第04章-硅的氧化

微电子工艺第四章硅的氧化第一章引言第二章晶体生长第三章工艺中的气体、化试、水、环境和硅片的清洗第四章硅的氧化第五章光刻第六章刻蚀第七章扩散第八章离子注入第九章薄膜淀积第十章工艺集成第十一章集成电路制造硅片制造厂的氧化扩散区测试/拣选薄膜注入氧化扩散刻蚀抛光光刻完成的硅片硅片制造(前端)无图形硅片硅片起始氧化膜•自然氧化膜•氧化膜的用途–掺杂工艺中的扩散和注入掩蔽层–场区隔离（避免产生寄生器件）–栅氧化层（作为MOS器件结构的一部分）–垫氧化层（作为氮化硅与硅之间的介质，减小应力差）–金属层之间的隔离介质层–器件的保护层（表面钝化，避免划伤和沾污）氧化硅的应用:自然氧化层Purpose:这种氧化硅是沾污并且通常是不希望的。有时用于存储器存储或膜的钝化Comments:室温下生长速率是每小时15到最大40Å.p+硅衬底二氧化硅（氧化硅）氧化硅的应用:掺杂阻挡层Purpose:作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料Comments:通过选择性扩散掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区域掺杂阻挡侧墙离子注入Gate侧墙保护窄沟道免遭高能注入氧化硅的应用:注入屏蔽氧化层Purpose:有时也叫“sacrificialoxide”,用于减小注入沟道和损伤Comments:热生长离子注入屏蔽氧化层硅上表面大的损伤+更强的沟道效应硅上表面小的损伤+更弱的沟道效应p+硅衬底氧化硅的应用:场氧化层Purpose:用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此隔离Comments:通常场氧化膜厚度从2,500Å到15,000Å.湿氧氧化是优选的选择场氧化层晶体管的位置p+衬底氧化硅的应用:栅氧化Purpose:用作MOS晶体管栅和源漏之间的介质Comments:通常栅氧化膜厚度从大约30Å到500Å.干法氧化是优选的生长方法。栅氧化晶体管位置p+硅衬底源漏栅氧化硅的应用:垫氧化层Purpose:做Si3N4缓冲层以减小应力Comments:热生长并非常薄PassivationLayerILD-4ILD-5M-3M-4PadoxideBondingpadmetalNitride钝化层ILD-4ILD-5M-3M-4层间氧化层压点金属氧化硅的应用:金属间绝缘阻挡层Purpose:用作金属层间的介质隔离Comments:不是热生长，而是沉积上的.各种要求下的氧化层厚度范围半导体应用典型的氧化层厚度,Å栅氧(0.18mgeneration)20–60电容介质5–100掺杂掩蔽氧化层400–1,200(依赖掺杂剂、注入能量、时间和温度)浅槽隔离STI氧化物150LOCOS局部氧化垫氧200–500场氧2,500–15,000SiO2的结构按结构特点分为–结晶型(crystalline)：石英，水晶等–非晶型（无定型amorphous）由Si－O四面体组成四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子四面体之间由Si-O-Si连接与两个硅连接的氧原子称为桥键氧或氧桥0.262nm0.262nm0.162nmOSi非桥联氧桥联氧结构水晶二氧化硅含杂质的SiO2结构热氧化生长，水存在的情况：Si:O:SiSi:O:H+H:O:Si掺杂杂质：取代Si的位置，网络形成体（B，P）占据间隙位置，网络变性体（金属原子Na,K）热氧化生长•关于氧化的化学反应–干氧氧化–水汽氧化–湿氧氧化•氧化生长模式–氧化硅表面–氯化物在氧化中的应用–氧化的生长速率–影响氧化的因素–初始生长阶段–选择性氧化•局部氧化LOCOS•浅槽隔离STI氧化反应方程式（Overallreaction）这两种反应都在700ºC～1200ºC之间进行水汽氧化比干氧氧化反应速率约高10倍Si(s)+O2(g)SiO2(s)Si(s)+2H2O(g)SiO2(s)+2H2(g)干氧氧化（Dryoxidation)水汽氧化（Steamoxidation）湿氧（Wet）氧化水汽法氧化HClN2O2H2气体仪表板高温炉燃烧室洗涤室尾气在氧化中硅的消耗x0.56x0.44x氧化前氧化后穿过氧化层的氧扩散SiSiO2O2SiO2/Si表面O2/SiO2表面供应到反应表面的氧Deal－Grove模型－硅的热氧化模型•Deal－Grove模型（线性－抛物线模型）•适用于：–氧化温度700～1200oC；–压强0.1~25个大气压；–氧化层厚度为20～2000nm的水汽和干法氧化Deal-Grove模型F1：气体输运流量F2：通过SiO2的扩散流量F3：在界面处的反应流量F:number/(cm2-s)C：number/cm3CG：气相区氧化剂浓度；CS：氧化物外表面氧化剂浓度；CO：氧化物内表面氧化剂浓度；CI：氧化物生长界面氧化剂浓度CsCoF1：从气相区到硅片氧化层表面的氧分子流密度)(1SGgCChFhg：质量输运系数，cm/sC：气流浓度，分子数/cm3F：气流密度，分子数/(cm2-s)可求得)()(1HkTCChkTPChFOGgSGg令h=hg/HkT，C*=HkTCG=HPG，则)(*1OCChF1、理想气体方程：PSV＝NkT，所以SOHPC2、亨利定律：固体中溶解的气体物质的平衡浓度与固体表面该处气体物质的压强成正比：CS＝N/V=PS/kTF3：通过Si/SiO2界面产生化学反应的氧分子流密度IsCkF3ks：界面反应速率，cm/sF2：从氧化物层表面扩散到Si/SiO2界面的氧分子流密度xCCDFIO2根据费克Fick第一定律，有假设：稳态过程，氧化剂通过SiO2没有损耗D：氧化剂在SiO2中的扩散系数，cm2/s在稳态条件下，应有321FFF)(11**ssssIkhDxkCDxkhkCCxCI=C*C*CsCgSiO2SixCI=0C*CsCgSiO2Siksx/D1时，反应速率控制ksx/D1时，扩散控制ksx/D1时，氧化从线性过渡到抛物线若N1是指形成单位体积（cm3）SiO2所需要的氧化剂分子数即对于O2氧化，N1＝2.2×1022cm-3对于H2O氧化，N1＝4.4×1022cm-3求得生长速率令B＝2DC*/N1，A=2D(1/ks+1/h)（h特别大，忽略了1/h项）则B/AC*ks/N1，有tABxxBxx/0202DxkhkNCkdtdxNFRSSS11*1tSxxSSdtCkdxDxkhkN0*101为了讨论方便，上式改写为tABxBx/2B＝2DC*/N1——抛物线速率常数，表示氧化剂扩散流F2的贡献B/AC*ks/N1——线性速率常数，表示界面反应流F3的贡献式中BAxx02014/122BAtAx)(2tBx)(tABx薄氧化硅时，线性速率常数B/A两种极限情况厚氧化硅时，抛物线速率常数Bxoxtτ实验法提取B和B/A的值有实验值可供使用。tABxBx/2AxtBxD-G模型的计算值：干O2气氛中的热氧化，100~200nm常用。800-1200ºC,1atm,0.1m/hr高密度栅氧化等x0＝0D-G模型的计算值：H2O气氛中的热氧化，100~200nm常用。700-1100ºC,25atm,1m/hr疏松，扩散阻挡能力较差刻蚀掩膜和场氧化x0＝0D－G模型小结适用条件：1.平坦、无图形的平面硅的氧化2.轻掺杂硅的氧化3.单一O2或H2O的氧化4.初始氧化硅的厚度大于20nmB/A被称为线性速率系数；B被称为抛物线速率系数薄氧化层1.D－G模型在薄氧化层范围内不适用。2.在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。3.由于薄氧化阶段的特殊存在，D－G模型需要用τ来修正。对于薄热干氧化，G-D模型无法准确描述，实验表明在20nm之内的热氧化生长速度和厚度比G-D模型大的多。薄氧化的模拟23nmD-G(τ=0)D-G(τ=40hr)计算在120分钟内，920℃水汽氧化过程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000埃的氧化层。影响氧化速率的因素1.温度：氧化速率随温度升高而增大。2.气氛：适量掺氯气氛可以增加氧化速率。