热氧化技术

1微电子工艺（3）--氧化田丽微电子工艺[3]2第4章氧化4.1二氧化硅薄膜概述4.2SiO2的掩蔽作用4.3氧化机理4.4氧化系统、工艺4.5影响氧化速率的各种因素4.6杂质再分布4.7SiO2/Si界面特性4.8氧化层的检测34.1二氧化硅薄膜概述二氧化硅是微电子工艺中采用最多的介质薄膜。二氧化硅薄膜的制备方法有：热氧化化学气相淀积物理法淀积阳极氧化等热氧化是最常用的氧化方法，需要消耗硅衬底，是一种本征氧化法。44.1.1二氧化硅结构SiO2基本结构单元5结构热氧化的SiO2是非晶态，是四面体网络状结构两四面体之间的氧原子称桥键氧原子，只与一个四面体相联的氧原子称非桥联氧原子原子密度2.2*1022/cm3石英晶格结构非晶态二氧化硅结构64.1.2二氧化硅的理化性质及用途密度是SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程度高，约2-2.2g/cm3；熔点石英晶体1732℃,而非晶态的SiO2无熔点，软化点1500℃电阻率与制备方法及所含杂质有关,高温干氧可达1016Ω·cm,一般在107-1015Ω·cm；介电性介电常数3.9；介电强度100-1000V/μm；折射率在1.33-1.37之间；腐蚀性只和HF酸反应，与强碱反应缓慢。70.8nm栅氧化层离子注入掩蔽隔离工艺互连层间绝缘介质HighK作为掩蔽膜作为电隔离膜元器件的组成部分二氧化硅膜用途89TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜透射电子显微镜（Transmissionelectronmicroscopy，缩写TEM）SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因104.1.3二氧化硅薄膜中的杂质PB网络改变者网络形成者114.1.4杂质在SiO2中的扩散杂质SiO2中在扩散系数：DSiO2=D0exp(-ΔE/kT)利用相同情况下，硼、磷等常用杂质在SiO2中的扩散速度远小于在硅中扩散速度，SiO2层对这些杂质起到“掩蔽”作用。镓和钠等碱金属扩散在SiO2扩散速度快，SiO2层对这些杂质起不到“掩蔽”作用。124.1.4杂质在SiO2中的扩散杂质的2SiSiODTD关系曲线jx2SiOx2jSiOxx硅衬底上的SiO2作掩膜要求杂质在SiO2层中的扩散深度小于SiO2本身的厚度13SiO2掩蔽层厚度的确定掩蔽条件:DSiDSiO2tD.xSiO264min310sICC所需氧化层的最小厚度若不同温度下掩蔽P、B所需氧化层厚度与扩散时间关系图144.2硅的热氧化热氧化制备SiO2工艺就是在高温和氧化物质（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。热氧化是在Si/SiO2界面进行，通过扩散和化学反应实现。O2或H2O，在生成的二氧化硅内扩散，到达Si/SiO2界面后再与Si反应，O2+Si→SiO2；H2O+Si→SiO2+H2，硅被消耗，所以硅片变薄，氧化层增厚。生长1μm厚SiO2约消耗0.44μm厚的硅154.2.1热氧化工艺热氧化的设备主要有水平式(6英寸以下的硅片)和直立式(8英寸以上的硅片)两种。氧化系统由四部分组成：气源柜炉体柜装片台计算机控制系统16氧化炉电阻加热氧化炉（水平式）注意：在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度的变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。17热氧化方法干氧氧化：氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干燥，适合光刻，但是生长速率最慢；湿氧氧化：氧化膜较干氧氧化膜疏松，针孔密度大，表面含水汽，光刻性能不如干氧，容易浮胶。