半导体制造技术第十章PPT

不同方法制备的SiO2，其密度,折射率,电阻率等不同
化学性质：
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；
反应式： SiO2 4 HF SiF4 2 H 2O SiF4 2 HF H 2 ( SiF6 )
总反应式： SiO2 6 HF H 2 ( SiF6 ) 2 H 2O
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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 LOCOS • 工艺相对简单，便宜， 高产率 • 当特征尺寸 < 0.35 um 不再适用
• 更平坦的表面
• 更多的工艺步骤
LOCOS、PBL可用于技术节点0.35-0.5 mm；<0.35 mm必须使用STI
器件保护和隔离
• LOCOS • STI
LOCOS工艺流程
硅片清洗
生长缓冲SiO2层
涂胶
LPCVD淀积Si3N4
LOCOS掩模板
曝光
刻蚀
显影
去胶
隔离注入
刻蚀氮化硅
热氧化
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。
“鸟嘴”效应：
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。
• Pad Oxide衬垫氧化层 • Sacrificial Oxide牺牲氧化层 • Barrier Oxide阻挡氧化层
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。
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。
SiO2物理性质与化学性质
物理性质：
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1016cm。 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
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。
④ SiO2能被强碱熔蚀，也可被H、Al、Si等还原。
反应式： SiO2 2 NaOH Na2 SiO3 H 2O SiO2 Al Al 2O3 Si
不同方法制备的SiO2，其腐蚀速度不同。
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
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）
1）减少了沟道阻断 注入
USG（Un-doped Silicate Glass）：SiH4+O2+Ar→USG + volatiles
2）HDPCVD—— 退火致密化
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。
金属层间的介质
名称
自然氧化层 屏蔽氧化层 掺杂阻挡层
应用
不希望的 注入隔离，减小损伤 掺杂掩蔽
厚度
15-20A ~200A 400-1200A
说明
热生长 选择性扩散
场氧化层和LOCOS 器件隔离
衬垫氧化层 牺牲氧化层 栅氧化层 阻挡氧化层
30005000A
湿氧氧化
热生长很薄 热氧化 干氧氧化
为Si3N4提供应力减小 100-200A 去除缺陷 用作MOS管栅介质 防止STI工艺中的污染 <1000A 30-120A 100-200A
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1µ m的氧化 物，就有 0.46µ m 的硅消耗（干、湿氧化略有差 别）。
氧化物生长速率
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。