1,微电子工艺 第2单元,热氧化与掺杂,西安交通大学微电子学,2,绪论,热氧化与掺杂是最基本的平面制造工艺； 在热氧化过程中，硅衬底被氧化生长出所需厚度的二氧化硅薄膜； 掺杂就是在衬底选择区域掺入一定数量的杂质，包括热扩散和离子注入两项工艺； 热氧化和扩散都属于高温工艺。,3,第4章 热氧化,4.1二氧化硅薄膜概述 4.2 SiO2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 4.7 SiO2/Si界面特性 4.8 氧化层的检测,4,4.1二氧化硅薄膜概述,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 物理气相淀积 阳极氧化等 热氧化是最常用的氧化方法，氧化时需要消耗硅衬底，是一种本征氧化法。,5,4.1.1二氧化硅结构,SiO2基本结构单元,6,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,7,4.1.2二氧化硅的理化性质及用途,密度 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1016cm，一般在107-1015 cm； 介电性 介电常数3.9； 介电强度 100-1000V/mm； 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。,8,隔离工艺,互连层间绝缘介质,High K,二氧化硅膜用途,9,10,TEM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 （Transmission electron microscopy，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,11,4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质,12,4.1.4 杂质在SiO2中的扩散,杂质在SiO2中扩散系数： DSiO2=D0exp(-E/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。 镓和钠等碱金属在SiO2扩散速度快， SiO2层对这些杂质起不到“掩蔽”作用。,13,4.1.4 杂质在SiO2中的扩散,硅衬底上的SiO2作掩膜实现定域扩散，要求杂质在SiO2层中的扩散深度小于SiO2本身的厚度。,14,SiO2掩蔽层厚度的确定,二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用，如上图所示，在杂质向Si中扩散的同时，也要向SiO2层中扩散，设在Si中的扩散深度为 在SiO2层中的扩散深度为 式中： 扩散时间， 、 分别表示杂质在SiO2和Si中的扩散系数，显然要实现掩蔽扩散的条件是 ，即当杂质在硅中的扩散深度达到 时杂质在SiO2中的扩散深度应 所以， 氧化层厚度,15,硅热氧化的基本模型,要确定最小厚度，就需知道杂质在氧化硅中的分布形式，据实验研究结果，一般为余误差分布和高斯分布，大多数情况下用余误差比较接近。,16,在扩散时要完全使杂质不扩入硅中是很难实现的(除非氧化层厚度非常厚)，通常就定义扩入硅中的杂质数量不足以引起硅表面电学性能的变化，就认为氧化硅的掩蔽有效。对不同器件要求不同，一般来说，MOS器件要求比双极高。通常用下式表示 式中：CO氧化硅与硅界面处的浓度；CS氧化层表面处的浓度。,17,显然，所要求的C0不同，氧化层最小厚度就不同，通常人们根据大量实验研究，针对不同器件对硅表面的要求，总结出C0/CS的取直在10-310-9之间。 用上述结果作为估算，还必须知道杂质在氧化硅中的扩散系数(有关杂质在氧化硅中的扩散系数可查阅其它资料)。,18,不同温度下掩蔽P、B所需氧化层厚度与扩散时间关系图,19,4.2 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1m厚SiO2 约消耗0.44m 厚的硅,20,4.2.1 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,21,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。,22,热氧化工艺,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。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，光刻时易浮胶。但是，生长速率最快。,23,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,24,三种热生长方法及SiO2薄膜特性的比较,25,不同工艺制作的SiO2的主要物理性质,26,4.2.2 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。,27,4.2.3 硅的Deal-Grove热氧化模型,DealGrove模型 （线性抛物线模型，linear-parabolic model) 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7001300 oC； 局部压强0.125个大气压； 氧化层厚度为202000 nm的水汽和干法氧化。,28,29,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气流密度不变，即准平衡态稳定生长： F1=F2=F3,30,求解,-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,31,4.2.4 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,解为,32,两种极限情况,氧化时间长，扩散控制阶段:,抛物线速率常数,线性速率常数,氧化时间很短，反应控制阶段:,33,4.2.5影响氧化速率的各种因素,实测值 在两种极限情况下：即长时间氧化或氧化时间很短，实测值和计算值吻合。,34,例题,在1m厚的热氧化层中刻孔，然后将其在1000下湿法氧化一小时。接着刻蚀掉所有氧化层。那么最终硅的台阶高度是多少？,35,解：1m厚氧化层消耗的硅为：10.44=0.44m 湿法氧化，温度1000、时间1小时氧化层 的厚度为： X=(Bt)1/2=(0.4810-260)1/2=0.5366m 0.5366m厚氧化层消耗的硅为：0.53660.44=0.24m 最终硅的台阶高度最大为：0.44+0.24=0.68m,36,热氧化法生长1000厚的氧化层，工艺条件：1000，干氧氧化，无初始氧化层，试问： 1.氧化工艺需多长时间？ 解：氧化层生长厚度与生长时间之间的关系式为 已知，1000，干氧氧化查表4-2，可知， ，所以 2.在此基础上湿法氧化30min，氧化温度1000，求最终的氧化层厚度。,37,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。,38,温度对氧化速率的影响,39,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：BPg,40,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 （Steric Hindrance）,41,掺杂情况对氧化速率的影响,42,43,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,44,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。,45,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）,46,4.3 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。,47,4.4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）,48,SiO2/Si界面杂质分凝现象,k1，在SiO2/Si界面杂质向Si内扩散，Si面杂质浓度高，堆积。P kp= 10， As kAs=10，Ga kGa=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：,49,杂质在SiO2/Si界面分布,50,4.4.2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,51,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,52,一般要求：表面无斑点，裂纹，白雾，发花和针孔等毛病； 主要为显微镜下的表面观察和厚度测量,4.5 氧化层的质量及检测,53,4.5.1 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,54,（）双光干涉法,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。 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。 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。而从最暗到相邻最亮条则可算为半根。,55,（a） （b） 图 氧化层厚度测量- 干涉条纹,n：二氧化膜的折射率，约为1.5； x：干条纹的条数。,56,（）比色法,可根据氧化层表面颜色和表中所列颜色进行比较，来确定氧化层的厚度,57,4.5.2 SiO2层成膜质量的测量 -针孔密度,腐蚀法 腐蚀液为邻苯二酚，胺，水(PAW) ，通过针孔化学腐蚀衬底硅。 氯气腐蚀法：900以上，氯气对针孔部位的Si腐蚀。 铜缀法，含铜电解液，电流通过针孔流通，电化学反应在针孔析出铜。,