第10章氧化精选PPT.ppt
《第10章氧化精选PPT.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第10章氧化精选PPT.ppt(69页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第10章氧化第10章氧化第1页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺2大纲1.引言2.氧化膜3.热氧化生长4.生长设备5.氧化工艺6.质量测量7.氧化检查及故障排除第2页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺31.引言氧化:热生长法、淀积法热预算(thermalbudget):温度时间趋势:热预算下降,降低硅需要的热能第3页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺42.氧化膜热生长氧化层的温度:7501100热氧化硅-thermaloxide第4页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺5氧化膜的性质二氧化硅的
2、原子结构:一个硅原子被四个氧原子包围着的四面体单元无定形的二氧化硅在原子水平上没有长程有序的晶格周期无定型的玻璃状结构第5页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺6氧化膜的性质二氧化硅熔点:1732热生长的二氧化硅能紧紧粘附在硅衬底上,具有优良的介质特性自然氧化膜:4nm左右第6页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺7氧化膜的用途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)栅氧或存储单元结构中的介质材料掺杂中的注入掩膜金属导电层间的介质层第7页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺8器件保护和隔离硅片表面上生长的
3、SiO2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。SiO2是坚硬和无孔(致密)的材料,可以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。第8页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺9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,这种效果成为表面钝化。表面钝化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。第9页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺10表面钝化(续)在硅表面生长的可以将硅表面的电活性污染物(可动离子沾污)束缚在其中
4、。钝化对于控制结器件的漏电流和生长稳定的栅氧化物很重要。氧化层作为一种优质的钝化层,它要求均匀的厚度、无针孔和空隙等质量要求。用栅氧化层做硅表面钝化层必须要有足够的氧化层厚度以阻止由于在硅表面电荷积累引起的金属层充电。这种充电会导致短路和其他一些不受欢迎的电学效应。第10页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺11栅氧电介质MOS技术中重要的栅氧结构热生长获得栅氧极薄的氧化层(2nm)做介质材料栅氧:具有高的电介质强度(107V/cm)和高的电阻率(1017-cm)MOS器件可靠性的关键是栅氧完整性要求高质量、极好膜厚均匀性、无杂质第11页,此课件共69页哦第10章氧化1
5、0/6/2022集成电路工艺12掺杂阻挡二氧化硅可做为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层。与硅相比,掺杂物在二氧化硅里的移动缓慢,只需要薄氧化层即可阻挡掺杂物。薄氧化层(如15nm)也可以用于需要离子注入的区域。它可以减少对硅表面的损伤,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。第12页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺13扩散系数B、P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小,所以。常常选择B、P作为扩散的杂质种类。而对于Ga、Al等杂质,情况则相反。Au虽然在SiO2中的扩散系数很小,但由于在Si中的扩散系数太大,这样以来横向扩散作用也大,所以也不能选用
6、。第13页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺14金属层间的介质层二氧化硅是微芯片金属层间有效的绝缘体二氧化硅能阻止上层金属和下层金属间短路。氧化物质要求无针孔和空隙第14页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺15氧化硅的应用1应用目的说明自然氧化层(NativeOxide)通常是沾污。有时用于存储器存储或膜的钝化在室温下生长速率是每小时1.54nm栅氧化层(GateOxide)用做MOS晶体管栅和源漏之间的介质栅氧厚度2nm到几十nm,最优选干氧法生长场氧化层(FieldOxide)用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此隔离场氧厚度25015
7、00nm,湿氧氧化是优选方法阻挡层氧化(BarrierOxide)保护有源器件和硅免受后续工艺影响热生长几十nm的厚度第15页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺16氧化硅的应用2应用目的说明掺杂阻挡层(DopantBarrier)作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料通过选择性扩散,掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区域垫氧化层(PadOxide)做氮化硅缓冲层以减小应力热生长并非常薄注入屏蔽氧化层(ImplantScreenOxide)用于减小注入沟道和损伤热生长金属层间绝缘阻挡层(InsulatingBarrierBetweenMetalLayers)用做金属连线间的保护层
8、这种氧化硅不是热生长的,而采用淀积方法第16页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺173.热氧化生长半导体应用典型的氧化物厚度(埃)栅氧(0.18m工艺)20-60电容器的电介质5-100掺杂掩蔽的氧化物400-1200STI隔离氧化物150LOCOS垫氧200-500场氧2500-15000第17页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺18氧化的化学反应干氧:Si(固态)+O2(气态)SiO2(固态)湿氧:Si(固态)+H2O(气态)SiO2(固态)+2H2(气态)第18页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺19湿法氧化第
