集成电路工艺基之氧化授课用-课件.ppt
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- 关 键 词:
- 集成电路 工艺 氧化 授课 课件
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1、集成电路工艺基之集成电路工艺基之氧化氧化v 硅易氧化硅易氧化 几个原子层厚,几个原子层厚,1nm左右左右 氧化膜化学性质稳定,绝缘性好氧化膜化学性质稳定,绝缘性好v SiO2的存在形态的存在形态 晶体:石英、水晶等晶体:石英、水晶等石英砂,主要成分为石英砂,主要成分为SiO2,为制备硅原料的核心材料,为制备硅原料的核心材料 非晶体:玻璃等(热氧化方法制备的非晶体:玻璃等(热氧化方法制备的SiO2)v在在MOS电路中作为电路中作为MOS器件的绝缘栅介质,作器件的绝缘栅介质,作为器件的组成部分为器件的组成部分v作为集成电路的隔离介质材料作为集成电路的隔离介质材料v作为电容器的绝缘介质材料作为电容器
2、的绝缘介质材料v作为多层金属互连层之间的介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料v作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料v扩散时的掩蔽层,离子注入的扩散时的掩蔽层,离子注入的(有时与光刻胶、有时与光刻胶、Si3N4层一起使用层一起使用)阻挡层阻挡层SiO2的制备的制备+光刻光刻+扩散扩散 硅平面工艺硅平面工艺返回返回2.1.1 SiO2.1.1 SiO2 2的结构的结构v 无论是结晶形还是无定形无论是结晶形还是无定形SiOSiO2 2,都是以,都是以SiSi为中心,为中心,Si-OSi-O原子组成的正四面体,其中原子组成的正四面体,其中OOSi Si O O键
3、桥的键桥的键角为键角为109.5109.5,是固定的。,是固定的。2.1 SiO2的结构及性质的结构及性质结晶形结晶形SiOSiO2 2的结构的结构v 结晶形结晶形SiOSiO2 2是由是由Si-OSi-O四面体在空间规则排列所四面体在空间规则排列所构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个Si-Si-OO四面体中心的硅形成共价键,氧原子的化合价四面体中心的硅形成共价键,氧原子的化合价也被满足。也被满足。无定形无定形SiOSiO2 2的结构的结构v Amorphous SiOAmorphous SiO2 2 中中Si-O-SiSi-O-Si键角为键角为110
4、180 110 180 桥键氧:与两个相邻的桥键氧:与两个相邻的Si-OSi-O四面体中心的硅原子形成共四面体中心的硅原子形成共价键的氧价键的氧 非桥键氧:只与一个非桥键氧:只与一个Si-OSi-O四面体中心的硅原子形成共价四面体中心的硅原子形成共价键的氧键的氧v 非桥键氧越多,无定型的程度越大,无序程度越大,密度越非桥键氧越多,无定型的程度越大,无序程度越大,密度越小,折射率越小小,折射率越小v 无定形无定形SiOSiO2 2的强度:桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函的强度:桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数数v 结晶态和无定形态区分结晶态和无定形态区分非桥联氧是否存在非桥联氧是否存在v硅要运
5、动,打破四个硅要运动,打破四个OSi OSi 键键v氧要运动,打破两个氧要运动,打破两个OSi OSi 键,对非桥键氧,只需打破键,对非桥键氧,只需打破一个一个OSi OSi 键键n故氧的运动同硅相比更容易,故氧的运动同硅相比更容易,氧的扩散系数氧的扩散系数比硅的大几个数量级比硅的大几个数量级v氧化时,是氧或水汽等氧化剂穿过氧化时,是氧或水汽等氧化剂穿过SiOSiO2 2层,到达层,到达Si-Si-SiOSiO2 2界面,与硅反应,而非硅向外表面运动,在表面与界面,与硅反应,而非硅向外表面运动,在表面与氧化剂反应生成氧化剂反应生成SiOSiO2 2。2.1.2 SiO2.1.2 SiO2 2的
