半导体工艺4

1第十章第十章氧化氧化热生长氧化物热生长氧化物2主要内容主要内容1.1.描述半导体制造中氧化膜，包括它的原子结描述半导体制造中氧化膜，包括它的原子结构、用途及优点构、用途及优点。。2.2.描述氧化的化学反应以及如何在硅上生长氧描述氧化的化学反应以及如何在硅上生长氧化物及其简单计算化物及其简单计算。。3.3.解释选择性氧化并给出两个实例解释选择性氧化并给出两个实例。。44*.*.介绍三种热氧化工艺设备，描述立体炉的五介绍三种热氧化工艺设备，描述立体炉的五个部分，并讨论快速升温立式炉的优点个部分，并讨论快速升温立式炉的优点。。5.5.解释什么是快速热处理解释什么是快速热处理。。310.1引言DiffusionAreaTest/SortThinFilmsImplantDiffusionEtchPolishPhotoompletedwaferWaferfabrication(front-end)UnpatternedwaferWaferstart41、物理性质性质SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁带宽度（eV）1.12~8介电常数11.73.9熔点（℃）14171700热导率（W/cm.k）1.50.01击穿电场（V/cm）3χ1056χ10610.210.2氧化膜氧化膜的特点及应用的特点及应用5氧化膜的作用氧化膜的作用„„①①★★保护器件和隔离：保护器件和隔离：SiOSiO22坚硬和坚硬和无孔。隔离：无孔。隔离：LOCOSLOCOS工艺和工艺和STISTI工工艺，艺，典型场氧厚度典型场氧厚度：：25002500--1500015000Åń„②②表面钝化表面钝化SurfaceSurfacePassivationPassivation：：„„⑴⑴束缚硅的悬挂键，易于加工束缚硅的悬挂键，易于加工„„⑵⑵防止金属层充电，（场氧）防止金属层充电，（场氧）„„⑶⑶SiOSiO22热膨胀系数接近热膨胀系数接近Si,Si,避免氧避免氧化膜从硅片上脱落化膜从硅片上脱落6„„③③栅氧或储存器中介质栅氧或储存器中介质典型栅氧厚典型栅氧厚度：度：0.18um200.18um20±±1.51.5ÅÅ栅氧栅氧::极好的膜厚均匀性、无杂质极好的膜厚均匀性、无杂质„„④④注入掩蔽注入掩蔽DopantDopantBarrierBarrier„„⑴⑴厚：厚：离子阻挡，离子阻挡，„„⑵⑵薄：注入穿透，不损伤薄：注入穿透，不损伤SiSi表面表面„„⑤⑤金属层间介质金属层间介质DielectricDielectric7SiliconOxygenFigure10.2二氧化硅的原子结构二氧化硅的原子结构8FieldOxideLayerp+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellFieldoxideisolatesactiveregionsfromeachother.Figure10.3„2500-15000Å氧化层的应用9GateOxideDielectricGateOxidep+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellp-wellPolysilicongateFigure10.410OxideLayerDopantBarrierPhosphorusimplantp+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellBarrieroxide磷、硼、砷、锑等杂质在SiO2中扩散慢，而Al、镓等相反，在SiO2快，不能用SiO2作掩蔽Figure10.511NativeOxidePurpose:Thisoxideisacontaminantandgenerallyundesirable.Sometimesusedinmemorystorageorfilmpassivation.Comments:Growthrateatroomtemperatureis15Åperhouruptoabout40Å.p+SiliconsubstrateSilicondioxide(oxide)Table10.1A12FieldOxidePurpose:Servesasanisolationbarrierbetweenindividualtransistorstoisolatethemfromeachother.Comments:Commonfieldoxidethicknessrangefrom2,500Åto15,000Å.Wetoxidationisthepreferredmethod.FieldoxideTransistorsitep+SiliconsubstrateTable10.1B13GateOxidePurpose:Servesasadielectricbetweenthegateandsource-drainpartsofMOStransistor.Comments:Growthrateatroomtemperatureis15Åperhouruptoabout40Å.Commongateoxidefilmthicknessrangefromabout30Åto500Å.Dryoxidationisthepreferredmethod.GateoxideTransistorsitep+SiliconsubstrateSourceDrainGateTable10.1C14BarrierOxidePurpose:Protectactivedevicesandsiliconfromfollow-onprocessing.Comments:ThermallygrowntoseveralhundredAngstromsthickness.BarrieroxideDiffusedresistorsMetalp+SiliconsubstrateTable10.1D15DopantBarrierPurpose:Maskingmaterialwhenimplantingdopantintowafer.Example:Spaceroxideusedduringtheimplantofdopantintothesourceanddrainregions.Comments:Dopantsdiffuseintounmaskedareasofsiliconbyselectivediffusion.DopantbarrierspaceroxideIonimplantationGateSpaceroxideprotectsnarrowchannelfromhigh-energyimplantTable10.1E16PadOxidePurpose:ProvidesstressreductionforSi3N4Comments:Thermallygrownandverythin.PassivationLayerILD-4ILD-5M-3M-4PadoxideBondingpadmetalNitrideTable10.1F17ImplantScreenOxidePurpose:Sometimesreferredtoas“sacrificialoxide”,screenoxide,isusedtoreduceimplantchannelinganddamage.Assistscreationofshallowjunctions.Comments:ThermallygrownIonimplantationScreenoxideHighdamagetoupperSisurface+morechannelingLowdamagetoupperSisurface+lesschannelingp+SiliconsubstrateTable10.1G18PassivationlayerILD-4ILD-5M-3M-4InterlayeroxideBondingpadmetalInsulatingBarrierbetweenMetalLayersPurpose:Servesasprotectivelayerbetweenmetallines.Comments:Thisoxideisnotthermallygrown,butisdeposited.Table10.1H1910.310.3二氧化硅的热氧化生长二氧化硅的热氧化生长„„ChemicalReactionforOxidationChemicalReactionforOxidation„„DryoxidationDryoxidation干氧干氧„„WetoxidationWetoxidation湿氧湿氧„„反应式不同、速度不同、质反应式不同、速度不同、质量不同量不同„„OxidationGrowthModelOxidationGrowthModel20„„氧化过程对氧化过程对SiSi的消耗的消耗1:0.441:0.44„„OxidesiliconinterfaceOxidesiliconinterface„„氯化物的使用：中和界面处的电荷堆积氯化物的使用：中和界面处的电荷堆积„„RateofoxidegrowthRateofoxidegrowth：：byby：：Deal&GroveDeal&Grove„„线性段－抛物段模型：线性段－抛物段模型：XX氧化物厚度、氧化物厚度、（（B/AB/A）线性速率系数、）线性速率系数、BB抛物线速抛物线速率系数，率系数，tt生长时间生长时间BXtA⎛⎞=⎜⎟⎝⎠()12XBt=2122231、氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2表面，其流密度为F1；2、氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2-Si界面，流密度为F2；3、氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度为F3；4、反应的副产物离开界面。**热氧化机制（也称为生长动力学）热氧化机制（也称为生长动力学）一、热氧化过程24氧化过程可分为三个步骤：1、氧化剂从主气流穿过附面层扩散到SiO2表面。2、氧化剂从SiO2表面扩散到SiO2/Si界面上。3、氧化剂到达SiO2/Si界面后同Si发生化学反应。25在氧化初期，x0极薄，SiO2的生长由控制，此时膜厚与时间成正比，，称为线性生长阶段。Sktx∝0)(0τ+=tABx26之后是抛物线区}100200300400500Oxidationtime(minutes)4,000Å2,000Å3,000Å1,000ÅOxidationthicknessApproximatelinearregion()12XBt=27„„影响氧化层生长的因素影响氧化层生长的因素„„掺杂浓度掺杂浓度„„晶向晶向（（111111））（（100100））1.681.68倍倍„„压力、等离子增强压力、等离子增强„„初始生长阶段初始生长阶段„„DealDeal－－GroveGrove：：没有精确模型没有精确模型„„SelectiveoxidationSelectiveoxidation„„LOCOSLOCOS„„STISTI28干氧和湿氧的比较ƒ一般区别:1,生长的反应式不同:a,DryOxidationSi(s)+O2(g)------SiO2(s)ƒb,WetOxidationƒSi(s)+2H2O(g)----SiO2(s)+2H2(g)2,ƒ2.反应所需温度不同Wet方式稍低于Dry方式3,生长速度不同Dry方式比较慢,一般用于1000A以下.4,膜的质量不同DryOxide膜质量优于Wet方式(致密性,均匀性等)ƒ5,应用的膜层不同对MOS来讲Dry方式常用于比较关键的GateOxide,Wet方式常用于非关键的电阻隔离或作为掩膜层.ƒ6.厚的氧化层采用:Dry－Wet－Dry的顺序29常规热氧化1.三种氧化速度均匀重复性结构掩蔽性水温干氧：慢好致密好湿氧：快较好中基本满足95℃水汽：最快差疏松较差102℃30热氧化过程中硅中杂质的再分布吸硼排磷a硼（慢）b硼（快）c磷（慢）d镓（快）31§§高温氧化（热氧化）高温氧化（热氧化）高