电子科大微电子工艺(第二章)氧化

2.4 SiO2－Si界面及掺氯氧化

在实际的SiO2 – Si 系统中，存在四种电荷： 剂、器皿和各种沾污等。
1. 可动电荷： 指Na＋、K＋离子，来源于工艺中的化学试 2. 固定电荷：指位于SiO2 – Si 界面2nm以内的未氧化的过
剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。 3. 界面态：指界面陷阱电荷(结构缺陷、氧化诱生缺陷、 悬挂键），可以采用氢气退火降低。 4. 陷阱电荷：由辐射产生。
4.常规的氧化工艺 ① 硅片清洗（除去硅片上的各种沾污） ② 装片进炉（手动或自动以5cm/min的速度进入850℃的 恒温区） ③ 斜坡升温（以10 ℃ /min从850℃ 升到1100℃ ） ④ 氧化（温度：1100℃恒温） 时间：t＝20min干O2＋60min湿O2＋20min干（O2＋HCl）

2.5 SiO2的质量检查
1. 氧化层表面缺陷的检查
目检和使用100倍～500倍的显微镜检查 2. 氧化层厚度及其均匀性的测量 使用观察法或利用台阶仪、膜厚仪、椭偏仪等仪器测量 3. 氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量
使用C－V测试仪检测
2.5 SiO2的质量检查
观察氧化硅片，通过颜色的不同估算SiO2 层厚度：
抛物线阶段为扩散速率控制
2.2 氧化原理
B/A为线性速率系数，B为抛物线速率系数，B/A和B与温 度、氧化剂浓度、反应室压力等因素有关。 湿氧氧化速率大于干氧氧化速率
湿氧抛物线速率系数B比干氧的大 水气在二氧化硅中的扩散速度和溶解度比氧气的大
2.2 氧化原理
氧化物生长曲线
在1100℃干氧氧化生长的线性和抛物线阶段

Si的自然氧化层（ SiO2 ）很薄, 在40埃左右
2.1 引言

SiO2的原子结构（晶体和非晶体）：
晶体结构：Si-O 四面体在空间规则排列。
2.1 引言
非晶体（无定形）结构：Si-O 四面体在空间无规则排列。
2.1 引言

SiO2的物理性质： 物理性质 比重（g/cm3） 禁带宽度（eV） Si 2.23 1.12 SiO2 2.20 ~8
2.2 氧化原理
氧化过程： 反应气体流 滞留层 氧化硅
硅
新的氧化 硅生成
氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达Si02与Si界面同Si 发生反应，其过程如下： 1、氧化剂扩散穿过滞留层到达SiO2 表面。 2、氧化剂扩散穿过SiO2 层到达SiO2-Si界面。 3、氧化剂在Si 表面与Si 反应生成SiO2 。 4、反应的副产物离开界面。

不掺氯和掺氯氧化层电荷密度的对比：

不掺氯热氧化层 1). 可动电荷（主要是Na＋离子）密度： 3×1012～1×1013/cm2 2). 固定电荷密度： 1×1012/cm2
掺氯热氧化层 1). 可动电荷（主要是Na＋离子）密度： 2×1010～1×1011/cm2 2). 固定电荷密度： （1～3）×1011/cm2
5.先进的氧化工艺（氢氧合成氧化工艺）
水汽氧化： Si ＋ H2O → SiO2 ＋ H2
2.2 氧化原理
湿氧氧化：Si ＋ H2O ＋O2 → SiO2+H2
2.2 氧化原理
水汽氧化：Si ＋ H2O → SiO2 ＋ H2 湿氧氧化：Si ＋ H2O ＋O2 → SiO2+H2
氢氧合成产生水分子代替去离子水加热产生水分子 氢氧合成工艺 H2 ＋O2 → H2O
第二章 氧 化
典型的硅片处理流程模型
氧化主要章节内容：
§2.1 引言
§2.2 氧化原理
§2.3 SiO2在集成电路中的用途
§2.4 SiO2－Si界面及掺氯氧化
§2.5 SiO2的质量检查
§2.6 氧化设备
§2.7 快速热处理
2.1 引言

氧化是一种自然现象
铁、铜、银等金属的自然氧化 硅、硫、磷等非金属的自然氧化
2.2 氧化原理
1、氧化剂扩散穿过滞留 层到达SiO2 表面，其流 密度为F1 。 2、氧化剂扩散穿过SiO2 层到达SiO2-Si界面，流 密度为F2 。 3、氧化剂在Si 表面与Si 反应生成SiO2 ，流密度 为F3 。 氧化硅比较薄时：氧分子、水分子充足，硅原子不足：反 应速率决定氧化速率 氧化硅比较厚时：氧分子、水分子不足，硅原子充足：扩 散速度决定氧化速率
2.2 氧化原理
2.氧化的生长速率

硅片上的氧化物生长模型是由迪尔和格罗夫发展的线性 -抛物线性模型。
线性－抛物线性模型表述为：
t2ox＋Atox＝B(t + τ)
tox为硅片上生长的SiO2总的厚度(μm)；
B为抛物线速率系数(μm2/h)；
B/A为线性速率系数(μm/h)；
τ为生成初始氧化层所用的时间(h)
相对介电常数
熔点（℃） 热导（W/cm.k） 击穿电压（V/cm） 电阻率（/cm）
11.7
1417 1.5 3 × 105 2.5 × 105
3.9
1700 0.01 6 × 106 ~ 1017
2.1 引言

