第3章-热氧化ppt课件.pptx

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1、1第第3章章 热氧化热氧化3.1二氧化硅薄膜二氧化硅薄膜概述概述3.2 硅的硅的热氧化热氧化3.3 初始氧化阶段及薄氧化层制备初始氧化阶段及薄氧化层制备3.4 热氧化过程中杂质再分布热氧化过程中杂质再分布3.5 氧化层的质量及检测氧化层的质量及检测3.6 热氧化技术及其工艺展望热氧化技术及其工艺展望23.1 3.1 二氧化硅二氧化硅薄膜概述薄膜概述33.1.1 3.1.1 二氧化硅二氧化硅结构结构石英石英非晶非晶SiO2桥联氧非桥联氧硅表面热氧化层硅表面热氧化层TEMTEM照片照片4SiSiO23.1.2 3.1.2 二氧化硅的性质二氧化硅的性质及用途及用途5性质性质石英晶体石英晶体非晶非晶S

2、iO2SiO2薄膜薄膜注注密度(g/cm3)2.222.2致密程度的标志。密度大表示致密程度高熔点 ()17321500软化软化点与致密度、掺杂有关电阻率(cm)10161071015工艺温度越高电阻率越大介电常数3.93.9介电强度(V/m)10001001000与致密度折射率1.331.37腐蚀性与HF酸、强碱反应缓慢与致密度、掺杂有关二氧化硅主要性质二氧化硅主要性质二氧化硅薄膜的二氧化硅薄膜的用途用途6掺杂掩蔽膜芯片的钝化与保护膜SiO2电隔离膜元器件的组成部分3.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质二氧化硅薄膜中的杂质7Na2O+ Si-O-Si 2Na+ Si-O- + O-Si H2O+

3、Si-O-Si Si-OH + HO-Si P2O5+ Si-O-Si P+-O-P+2O-Si磷硅玻璃（PSG）3.1.4 3.1.4 杂质在杂质在SiOSiO2 2中的扩散中的扩散 指单位浓度的杂质，在单位时间指单位浓度的杂质，在单位时间内扩散通过单位面积的量内扩散通过单位面积的量 它的单位是它的单位是m m2 2/s/s 钠离子等碱金属离子，即使在很钠离子等碱金属离子，即使在很低温度下，也能迅速扩散到整个低温度下，也能迅速扩散到整个SiO2层中。层中。83.1.5 3.1.5 SiOSiO2 2的掩蔽作用的掩蔽作用92jSiOxx硅表面的氧化层作为掩膜时：掩蔽条件: DSiDSiO231

4、0sICC氧化层的最小厚度：tD.xSiO264minXjXSiO2CsCI3.2 硅的热氧化硅的热氧化103.2.1 3.2.1 热氧化工艺热氧化工艺卧式氧化炉立式氧化炉氧化示意图1 1、三种热氧化工艺方法、三种热氧化工艺方法 干氧氧化干氧氧化：Si+O2 SiO2氧化层结构致密氧化层结构致密，掩蔽能力强，掩蔽能力强，表面干燥是表面干燥是Si-OSi-O结构，适合光刻；但是，结构，适合光刻；但是，生长速率慢，生长速率慢，不适合生长厚氧化层不适合生长厚氧化层 水汽氧化水汽氧化：Si+(H2+O2 ) SiO2+H2氧化层致密度较低，结构疏松，表面是氧化层致密度较低，结构疏松，表面是Si-OH结

5、构，易吸附水，光刻困难；结构，易吸附水，光刻困难；但是，生长速率快，更适合生长厚氧化层但是，生长速率快，更适合生长厚氧化层 湿氧氧化湿氧氧化：Si+H2O(O2) SiO2+H2O氧化层的生长速率和质量介于干氧和水汽两种方式之间。氧化层的生长速率和质量介于干氧和水汽两种方式之间。11三种热氧化方法的三种热氧化方法的比较比较 12氧化氧化方式方式氧化氧化温度温度（）生长速率常生长速率常数数（ m m2 2/min/min）生长生长0.50.5mSiOmSiO2 2所所需时间需时间（minmin）SiOSiO2 2的密的密度度（g/mmg/mm）介电强度介电强度(106V/cm)注注干氧干氧100