9、19页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺20两种方法的比较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。湿氧反应生成的氢分子会束缚在固态的二氧化硅层内,使得氧化层的密度比干氧小。这种情况可通过在惰性气体中加热氧化物来改善,以得到与干氧生长相似的氧化膜结构和性能。第20页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺21氧化生长模式氧化生长模式一旦在硅表面有二氧化硅生成,它将阻挡O2与Si原子直接接触,所以其后的继续氧化是O2通过扩散穿过已生成的二氧化硅层,向Si一侧运动到达界面进行反应而增
10、厚的。第21页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺22氧化生长模式氧化生长模式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总厚度的0.46,这就意味着每生长1m的氧化物,就有0.46m的硅消耗(干、湿氧化略有差别)。第22页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺23扩散氧化物生长发生在氧分子通过已生成的二氧化硅层运动进入硅片的过程中扩散扩散是一种材料在另一种材料中的运动对于固体、液体和气体,原子是从高浓度区域向低浓度区域扩散的,而且热能会促进这种扩散。菲克定律(Fickslaws)根据温度、浓度和扩散的激活能描述扩散材料的运
11、动速率。第23页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺24SiO2-Si界面从单晶硅到无定形SiO2间的SiO2/Si界面上存在突变。在SiO2分子中,每个硅原子和四个氧原子键合,每个氧原子和2个硅原子键合,但在界面上有些硅原子并没有和氧原子键合。距界面2nm以内的硅不完全氧化是带正电荷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。前者由结构缺陷、氧化诱生缺陷或者金属杂质引起的正的或负的电荷组成,后者是由于可动离子沾污引起的,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。对于器件的正常工作,界面处的电荷堆积是不受欢迎的,它
12、会导致MOS器件的开启电压值变得无法接受,通过在氢气或氢氮混合气体中低温(450)退火可以减少这种不可接受的电荷。第24页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺25第25页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺26氯化物在氧化中的应用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。在热氧化工艺中加入氯化物离子的其他优点是它们能使氧化速率提升1015;氯的存在实际上能俘获来自炉体、工艺原材料和可动离子沾污。如气态的氯化氢(HCl)第26页,此课件共6
13、9页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺27氧化物生长速率Deal&Grove氧化物生长模型:在初始阶段,氧化层厚度(X)与时间(t)是线性关系,而后变成抛物线关系。随着每一个新的生长层出现,O2的扩散时间更长,这就意味着生长速率变慢,这一阶段被称为抛物线阶段。因此,氧化层的生长会通过两个阶段:线性阶段和抛物线阶段,之间的变化依赖氧化温度和其他因素。通常来说,小于150埃的氧化受控于线性机理。这是大多数MOS栅极氧化的范围。第27页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺28氧化物生长速率第28页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺29影响氧
14、化物生长的因素温度H2O掺杂效应晶向压力效应等离子增强第29页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺30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。因为硼趋向于混合到氧化膜中,这将减弱它的键结构,使通过它的氧扩散随之增大。硼掺杂和磷掺杂的线性速率系数相差不大。第30页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺31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,(111)硅单晶的氧化速率将比(100)稍快,但(111)的电荷堆积要多。在抛物线阶段,抛物线速率系数B不依赖于硅衬
15、底的晶向。对于(111)和(100)向,在抛物线阶段的氧化生长速率没有差别。第31页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺32压力效应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。高压强迫使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。此法可降低热预算: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。第32页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺33等离子增强给硅施以比等离子区低的偏压,这可使硅片收集等离子区内的电离氧。这种行为导致硅的快速氧化,并且允许氧
16、化物生长在低于600的温度下进行。这一技术带来的问题是产生颗粒、较高的膜应力以及比热生长氧化要差的膜质量。第33页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺34选择性氧化/局部氧化(局部氧化(LOCOS)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。传统的.25m工艺以上的器件隔离方法是硅的局部氧化。LOCOS-LOCalOxidationofSilicon第34页,此课件共69页哦第10章氧化10/6/2022集成电路工艺35鸟嘴效应BirdsBeakEffect在氧化时,当O2扩散穿越已生长的氧化物时,它是在各个方向上扩散的,纵向扩散的同时也横向扩
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 10 氧化 精选 PPT
限制150内