西电集成电路制造技术第二章氧化.ppt

第二章第二章 氧氧 化化主主 讲：毛讲：毛 维维 西安电子科技大学微电子学院西安电子科技大学微电子学院第二章第二章 氧化氧化nSiO2作用作用：a.杂质扩散掩蔽膜和离子杂质扩散掩蔽膜和离子注入屏蔽膜注入屏蔽膜b.器件表面保护或钝化膜器件表面保护或钝化膜c.MOS电容的介质材料电容的介质材料d.MOSFET的绝缘栅材料的绝缘栅材料e.电路隔离介质或绝缘介质电路隔离介质或绝缘介质nSiO2制备：制备：热氧化；热氧化；热分解淀积；热分解淀积；CVD；阳极氧；阳极氧 化；蒸发法化；蒸发法(溅射法溅射法)。n热氧化：热氧化：SiO2质量好，掩蔽能力强。质量好，掩蔽能力强。掺杂阻挡氧化层掺杂阻挡氧化层 氧化层应用氧化层应用栅氧化物介电层栅氧化物介电层 氧化层应用氧化层应用氧化层应用氧化层应用场氧化层场氧化层 氧化层应用氧化层应用金属层间的隔离阻挡层金属层间的隔离阻挡层保护层保护层ILD-4ILD-4ILD-5ILD-5M-3M-3M-4M-4层间氧化物层间氧化物2.1 SiO2的结构与性质的结构与性质SiO2的原子结构的原子结构2.1 SiO2的结构与性质的结构与性质2.1.1.结构结构（结晶形和无定形）（结晶形和无定形）结晶形结构：结晶形结构：Si O 四面体在空间排列整齐四面体在空间排列整齐 如石英晶体（水晶），密度如石英晶体（水晶），密度 2.65g/cm3无定形（非晶形）结构：无定形（非晶形）结构：如如SiO2薄膜，密度薄膜，密度3 无定形结构特点无定形结构特点：（：（由无规则排列的由无规则排列的Si-O四面体组成四面体组成的三维网络结构的三维网络结构),即即短程有序，长程无序短程有序，长程无序；nSi-O四面体四面体:在顶角处通过氧在顶角处通过氧(O)相互联结相互联结,构成三构成三 维网络结构维网络结构。2.1 SiO2的结构与性质的结构与性质nSi-O4四面体中氧原子：四面体中氧原子：桥键氧桥键氧为两个为两个Si原子共用，是多数；原子共用，是多数；非桥键氧非桥键氧只与一个只与一个Si原子联结，是少数；原子联结，是少数；n无定形无定形SiO2网络强度：网络强度：与桥键氧数目成正比，与非与桥键氧数目成正比，与非桥键氧数目成反比。桥键氧数目成反比。n形成形成Si空位相对（形成空位相对（形成O空位）困难：空位）困难：Si与与4个个O形成形成4个共价键，个共价键，O最多形成最多形成2个共价键；个共价键；Si在在SiO2中扩散中扩散系数比系数比O小几个数量级。小几个数量级。nO、H2O穿过穿过SiO2扩散到达扩散到达Si表面反应。表面反应。2.1 SiO2的结构与性质的结构与性质2.1.2 主要性质主要性质密度：表征致密度密度：表征致密度,与制备方法有关，无定形为与制备方法有关，无定形为2.2g/cm3。折射率折射率:表征光学性质的参数，与制备方法有关，表征光学性质的参数，与制备方法有关，一般密度越大则折射率越高。一般密度越大则折射率越高。5500下约为下约为1.46。电阻率：与制备方法及杂质数量有关，如干氧在电阻率：与制备方法及杂质数量有关，如干氧在 1016cm以上，是较好的绝缘体。以上，是较好的绝缘体。介电强度：表征耐压能力，一般在介电强度：表征耐压能力，一般在106-107 V/cm。介电常数：表征电容性能，介电常数：表征电容性能，SiO2=3.9 熔点：无固定熔点，熔点：无固定熔点，1700。（不同制备方法，其。（不同制备方法，其 桥键桥键O数量与非桥键数量比不同）数量与非桥键数量比不同）2.1 SiO2的结构与性质的结构与性质腐蚀：腐蚀：化学性质非常稳定化学性质非常稳定，室温下，室温下只与只与HF强烈反应。强烈反应。nSiO2+4HF SiF4+4H2OSiF4进一步反应：进一步反应：nSiF4+2HFH2（SiF6）（六氟硅酸，可溶于水）（六氟硅酸，可溶于水）n总反应式：总反应式：SiO2+6HF H2（SiF6）+4H2On腐蚀速率：与腐蚀速率：与HF的浓度、温度、的浓度、温度、SiO2的质量（干的质量（干 氧、湿氧）等有关。