SiO2的化学性质：
SiO2 的化学性质非常稳定，仅被 HF 酸腐蚀。
SiO 2 +4HF SiF4 +2H 2O SiF4 +2HF H 2 (SiF6 )
2.2 氧化原理

气体流量比很重要！
2.2 氧化原理

三种热氧化层质量对比： 氧化 水温 干氧 氧化 水汽 氧化 湿氧 氧化 100 ℃ 95 ℃ 氧化 速率 慢 最快 快 均匀性 重复性 好 差 较好 结构 致密 疏松 适中 掩蔽性 好 较差 基本 满足
2.2 氧化原理
6.氧化消耗硅
氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45％左右
2.5 SiO2的质量检查
2.3 SiO2在集成电路中的用途
4. 掺杂阻挡层：作为注入或扩散掺杂杂质到硅中的掩蔽材 料
2.3 SiO2在集成电路中的用途
5. 垫氧层：做氮化硅与硅之间的缓冲层以减小氮化硅与硅 之间的应力
2.3 SiO2在集成电路中的用途
2.3 SiO2在集成电路中的用途
6. 注入屏蔽氧化层：用于减小注入损伤及减小沟道效应
氧化前
氧化后
2.3 SiO2在集成电路中的用途
1. MOS结构的电介质层
2. 限制带电载流子的场区隔离 3. 保护器件以免划伤和离子沾污 4. 掺杂过程中的注入阻挡层 5. 减小氮化硅与下层之间应力的垫氧化层
6. 减小注入损伤及沟道效应的注入屏蔽氧化层
7. 导电金属之间的层间介质
2.3 SiO2在集成电路中的用途
2.2 氧化原理
（100）硅干氧氧化速率曲线
2.2 氧化原理
（100）硅湿氧氧化速率曲线
2.2 氧化原理
（111）硅湿氧氧化速率曲线
2.2 氧化原理
高压氧化
2.2 氧化原理
氧化对硅表面杂质分布的影响：
SiO2-Si界面的杂质分凝（Dopant Segregation）现象：
— 高温过程中，杂质在两种材料中重新分布 — 氧化硅吸引受主杂质（B）、排斥施主杂质（P、 As）（二氧化硅吸硼排磷）
2.2 氧化原理
3.影响二氧化硅生长的因素




氧化温度 氧化时间 掺杂效应：重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快（掺 杂改变了氧化剂的扩散速率） 硅片晶向：<111>硅单晶的氧化速率比<100>稍快 （适用于线性阶段，而抛物线阶段氧化速率无差别） 反应室的压力：压力越高氧化速率越快 氧化方式：湿氧氧化比干氧氧化速度快，掺氯氧化比 不掺氯的氧化速率快
2.3 SiO2在集成电路中的用途
减小沟道效应
沿<110>晶向的硅晶格视图
2.3 SiO2在集成电路中的用途
7. 金属间的绝缘层：用作金属连线间的层间介质，起绝缘 作用（使用淀积法形成）
2.3 SiO2在集成电路中的用途
1.MOS结构的电介质层（栅氧化层） 2.限制带电载流子的场区隔离（场氧化层） 3.保护器件以免划伤和离子沾污（保护层/钝化层）
1. 栅氧化层：用做MOS晶体管栅和源漏衬底之间的电介质 层 注：用热氧化生长方法形成
2.3 SiO2在集成电路中的用途
2. 场氧化层：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼 此之间电气隔离。 (1) 浅槽隔离STI：Shallow Trench Isolation 注：用CVD淀积方法形成
厚度2500-15000 Å
2.3 SiO2在集成电路中的用途
(2) 硅局域氧化LOCOS/选择性氧化 注：使用干湿干热氧化方式形成
厚度2500-15000 Å
2.3 SiO2在集成电路中的用途
硅局域氧化（LOCOS：local oxidation of silicon)
氧化前
氧化后
2.3 SiO2在集成电路中的用途
3. 保护层/钝化层：保护有源器件和硅表面免受后续工艺 的影响
2.5 SiO2的质量检查
纯硅片
表面生长有二氧化硅膜的硅片
2.5 SiO2的质量检查
台阶仪：
- 需要刻蚀掉部分薄膜才能测量 - 竖直方向台阶测量非常精确
2.5 SiO2的质量检查
膜厚仪（光学干涉法）：
入射光（λ） 出射光
氧化硅
硅
k ，k为整数，为波长，n为氧化硅折射率 2n
TOX
4.掺杂过程中的注入阻挡层（掺杂阻挡层）
5.减小氮化硅与下层之间应力的垫氧化层（垫氧层）
6.减小注入损伤及沟道效应的注入屏蔽氧化层（注入屏蔽
氧化层） 7.导电金属之间的层间介质（金属间的绝缘层）
2.3 SiO2在集成电路中的用途

氧化层应用的典型厚度：