6、主要性质(的主要性质(1 1)v密度:表征致密程度密度:表征致密程度3 33 3v折射率:表征光学性质折射率:表征光学性质 密度较大的密度较大的SiOSiO2 2具有较大的折射率具有较大的折射率 波长为波长为5500A5500A左右时,左右时,SiOSiO2 2v电阻率:电阻率:与制备方法及所含杂质数量等因素有关,高温与制备方法及所含杂质数量等因素有关,高温干氧氧化制备的电阻率达干氧氧化制备的电阻率达10101616 cm cm v介电强度:单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿介电强度:单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿 电压电压 大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关大小与致密程度、均匀性、杂质含量
7、有关 一般为一般为106107V/cm(1011V/nm)v介电常数介电常数:表征电容性能表征电容性能 SiO2dSC2SiOoSiO2SiO2的主要性质(的主要性质(2 2)v 腐蚀:化学性质非常稳定,腐蚀:化学性质非常稳定,只与氢氟酸发只与氢氟酸发生反应生反应 还可与强碱缓慢反应还可与强碱缓慢反应v 薄膜应力为压应力薄膜应力为压应力OHSiFHHFSiOSiFHHFSiFOHSiFHFSiO26226242422)(6(224六氟硅酸)SiO2SiO2的主要性质(的主要性质(3 3)返回返回2.2 SiO22.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用v 2.2.1 2.2.1 杂质在杂质在SiO2
8、SiO2中的存在形式中的存在形式杂质在杂质在SiO2中的存在形式中的存在形式v 网络形成者:网络形成者:可以替代可以替代SiOSiO2 2网络中硅的杂质,即网络中硅的杂质,即能代替能代替SiSiOO四面体中心的硅、并能与氧形成网四面体中心的硅、并能与氧形成网络的杂质络的杂质 特点是离子半径与特点是离子半径与SiSi原子相近或者更小原子相近或者更小三价网络形成者三价网络形成者(如如B)B)增加非桥键氧数目,降低增加非桥键氧数目,降低SiOSiO2 2强度强度五价网络形成者五价网络形成者(如如P)P)减少非桥键氧数目,增加减少非桥键氧数目,增加SiOSiO2 2强度强度杂质在杂质在SiO2SiO2
9、中的存在形式中的存在形式v 网络改变者:网络改变者:存在于存在于SiOSiO2 2网络间隙中的杂质网络间隙中的杂质 特点:离子半径大,多以氧化物形式进入特点:离子半径大,多以氧化物形式进入SiOSiO2 2后后离化,增加非桥键氧浓度,降低离化,增加非桥键氧浓度,降低SiOSiO2 2强度,易运强度,易运动,破坏电路的稳定性和可靠性。动,破坏电路的稳定性和可靠性。NaNa、K K、PbPb、BaBa 水汽的行为类似于网络改变者水汽的行为类似于网络改变者SiHOOHSiSiOSiOH2Na2SiOOSiSiOSiONa22.2.2 杂质在杂质在SiO2中的扩散系数(中的扩散系数(1)E为杂质在为杂