氧、湿氧）等有关。2.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用2.2.1 杂质在杂质在SiO2中的存在形式中的存在形式 按照是否含有杂质，按照是否含有杂质，SiO2可分为：本征二氧化硅（无杂质）可分为：本征二氧化硅（无杂质）和非本征二氧化硅（有杂质）两类。而后者中的杂质又可以分和非本征二氧化硅（有杂质）两类。而后者中的杂质又可以分为两类：为两类：网络形成剂（者）和网络调节剂（改变者）网络形成剂（者）和网络调节剂（改变者）1.1.网络形成者：网络形成者：即替位式杂质，取代即替位式杂质，取代Si，如，如B、P、Sb等。其特等。其特 点是离子半径与点是离子半径与Si接近。接近。n族杂质元素：价电子为族杂质元素：价电子为3，只与，只与3个个O形成共价键，剩余形成共价键，剩余1 个个O 变成非桥键氧，导致网络强度降低。变成非桥键氧，导致网络强度降低。n族杂质元素：价电子为族杂质元素：价电子为5，与，与4个个O形成共价键，多余形成共价键，多余1个个 价电子与附近的非桥键氧形成桥键氧，网络强度增加。价电子与附近的非桥键氧形成桥键氧，网络强度增加。2.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用2.网络改变者：网络改变者：即间隙式杂质，如即间隙式杂质，如Na、K、Pb、Ca、Ba、Al等。等。其特点是离子半径较大，多以氧化物形式掺其特点是离子半径较大，多以氧化物形式掺入；结果使非桥键氧增加，网络强度减少。入；结果使非桥键氧增加，网络强度减少。n例如：例如：Na2O+Si-O-Si Si-O-+-O-Si+Na+H2O+Si-O-Si Si-OH+HO-Si 2.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用2.2.2 杂质在杂质在SiO2中的扩散系数（服从扩散规律）中的扩散系数（服从扩散规律）n选择扩散：选择扩散：杂质在杂质在SiO2的扩散速度远小于在的扩散速度远小于在Si中的扩中的扩 散速度。散速度。n扩散系数扩散系数:DSiO2=D0exp(-E/kT)D0-表观扩散系数（表观扩散系数（E/kT 0时的扩散系数）时的扩散系数）E-杂质在杂质在SiO2中的扩散激活能中的扩散激活能nB、P、As的的DSiO2比比DSi小，小，Ga、Al的的DSiO2比比DSi大得大得多，多，Na的的DSiO2 和和DSi都大。都大。2.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用2.2.3 SiO2掩蔽层厚度的确定掩蔽层厚度的确定1.掺杂杂质的选择：掺杂杂质的选择：DSi DOXn杂质在杂质在Si中的扩散深度中的扩散深度(结深结深)：nZjO:杂质在窗口杂质在窗口(Si中中)扩散深度达到扩散深度达到Xj的同时的同时,而在氧而在氧 化层内距表面为化层内距表面为ZjO处的杂质浓度达到某一人为指处的杂质浓度达到某一人为指 定值定值Nob。AJ=2erfc-1(NB/NS）n杂质在杂质在SiO2中的扩散深度：中的扩散深度：AJO=2erfc-1(Nob/NoS）2.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用n设氧化层厚度为设氧化层厚度为ZOX，则，则 SiO2具有掩蔽扩散作用的条件：具有掩蔽扩散作用的条件：ZOX ZjO，即，即 若若DOXD，则，则ZOX较厚，难于制备、光刻，如较厚，难于制备、光刻，如Ga,Al；DOXD，则，则ZOX较薄，如较薄，如B、P；D太大了，则结深太深，同时横向扩散严重。