6、010001.481.481010-4-4180018002.152.159 9120012006.26.21010-4-43603602.272.27湿氧湿氧1000100038.538.51010-4-463632.122.12水浴温度水浴温度959512001200117.5117.51010-4-422222.212.21水汽水汽1000100043.543.51010-4-458582.052.056.896.89水汽发生水汽发生器水温器水温102102120012001331331010-4-418182.082.082 2、工艺的应用、工艺的应用掩膜氧化（厚氧化层）掩膜氧化（厚氧

7、化层）干氧干氧-湿氧湿氧-干氧干氧薄层氧化（薄层氧化（MOS栅栅氧化层氧化层）干氧干氧 掺氯氧化掺氯氧化13SiSiO23、工艺举例、工艺举例 工艺条件工艺条件： 3吋硅片，干氧吋硅片，干氧10min-湿氧湿氧50min（水温（水温98）-干氧干氧15min，温，温度：度：1180，氧气流量：，氧气流量：1L/min 工艺流程工艺流程：洗片洗片升温升温生长生长取片取片洗片：洗片：湿法清洗干净湿法清洗干净、烘干烘干备用备用升温：升温：设定氧化炉的工艺条件，硅片装炉，开机升温设定氧化炉的工艺条件，硅片装炉，开机升温生长：生长：设定氧设定氧化炉自动进行干氧湿氧切换，完成氧化层生长化炉自动进行干氧湿氧

8、切换，完成氧化层生长取片：取片：将氧化好的硅片取出，将氧化好的硅片取出，停停气、停气、停炉。炉。14制备约制备约0.60.6m m氧化层作为扩散掺杂掩膜氧化层作为扩散掺杂掩膜3.2.2 热氧化机理热氧化机理硅常温下暴露在空气中的表面硅常温下暴露在空气中的表面：Si +O2 SiO2Si + H2O(O2) SiO2 + H2O表面的氧化膜逐渐增厚到表面的氧化膜逐渐增厚到40左右就停止左右就停止了了高温下，氧化膜继续增高温下，氧化膜继续增厚厚153.2.2 热氧化机理热氧化机理16SiSiSiO2氧化氧化 dSidSiO2222222222.2 100.445 10SiOSiSiOSiOSiOS

9、inddddn生长生长1m厚二氧化硅约消耗厚二氧化硅约消耗0.44m厚的硅厚的硅Si桥联O非桥联OSiSiO2附面层3.2.3 DealGrove热氧化模型热氧化模型O2或 H2O气流方向（1 1）氧化剂输运）氧化剂输运（2 2）固相扩散）固相扩散 （3 3）化学反应）化学反应 （4 4）反应副产物反应副产物离开界面离开界面 D-GD-G模型将热氧化简化为：模型将热氧化简化为：17 热氧化是在氧气氛下进行，氧气流密度不变，热氧化是在氧气氛下进行，氧气流密度不变，即准平衡态稳定生长：即准平衡态稳定生长： 一维一维D-G数学模型数学模型oioxCCDxCDF0SiOSiO222isCkF 3pgp

10、0F1F2F3SiO2Si0 xCgCsCoCi主流气体粘滞层O2(H2O) x0)(1sggCChF（1 1）氧化剂输运）氧化剂输运（2 2）固相扩散固相扩散（3 3）化学反应）化学反应18F F1 1= =F F2 2=F=F3 3求解求解: c0、ci2SiO*1DxkhkCCossi22SiO*SiO11DxkhkCDxkCossoso借助借助亨利定律亨利定律：gHPC *00CHP由主气流区氧气分压由主气流区氧气分压PgPg，同理，同理可得氧化层可得氧化层中氧气的平衡浓度中氧气的平衡浓度C C* *：ghhHkT- - 气相气相质量输运系数质量输运系数 由由F1=F2=F3可得：可得

11、：19pgp0F1F2F3SiO2Si0 xCoCi主流气体粘滞层O2 (H2O)x03.2.4 热氧化生长速率热氧化生长速率20生长生长一个一个SiOSiO2 2，需要一个，需要一个O O2 2水汽氧化：水汽氧化：Si + 2HSi + 2H2 2O SiOO SiO2 2 + 2H+ 2H2 2由：由：Si + OSi + O2 2 SiO SiO2 2 生长生长一一个个SiOSiO2 2，需要，需要二二个个H H2 2O O分子分子，N N1 1= =N NSiO2SiO2=2.2=2.2101022 22 分子分子/cm/cm-3-3N N1 1=2=2N NSiO2SiO22SiO1

