第4章--氧化

集成电路芯片制造实用技术第4章氧化工艺目录4.1概述4.2二氧化硅膜特性及应用4.3热氧化4.4二氧化硅膜制备方法4.5氧化工艺设备4.6实训：氧化设备操作入门4.1概述硅表面上总是覆盖一层二氧化硅（SiO2），即使是刚刚解理的硅，在室温下，只要在空气中，一暴露就会在表面上形成几个原子层的氧化膜。氧化膜相当致密，能阻止更多的氧原子通过它继续氧化。这种天然形成的氧化层厚度只能达到40Å左右。形成的二氧化硅不但能紧紧地依附在硅衬底上，而且具有极为稳定的化学特性和电绝缘特性。4.1.1氧化介质膜的基本结构本节将讨论氧化介质膜的基本结构模式，从而揭示其可以降低在其体内的某些化学元素的迁移速率的内在机理。随后，将简要地讨论热生长法制备氧化介质膜的常规工艺手段及其介质膜置备过程中的动力学模型，介绍对热生长氧化介质膜基本过程所进行的数学描述。4.1.1氧化介质膜的基本结构图4-1结晶型二氧化硅的二维结构示意图4-2非本征无定型二氧化硅二维结构图4-3充当网络改变剂元素的行为描述4.1.1氧化介质膜的基本结构在相同的条件下，杂质在硅材料中已达到预定的扩散深度时，而其在SiO2介质膜中仅迁移了极为有限的距离，远没有达到SiO2与Si的交界面（常描述为SiO2-Si）。杂质没有扩散通过（或称为穿透）覆盖在硅表面的二氧化硅介质膜，故在二氧化硅层保护下的区域则不会有杂质进入，二氧化硅在客观上确实起到了掩蔽杂质的作用。4.1.2氧化硅介质膜影响杂质迁移行为的内在机理4.2二氧化硅膜特性及应用4.2.1二氧化硅介质膜的主要性质1.二氧化硅的密度2．二氧化硅的折射率3．二氧化硅的电阻率4．二氧化硅的介电强度5．二氧化硅的介电常数6．二氧化硅的化学特性4.2.2氧化硅层的主要应用二氧化硅的重要应用可归结为以下几个方面：（1）表面钝化层（2）掺杂阻挡层（3）表面绝缘层（4）器件绝缘层4.2.2氧化硅层的主要应用图4-4作为掺杂阻挡层的二氧化硅4.2.2氧化硅层的主要应用图4-5作为绝缘层的二氧化硅层4.2.2氧化硅层的主要应用图4-6在MOS栅极中，二氧化硅作为场氧化4.2.2氧化硅层的主要应用图4-7在固态电容里的二氧化硅层4.3热氧化氧化反应是需要的能量，在硅技术里，这些能量来源于对晶圆的加热，所以被称为热氧化反应（ThermalOxidation）。二氧化硅层在常压或高压条件下生长。常压氧化发生在不必有意控制压力的系统中。有两种常压技术：炉管反应炉和快速氧化系统。4.3.1水平炉管反应炉4.3.1水平炉管反应炉水平炉管反应炉从20世纪60年代早期开始应用在氧化、扩散、热处理以及各种淀积工艺中。它最先被开发用在锗技术甲的扩散工艺中。直到如今一直被简单地称作扩散反应炉（DiffusionFurnaces）。更准确、更通用的词叫做炉管反应炉（Tubefurnace）。图4-8显示了一个有三个加热区的水平炉管反应炉的横截面图。它包含一个由多铝红柱石材料制成的陶瓷炉管，管的内表面有铜材料制成的加热管丝。每一段加热炉丝决定一个加热区并且由相应独立的电源供电，并由比例控制器控制其温度。反应炉最多可以有7个独立的加热区。在反应炉里有有个石英的炉管，它被用做氧化反应室。反应室可以在一个瓷套管里。瓷套管叫做套筒（Muffle）。它起到一个热接受器的作用，可以使得沿石英炉管的热分配比较均匀。4.3.1水平炉管反应炉氧化又称为热氧化，热氧化工艺的基本过程是利用高纯的氧气（O2）送入工艺腔，在高温下与圆片表面的硅（Si）发生化学反应，生成二氧化硅（SiO2）。热氧化过程需要消耗半导体基质内的Si，氧化反应从圆片表面开始逐层向内部推进。生长温度通常在900℃~1200℃之间。