(4)热氧化
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
19百度文库
4.1.4 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。（所谓的掩蔽，并不是杂质绝 对不能进入SiO2 膜，而是进入较缓慢而已。） 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。
半导体工艺原理
氧化与掺杂
1
氧化与掺杂
氧化与掺杂是最基本的微电子平面工艺之一。
通常氧化是指热氧化单项工艺，是在高温、氧（或 水汽）气氛条件下，衬底硅被氧化生长出所需要厚 度二氧化硅薄膜的工艺；
掺杂是指在衬底选择区域掺入定量杂质，包括扩散 掺杂和离子注入两项工艺。
扩散是在高温有特定杂质气氛条件下，杂质以扩散 方式进入衬底的掺杂工艺；而离子注入是将离子化 的杂质用电场加速射入衬底，并通过高温退火使之 有电活性的掺杂工艺。
5
4.1.1 二氧化硅结构
二氧化硅是自然界广泛存 在的物质，按其结构特征 可分为： •结晶形 •非结晶形
SiO2基本结构单元
6
结构
桥联氧原子 非桥联氧原子
石英晶格结构
石英晶体是结晶态二氧化硅，氧原子都是桥联氧原子。
7
结构
非晶态二氧化硅薄膜的氧原 子多数是非非桥联氧原子， 是长程无序结构，左图是非 晶态二氧化硅结构。
Ga； 3. Au在SiO2中扩散系数很小，但由于
在Si中扩散系数很大，则在扩散时， Au可沿着硅表面或Si/SiO2界面扩散 到硅中去。所以SiO2不能掩蔽Au扩 散。
x j 小于SiO2本身的厚度 x S i O 2
xj xSiO2
掩蔽条件: DSi>>DSiO2
杂质的 D S i T 关系曲线
D SiO 2
22
SiO2掩蔽层厚度的确定
硅衬底上的SiO2要能够单做掩膜来实现定域扩散， 需要SiO2满足：
1、 SiO2有一定的厚度；2、 DSi>>DSiO2； 3、且SiO2表面杂质浓度（CS）与Si/SiO界面杂质
4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质
• 间隙式杂质，具有较大离子半径的杂质进入SiO2网 络只能占据网络中的间隙孔位置，成为网络变形 （改变）杂质。
• 当网络改变杂质的氧化物进入后，将被电离并把氧 离子交给网络，是网络产生更多的非桥联氧离子来 替代原来的桥联氧原子，引起非桥联氧离子浓度增 大而形成更多的孔洞，降低网络结构强度，降低熔 点，以及其他性能变化。
热氧化 化学气相淀积 物理法淀积 阳极氧化等
4
4.1二氧化硅薄膜概述
二氧化硅具有良好的稳定性和绝缘性。
二氧化硅薄膜具有与硅的良好亲和性、稳定的 物理化学性质和良好的可加性，以及对掺杂杂 质的掩盖能力，在集成电路工艺中占有重要的 地位。
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。
氧化和光刻
2
第4章 热氧化
热氧化工艺是一种在硅片表面生长二氧化硅薄膜的手段。
4.1二氧化硅薄膜概述 4.2 硅的热氧化 4.3 初始氧化阶段及氧化层制备 4.4 热氧化过程中杂质的再分布 4.5 氧化层的的质量及检测 4.6 其他氧化方法
3
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：
• 这类杂质的特点是离子半径与Si原子的半径相接近或比Si原子半径小， 在网络结构中能替代或占据Si原子位置，也称为网络形成杂质。由于他 们的价电子数与硅不同，所以当其替代硅原子位置后，会使得网络的 结构和性质发生变化。（磷进入，磷硅玻璃 , PSG，疏松；硼，硼硅玻 璃，BSG，网络强度增大）
18
二氧化硅膜用途
作为掩蔽膜
离子注入掩蔽 11
二氧化硅膜用途
互连 层间 绝缘 介质
12
二氧化硅膜用途
作为电隔离膜
隔离工艺
13
14
二氧化硅膜用途
作为掩膜； 作为芯片的钝化和保护膜； 作为电隔离膜； 作为元器件的组成部分。
15
SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅 时代的主要原因
TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜
20
4.1.5 SiO2的掩蔽作用
•微电子工艺中采用的是二氧化硅薄膜是非晶态（又称 玻璃态）薄膜，在微电子芯片制造中起着十分重要的 作用，它既可作为杂质选择扩散的掩膜，又可作为芯 片表面的保护层和钝化层。
21
4.1.5 SiO2的掩蔽作用
硅衬底上的SiO2作掩膜要求 杂质在SiO2层中的扩散深度
（Cl）之比比达到一定比值，可保证SiO2起 到掩蔽膜作用。
xmin A DSiO2t
若
C C
s I
103
所需氧化层的最小厚度
xmin4.6 DSiO 2t
不同温度下掩蔽P、B所需氧 化层厚度与扩散时间关系图
23
4.1.5 SiO2的掩蔽作用
1. 除Au外，DSi/DSiO2随T升高而增加； 2. 能够掩蔽B、P的扩散，但不能掩蔽
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107-1015 Ω·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。
9
二氧化硅膜用途
元器件的组成部分
0.8 nm栅氧化层 10
透射电子显微镜 （Transmission electron microscopy，缩写TEM ） 16
4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质
P B
网络改
网络形成
变者
者
17
4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质
• 掺入SiO2中的杂质，按它们在SiO2网络中所处的位 置来说，基本上可以分为两种：
• 替代（位）式杂质：取代Si-O四面体中Si原子位置 的杂质为替位杂质。
非晶态二氧化硅结构
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。
8
4.1.2 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℃；
4.1.4 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。（所谓的掩蔽，并不是杂质绝 对不能进入SiO2 膜，而是进入较缓慢而已。） 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。
半导体工艺原理
氧化与掺杂
1
氧化与掺杂
氧化与掺杂是最基本的微电子平面工艺之一。
通常氧化是指热氧化单项工艺，是在高温、氧（或 水汽）气氛条件下，衬底硅被氧化生长出所需要厚 度二氧化硅薄膜的工艺；
掺杂是指在衬底选择区域掺入定量杂质，包括扩散 掺杂和离子注入两项工艺。
扩散是在高温有特定杂质气氛条件下，杂质以扩散 方式进入衬底的掺杂工艺；而离子注入是将离子化 的杂质用电场加速射入衬底，并通过高温退火使之 有电活性的掺杂工艺。
5
4.1.1 二氧化硅结构
二氧化硅是自然界广泛存 在的物质，按其结构特征 可分为： •结晶形 •非结晶形
SiO2基本结构单元
6
结构
桥联氧原子 非桥联氧原子
石英晶格结构
石英晶体是结晶态二氧化硅，氧原子都是桥联氧原子。
7
结构
非晶态二氧化硅薄膜的氧原 子多数是非非桥联氧原子， 是长程无序结构，左图是非 晶态二氧化硅结构。
Ga； 3. Au在SiO2中扩散系数很小，但由于
在Si中扩散系数很大，则在扩散时， Au可沿着硅表面或Si/SiO2界面扩散 到硅中去。所以SiO2不能掩蔽Au扩 散。
x j 小于SiO2本身的厚度 x S i O 2
xj xSiO2
掩蔽条件: DSi>>DSiO2
杂质的 D S i T 关系曲线
D SiO 2
22
SiO2掩蔽层厚度的确定
硅衬底上的SiO2要能够单做掩膜来实现定域扩散， 需要SiO2满足：
1、 SiO2有一定的厚度；2、 DSi>>DSiO2； 3、且SiO2表面杂质浓度（CS）与Si/SiO界面杂质
4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质
• 间隙式杂质，具有较大离子半径的杂质进入SiO2网 络只能占据网络中的间隙孔位置，成为网络变形 （改变）杂质。
• 当网络改变杂质的氧化物进入后，将被电离并把氧 离子交给网络，是网络产生更多的非桥联氧离子来 替代原来的桥联氧原子，引起非桥联氧离子浓度增 大而形成更多的孔洞，降低网络结构强度，降低熔 点，以及其他性能变化。
热氧化 化学气相淀积 物理法淀积 阳极氧化等
4
4.1二氧化硅薄膜概述
二氧化硅具有良好的稳定性和绝缘性。
二氧化硅薄膜具有与硅的良好亲和性、稳定的 物理化学性质和良好的可加性，以及对掺杂杂 质的掩盖能力，在集成电路工艺中占有重要的 地位。
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。
氧化和光刻
2
第4章 热氧化
热氧化工艺是一种在硅片表面生长二氧化硅薄膜的手段。
4.1二氧化硅薄膜概述 4.2 硅的热氧化 4.3 初始氧化阶段及氧化层制备 4.4 热氧化过程中杂质的再分布 4.5 氧化层的的质量及检测 4.6 其他氧化方法
3
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：
• 这类杂质的特点是离子半径与Si原子的半径相接近或比Si原子半径小， 在网络结构中能替代或占据Si原子位置，也称为网络形成杂质。由于他 们的价电子数与硅不同，所以当其替代硅原子位置后，会使得网络的 结构和性质发生变化。（磷进入，磷硅玻璃 , PSG，疏松；硼，硼硅玻 璃，BSG，网络强度增大）
18
二氧化硅膜用途
作为掩蔽膜
离子注入掩蔽 11
二氧化硅膜用途
互连 层间 绝缘 介质
12
二氧化硅膜用途
作为电隔离膜
隔离工艺
13
14
二氧化硅膜用途
作为掩膜； 作为芯片的钝化和保护膜； 作为电隔离膜； 作为元器件的组成部分。
15
SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅 时代的主要原因
TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜
20
4.1.5 SiO2的掩蔽作用
•微电子工艺中采用的是二氧化硅薄膜是非晶态（又称 玻璃态）薄膜，在微电子芯片制造中起着十分重要的 作用，它既可作为杂质选择扩散的掩膜，又可作为芯 片表面的保护层和钝化层。
21
4.1.5 SiO2的掩蔽作用
硅衬底上的SiO2作掩膜要求 杂质在SiO2层中的扩散深度
（Cl）之比比达到一定比值，可保证SiO2起 到掩蔽膜作用。
xmin A DSiO2t
若
C C
s I
103
所需氧化层的最小厚度
xmin4.6 DSiO 2t
不同温度下掩蔽P、B所需氧 化层厚度与扩散时间关系图
23
4.1.5 SiO2的掩蔽作用
1. 除Au外，DSi/DSiO2随T升高而增加； 2. 能够掩蔽B、P的扩散，但不能掩蔽
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107-1015 Ω·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。
9
二氧化硅膜用途
元器件的组成部分
0.8 nm栅氧化层 10
透射电子显微镜 （Transmission electron microscopy，缩写TEM ） 16
4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质
P B
网络改
网络形成
变者
者
17
4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质
• 掺入SiO2中的杂质，按它们在SiO2网络中所处的位 置来说，基本上可以分为两种：
• 替代（位）式杂质：取代Si-O四面体中Si原子位置 的杂质为替位杂质。
非晶态二氧化硅结构
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。
8
4.1.2 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℃；