12、*11DxkhkNckNckosssis21222()SiOSiOxAxB t2112SiOsADkh212SiOgDHPBN200 xAxB221124SiOAtxAB（1 1）氧化时间很短（）氧化时间很短（t t0 0），- - 氧化速率方程氧化速率方程2()SiOBxtA- - 线性规律线性规律BA- - 为线性速率常数为线性速率常数 （2 2）氧化时间很长（）氧化时间很长（tt），），22()SiOxB t- - 抛物线规律抛物线规律B - B - 为抛物线速率常数为抛物线速率常数ks 0SiO2SiC0CxD 0Ci扩散控制扩散控制化学反应化学反应控制控制 在在两种极限情况下两种极限

13、情况下：氧化氧化时间很时间很短短长长或或时间很长时时间很长时，实测值和计算值吻合。实测值和计算值吻合。实测值与模拟实测值与模拟计算计算值的对比值的对比22222()SiOSiOxAxB t2()SiOBxtA（1 1）线性）线性氧化氧化速率：速率：氧化氧化速率方程：速率方程：（2 2）抛物线抛物线氧氧化化速率：速率：22()SiOxB t3.2.5 影响氧化速率的各种因素影响氧化速率的各种因素 氧化速率比较：氧化速率比较：O2 O2(H2O) H2O O2、H2O在氧化层中的在氧化层中的扩散扩散和和与硅的与硅的反应反应均较快均较快，而而且且O2略快于略快于H2O。 溶解度相差很大：溶解度相差很

14、大：c*O2 c*H2O231、氧化剂种类对、氧化剂种类对氧化氧化速率的影响速率的影响 氧化剂种类、氧化剂种类、温度、温度、氧化剂氧化剂分压、衬底晶向与掺杂浓度分压、衬底晶向与掺杂浓度等因素都对氧等因素都对氧化速率有影响。化速率有影响。22SiO1*1DxkhkNckdtdxosssSiO2、温度对氧化速率的影响温度对氧化速率的影响 ks、DSiO2、h等都等都与温度与温度有关有关242SiOBx(t)AhkNHPkABsgs11122SiOxB(t)1SiO22NHPDBg温度对氧化速率的影响温度对氧化速率的影响很很大大3、氧化剂分、氧化剂分压对氧化速率的影响压对氧化速率的影响 提高提高反应

15、器内氧气或水汽的分压反应器内氧气或水汽的分压能提高线性氧化速能提高线性氧化速率率 有有高压氧化和低压氧化技高压氧化和低压氧化技术术 对线性氧化速率的影响更些大对线性氧化速率的影响更些大 氧化剂氧化剂分压分压Pg是通过是通过C*对对B产生产生影响：影响：BPP1*SiO1SiO2222NCDNHPDBg2522SiOxB(t)2SiOBx(t)A4、硅片晶、硅片晶向对氧化速率的影响向对氧化速率的影响 不同晶向的单晶硅由于表面原子密度不同晶向的单晶硅由于表面原子密度不同，氧化速率也呈现各向异性。不同，氧化速率也呈现各向异性。 B/AB/A依赖晶向，而依赖晶向，而B与晶向无关。与晶向无关。 （111

16、111）晶向速率最快，（）晶向速率最快，（100100）晶向）晶向速率最慢。速率最慢。 有空有空间位间位阻阻（StericSteric Hindrance Hindrance）现）现象：指氧化剂分子近邻之间遮蔽象：指氧化剂分子近邻之间遮蔽作用作用和其它一些几何影响和其它一些几何影响265、杂质对、杂质对氧化速率的影响氧化速率的影响 氧化速率对存在氧化速率对存在于掺杂剂中的钠、于掺杂剂中的钠、氯化物氯化物、水汽水汽，以及在硅片中的，以及在硅片中的、族杂质敏感族杂质敏感 通常氧化剂中有微量的杂质存在就会明显地提高氧化速率通常氧化剂中有微量的杂质存在就会明显地提高氧化速率 掺杂浓度越高氧化速率越快，