湿氧与干氧比，水温越高，水汽就越多，二氧化硅生长速率也就越快；水蒸汽氧化：在三种热氧化方法中氧化膜致密性最差，针孔密度最大，薄膜表面潮湿，光刻难，浮胶。但是，生长速率最快。18工艺掩膜氧化（厚氧化层）干氧-湿氧-干氧薄层氧化（MOS栅）干氧掺氯氧化19氧化方式氧化温度（℃）生长速率常数（m2/min）生长0.5微米SiO2所需时间（min）SiO2的密度（g/mm）备注干氧10001.48×10-418002.2712006.2×10-43602.15湿氧100038.5×10-4632.21水浴温度95℃1200117.5×10-4222.12水汽100043.5×10-4582.08水汽发生器水温102℃1200133×10-4182.05三种热生长方法及SiO2薄膜特性的比较20不同工艺制作的SiO2的主要物理性质氧化方法密度(g/cm2)折射率(λ=5460Å)电阻率(Ω·cm)介电常数介电强度(106v/cm)干氧2.24～2.271.460～1.4663×1015～2×10163.4(10千周)9湿氧2.18～2.211.435～1.4583.82(1兆周)水汽2.00～2.201.452～1.4621015～10173.2(10千周)6.8～9热分解淀积2.09～2.151.43～1.45107～108外延淀积2.31.46～1.477～8×10143.54(1兆周)5～6214.2.2热氧化机理在热氧化的过程中，氧化反应将在SiO2-Si界面处进行，而不发生在SiO2层的外表层；热氧化是通过扩散与化学反应来完成的，氧化反应是由硅片表面向硅片纵深依次进行的，硅被消耗，所以硅片变薄，氧化层增厚222222222.2100.44510SiOSiSiOSiSiOSiOnddndd224.2.3硅的Deal－Grove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700～1300oC；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23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）（1）氧化剂输运（2）固相扩散（3）化学反应（4）反应的副产物离开界面Deal－Grove模型24热氧化动力学（迪尔-格罗夫模型）氧化剂输运---气体输运流密度用F1表示F1=hg(Cg-Cs)•固相扩散：化学反应：热氧化是在氧化剂气氛下进行：O2流密度不变，即准平衡态稳定生长：F1=F2=F3pgpsF1F2F3SiO2Si-δ0xCgCsCoCi主流气体粘滞层O2x0oioxCCDxCDF0SiOSiO222isCkF325求解2SiO*1DxkhkCCossi2SiO*11DxkhkCDxkCossoso--SiO2中的氧化剂浓度，应与主气流区中氧化剂分压成正比，--气相质量输运系数--化学反应常数*C*gCHPhsk264.2.4热氧化生长速率氧化层生长速率可为界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数1N2223111SiOsgsSiOsSiOdxHkpFvNdtkxkNhD假设氧化前硅片表面上存在的初始氧化层厚度为0x求解出氧化层生长厚度与生长时间之间的关系式为222()SiOSiOxAxBt2112SiOsADkh212SiOgDHPBN200xAxB其中221124SiOAtxAB解为27两种极限情况•氧化时间长，扩散控制阶段:22SiOxB(tτ)抛物线速率常数线性速率常数扩散控制：DSiO2→0，Ci→0，Co→C*反应控制：ks→0，Ci→Co=C*/（1+ks/h）气体C0SiO2Siks0CxCi2SiOBx(tτ)A•氧化时间很短，反应控制阶段:284.2.5影响氧化速率的各种因素实测值在两种极限情况下：长时间氧化或氧化时间很短，实测值和计算值吻合。