10、质在SiO2中的扩散激活能,中的扩散激活能,Do为表观为表观扩散系数扩散系数NoImage)kT/E(expDDoSiO2v 选择扩散(在集成电路中的重要应用)选择扩散(在集成电路中的重要应用)在相同的条件下,一些杂质在在相同的条件下,一些杂质在SiO2中的扩散速度中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度,即远小于在硅中的扩散速度,即SiO2对某些杂质起对某些杂质起掩蔽作用。掩蔽作用。掩蔽是相对的,掩蔽是相对的,杂质在杂质在SiO2的扩散系数:的扩散系数:杂质在杂质在SiO2中的扩散系数(中的扩散系数(2)v杂质在杂质在SiO2中的扩散系数中的扩散系数 B、P、As等常用杂质的扩散系数小等常用杂质的
11、扩散系数小,SiO2对这类杂对这类杂质可以起掩蔽作用质可以起掩蔽作用 Ga、某些碱金属(、某些碱金属(Na)的扩散系数大)的扩散系数大,SiO2对这类对这类杂质就起不到掩蔽作用杂质就起不到掩蔽作用Na离子在离子在SiO2中的扩散系数和迁移率都非常大中的扩散系数和迁移率都非常大Na离子来源非常丰富离子来源非常丰富Na离子玷污是造成双极器件和离子玷污是造成双极器件和MOS器件性能不稳定的重要器件性能不稳定的重要原因之一原因之一NoImage2.2.3 掩蔽层厚度的确定(掩蔽层厚度的确定(1)v 有效掩蔽条件有效掩蔽条件 杂质的杂质的 SiOSiO2 2有一定厚度有一定厚度v 掺杂杂质掺杂杂质 B、
12、P、As 等常用杂质在等常用杂质在SiO2中的扩散系数远小于在中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数硅中的扩散系数 B、P、As的杂质源制备容易、纯度高,操作方便的杂质源制备容易、纯度高,操作方便2SiOSiDD掩蔽层厚度的确定(掩蔽层厚度的确定(2)v 掩蔽层厚度的确定掩蔽层厚度的确定 杂质在杂质在SiO2表面的浓度为在表面的浓度为在Si-SiO2界面浓度的界面浓度的1000倍倍时的时的SiO2的厚度为最小厚度的厚度为最小厚度对恒定源对恒定源(余误差),浓度为余误差),浓度为C(x)所对应的深度表达所对应的深度表达式为:式为:对有限源(高斯分布),对有限源(高斯分布),A随时间变化随时间变化tD
13、xSiO26.4mintDAxSiO2sCxCerfcA)(21其中:其中:得到:得到:)2(),(DtxerfcCtxCstDAxSiO2min图图2.5 各种温度下能掩蔽磷和硼所需各种温度下能掩蔽磷和硼所需SiO2厚度与杂质在硅厚度与杂质在硅中达到扩散深度所需时间的关系中达到扩散深度所需时间的关系SiOSiO2 2掩蔽掩蔽P P的扩散过程的扩散过程返回返回2.3 2.3 硅的热氧化生长动力学硅的热氧化生长动力学v CVD(化学气相淀积)(化学气相淀积)v PVD(物理气相淀积)(物理气相淀积)v 热氧化:热氧化:硅与氧或水汽等氧化剂,在高温下经化学反应生成硅与氧或水汽等氧化剂,在高温下经化
14、学反应生成SiO2有什么特点?有什么特点?热氧化生成的热氧化生成的SiO2掩蔽能力最强掩蔽能力最强 质量最好,重复性和稳定性好质量最好,重复性和稳定性好 降低表面悬挂键从而使表面态密度减小,且能很好降低表面悬挂键从而使表面态密度减小,且能很好的控制界面陷阱和固定电荷的控制界面陷阱和固定电荷2.3.1 2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化v 每生长一单位厚度的每生长一单位厚度的 SiO2(台阶覆盖性)(台阶覆盖性)SiO2 中所含中所含Si的原子密度的原子密度 CSiO21022/cm3 Si 晶体中的原子密度晶体中的原子密度 CSi 1022/cm3硅的热氧化生长(硅的热氧化生长(1 1)v 厚度
15、为厚度为 ,面积为一平方厘米的,面积为一平方厘米的SiOSiO2 2体内所含体内所含的的SiSi原子数为原子数为 ,而这个数值应该与转变,而这个数值应该与转变为为SiOSiO2 2中的硅原子数中的硅原子数 相等,即相等,即0 xxCxCSiSiO0202xCSiOxCSi044.0 xx 得到:得到:硅的热氧化生长(硅的热氧化生长(2 2)热氧化法热氧化法v干氧氧化干氧氧化v水汽氧化水汽氧化v湿氧氧化湿氧氧化v 氢氧合成氧化(氢氧合成氧化(LSILSI和和VLSIVLSI的理想氧化技术)的理想氧化技术)v掺氯氧化(为减小掺氯氧化(为减小SiO2SiO2中的中的NaNa+玷污)玷污)干氧氧化干氧
