半导体氧化工艺PPT教案学习课件.pptx

会计学1半导体氧化工艺半导体氧化工艺内容内容1、列出硅器件中，二氧化硅膜层、列出硅器件中，二氧化硅膜层的基本用途。的基本用途。2、描述热氧化的机制。、描述热氧化的机制。3、氧化方法及工艺设备。、氧化方法及工艺设备。4、解释氧化条件及基底条件对氧、解释氧化条件及基底条件对氧化的影响。化的影响。5、氧化膜的质量评估。、氧化膜的质量评估。第1页/共49页n n在集成电路工艺中，氧化是必不可少的一项工艺技术。自从早期人们发现硼、磷、砷、锑等在集成电路工艺中，氧化是必不可少的一项工艺技术。自从早期人们发现硼、磷、砷、锑等杂质元素在杂质元素在SiO2SiO2的扩散速度比在的扩散速度比在SiSi中的扩散速度慢得多，中的扩散速度慢得多，SiO2 SiO2膜就被大量用在器件生产中膜就被大量用在器件生产中作为选择扩散的掩模，并促进了硅平面工艺的出现。同时在作为选择扩散的掩模，并促进了硅平面工艺的出现。同时在SiSi表面生长的表面生长的SiO2SiO2膜不但能与膜不但能与SiSi有很好的附着性，而且具有非常稳定的化学性质和电绝缘性。因此有很好的附着性，而且具有非常稳定的化学性质和电绝缘性。因此SiO2SiO2在集成电路中起着极在集成电路中起着极其重要的作用。其重要的作用。n n在平导体器件生产中常用的在平导体器件生产中常用的SiO2SiO2膜的生长方法有膜的生长方法有:热生长法、化学气相沉积法、阴极溅射法热生长法、化学气相沉积法、阴极溅射法,HF,HF一一HNO3HNO3气相钝化法、真空蒸发法、外延生长法、阳极氧化法等。在深亚微米气相钝化法、真空蒸发法、外延生长法、阳极氧化法等。在深亚微米ICIC制造中，制造中，还发展了快速加热工艺技术。选择何种方法来生还发展了快速加热工艺技术。选择何种方法来生SiO2SiO2层与器件的性能有很大关系。层与器件的性能有很大关系。第2页/共49页二氧化硅层的用途二氧化硅层的用途1、表面钝化2、掺杂阻挡层3、表面绝缘体4、器件绝缘体5、缓冲层6、隔离层第3页/共49页n n作为MQS器件的绝缘栅介质:在集成电路的特征尺寸越来越小的情况下，作为MQS结构中的栅介质的厚度也越来越小。此时SiO2作为器件的一个重要组成部分(如图1所示)，它的质量直接决定器件的多个电学参数。同样SiO2也可作为电容的介质材料。第4页/共49页n n作为选择性掺杂的掩模:SiO2的掩蔽作用是指SiO2膜能阻挡杂质(例如硼、磷、砷等)向半导体中扩散的能力。利用这一性质，在硅片表面就可以进行有选择的扩散。同样对于离子注人，SiO2也可作为注人离子的阻挡层。第5页/共49页n n作为隔离层:集成电路中，器件与器件之间的隔离可以有PN结隔离和SiO2介质隔离。SiO2介质隔离比PN结隔离的效果好，它采用一个厚的场氧化层来完成。第6页/共49页n n 作为缓冲层:当Si3N4。直接沉积在Si衬底上时，界面存在极大的应力与极高的界面态密度，因此多采用Si3N4/SiO2/Si结构，如图2所示。当进行场氧化时，SiO2会有软化现象。可以清除Si3N4和衬底Si之间的应力。第7页/共49页n n作为绝缘层:在芯片集成度越来越高的情况下就需要多层金属布线。它们之间需要用绝缘性能良好的介电材料加以隔离，SiO2就能充当这种隔离材料。第8页/共49页n n作为保护器件和电路的钝化层:在集成电路芯片制作完成后，为了防止机械性的损伤，或接触含有水汽的环境太久而造成器件失效，通常在IC制造工艺结束后在表面沉积一层钝化层，掺磷的SiO2薄膜常用作这一用途。