太大了，则结深太深，同时横向扩散严重。对对D的要求：的要求：a.DOX要小；要小；b.在在Si中的中的D要大，但不能太大。要大，但不能太大。?2.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用2.最小掩膜厚度最小掩膜厚度ZOX,min的确定的确定n （恒定源扩散（恒定源扩散-再分布）再分布）n若取若取Nob/Nos=10-3，则，则 Nob/Nos=10-6，则，则 (双极双极)Nob/Nos=10-9，则，则 (MOS)例：例：SiO2掩蔽掩蔽P扩散扩散 P2O5+SiO2 PSG（磷硅玻璃）（磷硅玻璃）2.3 硅的热氧化生长动力学硅的热氧化生长动力学2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化n定义：定义：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽等氧化在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽等氧化剂化学反应生成剂化学反应生成SiO2。n热氧化法热氧化法SiO2的特点：的特点：质量好、重复性和化学稳定质量好、重复性和化学稳定 性高、界面陷阱和固定电荷可控等。性高、界面陷阱和固定电荷可控等。2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化n热氧化的种类热氧化的种类1.干氧氧化干氧氧化：高温下，氧气与硅片反应生成高温下，氧气与硅片反应生成SiO2n机理起始氧化：机理起始氧化：Si+O2 SiO2 后续氧化：后续氧化：a.O2先向先向Si/SiO2界面扩散；界面扩散；b.再在再在Si/SiO2界面附近继续氧化。界面附近继续氧化。n特点特点速度慢；速度慢；氧化层致密，氧化层致密，掩蔽能力强；掩蔽能力强；均匀性和重复性好；均匀性和重复性好；表面与光刻胶的粘附性好，表面与光刻胶的粘附性好，不易浮胶不易浮胶。2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化SiSiO2O2氧硅界面氧硅界面氧氧SiOSiO2 2界面界面供应氧气至反应表面供应氧气至反应表面2.水汽氧化水汽氧化：高温下，硅片与高纯水蒸汽反应生成高温下，硅片与高纯水蒸汽反应生成SiO2机理机理 起始氧化：起始氧化：2H2O+Si SiO2+2H2 后续氧化后续氧化两种机理两种机理n一种：一种：H2O先扩散到达先扩散到达Si/SiO2界面；再与界面；再与Si氧化。氧化。n另一种（包括三个步骤）：另一种（包括三个步骤）：2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化（1）在）在SiO2表面上，水分子同桥键氧离子反应而形成非桥表面上，水分子同桥键氧离子反应而形成非桥键的羟基：键的羟基：这就使得这就使得SiO2网络受到很大的削弱。这时在网络受到很大的削弱。这时在SiO2表面上生表面上生成了硅烷醇（成了硅烷醇（Si-OH）。）。2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化（2）硅烷醇扩散通过）硅烷醇扩散通过SiO2层，并在层，并在SiO2-Si界面上，羟基界面上，羟基与硅反应而形成与硅反应而形成SiO4四面体和氢：四面体和氢：（3）氢离开）氢离开SiO2，并进一步与，并进一步与SiO2网络中的桥键氧离子反网络中的桥键氧离子反应而形成非桥键的羟基：应而形成非桥键的羟基：2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化n特点：特点：氧化速度快氧化速度快；氧化层疏松质量差；氧化层疏松质量差；表面是极性的硅烷醇表面是极性的硅烷醇-易吸水、易吸水、易浮胶易浮胶。