17、这种现象称为掺杂浓度越高氧化速率越快，这种现象称为增强氧化增强氧化27氧化3.3 3.3 初始氧化阶段及薄氧化层制备初始氧化阶段及薄氧化层制备 D-GD-G模型对模型对30nm30nm以下以下的薄层氧的薄层氧化规律描述不准化规律描述不准。 自然氧化物不是连续生长而自然氧化物不是连续生长而是阶段的生长。轻掺杂是阶段的生长。轻掺杂0.8nm;0.8nm;重掺杂重掺杂1.3nm1.3nm。 初始氧化阶段的氧化机制初始氧化阶段的氧化机制仍仍是研究是研究热点。热点。700干氧氧化干氧氧化28MOSMOS电路对栅氧化层的要求电路对栅氧化层的要求低低缺陷缺陷密度密度好的抗杂质扩散的势垒持好的抗杂质扩散的势垒

18、持性性低的界面态密度和固定低的界面态密度和固定电荷电荷, ,高高质量的质量的SiOSiO2 2/Si/Si界面界面在热载流子应力和辐射条件下在热载流子应力和辐射条件下的稳定性的稳定性好。好。栅氧化层栅氧化层29薄氧化层制备薄氧化层制备工艺方法：工艺方法：干氧氧化干氧氧化、或掺氯氧化、或掺氯氧化减压氧化减压氧化低温高压氧化等。低温高压氧化等。工艺工艺条件条件：生长速率必须生长速率必须足够足够慢；慢；氧化前的清洗必须彻底；氧化前的清洗必须彻底；所用水、试剂、气体等必须为超高纯度材料。所用水、试剂、气体等必须为超高纯度材料。303.4 3.4 热氧化过程中杂质的再分布热氧化过程中杂质的再分布 杂质的

19、分凝现象；杂质的分凝现象； 杂质从杂质从SiOSiO2 2表面逸出；表面逸出； 杂质在杂质在SiOSiO2 2、SiSi中的扩散速率；中的扩散速率； 杂质杂质在在SiOSiO2 2/Si/Si界面界面的的移动速率。移动速率。逸出分凝扩散界面移动31再分布情况由四方面因素决定：再分布情况由四方面因素决定：3.4.1 杂质的分凝效应杂质的分凝效应 分凝效应：分凝效应：指杂质在两个紧密接触的不同相中，指杂质在两个紧密接触的不同相中，由于溶解度不同，将在两相之间发生重新分配，由于溶解度不同，将在两相之间发生重新分配，直到两相界面两边的化学势相等为止的现象。直到两相界面两边的化学势相等为止的现象。 分凝

20、系数：分凝系数：是是衡量衡量分凝效应强弱的分凝效应强弱的参数参数硅片热氧化时，某杂质的分凝系数为：硅片热氧化时，某杂质的分凝系数为：分凝系数与温度有关分凝系数与温度有关分凝系数分凝系数与与与与晶面取向晶面取向有关有关2SiSiOnKn32杂质在杂质在SiO2/Si界面分布界面分布(a)图，图，杂质杂质Kl，在，在SiO2中中是慢扩散杂质是慢扩散杂质，如硼；如硼；(b)图，图，杂质杂质K1，在，在SiO2中是快扩散杂质，中是快扩散杂质，如在氢气如在氢气氛下氛下的硼；的硼；(c)图，图，杂质杂质K1，在，在SiO2中慢扩散的杂质，中慢扩散的杂质，如磷如磷(d)图，图，杂质杂质Kl，在，在SiO2中

21、中是快扩散杂质，是快扩散杂质，如如镓；镓；33分凝扩散逸出分凝扩散逸出分凝扩散逸出分凝扩散逸出3.4.2 再分布对硅表面杂质浓度的影响再分布对硅表面杂质浓度的影响 氧化速率与扩散速率之比氧化速率与扩散速率之比是是影响硅表面杂质浓度的影响硅表面杂质浓度的主因，主因，这一这一比值比值可可通过通过改变热氧化工艺方法、条件改变热氧化工艺方法、条件而而变化。变化。34再分布对硅中杂质浓度分布的影响再分布对硅中杂质浓度分布的影响 温度越高，硼杂质发生再分布温度越高，硼杂质发生再分布进入硅内的距离越深进入硅内的距离越深 氧化后高斯分布杂质，最高浓氧化后高斯分布杂质，最高浓度的位置已经不在硅的表面度的位置已经