第9页/共49页图1 MOS场效应晶体管结构第10页/共49页图2 场氧化层作为缓冲层第11页/共49页O2O2O2100nm Tox=(Bt)1/2 抛物线阶段热氧化的机制受限反应，受限扩散反应Si(S)+O2(V)SiO2(S)第12页/共49页n nSi的氧化过程是一个表面过程，即氧化剂是在硅片表面处与Si原子起反应，当表面已形成的SiO2层阻止了氧化剂与Si的直接接触，氧化剂就必须以扩散的方式穿过SiO2层、到达SiO2一Si界面与Si原子反应，生成新的SiO2层，使SiO2膜不断增厚，同时SiO2一Si界面界面向向Si Si内部内部推进.第13页/共49页SiO2的生长示意图第14页/共49页第15页/共49页n nDry Oxidation Si(S)(S)+O2(V)(V)SiO2(S)(S)n nWet Oxidation（stream Oxidation）Si(S)(S)+H2 O(V)(V)SiO2(S)(S)+H2(V)(V)氧化率的影响900-1200oC900-1200oC1、氧化源：干氧 湿氧(发泡、干法)Cl参入氧化干氧氧化优点：结构致密、均匀性和重复性好、与光 刻胶黏附好且应力小。缺点：生长温度高、生长速度慢。第16页/共49页氧化率的影响2 2、高压氧化、高压氧化在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速率，或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率速率，或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率都是经常采用方法。都是经常采用方法。优点：有利于降低材料中的位错缺陷。优点：有利于降低材料中的位错缺陷。缺点：在利用高压氧化时要注意安全问题和高压缺点：在利用高压氧化时要注意安全问题和高压系统带来的污染问题。系统带来的污染问题。常压 低掺杂n型掺杂物：P、As、Sbp型掺杂物：B7、多晶硅、多晶硅 与单晶硅相比氧化率更快与单晶硅相比氧化率更快实际工艺中由于各个部分材料不同，造成氧化层厚度实际工艺中由于各个部分材料不同，造成氧化层厚度不均匀，出现台阶。不均匀，出现台阶。第23页/共49页氧化方法氧化方法n n制备SiO2的方法很多，在集成电路工艺中最常用的方法为热氧化法和化学气相沉积法两种。下面主要介绍热氧化法。根据氧化气氛的不同，热氧化法又可分为干氧氧化、水汽氧化、湿氧氧化八掺氯氧化和氢氧合成氧化等。下面逐一进行介绍。第24页/共49页n n干氧氧化n n干氧氧化就是在氧化过程中，直接通入O2进行氧化的方法。通过干氧氧化生成的SiO2膜其有结构致密;干燥、均匀性和重复性好;对杂质掩蔽能力强;钝化效果好;与光刻胶的附着性好等优点，该方法的缺点是氧化速率较慢。第25页/共49页n n水汽氧化n n 水汽氧化是指硅片一与高温水蒸汽发生反应的氧化方法。由于水在SiO2中的平衡浓度N(1019atoms/cm3)比O2在SiO2中的平衡浓度N(1016atoms/cm3)高出3个数量级，所以水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的速率大得多。但水汽氧化法生成的SiO2膜结构疏松、表面有斑点和缺陷、含水量大、对杂质(尤其是磷)掩蔽能力较差，所以现在很少使用这种氧化方法。第26页/共49页n n湿氧氧化n n 湿氧氧化法中，湿氧氧化法中，O O2 2先通过先通过9595一一9898左右的去离子水，左右的去离子水，将水汽一起带人氧化炉内，将水汽一起带人氧化炉内，O O2 2和水汽同时与和水汽同时与Si Si发生氧化发生氧化反应。采用这种氧化方法生成的反应。