3.湿氧氧化湿氧氧化氧气中携带一定量的水汽氧气中携带一定量的水汽 (兼有上述两种氧化机理兼有上述两种氧化机理)n机理：机理：O2+Si SiO2 H2O+Si SiO2+H2n特点：特点：氧化速率介于干氧与水汽之间；氧化速率介于干氧与水汽之间；氧化层质量介于干氧与水汽之间；氧化层质量介于干氧与水汽之间；2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化4.掺氯氧化掺氯氧化在干氧中掺少量的在干氧中掺少量的Cl2、HCl、C2HCl3 （TCE）、）、C2H3Cl3（TCA）掺氯的作用：掺氯的作用：吸收、提取大多数有害的重金属杂质及吸收、提取大多数有害的重金属杂质及 Na+，减弱，减弱Na+正电荷效应。正电荷效应。注意安全：注意安全：TCE可致癌；可致癌；TCA高温下可形成光气高温下可形成光气 （COCl2），俗称芥子气，是高毒物质，），俗称芥子气，是高毒物质，而且而且TCA会对臭氧造成破坏。会对臭氧造成破坏。5.实际生产实际生产干氧干氧-湿氧湿氧-干氧工艺干氧工艺n好处：好处：兼顾兼顾SiO2生长速度、界面特性、氧化层质量以生长速度、界面特性、氧化层质量以 及与光刻胶的粘附性及与光刻胶的粘附性2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学SiO2CGCSF1F2SiCiF3xx00-xi自由流体自由流体(气体气体)附面层附面层PS,PG,CO2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学1.氧化步骤氧化步骤na.氧化剂（氧化剂（O2、H2O）从气相经附面层扩散到气体）从气相经附面层扩散到气体 Si02界面，流密度为界面，流密度为F1；nb.氧化剂扩散穿过氧化剂扩散穿过Si02层，到达层，到达SiSi02界面，流密界面，流密 度为度为F2；nc.在界面处与在界面处与Si氧化反应，流密度为氧化反应，流密度为F3；nd.反应的副产物（反应的副产物（H2)扩散出扩散出Si02层，逸出反应室。层，逸出反应室。（附面层：速度及浓度分布受到扰动的区域，也称滞留（附面层：速度及浓度分布受到扰动的区域，也称滞留层）层）2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学2.热氧化模型热氧化模型-Deal-Grove模型（模型（迪尔迪尔-格罗夫格罗夫）假定氧化是平衡过程假定氧化是平衡过程-准静态近似，即准静态近似，即 F1=F2=F3n设附面层中的流密度为线性近似，即设附面层中的流密度为线性近似，即 F1=hg(Cg-Cs)hg-气相质量转移系数，气相质量转移系数，Cg-气体内部氧化剂浓度，气体内部氧化剂浓度，Cs-SiO2表面的氧化剂浓度；表面的氧化剂浓度；2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学n流过流过SiO2层的流密度就是层的流密度就是扩散流扩散流密度，即密度，即 F2=-DOXdC/dx=DOX(CO-Ci)/XO（线性近似）（线性近似）DOX氧化剂在氧化剂在SiO2中的扩散系数中的扩散系数 C0SiO2表面的氧化剂浓度，表面的氧化剂浓度，CiSiO2-Si界面处的氧化剂浓度；界面处的氧化剂浓度；X0SiO2的厚度。的厚度。n氧化剂在氧化剂在Si表面的表面的反应流反应流密度与密度与Ci成正比，即成正比，即 F3=kSCi，kS氧化剂与氧化剂与Si反应的化学反应常数；反应的化学反应常数；根据稳态条件根据稳态条件F1=F2=F3可以得到：可以得到：以上两式中以上两式中C*表示平衡情况下的表示平衡情况下的SiO2中氧化剂浓度。中氧化剂浓度。