29影响氧化速率因素温度影响很大，H,h,D,ks都与温度有关。气体分压提高反应器内氧气或水汽的分压能提高线性氧化速率。有高压氧化和低压氧化技术。硅晶向对氧化速率略有不同，（111）晶向速率最快，（100）晶向速率最慢。掺杂掺杂浓度越高氧化速率越快，将此现象称为增强氧化。30温度对氧化速率的影响31气体分压对氧化速率的影响氧化剂分压Pg是通过C*对B产生影响：B∝PggOsHPCNCDBhkDA222*SiOSiO2)11(232硅衬底的晶向对氧化速率的影响不同晶向的衬底单晶硅由于表面悬挂键密度不同，生长速率也呈现各向异性。空间位阻（StericHindrance）33掺杂情况对氧化速率的影响线性和抛物型氧化速率常数对存在于氧化剂中或存在于硅衬底中的杂质敏感。磷在较低温度增强氧化明显，而硼在低温时增强氧化不明显，高温明显。钠、水汽、氯都能显著提高氧化速率。34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35卤族元素掺入对氧化速率影响在氧化气氛中加入适量的卤族元素会改善氧化膜及其下面硅的特性。氧化膜特性的改善包括钠离子浓度减少、介质击穿强度增加、界面态密度减少。实践中应用较多的卤族元素是氯，在Si-SiO2界面上或界面附近，氯能使杂质转变成容易挥发的氯化物从而起到吸杂的效果，另外也能看到氧化诱生旋涡缺陷减少。36掺氯对氧化速率的影响N型硅（100）和（111）晶面氧化速率常数与HCl浓度之间关系（900℃，1000℃，1100℃）37水汽的存在对氧化速率的影响在干氧氧化的气氛中，只要存在极小量的水汽，就会对氧化速率产生重要影响。384.3初始氧化阶段及薄氧化层制备D-G模型对30nm以下的干氧氧化不准。自然氧化物不是连续生长而是阶段的生长。轻掺杂0.8nm;重掺杂1.3nm。初始氧化阶段的氧化机制仍是日前研究热点。394.4热氧化过程中杂质的再分布由四方面因素决定：杂质的分凝现象；杂质在SiO2表面逸出；杂质在SiO2、Si中的扩散系数；界面移动（氧化速率）分凝逸出扩散界面移动40SiO2/Si界面杂质分凝现象k1，在SiO2/Si界面杂质向SiO2内扩散，Si表面杂质浓度低，耗竭。BkB=0.3，AlkAl=0.1。k1，在SiO2/Si界面杂质向Si内扩散，Si面杂质浓度高，堆积。Pkp=10，AskAs=10，GakGa=20。•分凝现象指杂质在SiO2和Si中平衡浓度不同的现象。•分凝系数是衡量分凝效应强弱的参数：•分凝现象指杂质在SiO2和Si中平衡浓度不同的现象。•分凝系数是衡量分凝效应强弱的参数：2SiSiOnKn41杂质在SiO2/Si界面分布SiO2/SiSiO2/SiSiO2/SiSiO2/Sik1杂质在硅一侧耗竭B在SiO2中扩散慢B在SiO2中扩散快(H2环境）P,As在SiO2中扩散慢Ga在SiO2中扩散快k1杂质在硅一侧堆积424.4.2再分布对硅表面杂质浓度的影响热氧化后硅中磷的表面浓度热氧化后硅中硼的表面浓度43计算得到的在不同温度下氧化后硅中硼的分布曲线高温氧化对杂质浓度分布的影响44一般要求：表面无斑点，裂纹，白雾，发花和针孔等毛病；主要为表面观察和厚度测量4.5氧化层的质量及检测454.5.1氧化层检测镜检：外观颜色均匀性，有无裂纹等厚度：光学方法、探针轮廓仪等针孔密度：腐蚀法、铜缀法电荷面密度：C-V法46（１）双光干涉法①原理：利用测定氧化层台阶上的干涉条纹数目求氧化层厚度的双光干涉法。当用单色先垂直照射氧化层表面时，由于是透明介质，所以入射光将分别在表面和硅界面处反射。②设备：一台单色光源（一般采用纳光灯）和一台普通的干涉显微镜。③测量方法：试片（陪片）表面涂一小滴黑胶，然后在HF中未被保护的腐蚀掉，丙酮除去黑胶，这样在硅片表面出现一个台阶。用干涉显微镜观察表面时，在台阶处就出现的明暗相同的干涉条纹，根据干涉条纹数目，可计算出的氧化层厚度一般从一个最亮到相邻的一个最亮条（或最暗条到相邻的另一个最暗条）就算一个干涉条纹。而从最暗到相