采用这种氧化方法生成的SiOSiO2 2膜的质量比干氧氧膜的质量比干氧氧化的略差，但远好过水汽氧化的效果，而且生长速度较化的略差，但远好过水汽氧化的效果，而且生长速度较快，因此，当所需氧化层厚度很厚且对氧化层的电学性快，因此，当所需氧化层厚度很厚且对氧化层的电学性能要求不高的情况下，为了量产的考虑，常采用这种氧能要求不高的情况下，为了量产的考虑，常采用这种氧化方法。其缺点是生成的化方法。其缺点是生成的SiOSiO2 2膜与光刻胶的附着性不良、膜与光刻胶的附着性不良、Si Si表面存在较多位错缺陷。表面存在较多位错缺陷。n n 在实际的制造工艺中，通常采用干氧一湿氧一干氧这在实际的制造工艺中，通常采用干氧一湿氧一干氧这种多步交替的氧化方法制备氧化层，这样既能保证较好种多步交替的氧化方法制备氧化层，这样既能保证较好的的SiOSiO2 2膜质量，又能有较快的氧化速率。膜质量，又能有较快的氧化速率。第27页/共49页n n掺氯氧化n n掺氯氧化是指在干氧氧化通人O2的同时，通人含氯的化合物气体，从而生成含氯的SiO2膜。这样能减少SiO2中的钠离子污染，提高器件的电学性能和可靠性。第28页/共49页n n氢氧合成氧化氢氧合成氧化n n氢氧合成氧化是指在常压下，把高纯氢氧合成氧化是指在常压下，把高纯HH2 2和和OO2 2通人石英管内，使之通人石英管内，使之在一定温度下燃烧生成水，水在高温下气化，然后水汽与在一定温度下燃烧生成水，水在高温下气化，然后水汽与Si Si反应生反应生成成SiOSiO2 2的氧化方法。为了安全起见，通人的的氧化方法。为了安全起见，通人的OO2 2必须过量，因此，实必须过量，因此，实际上是水汽和际上是水汽和OO2 2同时参与氧化反应。因为气体纯度高，所以燃烧同时参与氧化反应。因为气体纯度高，所以燃烧生成的水纯度很高，这就避免了湿氧氧化过程中水蒸气带来的污生成的水纯度很高，这就避免了湿氧氧化过程中水蒸气带来的污染。这种氧化方法氧化效率高，生成的染。这种氧化方法氧化效率高，生成的SiOSiO2 2膜质量好、均匀性和重膜质量好、均匀性和重复性好。复性好。第29页/共49页n n其他的氧化n n 除了以上几种热氧化方法外，还有几种特殊的氧化方法。例如：为了制备高质量的薄栅氧化层，出现了低温薄栅氧化（900）和分压氧化(在氧气中通入一定比例的不活泼气体，降低氧气的分压，以降低氧化速率);为了制备厚的氧化层，出现了高压氧化方法。第30页/共49页热氧化工艺的设备热氧化工艺的设备n n热氧化的设备主要有水平式和直立式两种，6英寸以下的硅片都用水平式氧化炉,8英寸以上的硅片都采用直立式氧化炉。氧化炉管和装载硅片的晶舟都用石英材料制成。在氧化过程中，要防止杂质污染和金属污染，为了减少人为的因素，现代IC制造中氧化过程都采用自动化控制。如图3和图4所示分别是典型的水平式氧化炉系统和直立式氧化炉系统。第31页/共49页n n影响氧化均匀性的重要工艺参数是氧化区域的温度分布。在水平式氧化炉中采用五段加热器进行控温即是为了达到最佳的温度分布曲线，通常温度误差控制在士0.5。第32页/共49页n n 与水平式氧化炉系统相比，直立式氧化系统有一个很大的优点，就是气体的向上热流性，使得氧化的均匀性比水平式的要好，同时它体积小、占地面积小，可以节省净化室的空间。n n 在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度的变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。一个氧化过程的主要步骤如图5所示。