VLSI-06第六讲-氧化(上)

INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)1集成电路工艺原理仇志军[e-mail]邯郸校区物理楼435室INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)2大纲第一章前言第二章晶体生长第三章实验室净化及硅片清洗第四章光刻第五章热氧化第六章热扩散第七章离子注入第八章薄膜淀积第九章刻蚀第十章后端工艺与集成第十一章未来趋势与挑战INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)3上两节课总结理论分辨率：NAkR1短波长光源大NA：透镜系统、浸润小k1：RET及工艺和光刻胶改进PSMOPCOAI焦深:22)(NAkDOFINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)4SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因硅工艺中的一系列重要硅基材料：SiO2：绝缘栅/绝缘/介质材料；Si3N4：介质材料，用作钝化/掩蔽等；多晶硅：可以掺杂，导电；硅化物：导电，作为接触和互连……INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)5TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)6SiO2的基本性质通常热氧化生长的SiO2是非晶的熔点：1700C重量密度：2.27g/cm3原子密度：2.2×1022分子/cm3折射率(refractiveindex)n=1.46介电常数(dielectricconstant)＝3.9INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)7可以方便地利用光刻和刻蚀实现图形转移可以作为多数杂质掺杂的掩蔽(B,P,As,Sb)优秀的绝缘性能(1016cm,Eg9eV)很高的击穿电场(107V/cm)体电学性能稳定稳定、可重复制造的Si/SiO2界面SiO2的基本性质INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)8SiO2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联氧或氧桥0.262nm0.262nm0.162nmOSiINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)9非桥联氧桥联氧结构水晶二氧化硅INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)10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）含杂质的SiO2结构INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)11SiO2在IC中的应用热（生长）氧化淀积STI热（生长）氧化INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)12不同方法制作的SiO2的性质对比（定性）INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)130.8nm栅氧化层离子注入掩蔽隔离工艺互连层间绝缘介质INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)14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)湿氧（Wet）/水汽氧化（Steamoxidation）INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)15氧化生长——消耗硅体积膨胀2.2倍1mm厚SiO2消耗0.45mmSiSiO2受压应力作用INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)16LOCOS中，氧化硅的体积为所消耗的硅体积的2.2倍INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)17SiO2生长动力学气体中扩散固体中扩散SiO2形成SiO2Si衬底气流滞流层氧化剂流动方向(如O2或H2O）INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)18Deal－Grove模型－硅的热氧化模型•Deal－Grove模型（线性－抛物线模型）(linear-parabolicmodel)—可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。•适用于：–氧化温度700～1200oC；–局部压强0.1~25个大气压；–氧化层厚度为20～2000nm的水汽和干法氧化INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)19Deal-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CsCoINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)20F1：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分压强成正比CS＝N/V=PS/kTINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)21F3：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/sINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)22在稳态条件下，应有321FFF)(11**ssssIkhDxkCDxkhkCCksx/D1时，反应速率控制xCI=C*C*CsCgSiO2Siksx/D1时，扩散控制xCI=0C*CsCgSiO2Siksx/D1时，氧化从线性过渡到抛物线性，对应的氧化层厚度在50－200nmINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)23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),则B/AC*ks/N1，有tABxxBxxii/0220h特别大，忽略了1/h项DxkhkNCkdtdxNFRSSS11*1tSxxSSdtCkdxDxkhkNi0*101INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)24为了讨论方便，上式改写为tABxBx/020B＝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BAxxii214/1220BAtAx)(20tBx)(0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Bxox0tτINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)25实验法提取B和B/A的值有实验值可供使用.tABxBx/020AxtBx00INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)26平坦没有图案的轻掺杂衬底上，在单一O2或H2O气氛下，SiO2厚度大于20nm时，G－D模型能很好地描述氧化过程。B和B/A可以用Arrhenius表达式表达：氧化剂的扩散：界面反应速率：表中数值为Si（111）在总压强为1atm下的速率常数，对于（100），则C2应除以1.68222O2通过95CH2O冒泡氧化H2+O2后端反应生成H2O氧化INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)27INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)28D-G模型的计算值：干O2气氛中的热氧化100~200nm常用800-1200ºC,1atm,0.1mm/hr高密度栅氧化等xi＝0INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)29D-G模型的计算值：H2O气氛中的热氧化100~200nm常用700-1100ºC,25atm,1mm/hr疏松，扩散阻挡能力较差刻蚀掩膜和场氧化xi＝0INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)30D－G模型小结tABxBx/020BAxxii2氧化速率为)2/(00AxBdtdx这个方程是在下列条件下的氧化动力学的一般表达式：平坦、无图形的平面硅的氧化轻掺杂硅的氧化单一O2或H2O的氧化初始氧化硅的厚度大于20nmINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)31对于超薄热干氧化，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。超薄热氧化的模拟23nmD-G(τ=0)D-G(τ=40hr)INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)32ModelofMassoudetal：C=C0exp(-EA/kT)C03.6×108mm/hrEA2.35eVL7nmSUPREMIV使用模型目前机理不明，仍无公认的模型来解决这个问题！INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)33影响氧化速率的因素压强对氧化速率的影响晶向对氧化速率的影响掺杂对氧化速率的影响掺氯对氧化速率的影响INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)341NkHPABSG12NDHPBG实验表明：对于和H2O氧化，氧化硅生长速率正比于PG，而O2的氧化无法完全用线性关系描述。PBBPABABii)()(在水汽氧化时：在氧气氧化时：PBBPABABini)()(n0.7~0.8。上标i表示1atm下的相应值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。INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)35晶向对氧化速率的影响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。在适当温度(111)晶向硅的B/A为(100)硅的1.68倍，（110）晶向为1.45倍的（100）晶向值。抛物线速率常数B与晶向无关。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。INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)36衬底取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。INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)37（100）Si，inH2Oat900Cfor30minINFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)38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INFO130024.01集成电路工艺原理第五章热氧化原理(上)39S