16、氧化v干氧氧化干氧氧化v氧化剂:干燥氧气氧化剂:干燥氧气v反应温度:反应温度:90012009001200v干氧氧化制备的干氧氧化制备的SiOSiO2 2的特点的特点v结构致密、干燥、均匀性和重复性好结构致密、干燥、均匀性和重复性好v与光刻胶粘附性好,掩蔽能力强。与光刻胶粘附性好,掩蔽能力强。v生长速度非常慢生长速度非常慢v干氧氧化的应用干氧氧化的应用vMOSMOS晶体管的栅氧化层晶体管的栅氧化层干氧氧化干氧氧化vSiSi表面无表面无SiOSiO2 2,则氧化剂与,则氧化剂与SiSi反应,生成反应,生成SiOSiO2 2 ,生长速率由生长速率由表面化学反应的快慢决定表面化学反应的快慢决定。v生
17、成一定厚度的生成一定厚度的SiOSiO2 2 层,氧化剂必须以扩散方式层,氧化剂必须以扩散方式运动到运动到Si-SiOSi-SiO2 2 界面,再与硅反应生成界面,再与硅反应生成SiOSiO2 2 ,即,即生长速率为生长速率为扩散控制扩散控制。干氧氧化时,厚度超过干氧氧化时,厚度超过40 40 湿氧氧化时,厚度超过湿氧氧化时,厚度超过1000 1000 v则生长过程由表面化学反应控制转为扩散控制则生长过程由表面化学反应控制转为扩散控制水汽氧化水汽氧化湿氧氧化湿氧氧化v 反应条件反应条件v氧化剂:高纯水(氧化剂:高纯水(95 95 左右)左右)+氧气氧气v 特点:特点:v生长速率较高生长速率较高
18、vSiOSiO2 2结构略粗糙结构略粗糙NoImage进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图热氧化法热氧化法v 三种氧化法比较三种氧化法比较 干氧氧化干氧氧化 结构致密但氧化速率极低结构致密但氧化速率极低 湿氧氧化湿氧氧化 氧化速率高但结构略粗糙,氧化速率高但结构略粗糙,制备厚二氧化硅薄制备厚二氧化硅薄膜膜 水汽氧化水汽氧化 结构粗糙结构粗糙-不可取不可取v 实际生产:实际生产:干氧氧化干氧氧化+湿氧氧化湿氧氧化 +干氧氧化干氧氧化 5 5 分钟分钟+(视厚度而定)(视厚度而定)+5+5 分钟分钟 常规三步热氧化模式既保证了常规三步热氧化模式既保证了SiOSiO2 2
19、表面表面和和界面的质量界面的质量,又解决了生长速率问题又解决了生长速率问题2.3.2 热氧化生长动力学(热氧化生长动力学(1)生长过程:生长过程:vD-GD-G模型的使用范围模型的使用范围 D-GD-G模型对温度在模型对温度在700-1300700-1300范围内,压力范围内,压力从从2 210104 4PaPa到到1.011.0110105 5PaPa,氧化层厚度在,氧化层厚度在300-20000A300-20000A之间的氧气氧化和水汽氧化都是之间的氧气氧化和水汽氧化都是适用的。适用的。薄氧化层的生长模型?薄氧化层的生长模型?)()(32322isoioSiOCkJxCCDJ得到321JJ
20、J菲克第一定律菲克第一定律根据稳态条件:根据稳态条件:)(1)(1sggCChJh hg g是质量输运系数是质量输运系数ks为氧化剂与为氧化剂与Si反应的化学反应常数反应的化学反应常数热氧化生长动力学(热氧化生长动力学(2)22/1*)/1(SiOossSiOosoDxkhkCDxkCn当氧化剂在当氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散系数中的扩散系数DDSiO2SiO2 k ks sx xo o则则C Ci i00,C Co o C C*,氧化为扩散控制,氧化为扩散控制n当氧化剂在当氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散系数中的扩散系数DDSiO2SiO2很大,则很大,则C Ci i=C Co o=
