集成电路工艺第二章：氧化精选文档.ppt

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1、集成电路工艺第二章：氧化本讲稿第一页，共三十四页氧化工艺目的：氧化工艺目的：在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。氧化氧化是硅基集成电路的基础工艺之一是硅基集成电路的基础工艺之一本讲稿第二页，共三十四页 氧化原理氧化原理硅热氧化的概念：硅热氧化的概念：硅热氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化硅热氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化学反应，并在硅片表面生长氧化硅的过程。学反应，并在硅片表面生长氧化硅的过程。热氧化分为干氧、湿氧、水汽氧化，其化学反应式：热氧化分为干氧、湿氧、水

2、汽氧化，其化学反应式：干氧氧化：干氧氧化：SiO2 SiO2 湿氧氧化：湿氧氧化：Si H2O O2 SiO2+H2 水汽氧化：水汽氧化：Si H2O SiO2 H2 硅的氧化温度：硅的氧化温度：750 1100本讲稿第三页，共三十四页加热器本讲稿第四页，共三十四页氧化过程氧化过程氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达Si与与Si02界面同界面同Si发生反应，发生反应，其过程如下：其过程如下：1、氧化剂扩散穿过滞留层达到、氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2 表面，其流密度为表面，其流密度为F1。2、氧化剂扩散穿过、氧化剂扩散穿过SiO2 层达到层达到SiO2-S

3、i界面，流密度为界面，流密度为F2。3、氧化剂在、氧化剂在Si 表面与表面与Si 反应生成反应生成SiO2，流密度为，流密度为F3。4、反应的副产物离开界面。、反应的副产物离开界面。本讲稿第五页，共三十四页氧化物生长速率氧化物生长速率氧化层生长第一阶段（氧化层生长第一阶段（150）线性：）线性：氧化层生长第二阶段（氧化层生长第二阶段（150）抛物线生长阶段：抛物线生长阶段：其中其中X为氧化层厚度为氧化层厚度B/A为线性速率系数、为线性速率系数、B为抛物线速率系数为抛物线速率系数t为生长时间为生长时间B/A和和B与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因素与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因素有关。有关。

4、本讲稿第六页，共三十四页氧化物生长曲线氧化物生长曲线本讲稿第七页，共三十四页影响二氧化硅生长的因影响二氧化硅生长的因素素氧化温度：氧化温度：氧化时间：氧化时间：掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快硅片晶向硅片晶向：硅单晶的氧化速率比硅单晶的氧化速率比稍快稍快反应室的压力：压力越高氧化速率越快反应室的压力：压力越高氧化速率越快氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快本讲稿第八页，共三十四页常规氧化工艺常规氧化工艺硅片清洗硅片清洗（除去硅片上的各种沾污）（除去硅片上的各种沾污）进片进片/出片出片（进出（进出850温区的速度

5、：温区的速度：5cm/分）分）质量检查质量检查（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可动电荷（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可动电荷的检测）的检测）SiO2厚度厚度大约大约600nm左右左右 常规氧化程序曲线常规氧化程序曲线常规氧化程序曲线常规氧化程序曲线本讲稿第九页，共三十四页常规氧化工艺常规氧化工艺湿氧氧化湿氧氧化 水汽产生装置水汽产生装置本讲稿第十页，共三十四页氢氧合成氧化工艺氢氧合成氧化工艺氢氧合成产生水分子代替去离子水加热产生水分子氢氧合成产生水分子代替去离子水加热产生水分子氢氧合成的化学反应方程式：氢氧合成的化学反应方程式：2H2 O2=2H2O（氢氧合成温度（氢氧合成温度750）氢

6、氧合成工艺中，特别注意氢氧合成工艺中，特别注意H2与与O2的流量比！的流量比！本讲稿第十一页，共三十四页热生长热生长SiO2 Si 系统中的实际电荷情况系统中的实际电荷情况热生长热生长SiO2 Si 系统系统本讲稿第十二页，共三十四页在实际的在实际的SiO2 Si 系统中，存在四种电荷：系统中，存在四种电荷：1.可动电荷：可动电荷：指指Na、K离子，来源于工艺中的化学试剂、离子，来源于工艺中的化学试剂、器皿和各种沾污等。器皿和各种沾污等。2.固定电荷：指位于固定电荷：指位于SiO2 Si 界面界面2nm以内的过剩硅以内的过剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。离子，可采用掺氯氧化降低。3.界面态：指界

7、面陷阱电荷界面态：指界面陷阱电荷(缺陷、悬挂键），可以采缺陷、悬挂键），可以采用氢气退火降低。用氢气退火降低。4.陷阱电荷：由辐射产生。陷阱电荷：由辐射产生。热生长热生长SiO2 Si 系统系统本讲稿第十三页，共三十四页在氧化工艺中，通常在氧化系统中通入少量的在氧化工艺中，通常在氧化系统中通入少量的HCl气气体（浓度在体（浓度在3以下）以改善以下）以改善SiO2的质量。其优点：的质量。其优点：1、氯离子进入、氯离子进入SiO2Si界面与正电荷中和以减少界面处界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累的电荷积累 2、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子

8、沾污污掺氯氧化工艺掺氯氧化工艺本讲稿第十四页，共三十四页不掺氯热氧化层不掺氯热氧化层 1.可动电荷（主要是可动电荷（主要是Na离子）密度：离子）密度：3101211013/cm2 2.固定电荷密度：固定电荷密度：11012/cm2掺氯热氧化层掺氯热氧化层 1.可动电荷（主要是可动电荷（主要是Na离子）密度：离子）密度：2101011011/cm2 2.固定电荷密度：固定电荷密度：（13）1011/cm2不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比本讲稿第十五页，共三十四页氧化消耗硅氧化消耗硅 氧化前氧化前 氧化后氧化后 氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的氧化消耗硅的厚度是二氧