根据以上两式可得硅热氧化的两种极限情况：根据以上两式可得硅热氧化的两种极限情况：氧化剂在氧化剂在SiO2中的扩散系数很小：中的扩散系数很小：氧化剂在氧化剂在SiO2中的扩散系数很大：中的扩散系数很大：可得：可得：可得：可得：扩散控制扩散控制反应控制反应控制2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学热氧化生长速率热氧化生长速率氧化层厚度与氧化时间的关系氧化层厚度与氧化时间的关系平衡时，得到氧化层厚度平衡时，得到氧化层厚度Z ZOXOX与氧化时间的一般方程为：与氧化时间的一般方程为：式中：式中：时间常数，反映了初始氧化层对后继热时间常数，反映了初始氧化层对后继热氧化的影响（初始氧化层修正系数）。氧化的影响（初始氧化层修正系数）。N1(干氧：干氧：2.21022/cm3；水汽：；水汽：4.41022/cm3）初始氧化层厚度。初始氧化层厚度。解上述方程得：解上述方程得：2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学两种氧化极限：两种氧化极限：a.当氧化时间很短，即当氧化时间很短，即 则则-线性氧化规律线性氧化规律其中：其中：-线性速度常数；反应控制线性速度常数；反应控制则则-抛物线型氧化规律抛物线型氧化规律其中：其中：-抛物型速度常数；扩散控制抛物型速度常数；扩散控制b.b.当氧化时间很长，即当氧化时间很长，即练习：练习：计算在计算在120分钟内，分钟内，973 水汽氧化过程中生长水汽氧化过程中生长的二氧化硅厚度，假定硅片在初始状态时已有的二氧化硅厚度，假定硅片在初始状态时已有1000的氧化层。的氧化层。2.3.2 热氧化生长动力学热氧化生长动力学3.硅的消耗问题硅的消耗问题问题：生长厚度为问题：生长厚度为Zox的二氧化硅，估算需要消的二氧化硅，估算需要消 耗多少厚度耗多少厚度Z的硅？的硅？式中式中硅晶体的原子密度硅晶体的原子密度由由ZoxZox与与Z Z的关系得到：的关系得到：说明：要生长一个单位厚度的二氧化硅，就需要说明：要生长一个单位厚度的二氧化硅，就需要 消耗消耗0.440.44个单位厚度的硅。个单位厚度的硅。所以所以无定形无定形SiO2SiO2的分子密度的分子密度SiO2表面表面SiO2x0 x2原先的硅界面原先的硅界面2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素2.4.1 决定氧化速率常数的因素决定氧化速率常数的因素1.1.氧化剂分压氧化剂分压n设设C*和和Pg分别为平衡分别为平衡 时时SiO2中氧化剂浓度和中氧化剂浓度和 气体中的氧化剂分压。气体中的氧化剂分压。nC*=Hpg(亨利定律亨利定律)B=2DOX C*/N1，A=2DOX(ks-1+h-1)，nA与与pg 无关；无关；Bpg，B/Apg；（线性关系）（线性关系）2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素 2.4.1 决定氧化速率常数的因素决定氧化速率常数的因素2.氧化温度氧化温度n与抛物型速率常数与抛物型速率常数B的关系：的关系：B=2DOX C*/N1 Dox=D0 exp(-E/kT)B与氧化温度是指数关系与氧化温度是指数关系 2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素 2.4.1 决定氧化速率常数的因素决定氧化速率常数的因素2.氧化温度氧化温度n与线性速率常数与线性速率常数B/A的关系的关系 B/A=C*Ksh/(Ks+h)N1-1 ksC*/N1 而而 ks=ks0exp(-Ea/kT)无论干氧、湿氧，氧化无论干氧、湿氧，氧化 温度与温度与B/A是指数关系是指数关系2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素 2.4.2 影响氧化速率的其它因素影响氧化速率的其它因素1.1.