（2*104~1.01*105Pa）；–氧化层厚度为30～2000nm的水汽和干氧氧化1965年Deal－Grove提出该模型不适用非常薄的氧化层！第二章热氧化集成电路工艺原理doOxideSiliconCiCGGasCsCCoxF1F2F3transportreactionyDeal-GroveModelJ1:气体输运流量J1J2J3J2:通过SiO2的扩散流量J3:在界面处的反应流量CsCoJ:number/cm2secGas/OxideinterfaceCG:气相区氧化剂浓度；Cs:氧化物外表面氧化剂浓度；Co:氧化物内表面氧化剂浓度；Ci:氧化物生长界面氧化剂浓度Oxide/siliconinterface第二章热氧化集成电路工艺原理J1:从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度slsg2O1XCCDJJ2:从氧化物层扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度OXiO2O2XCCDJJ3:通过Si/SiO2界面产生化学反应的氧分子流密度iS3CKJ)CC(hJsgg1(根据Fick第一定律)hg:质量输运系数Deal—Grove模型Xsl滞流层厚度（气体通过固体时，固体表面总是形成滞流层）Ks化学反应速率常数doOxideSiliconCiCGGasCsCCoxF1F2F3transportreactionyj1j2j3第二章热氧化集成电路工艺原理在平衡时，应有321JJJ联合上述式子，得到两个方程和三个未知的浓度：Cg，Co和Ci。求解生长速率还需要另外一个方程。这个方程是亨利定律，它说明平衡时溶解在固体中的物质的浓度和该物质在固体表面外的分压成正比。Co=H·Ps＝H·(kT·Cs)式中，H是亨利气体常数，并用理想气体定律代替Pg，这样就有三个方程和三个未知数，经过一些运算可以得到DXKhK1HPDXKhK1CCoxSSgoxSS0i式中h为hg/HkT第二章热氧化集成电路工艺原理N1是指形成单位体积SiO2所需要的氧分子数DXKhK1NPHKdtdXNJROlSS1gSOX1只要把界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数，就可得到生长速率。N1=2.21022/cm3当O2是氧化剂时Si+O2SiO2N1=4.41022/cm3当H2O是氧化剂时Si+2H2OSiO2+2H2第二章热氧化集成电路工艺原理设t=0时，SiO2层厚度为X0，则微分方程的解可写为)t(BAXXOX2OX这里h=hg/(HkT),有h1K1D2AS1gNDHP2BBAXX020A和B都是速率常数A和B均和扩散系数成正比，因此A和B和温度有指数关系B/A这一比例去除了扩散系数，它的激活能主要和KS有关X0XoxtSiO2厚度与时间的普遍关系式第二章热氧化集成电路工艺原理线性和抛物线速率常数)t(BAXXOX2OX当生长的氧化层足够薄，(t+)A2/4B,可忽略平方项，得到)t(ABXOX当氧化层足够厚，t和tA2/4B,则有)t(BX2OX