9、化硅厚度的45左右左右本讲稿第十六页，共三十四页选择性氧化：常用于硅的局部场氧化选择性氧化：常用于硅的局部场氧化LOCOS （LOCal Oxidation of Silicon）氧化前氧化前氧化后氧化后本讲稿第十七页，共三十四页三种热氧化层质量对比三种热氧化层质量对比质质量量氧化氧化水温水温氧化氧化速率速率均匀性均匀性重复性重复性结构结构掩蔽性掩蔽性干氧干氧氧化氧化慢慢好好致密致密好好湿氧湿氧氧化氧化95 快快较好较好适中适中基本基本满足满足水汽水汽氧化氧化102 最快最快差差疏松疏松较差较差本讲稿第十八页，共三十四页1.结构及质量：结构及质量：热生长的比沉积的结构致密，热生长的比沉积的结构

10、致密，质量质量 好。好。2.成膜温度：成膜温度：热生长的比沉积的温度高。热生长的比沉积的温度高。可在可在400获得沉积氧化层，在第一层金属布线形成完进行，获得沉积氧化层，在第一层金属布线形成完进行，做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。3.硅消耗：硅消耗：热生长的消耗硅，沉积的不消耗硅。热生长的消耗硅，沉积的不消耗硅。热生长氧化层与沉积氧热生长氧化层与沉积氧化层的区别化层的区别本讲稿第十九页，共三十四页 SiO2层的质量检查层的质量检查氧化层表面缺陷的检查氧化层表面缺陷的检查 目检和使用目检和使用100倍倍500倍的显微镜检查倍的显微镜检查氧化层厚度及其均匀性

11、的测量氧化层厚度及其均匀性的测量 利用光学干涉原理使用膜厚仪、椭偏仪等仪器测量利用光学干涉原理使用膜厚仪、椭偏仪等仪器测量氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量 使用使用CV测试仪检测测试仪检测本讲稿第二十页，共三十四页 通过颜色的不同可估算通过颜色的不同可估算SiO2 层厚度层厚度本讲稿第二十一页，共三十四页SiO2结构、性质和用途结构、性质和用途SiO2的原子结构：的原子结构：属于非晶体、无定形结构，属于非晶体、无定形结构，Si-O 四面体在空四面体在空间无规则排列。间无规则排列。本讲稿第二十二页，共三十四页物理性质物理性质SiSiO2比重（比重（g/

12、cm3）2.232.20禁带宽度（禁带宽度（eV）1.12 8相对介电常数相对介电常数11.73.9熔点（熔点（）14171700热导（热导（W/cm.k）1.50.01击穿场强（击穿场强（V/cm）3 1056 106 SiO2的物的物理性质理性质本讲稿第二十三页，共三十四页SiO2的化学性质的化学性质 无论是结晶型或无定型的二氧化硅，都有很高的化学稳定性，它不溶于水，只能和氢氟酸发生化学反应。在高温下，能使活泼的金属或非金属还原。本讲稿第二十四页，共三十四页SiO2在集成电路中的用途在集成电路中的用途1.栅氧层：栅氧层：做做MOS结构的电介质层（热生长）结构的电介质层（热生长）2.场氧层：

13、场氧层：限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉积）限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉积）3.保护层：保护层：保护器件以免划伤和离子沾污（热生长）保护器件以免划伤和离子沾污（热生长）4.注入阻挡层：注入阻挡层：局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂（热生长）（热生长）5.垫氧层：垫氧层：减小氮化硅与硅之间应力（热生长）减小氮化硅与硅之间应力（热生长）6.注入缓冲层：注入缓冲层：减小离子注入损伤及沟道效应（热生长）减小离子注入损伤及沟道效应（热生长）7.层间介质：层间介质：用于导电金属之间的绝缘（沉积）用于导电金属之间的绝缘（沉积）本讲稿第二十五页，共三十四页氧化层应用的

14、典型厚度氧化层应用的典型厚度本讲稿第二十六页，共三十四页高温炉设备卧式炉立式炉快速热处理（RTP）。单片本讲稿第二十七页，共三十四页氧化设备氧化设备卧式高温炉卧式高温炉本讲稿第二十八页，共三十四页本讲稿第二十九页，共三十四页立式炉系统立式炉系统本讲稿第三十页，共三十四页高温炉的组成高温炉的组成1、工艺腔、工艺腔2、硅片传输系统、硅片传输系统3、气体分配系统、气体分配系统4、温控系统、温控系统5、尾气系统、尾气系统本讲稿第三十一页，共三十四页快速热处理快速热处理快速热处理（快速热处理（RTP）是在非常短的时间内是在非常短的时间内（经常是几分之一秒）将单个硅片加热至（经常是几分之一秒）将单个硅片加

15、热至4001300温度范围的过程。温度范围的过程。RTP的优点的优点：1.减少热预算减少热预算 2.硅中杂质运动最小硅中杂质运动最小 3.冷壁加热减少沾污冷壁加热减少沾污 4.腔体小气氛洁净腔体小气氛洁净 5.更短的加工时间更短的加工时间本讲稿第三十二页，共三十四页RTP的应用的应用 1.注入退火以减小注入损伤和杂质电激活注入退火以减小注入损伤和杂质电激活 2.沉积氧化膜增密沉积氧化膜增密 3.硼磷硅玻璃（硼磷硅玻璃（BPSG）回流）回流 4.阻挡层退火（如阻挡层退火（如TiN）5.硅化物形成（如硅化物形成（如TiSi2）6.接触合金接触合金本讲稿第三十三页，共三十四页谢谢！谢谢！本讲稿第三十四页，共三十四页