22、不在硅的表面353.5 3.5 氧化层的质量及氧化层的质量及检测检测 热氧化热氧化在在硅表面生长氧化层的质量硅表面生长氧化层的质量及及性能性能指标指标应满足使用要求，需要在氧化后进行检应满足使用要求，需要在氧化后进行检测测氧化层厚度测量氧化层厚度测量比色法、比色法、干涉条纹法；干涉条纹法；椭偏法、台阶仪椭偏法、台阶仪成膜成膜质量检测质量检测表面缺陷，结构缺陷，氧化层表面缺陷，结构缺陷，氧化层中的中的电荷，电荷，热应力热应力36椭椭偏仪偏仪台阶仪台阶仪37 在可见光波段氧化层透在可见光波段氧化层透明，而硅为灰色，硅片明，而硅为灰色，硅片表面表面反射反射的的光光和穿透氧和穿透氧化层在硅化层在硅界面

23、反射界面反射光相光相互互干涉干涉，又因又因氧化层厚氧化层厚度不同，光程就不同，度不同，光程就不同，某一波长的光干涉增强，某一波长的光干涉增强，这就使得硅片这就使得硅片呈现呈现不同不同的的色色彩。彩。3.5.1 氧化层厚度测量氧化层厚度测量颜色颜色氧氧 化化 层层 厚厚 度度 （埃）（埃）第第 一一 周周 期期第第 二二 周周 期期第第 三三 周周 期期第第 四四 周周 期期灰灰 色色100黄黄 褐褐 色色300棕棕 色色500蓝蓝 色色800紫紫 色色1000275046506500深深 蓝蓝 色色1500300049006800绿绿 色色1850330052007200黄黄 色色210037

24、0056007500橙橙 色色225040006000红红 色色2500435062501、比色法、比色法在在白光白光直视直视下下氧化氧化层层厚度与干涉色彩的关系厚度与干涉色彩的关系比色样片2、干涉条纹法、干涉条纹法 从一从一个亮条个亮条到相邻到相邻的亮条就是一的亮条就是一个个干涉条纹。而干涉条纹。而从暗条从暗条到到相邻亮条则相邻亮条则是是0.50.5个干涉条纹。个干涉条纹。n - 二氧化硅的折射率 38斜面X - 干条纹的条数 X=3, n=1.5, =530nm d=530nm3.5.2 3.5.2 氧化层氧化层成成膜质量的测量膜质量的测量 表面镜检表面镜检：有无斑点有无斑点，裂纹，白，裂

25、纹，白雾，发花和针孔等雾，发花和针孔等毛病毛病 针孔密度测量针孔密度测量：化学腐蚀法；化学腐蚀法；电解镀铜法等。电解镀铜法等。1 1、表面缺陷、表面缺陷39通孔盲孔 产生原因产生原因：硅片表面抛光不硅片表面抛光不够好、有严重的位错或表面够好、有严重的位错或表面有沾污有沾污2 2、结构缺陷、结构缺陷 主要是氧主要是氧化诱化诱生层错生层错(Oxidation Induced Stacking Faults, CSF)：界：界面面未氧化的硅进入硅体内的填隙位置未氧化的硅进入硅体内的填隙位置，结，结团形成堆垛层错团形成堆垛层错。 检测方法检测方法：用稀用稀HF泡掉氧化层，然后用泡掉氧化层，然后用Sir

26、tl等腐蚀液腐蚀硅，再用显微等腐蚀液腐蚀硅，再用显微镜进行检测。镜进行检测。403 3、氧化层中的电荷、氧化层中的电荷 可动离子电荷可动离子电荷：Na+-、K+、H+等荷正等荷正电的碱金属离子电的碱金属离子 氧化层固定电荷氧化层固定电荷：位于氧化层距硅界：位于氧化层距硅界面面3nm范围内，荷正电的氧空位范围内，荷正电的氧空位 界面陷阱电荷界面陷阱电荷：能量处于硅禁带中，：能量处于硅禁带中，可与价带或导带交换电荷的陷阱能级可与价带或导带交换电荷的陷阱能级或电荷状态或电荷状态 氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷：由氧化层内的杂质：由氧化层内的杂质或不饱和键俘获电子或空穴所引起或不饱和键俘获电子或空穴所引