第33页/共49页n n步骤步骤1:1:硅片送至炉管口，通人硅片送至炉管口，通人NN2 2及少量及少量OO2 2n n步骤步骤2:2:硅片被推至恒温区，升温速率为硅片被推至恒温区，升温速率为5 5一一3030/Min/Min步骤步骤步骤步骤3:3:通人大量通人大量OO2 2，氧化反应开始。氧化反应开始。n n步骤步骤4:4:加人一定比例的含氯气体加人一定比例的含氯气体(干氧化方式干氧化方式)，或通人，或通人H2(H2(湿氧化方式湿氧化方式)。n n步骤步骤5:5:通通OO2 2，以消耗残留的含氯气体或，以消耗残留的含氯气体或H2 H2 n n步骤步骤6:6:改通改通NN2 2，做退火处理。，做退火处理。n n步骤步骤7:7:硅片开始拉至炉口，降温速率为硅片开始拉至炉口，降温速率为2-10 2-10/Min/Minn n步骤步骤8:8:将硅片拉出炉管。将硅片拉出炉管。第34页/共49页图3水平式氧化炉系统第35页/共49页图4直立式氧化炉系统第36页/共49页图5一个氧化程序的主要步骤第37页/共49页氧化膜的质量评价氧化膜的质量评价n n以热氧化法生长的SiO2薄膜，在半导体器件的结构中具有多种用途，其中最主要的应用是作为MOSFET器件的栅氧化层。下面将针对作为栅氧化层的Si仇膜来探讨薄膜品质对MOSFET器件的影响。第38页/共49页氧化层的电荷氧化层的电荷n n作为MOSFET器件结构中的一部分，对栅氧化层的要求是非常高的。但是由于在SiO2一Si界面因为氧化的不连续性，有一个过渡区的存在，各种不同的电荷和缺陷会随着热氧化而出现在这一过渡区，如钠离子进人SiO2层成为可动电荷。氧化层中这些电荷存在会极大地影响MOSFET器件的参数，并降低器件的可靠性。在氧化层中各种电荷的分布如图所示。第39页/共49页电荷在氧化层内的分布第40页/共49页n n这四种电荷的产生原因、数量、对这四种电荷的产生原因、数量、对MOSFETMOSFET器件器件性能的影响和减少的方法。性能的影响和减少的方法。n n界面陷阱电荷界面陷阱电荷QQit it。它是在。它是在Si Si一一SiOSiO2 2界面的正的或负的界面的正的或负的电荷，起源于电荷，起源于Si-SiOSi-SiO2 2界面结构缺陷、氧化感生缺陷以及界面结构缺陷、氧化感生缺陷以及金属杂质和辐射等因素引起的其他缺陷。它的能级在金属杂质和辐射等因素引起的其他缺陷。它的能级在Si Si的禁带中，电荷密度在的禁带中，电荷密度在10101010/cm/cm2 2左右。左右。n n Si Si一一SiOSiO2 2界面的界面的Si Si原子悬挂键是一种主要的结构缺陷，原子悬挂键是一种主要的结构缺陷，通过释放或束缚电子的方式与通过释放或束缚电子的方式与Si Si表面层交换电子和空穴，表面层交换电子和空穴，进而调制进而调制Si Si的表面势，造成器件参数的不稳定性。此外，的表面势，造成器件参数的不稳定性。此外，它还会导致器件表面漏电流和它还会导致器件表面漏电流和it/fit/f噪声的增加以及四暗流噪声的增加以及四暗流增益增益(跨导跨导)的降低。通常可通过氧化后适当的退火来降的降低。通常可通过氧化后适当的退火来降低低QQit it的浓度。的浓度。第41页/共49页n n氧化层固定电荷氧化层固定电荷Q Qf f，这种电荷是指位于距离，这种电荷是指位于距离SiSi一一SiOSiO2 2界面界面3 nm3 nm的氧化层内的的氧化层内的正电荷，又称界面电荷，是由氧化层中的缺陷引起的，电荷密度在正电荷，又称界面电荷，是由氧化层中的缺陷引起的，电荷密度在10101010-10101212/cm/cm2 2nn固定电荷的影响是使MOSFET结构的C一V曲线向负方向平移，但不改变其形状;山于其面密度Qf是固定的，所以仅影响阀值电压的大小，而不会导致阀值电压的不稳定性。