硅表面晶向硅表面晶向 DOX与与Si片晶向无关，片晶向无关，ks与与Si表面的原子密度表面的原子密度 (键密度）成正比；键密度）成正比；抛物型速率常数抛物型速率常数B=2DOX C*/N1，与，与Si晶向无关；晶向无关；线性速率常数线性速率常数B/A ksC*/N1，与，与Si晶向有关：晶向有关：因此因此（111）面的）面的B/A比比（100）面大。）面大。2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素 2.4.2 影响氧化速率的其它因素影响氧化速率的其它因素2.杂质杂质硼：硼：在在SiO2中是慢扩散，且分凝系数中是慢扩散，且分凝系数m1 氧化再分布后：少量的氧化再分布后：少量的P分凝到分凝到SiO2中，使氧化剂中，使氧化剂在在SiO2中的扩散能力增加不多，因而抛物型速率常数中的扩散能力增加不多，因而抛物型速率常数B变化不大；大部分变化不大；大部分P集中在集中在Si表面，使线性速率常数表面，使线性速率常数B/A明显增大。明显增大。2.4 影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素 2.4.2 影响氧化速率的其它因素影响氧化速率的其它因素2.4.2 影响氧化速率的其它因素影响氧化速率的其它因素水汽水汽n干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；n水汽会增加陷阱密度。水汽会增加陷阱密度。钠钠n钠以钠以Na2O的形式进入的形式进入SiO2中，使非桥键氧增加，氧中，使非桥键氧增加，氧化剂的扩散能力增加，但化剂的扩散能力增加，但SiO2强度下降了。强度下降了。氯氯n氯的作用：固定重金属、氯的作用：固定重金属、Na+等杂质；增加等杂质；增加Si中的少中的少子寿命；减少子寿命；减少SiO2中的缺陷；降低界面态和固定电中的缺陷；降低界面态和固定电荷密度；减少堆积层错。荷密度；减少堆积层错。2.5 热氧化的杂质再分布热氧化的杂质再分布2.5.1 杂质的分凝与再分布杂质的分凝与再分布n分凝系数分凝系数m=杂质在杂质在Si中的平衡浓度中的平衡浓度/杂质在杂质在SiO2中的平衡浓度中的平衡浓度 对同一杂质、同一温度条件，在平衡状态下，对同一杂质、同一温度条件，在平衡状态下，m是一是一 个常数。由个常数。由m可判断在界面处杂质分布的情况。可判断在界面处杂质分布的情况。P、As、Sb:10；Ga：20；B：0.1-1；n四种分凝现象：四种分凝现象：根据根据m1和快、慢扩散和快、慢扩散 m1、SiO2中慢扩散：中慢扩散：B m1、SiO2中慢扩散：中慢扩散：P m1、SiO2中快扩散：中快扩散：Ga2.5 热氧化的杂质再分布热氧化的杂质再分布2.5.2 再分布对再分布对Si表面杂质浓度的影响表面杂质浓度的影响n影响影响Si表面杂质浓度的因素：表面杂质浓度的因素：分凝系数分凝系数m DSiO2/DSi 氧化速率氧化速率/杂质扩散速率杂质扩散速率1.P的再分布（的再分布（m=10）nCS/CB：水汽：水汽干氧干氧 原因：氧化速率越快，加入原因：氧化速率越快，加入 分凝的杂质越多；分凝的杂质越多；nCS/CB随温度升高而下降。随温度升高而下降。2.5 热氧化的杂质再分布热氧化的杂质再分布2.B的再分布（的再分布（m=0.3）nCS/CB：水汽：水汽900）快速氧化快速氧化n界面态、固定电荷、氧化层陷阱随温度升高而减少；界面态、固定电荷、氧化层陷阱随温度升高而减少；n提高了载流子迁移率、抗辐射、抗热载流子效应的能力，提高了载流子迁移率、抗辐射、抗热载流子效应的能力，改进了可靠性。改进了可靠性。3.