半导体制造技术-第十章.ppt

半导体制造技术,,第十章 氧化,硅表面SiO2的简单实现，是硅材料被广泛应用的一个重要因素本章中，将介绍SiO2的生长工艺及用途、氧化反应的不同方法，其中包括快速热氧化工艺另外，还简单介绍本工艺中最重要的部分---反应炉，因为它是氧化、扩散、热处理及化学气相淀积反应的基本设备工艺中硅曝露需要的热能称为热预算半导体工艺的目标之一是尽量降低硅需要的热能一般通过降温或减少时间使热预算最小SiO2膜的原子结构如图所示它是由一个硅原子被4个氧样原子包围着的四面体单元组成的是一种无定型的玻璃状结构，具体地说是一种近程有序的网状结构，没有长程有序的晶格周期①密度：表示SiO2结构的致密程度；密度大，表示致密程度高； 二氧化硅的密度约为2.23g/cm2，硅的密度为 2.33g/cm2，所以，硅的密度大于二氧化硅的密度 Si 变成SiO2后体积会膨胀 ②折射率：表示SiO2的光学性质； SiO2的折射率约为1.46 ③电阻率：表示SiO2的电学性质；SiO2的电阻率约为1016cm ④介电强度：表示单位厚度的SiO2薄膜的耐压能力；106～107V/cm ⑤介电常数：表示SiO2的电容性能；SiO2的相对介电常数SiO2为3.9。

⑥热膨胀系数:表示SiO2受温度变化的形变； SiO2热膨胀系数小，是Si的1/5；故冷却时易产生微细的裂纹，丧失钝化和掩蔽的作用； ⑦分凝系数：平衡时杂质在硅和二氧化硅界面的分凝系数为一常数；对于B: m≈0.3; 对于P：m≈10,物理性质：,不同方法制备的SiO2，其密度,折射率,电阻率等不同,SiO2物理性质与化学性质,7,① SiO2是最稳定的硅化物； ② SiO2不溶于水； ③ SiO2能耐较强的侵蚀，但极易与HF作用；,化学性质：,④ SiO2能被强碱熔蚀，也可被H、Al、Si等还原反应式：,不同方法制备的SiO2，其腐蚀速度不同8,氧化膜的应用,器件保护和隔离 表面钝化(保护)– Screen oxide, pad oxide, barrier oxide 栅氧电介质 掺杂阻挡 金属间的介质层,9,器件保护和隔离,LOCOS STI,LOCOS工艺流程,,,,硅片清洗,生长缓冲SiO2层,LPCVD淀积Si3N4,涂胶,LOCOS掩模板,曝光,显影,刻蚀,,,,,,,去胶,隔离注入,热氧化,刻蚀氮化硅,缺点： 1、鸟嘴侵蚀有源区； 2、不利于后序工艺中的平坦化； 3、杂质重新分布。

局部氧化时，O2扩散穿越已生长的氧化物向各个方向上扩散，纵向扩散的同时也横向扩散，因此，在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长由于Si氧化生成SiO2 后体积膨胀，使掩蔽的Si3N4- SiO2 膜周边受影响而向上翘起，形成鸟嘴鸟嘴”效应：,改进的LOCOS工艺,回刻的LOCOS工艺 侧墙掩蔽的隔离工艺 多晶硅缓冲层的LOCOS工艺（PBL）,浅槽隔离（STI）,STL 不会产生鸟嘴 更平坦的表面 更多的工艺步骤,LOCOS 工艺相对简单，便宜，高产率 当特征尺寸 < 0.35 um不再适用,LOCOS、PBL可用于技术节点0.35-0.5 mm；<0.35 mm必须使用STI,1）硅片清洗,2）垫底氧化 （20 nm）,3）LPCVD氮化硅 （100 nm）,4）隔离区光刻,5）浅沟槽刻蚀 （0.5 mm）,6）热生长氧化硅阻挡层 （20 nm）,7）场区沟道阻断注入,8）CVD 氧化硅充填沟槽,9）CMP平坦化,10）刻蚀氮化硅＋退火致密化CVD氧化硅,现代STI技术（CMOS）,2）HDPCVD——退火致密化,1）减少了沟道阻断注入,USG（Un-doped Silicate Glass）：SiH4+O2+Ar→USG + volatiles,3）CMP平坦化,4）回刻氮化硅和USG,表面钝化,,热生长的二氧化硅的一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键，从而降低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化，它能防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其他外部沾污物引起的漏电流的通路。

坚硬的二氧化硅层可以保护硅免受后期制作中由可能发生的划檫和工艺损伤Pad Oxide衬垫氧化层 Sacrificial Oxide牺牲氧化层 Barrier Oxide阻挡氧化层,25,栅氧电介质,高电介质强度 高电阻率 膜厚均匀 无杂质,掺杂阻挡,器件制造过程中的掺杂是定域（有选择的区域）掺杂，那么不需要掺杂的区域就必须进行保护而不被掺杂如图所示金属层间的介质,热氧化生长,1、干氧 Si（固）+O2（气） SiO2（固） 2、湿氧Si（固）+2H2O（水汽） SiO2（固） +2H2（气）,,,干氧和湿氧的比较,氧化生长模式无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗硅，如图所示硅消耗的厚度占氧化总厚度的0.46，这就意味着每生长1µm的氧化物，就有0.46µm的硅消耗（干、湿氧化略有差别）一旦在硅表面有二氧化硅生成，它将阻挡O2原子与Si原子直接接触，所以其后的继续氧化是O2原子通过扩散穿过已生成的二氧化硅层，向Si一侧运动到达界面进行反应而增厚的通过一定的理论分析可知，在初始阶段，氧化层厚度(X)与时间(t)是线性关系，而后变成抛物线关系氧化物生长速率,B/A为线性速率常数；B为抛物线速率常数,36,掺氯氧化,目的：减小SiO2中的Na+污染，改善SiO2层的质量。