气体源是作为氧化剂的氧气（O2）、水蒸气（H2O）以及其他辅助气体氮气（N2）、氢气（H2）、氯气（Cl2）等，它们的选择配置取决于氧化方法和氧化层的性能要求。4.3.1水平炉管反应炉图4-8单炉管，三加热区的水平炉的截面图4.3.1水平炉管反应炉生产中的石英反应炉是一个由各种部件组成的集成系统（参见图4-9）。它们是：（1）反应室。（2）温度控制系统。（3）反应炉。（4）气体柜。（5）晶圆清洗站。（6）装片站。（7）工艺自动化。。4.3.1水平炉管反应炉图4-9炉管反应炉4.3.2垂直炉管反应炉水平炉在很长一段时期内占领了大量的市场：在它成为市场主流的30年间，大量的新工艺被开发和应用。可是，随着对污染更严格的控制和晶圆的直径越来越大，以及对生产率的要求限制了水平炉的进一步发展。对污染更严格的控制导致了悬挂系统的开发。随着晶圆越来越大，越来越重，悬挂系统也变得越来越大，越来越强。同时，大的晶圆直径要求大直径的炉管，这给维持中央区温度带来压力，仅有少数公司报告说自己的水平炉可以生产200mm或更大直径的晶圆。装载晶圆越多，炉管越长，对于洁净室来讲，设备的占地面积就越来越大。问题是大的占地面积要求更昂贵的洁净室投资。对于大直径的水平炉来讲，也会有相应的工艺问题。其中一个是如何保证气流是层流状态。层流状态（LaminarGasFlow）是均匀的，无气体分离，无产生不均匀反应的湍流。4.3.2垂直炉管反应炉这些考虑导致了垂直炉管反应炉的开发。有几种设计是可行的，并成为反应炉可选择的配置：在这种配置里，炉管被设计成垂直形态，如图4-17所示，从底部或顶部装载晶圆，但炉管材料和加热系统与水平炉一样。晶圆被装入标准的提篮中，升降到中央加热区。这个运动过程中不会使提篮碰到炉管内壁。在这种结构里，可以最大密度地装载晶圆到炉管里；另一个好处是晶圆可以在炉管里旋转，这可以使晶圆的温度更均匀。4.3.2垂直炉管反应炉图4-17垂直炉管反应炉4.3.3快速升温反应炉当晶圆尺寸变大，升温降温时间会增加成本并成为芯片厂的“瓶颈”。一种抵消时间增长的方法是确保最大批量：但这又会减慢流程，因为反应炉要等待更多批晶圆的到来。为了解决这个问题，引进了快速升温，小批量生产的反应炉，这就是大功率加热的小型水平炉。通常的反应炉每分钟升温几度，而快速升温炉可以每分钟升温十几度。小容量的缺陷可以由快速的反应时间来补偿。4.3.4快速加热工艺图4-18RTP的设计4.3.5高压氧化热预算问题推动了高压氧化的发展。晶圆中错位的生长和在晶圆表面层中开口的边缘是由于氢产生的错位高温氧化的两个问题。在第一个情况下，错位造成了器件的各种问题；在第二个情况下，表面错位引起漏电或双极型电路硅生长层的退化。4.3.5高压氧化图4-22鸟嘴的生长：（a）无预刻蚀；（b）1000Å顶刻蚀；（c）2000预刻蚀Å4.3.5高压氧化晶圆进入记录并记录刻蚀装载舟氧化循环1-2-3装载氧化舟卸载氧化舟评估氧化记录转移图4-23氧化工艺流程4.3.5高压氧化影响硅表面氧化速率的三个关键因素为：温度、氧化剂的有效性、硅层的表面势。4.4二氧化硅膜制备方法4.4.1干氧氧化法4.4.2硅的水蒸汽氧化4.4.3湿氧氧化法4.4.4干－湿－干氧化法4.4.5氢氧合成氧化法4.4.6高压氧化法4.4.7氧化膜质量评价4.4.1干氧氧化法干氧氧化的氧化层生长机理是：高温下氧分子与硅原子反应在硅片表面形成二氧化硅薄膜。要求圆片置于完全干燥的氧气中，分子氧（O2）作为氧化剂，与硅（Si）发生化学反应生成二氧化硅（SiO2）。该方法适合于薄氧化层的生长，氧化层的缺陷和界面态密度低，致密度、均匀性好，常用于制作MOSFET的栅氧化层。