3.氧化剂分压：氧化速率与氧化剂分压成正比。4.硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。5.硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)R(110)R(100)。线性速率常数B/A随温度的变化温度的影响抛物线速率常数B随温度的变化温度的影响温度的影响分析1.对于线性速率常数B/A，温度的影响则主要是通过反应速率常数Ks体现的。具体表现在干氧和湿氧具有相同的激活能，这是因为干氧和水汽氧化本质上都是硅－硅键的断裂，具有相同的激活能。2.对于抛物线速率常数B，温度的影响是通过扩散系数D体现的。具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激活能不一样。1112()2sggADkhDHPBN氯对氧化速率的影响掺氯能增大B/A和B。Si-O键能4.25eV,Si-Cl键能0.5eV,Cl2先与S反应生成氯硅化合物，然后再与氧反应生成SiO2，起催化作用。氯气氛的影响分析在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：钝化可动离子，特别是钠离子，清洁氧化层；增加硅中少数载流子的寿命；减少SiO2中的缺陷，提高了抗击穿能力；Cl-可以中和界面的电荷堆积,降低界面态密度和固定电荷密度；减少硅中的堆积层错氧化速率常数随温度和压强的关系氧化剂分压的影响分析1.A与氧化剂分压无关，而B与氧化剂分压成正比。2.通过改变氧化剂分压可以达到调整SiO2生长速率的目的，因此出现了高压氧化和低压氧化技术。1112()2sggADkhDHPBN1NPHkABGS12NDHPBG实验表明：对于H2O氧化，氧化硅生长速率正比于PG；对于O2的氧化，无法完全用线性关系描述。压强对氧化速率的影响1.如果要达到给定的氧化速率，增加气压，则氧化温度可以降低2.如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度，增加气压，则氧化时间可以减少。掺杂对氧化速率的影响900C时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化。反应速率限制情况。n＋：反应速率限制，B/A起主要作用，氧化速率取决于硅表面的掺杂浓度掺杂的影响分析硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。1.对于硼来说，氧化过程中大量的硼进入到SiO2中，破坏了SiO2的结构，从而使氧化剂在SiO2中的扩散能力增强，因此增加氧化速率。2.对于磷来说，虽然进入SiO2的磷不多，但在高浓度时，高浓度磷掺杂会改变硅的费米能级，使硅表面空位增多（存在争议），从而提供了额外的氧化点，增加了氧化速率。（100）Si，inH2Oat900Cfor30min衬底晶向对氧化速率的影响衬底晶向对氧化速率影响的原因B与晶向无关（B/A)111=1.68（B/A)100)/exp(0kTEkkassks0是常数，与单位晶面上能与氧化剂反应的硅价键数成正比。1112()2sggADkhDHPBN晶向对氧化速率的影响1.化学反应速率常数ks与晶向有关。因此线性速率常数B/A与晶向有关。2.在适当温度下，（B/A)111=1.68（B/A)100（B/A)110=1.45（B/A)1003.抛物线速率常数B与晶向无关。4.高温长时间氧化，抛物线速率常数B起主要作用，晶向影响减弱。1112()2sggADkhDHPBN2D热氧化在转角处，受到热氧化时体积膨胀的限制，2D热氧化不同于平面的热氧化。1.氧化硅在凸角和凹角处均比平坦处薄。2.凹角比凸角影响更大。3.氧化滞后与转角的曲率半径r相关：r越小，滞后越严重。4.低温下氧化滞后更严重。1200C未见滞后。2D热氧化的影响线性速率常数B/A抛物线速率常数B氧化气压（水汽氧化）随氧气气压呈线性随氧化气压呈线性氧化气压（干氧化）随氧气气压呈亚线性随氧化气压呈线性水汽氧化和