化学改善氧化层工艺：引入化学改善氧化层工艺：引入Cl、F、N2、NH3、N2O N2、NH3、N2O的作用：的作用：N2（NH3、N2O）+SiO2 Si2N2OnSi-N键比键比Si-H键强度大键强度大 可抑制热载流子和电离辐射缺陷；可抑制热载流子和电离辐射缺陷；nN2O基工艺的优点：工艺简单；无基工艺的优点：工艺简单；无H。F的作用：的作用：填补填补Si-SiO2界面的悬挂键，抑制热载流子界面的悬挂键，抑制热载流子 和电离辐射产生的缺陷；可使界面应力弛豫。和电离辐射产生的缺陷；可使界面应力弛豫。2.6 薄氧化层薄氧化层4.CVD和和叠层氧化硅：叠层氧化硅：SiO2/SiO2，SiO2/Si3N4，SiO2/HfO2，SiO2/Si3N4/SiO2；采用采用CVD法淀积法淀积SiO2、Si3N4、HfO2n优点：不受优点：不受Si衬底缺陷影响；低温；衬底缺陷影响；低温；叠层氧化硅叠层氧化硅n优点：优点：缺陷密度明显减少、缺陷密度明显减少、Si-SiO2界面的应力接近界面的应力接近 零零n原因：各层缺陷不重合、各层之间的应力原因：各层缺陷不重合、各层之间的应力 相互补偿相互补偿;增加了薄膜的增加了薄膜的，提高了抗，提高了抗B透入能力。透入能力。2.7 Si-SiO2界面特性界面特性2.7 Si-SiO2界面特性界面特性SiO2内和内和Si-SiO2界面处，存在四种界面电荷界面处，存在四种界面电荷:可动离子电荷：可动离子电荷：Qm(C/cm2),正电荷，如正电荷，如Na+、K+；氧化层固定电荷：氧化层固定电荷：Qf(C/cm2)，正电荷，如，正电荷，如Si+、荷正、荷正 电的氧空位；电的氧空位；界面陷阱电荷：界面陷阱电荷：Qit(C/cm2)，正或负电荷，如，正或负电荷，如Si的悬的悬 挂键；挂键；氧化层陷阱电荷：氧化层陷阱电荷：Qot(C/cm2),正或负电荷。正或负电荷。n界面电荷的危害：界面电荷的危害：在在Si表面感应出极性相反的电荷，表面感应出极性相反的电荷，影响影响MOS器件的理想特性，造成成器件的理想特性，造成成 品率和可靠性的下降。品率和可靠性的下降。2.7 Si-SiO2界面特性界面特性2.7.1 可动离子电荷可动离子电荷Qmn主要来源：大量存在于环境中的主要来源：大量存在于环境中的Na+。nNa+的分布：遍布整个的分布：遍布整个SiO2层。层。nNa+的特性：的特性：其其DSiO2很大（很大（D0=5.0cm2/s,而而P的的D0=1.010-8cm2/s，B的的D0=3.010-6 cm2/s）；）；在电场作用下，有显著的漂移（迁移率与在电场作用下，有显著的漂移（迁移率与D成正比）成正比）2.7 Si-SiO2界面特性界面特性2.7.1 可动离子电荷可动离子电荷QmnNa+对器件性能的影响：对器件性能的影响：引起引起MOS管管VT的漂移：的漂移：VT=-（Qf+Qm+Qot)/C0+ms,C0-SiO2层电容，层电容，ms-金金-半接触功函数差；半接触功函数差；引起引起MOS管栅极的局部低击穿：由管栅极的局部低击穿：由Na+在在Si-SiO2界面分布不均匀引起局部电场的加强所引起；界面分布不均匀引起局部电场的加强所引起；降低了降低了PN结的击穿电压：由结的击穿电压：由Na+在在Si-SiO2界面的界面的堆积使堆积使P沟道表面反型，形成沟道漏电所致；沟道表面反型，形成沟道漏电所致；2.7 Si-SiO2界面特性界面特性nNa+数目的测量数目的测量 偏温测试（偏温测试（B-T）测不同温度下测不同温度下 的高频的高频C-V曲线曲线Na+数目数目Nm=VFBqCOX（cm-2)2.7 Si-SiO2界面特性界面特性2.7.2 界面陷阱电荷（界面态）界面陷阱电荷（界面态）Qitn来源：来源：Si-SiO2界面缺陷、金属杂质及辐射界面缺陷、金属杂质及辐射n能量：能量：在在Si的禁带中；的禁带中；高于禁带中心能级，具有受主特性；高于禁带中心能级，具有受主特性；低于禁带中心能级，具有施主特性；低于禁带中心能级，具有施主特性；n界面态密度界面态密度Dit：单位能量的界面陷阱密度：单位能量的界面陷阱密度 （/cm2eV）（图）（图2.30）2.7 Si-SiO2界面特性界面特性2.7.2 界面陷阱电荷（界面态）界面陷阱电荷（界面态）QitQit的三种物理模型的三种物理模型少量少量Si悬挂键：硅表面少量剩余的悬挂键，以及在悬挂键：硅表面少量剩余的悬挂键，以及在Si-SiO2 过渡区（过渡区（SiOx层层),未完全氧化的三价未完全氧化的三价Si。