27、起413、氧化层中的电荷、氧化层中的电荷 测量方法：测量方法： 通过通过MOS结构高频结构高频C-V特性测量及特性测量及偏温实验，偏温实验，可得氧化层可得氧化层电荷面密度和可动电荷面密度电荷面密度和可动电荷面密度 避免或降低电荷面密度的方法：避免或降低电荷面密度的方法： 加强工艺加强工艺卫生卫生； 采用超高采用超高纯度的水、气体与试剂纯度的水、气体与试剂等；等； 采用采用掺掺氯干氧氧化工艺；氯干氧氧化工艺； 热氧化后在高温惰性气体中进行退火。热氧化后在高温惰性气体中进行退火。42P-SiSiO2AlMOS结构+ + + + +- - - - -反型层4、热应力、热应力 SiO2与与Si的热膨胀

28、系数的热膨胀系数不同：不同： Si：2.610-6 K-1，SiO2：510-7 K-1 在在结束热氧化，退出结束热氧化，退出高温过程后高温过程后，两，两者界面会者界面会产生很大的产生很大的热应力热应力 热氧化时，加热热氧化时，加热或冷却过程中要使硅或冷却过程中要使硅片受热均匀，同时，升温和降温速率片受热均匀，同时，升温和降温速率不能太大。不能太大。 43氧化层受压应力氧化层受压应力，严重严重时，氧化层会产生皲裂，时，氧化层会产生皲裂，硅片发生弯曲硅片发生弯曲，并并在界在界面面产生缺陷产生缺陷。3.6 其它热氧化方法其它热氧化方法 在氧化气氛中加入一定量的含在氧化气氛中加入一定量的含氯氯物质，

29、如物质，如HClHCl、 C C2 2HClHCl3 3(TCE)(TCE)等，氯进入氧化层。等，氯进入氧化层。 可以可以改善氧化层和改善氧化层和 SiOSiO2 2 /Si /Si界面的性质：界面的性质：能能降低固定降低固定正电荷密度和界面正电荷密度和界面态密度态密度钝化可动离子，尤其是钠钝化可动离子，尤其是钠离子离子减少减少SiO2中缺陷，提高了氧化层的抗电击穿中缺陷，提高了氧化层的抗电击穿能力能力减少减少氧化导致氧化导致的硅的层错的硅的层错，增加了氧化层下面硅，增加了氧化层下面硅中少数载流子的寿命中少数载流子的寿命。3.6.1 掺氯氧化掺氯氧化Cl-Cl-Cl-Cl-Na+Na+Na+4

30、HCl + O2 4Cl2 + H2O Si-Cl-，Si-O-Cl443.6.2 高压氧化高压氧化 氧化剂的压力在几个到几百个大气压之间的热氧化称氧化剂的压力在几个到几百个大气压之间的热氧化称高压氧化。高压氧化。 高压氧化高压氧化温度多在温度多在650950650950之间。也有之间。也有高压高压干氧氧化干氧氧化和和高压水汽氧化高压水汽氧化。主要特点主要特点： 是一种低温是一种低温快速热氧快速热氧化化方法方法 减少减少了了氧化层氧化层错错 杂质杂质再分布和分凝效再分布和分凝效应减小应减小45耐压容器式高压氧化设备结构图3.6.3 热氧化热氧化工艺展望工艺展望 热氧化工艺的发展热氧化工艺的发展方向方向：主要主要集中在如何制造电学性能集中在如何制造电学性能优良优良，且且足够薄的栅足够薄的栅氧化层，氧化层，而对栅氧化层的主要而对栅氧化层的主要要求要求： 具有具有高高介电常数介电常数； 较低较低氧化层氧化层电荷电荷； 较高较高击穿电压等特性击穿电压等特性。 氧化氧化工艺发展：工艺发展： 进一步降低工艺温度、提高氧化速率进一步降低工艺温度、提高氧化速率如高压氧化如高压氧化 发展发展其它工艺方法。其它工艺方法。46