21、C C*/(1+k1+ks s/h/h),),氧化为反应控制氧化为反应控制2/1*SiOossiDxkhkCC热氧化生长动力学(热氧化生长动力学(3)vSiOSiO2 2不断生长,界面处的不断生长,界面处的SiSi也就不断转化为也就不断转化为SiOSiO2 2中中的成份,因此表面处的流密度:的成份,因此表面处的流密度:)(431JdtdxNo)(5/12*31SiOosssisoDxkhkCkCkJdtdxN热氧化生长速率(热氧化生长速率(1 1)其中:其中:N1为每生长一个单位体积为每生长一个单位体积SiO2所需要氧化剂的分子个所需要氧化剂的分子个数。在氧化膜中有数。在氧化膜中有2.2102
22、2个个SiO2分子分子/cm3,在进行氧化时,在进行氧化时,要获得一个要获得一个SiO2分子,在干氧环境中需要一个氧分子,在水分子,在干氧环境中需要一个氧分子,在水汽环境中需要两个水分子)汽环境中需要两个水分子)热氧化生长速率(热氧化生长速率(2)BAxxNCDBhkDAiiSiOsSiO/)(/2)/1/1(221*22)(7)14/1(22BAtAxo解关系式(解关系式(6)得:)得:微分方程(微分方程(5)的解给出了)的解给出了SiO2的生长厚度与时间的生长厚度与时间的普遍关系式(的普遍关系式(6):):(6)其中:其中:)(2tBAxxoxoxv SiOSiO2 2生长快慢将由氧化剂在
23、生长快慢将由氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散速度以及与中的扩散速度以及与SiSi反应速度中较慢的一个因素所决定:反应速度中较慢的一个因素所决定:当氧化时间很长当氧化时间很长(Thick oxide)(Thick oxide),即,即t t和和t t A A2 2/4B/4B时,则时,则SiOSiO2 2的厚度和时间的关系简化为:的厚度和时间的关系简化为:(抛物型规律,扩散控制)(抛物型规律,扩散控制))(2tBxo)(7)14/1(22BAtAxo热氧化生长速率(热氧化生长速率(3 3)当氧化时间很短当氧化时间很短(thin oxide)(thin oxide),即(,即(t+t+)A A2
24、 2/4B/4B时,则时,则SiOSiO2 2的厚度和时间的关系简化为的厚度和时间的关系简化为 (线性规律,反应控制)(线性规律,反应控制))(tABxoB/AB/A为线性速率常数;为线性速率常数;B B为抛物型速率常数为抛物型速率常数)(7)14/1(22BAtAxo热氧化生长速率(热氧化生长速率(4 4)返回返回2.4 决定决定氧化速率常数的因素氧化速率常数的因素v氧化剂分压氧化剂分压v氧化温度氧化温度v氧化剂分压氧化剂分压p pg g通过通过C C*对对B B 产生影响,产生影响,B B与与p pg g成正比关系成正比关系1*/22NCDBSiOgHpC*出现高压氧化和低压氧化来控制氧化
25、速率出现高压氧化和低压氧化来控制氧化速率决定氧化速率常数的因素(决定氧化速率常数的因素(1 1)决定氧化速率常数的因素(决定氧化速率常数的因素(2 2)v氧化温度氧化温度 温度对抛物型速率常数温度对抛物型速率常数B B的影响是通过影响的影响是通过影响氧化氧化剂在剂在SiO2SiO2中的扩散系数中的扩散系数DDSiO2SiO2 产生的产生的 温度对线性速率常数温度对线性速率常数B/B/A A的影响是通过影响的影响是通过影响化化学反应常数学反应常数k ks s产生的产生的1*/22NCDBSiO1*N)/1/1/(A/B)/1/1(22hkChkDAssSiO温度对温度对B B及及B/AB/A的影
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