SiO2中的电离杂质（荷电中心）俘获电子或空穴。中的电离杂质（荷电中心）俘获电子或空穴。化学杂质，如化学杂质，如Cu、Fe等。等。2.7 Si-SiO2界面特性界面特性nQit对器件性能的影响对器件性能的影响阈值电压阈值电压VT漂移：漂移：VT=-QitsurfCoxMOS电容的电容的C-V曲线畸变；曲线畸变；漏电流增加漏电流增加(复合中心）；复合中心）；沟道电导率减小（沟道迁移率减少）。沟道电导率减小（沟道迁移率减少）。1/f噪声增加，电流增益下降；噪声增加，电流增益下降；nQit的控制的控制晶向选择：（晶向选择：（111）的界面态密度大于（）的界面态密度大于（100）；）；退火工艺：低温、退火工艺：低温、H2气氛；高温、惰性气体。气氛；高温、惰性气体。2.7 Si-SiO2界面特性界面特性2.7.3 氧化层固定电荷氧化层固定电荷Qfn机理：机理：氧化停止时，在氧化停止时，在Si-SiO2附近（附近（SiOx）存在大量）存在大量 过剩过剩Si离子或氧空位。离子或氧空位。n特性：特性：通常带正电；极性不随表面势和时间变化；通常带正电；极性不随表面势和时间变化；电荷密度不随表面势变化；电荷密度不随表面势变化；低温下低温下Qf不变，高温负偏压强电场下，不变，高温负偏压强电场下，Qf增加；增加；具有具有“干氧氧化三角形干氧氧化三角形”；电荷密度与晶向有关。；电荷密度与晶向有关。n能级：能级：在在Si禁带外，但在禁带外，但在SiO2 禁带内。禁带内。n对器件的影响：对器件的影响：n-MOS的阈值降低，的阈值降低，p-MOS的阈值增加；的阈值增加；其散射作用减小了沟道载流子的迁移率，影响了跨导。其散射作用减小了沟道载流子的迁移率，影响了跨导。2.7 Si-SiO2界面特性界面特性n2.7.4 氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷Qotn机理：机理：悬挂键悬挂键界面陷阱界面陷阱硅硅-硅键的伸展硅键的伸展 弱的弱的Si-Si键键 扭曲的扭曲的Si-O键键氧的悬挂氧的悬挂 键键 Si-H键和键和Si-OH键。键。n产生方式：产生方式：电离辐射电离辐射；热电子注入。热电子注入。n减少电离辐射陷阱的方法：减少电离辐射陷阱的方法：高温干氧氧化：高温干氧氧化：1000；惰性气氛低温退火：惰性气氛低温退火：150-400；采用抗辐射的采用抗辐射的Al2O3、Si3N4等钝化层。等钝化层。2.8 氧化系统氧化系统2.8 氧化系统氧化系统2.8 氧化系统氧化系统2.8 氧化系统氧化系统n2.8.1 快速热处理系统（快速热处理系统（RTP）RTP工艺是基于热辐射原理工艺是基于热辐射原理2.8 氧化系统氧化系统n2.8.2 高压氧化系统高压氧化系统 高压氧化系统高压氧化系统是指相对于前面的各种氧化方法，是指相对于前面的各种氧化方法，氧化反应室内的压强较高的氧化系统。氧化反应室内的压强较高的氧化系统。加热器加热器1 1加热器加热器2 2加热器加热器3 3压力压力控制器控制器气体流量气体流量控制器控制器晶圆操作控制器晶圆操作控制器晶舟晶舟装载器装载器排出排出控制器控制器温度控制器温度控制器微控制器微控制器n2.8.3 垂直式炉管系统垂直式炉管系统 2.8 氧化系统氧化系统三区段三区段加热线圈加热线圈加热加热保护罩保护罩石英管石英管终端终端垂直式炉管垂直式炉管