掺氯氧化机理：,在干氧氧化的同时，氯结合到氧化层中，并集中分布在SiO2-Si界面附近氯在Si-SiO2界面处以氯-硅-氧复合体形式存在网络改变剂,氯源：氯气(Cl2)、氯化氢(HCl) 、三氯乙烯(C2HCl3或TCE)或三氯乙烷(TCA)等37,①掺氯氧化可吸收、提取氧化层下面硅中的杂质，减少复合中心，使少子寿命增加因为高温下氯气和许多杂质发生反应，生成挥发性的化合物而从反应室逸出掺氯氧化的特点：,②可钝化可动离子，改善器件特性及可靠性由于集中分布在SiO2-Si界面附近的氯Cl-可使移到此处的Na+被陷住不动，从而使Na+丧失电活性和不稳定性④可提高氧化速度，氯起催化剂的作用③可降低SiO2层中的固定电荷和界面态密度，减少二氧化硅中的缺陷由于氯中和界面电荷，填补了氧空位反应：,38,晶格方向 因为不同晶向其原子密度不同，所以在相同的温度、氧化气压等条件下，原子密度大的晶面，氧化生长速率要大，而且在低温时的线性阶段更为明显如图所示影响氧化速率的因素,掺杂用来制造芯片的硅片都是经过掺杂的，另外在以后的工艺中，还要用热扩散或离子注入工艺完成掺杂掺杂元素和浓度对氧化生长速率都有影响列如，高掺杂浓度的硅表面要比低掺杂浓度的硅表面氧化速率快。

而且高掺杂浓度的硅表面上的氧化层比在其他层上生长的氧化层的密度低另一个对氧化生长速率有影响的是氧化完成后，硅中掺杂原子的分布N型掺杂物（P、As、Sb）他们在硅中比在二氧化硅中有更高的溶解度当氧化层碰到它们时，这些杂质将进入硅中，在硅与二氧化硅之间，就象铲雪机推一个大雪堆一样，结果是，N型掺杂物在硅与二氧化硅之间比在晶体里有更高的密度（称之为二氧化硅的排磷作用）当掺杂物是P型材料的硼(B)元素时，就会产生相反的结果即硼原子被拉入二氧化硅层，导致在SiO2与Si交界处的硅原子被B 原子消耗尽（称之为二氧化硅的吸硼作用） 压力效应由于氧化层的生长速率依赖于氧化剂从气相运动到硅界面的速度，所以生长速率将随着压力增大而增大高压强迫氧原子更快地穿越正在生长的氧化层，这对线性和抛物线速率系数的增加很重要这就允许降低温度但仍保持不变的氧化速率，或者在相同温度下获得更快的氧化生长经验表明，每增加一个大气压的压力，相当于炉体温度降低30℃这样就可以用增加压力来降低温度而节省成本，并可以解决高温工艺带来的负面影响不均匀的氧化率及氧化步骤经过一些制作工艺后，晶圆表面的条件会有所不同，有的是场氧化区，有些是掺杂区，有些是多晶硅区等等。

每个区上面氧化层厚度不同，氧化层厚度的不同被称为不均匀氧化不同的氧化率导致了在晶圆表面形成台阶(见图)图中显示的是与比较厚的场氧化区相邻的氧化区形成了一个台阶，在暴露区的氧化反应较快高温炉设备,卧式炉 立式炉 快速热处理,立式炉五个主要系统,工艺腔 硅片传输系统 气体分配系统 尾气系统 温控系统,RTP优点,减少热预算 硅中杂质运动最小 减少沾污 较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛 更短的加工时间,RTP主要应用： 1、注入退火，以消除缺陷并激活和扩散杂质 2、淀积膜的致密化 3、硼磷硅玻璃回流 4、阻挡层（如TiN）退火 5、硅化物（如TiSi2）形成 6、金属接触合金化,氧化工艺,目标：无缺陷、厚度均匀的SiO2薄膜不同的氧化层采用不同的生长办法 氧化前的清洗（颗粒和可动离子沾污）： 1、炉体及相关设备的清洗及维护（石英器皿等） 2、工艺中化学品的纯度 3、氧源的纯度 4、硅片清洗过程及操作过程,氧化工艺,氧化层质量测量,氧化膜表面状态：目检，聚光灯和显微镜等 氧化膜厚度：光学检测法（比色法、椭偏仪、C-V法等） 氧化膜电荷含量：C-V测试法 氧化膜少子寿命：SCA表面电荷分析法等 氧化膜击穿：QBD和BV测试等 氧化膜针孔：选择腐蚀法或染色法等 氧化膜层错：WRIGHT腐蚀液法等 氧化膜应力：X射线和电子衍射技术等 氧化膜折射率：膜厚仪等,小结,本章学习了： 氧化膜的用途 干氧和湿氧氧化 RTP 氧化工艺及测量,。