Si+O2→SiO2（4-7）4.4.2硅的水蒸汽氧化水汽氧化法生长氧化层的机理是：高温下水分子与硅原子反应生成二氧化硅层，反应方程式为：Si+2H2O→SiO2+2H2↑（4-8）这种氧化法虽然开始反应后在硅表面形成的二氧化硅阻挡了水分子与下面的硅原子的直接反应，但由于反应的产物有氢气，氢气的逸出使二氧化硅层质地变得疏松，利于水分子扩散至二氧化硅-硅的界面处继续与硅作用生成二氧化硅，因此这种方法生长速率最快，缺点是生长的二氧化硅层结构疏松，表面缺陷多，对杂质的阻挡能力差。4.4.3湿氧氧化法湿氧氧化用水蒸气（H2O）代替氧气作为氧化剂，与硅（Si）发生化学反应生成二氧化硅（SiO2）和氢气（H2）。热氧化过程任何引入水蒸气的情况均被认为是湿氧氧化。湿氧氧化的生长速率高，但获得的二氧化硅薄膜由于内部存在氢分子而变得比较疏松。这种氧化膜常用作掺杂掩蔽层、场氧化层等。4.4.4干－湿－干氧化法干湿干氧化法工艺步骤为：（1）当水浴温度和氧化炉温达到条件后，先通干氧排除石英管内的空气，并恒定炉温。（2）装片后通干氧10分钟左右。（3）再通湿氧40分钟。（4）通干氧5～10分钟。（5）取片检测。4.4.4干－湿－干氧化法氧化炉加热器石英舟石英管三通阀滤气球电炉O2硅片氧化炉加热器石英舟石英管三通阀滤气球电炉O2硅片图4-25热氧化设备示意图4.4.5氢氧合成氧化法氢氧合成氧化：它是指在常压下，将高纯氢气和氧气通入氧化炉内，使之在一定温度下燃烧生成水，水在高温下汽化，然后水汽与硅反应生成SiO2。氢与氧的化学反应方程式为：2H2＋O2→2H2O（4-9）4.4.6高压氧化法在高压氧化过程中，氧化剂气体以高于大气压10倍～20倍的压力送入密封的工艺腔。与常压比较，高压下气相氧化剂运动到硅表面的速度加快，同时高压下氧原子更快地穿越正在生长的氧化层，使氧化层的生长速率增大。所以高压氧化能在较低温度下仍然保持一定的氧化速率，或者在相同的温度下获得更快的氧化速率。高压氧化对于系统的要求较高，具有较低的生长温度和缩短氧化时间的优点，氧化层质量好，可用于生长栅氧化层和场氧化层。4.4.7氧化膜质量评价1．氧化层的电荷2．氧化层的厚度和密度3．氧化层的缺陷4．热应力4.5氧化工艺设备氧化炉有水平炉和垂直炉两种。一般6in以下用水平氧化炉，6in以上用垂直炉。其原因是，硅片直径越大，厚度就越厚，质量也越大，既要满足硅片在高温加工过程中受到的热应力均匀而不至于变形，又要满足炉内气流的均匀性及硅片片内和片间的氧化膜厚度的均匀性，这些都是水平炉的欠缺之处，但恰是垂直炉的长处所在。4.5.1水平氧化炉水平氧化炉由护体、石英炉管、气体控制系统、温度控制系统等组成。其外形与扩散炉相似。4.5.2垂直氧化炉图4-27垂直氧化炉的外形（TEI858）图4-28垂直氧化炉的结构4.5.2垂直氧化炉（1）垂直氧化炉结构。（2）加热器。（3）石英炉管。（4）温度控制。（5）气体控制系统。4.6实训：氧化设备操作入门4.6.1干氧氧化程序表4-3干氧氧化程序状态时间（min）气氛流量（L/min）温度（oC）舟进10N29700稳定20N29700升温30N29900稳定10N29900干氧40N29900降温50N29700舟出10N297004.6.2湿氧氧化程序表4-4湿氧氧化程序状态时间（min）气氛流量（L/min）温度（oC）舟进10N2/O26/0.6700稳定20N2/O26/0.6700升温30N2/O26/0.6900稳定15O27900湿氧20H2/O29.1/6.5900干氧15O27900降温70N26700舟出25N267004.6.3氧化炉和扩散炉设备的故障及解决办法（1）进出舟不动（2）面板无温度显示（3）真空炉真空抽不上4.6.4氧化膜质量评估（1）氧化膜厚度要求（2）氧化膜厚度测量（3）氧化膜缺陷（4）氧化膜质量检测设备