适当的退火及冷却速率能减少Qf第42页/共49页n n可动离电荷Qm:由氧化系统中的碱金属离子(如K+,Na+,Li+等)进入氧化层引起的，电荷密度在1010-1012/cm2n n 在温度偏压实验中，Na+能在SiO2中横向及纵向移动，从而调制了器件有关表面的表面势，引起器件参数的不稳定。要减少此类电荷，可在氧化前先通人含氯的化合物气体清洗炉管，氧化方法采用掺氯氧化。第43页/共49页n n氧化层陷阱电荷Qot:这是由氧化层内的杂质或不饱和键捕捉到加工过程中产生的电子或空穴所引起的，可能是正电荷，也可能是负电荷。电荷密度在109-1013/cm2左右。通过低温H2退火能降低其浓度，以至消除。n n 这些电荷的检测可采用电容一电压法，也就是通常所说的C-V测量技术，在这里不作详细介绍了。第44页/共49页氧化层的厚度和密度氧化层的厚度和密度n n在集成电路的加工工艺中，氧化层厚度的控制也是十分重要的。如栅氧化层的厚度在亚微米工艺中仅几十纳米，甚至几纳米。另外SiO2膜是否致密可通过折射率来反映，厚度与折射率检测多采用椭圆偏振法。这种方法铡量精度高，是一种非破坏性的测量技术，能同时测出膜厚和折射率。第45页/共49页氧化层的缺陷氧化层的缺陷n n氧化层的缺陷主要是针孔和层错，他们是氧化层的缺陷主要是针孔和层错，他们是MOSFETMOSFET器件栅氧化层漏器件栅氧化层漏电流的主要根源。针孔产生的原因主要有电流的主要根源。针孔产生的原因主要有:1.:1.氧化过程中在硅片表氧化过程中在硅片表面产生缺陷、损伤、污染等面产生缺陷、损伤、污染等;2;2，在光刻时，掩模板上有小岛或光刻，在光刻时，掩模板上有小岛或光刻胶中有杂质微粒，使刻蚀后的氧化膜上出现针孔胶中有杂质微粒，使刻蚀后的氧化膜上出现针孔;3.;3.高温氧化后在高温氧化后在氧化层中形成层错。氧化层中形成层错。n n 要减少这些缺陷，就要提高氧化系统中的洁净程度，还要在氧要减少这些缺陷，就要提高氧化系统中的洁净程度，还要在氧化前将硅片清洗干净。改进氧化条件则是减少层错的有效方法。化前将硅片清洗干净。改进氧化条件则是减少层错的有效方法。第46页/共49页热应力热应力n n因为因为SiOSiO2 2 与与Si Si的热膨胀系数不同的热膨胀系数不同(Si(Si是是2.6 x 102.6 x 10-6-6 K K-1-1,SiO,SiO2 2是是5x105x10-7-7K K-1-1),),因此在结束氧化退出高温过程后，会产生很大的热应力，对因此在结束氧化退出高温过程后，会产生很大的热应力，对Si Si仇膜仇膜来说是来自来说是来自SsSs的压缩应力。这会造成硅片发生弯曲并产生缺陷。严的压缩应力。这会造成硅片发生弯曲并产生缺陷。严重时，氧化层会产生破裂，从而使硅片报废。所以在加热或冷却重时，氧化层会产生破裂，从而使硅片报废。所以在加热或冷却过程中要使硅片受热均匀，同时，升温和降温速率不能太大。过程中要使硅片受热均匀，同时，升温和降温速率不能太大。第47页/共49页氧化质量评估氧化质量评估 氧化后要对氧化质量进行评估，因为有些检测是破坏性的，所以在把一批晶园送入炉管的同时，在不同位置放置一定数量的专门用来测试的样片。一般情况下主要包括表面检测表面检测和厚度检测厚度检测表面检测表面检测 通常在高亮的紫外线下对每片晶园进行检测，包括表面颗粒、不规则度、污点都会在紫外线下显现。厚度检测厚度检测 对厚度的检测非常重要，因为不同的器件或者不同目的要求，比如，MOS栅极氧化层的厚度要求就很严格。检测的技术包括：颜颜色色比比较较、边边沿沿记记数数、干涉、椭偏仪及电子扫描显微镜等。干涉、椭偏仪及电子扫描显微镜等。第48页/共49页