第三章 热生长二氧化硅膜2009

4.7
SiO2氧化层的替代品
随着微电子器件的小型化，SiO2氧化层已经不能满足需求，其矛盾在于：当 SiO2层薄到一定程度时，其漏电流大幅度增加，从而造成器件的不稳定性及 高功耗。 而目前Intel公司新一代45nm CPU工艺中即将采用氧化铪高K值绝缘层代替
SiO2，并采用金属栅极代替传统的多晶硅栅极。
920
1000
0.235
0.165
0.0049
0.0117
1.4
0.37
0.5
0.226
0.2030.2ຫໍສະໝຸດ 711001200
0.09
0.04
0.027
0.045
0.076
0.027
0.11
0.05
0.51
0.72
其中：τ是考虑到自然氧化层的因素，250Å左右。
计算在120分钟内，920℃水汽氧化（640Torr）过 程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状 态时已有1000埃的氧化层。
O
Si
1. 硅暴露在空气中，则在室温下即可产生二 氧化硅层，厚度约为250埃。
2. 如果需要得到更厚的氧化层，必须在氧气
气氛中加热。 3. 硅的氧化反应是发生在Si/SiO2界面，这是 因为：Si在SiO2 中的扩散系数比O的扩散 系数小几个数量级。
4.2
二氧化硅膜的制备方法
• 制备二氧化硅膜的方法有：热生长氧化法、 化学气相沉积等。但目前主要使用的还是 热生长氧化法。 • 热生长氧化法优点：致密、纯度高、膜厚 均匀等； • 缺点：需要暴露的硅表面、生长速率低、 需要高温。
装载硅片
氧化
在O2和HCl混合气氛中，1000 ℃下进行氧化。
N2退火
1050 ℃，N2下进行退火以减少氧化层固定电荷。
冷却
800 ℃以下再拉出硅片。
4.10 二氧化硅的扩散掩蔽作用
实现扩散掩蔽对杂质扩散系数的要求： 1.杂质在二氧化硅中的扩散系数要小； 2.杂质在硅中的扩散系数要大。 杂质镓和铝在二氧化硅中的扩散系数比在硅中大数百倍，而 硼、磷、砷在二氧化硅中的扩散系数比在硅中小，所以二氧
Pg－氧化炉内氧气的分压。
氧化层生长速率为：
J dtox R N1 dt
Hks Pg K s K s tox N1 1 h Do
其中N1是SiO2中氧原子浓度（4.4×1022 cm-3 ）除以 氧源中氧原子数量。（比如以O2 为氧源，则除以2； 以H2O为氧源，则除以1）
扩散控制
B/A被称为线性速率系数；而B被称为抛物线速率系数
自然氧化层
1. 迪尔－格罗夫模型在薄氧化层范围内不适用。
2. 在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理 至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。 3. 由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔－格罗夫模 型需要用τ 来修正。
硅（100）晶面干氧氧化速率与氧化层 厚度的关系
4.4 影响氧化速率的因素
B tox (t ) A
1. 2.
tox B(t )
A 2 D( B
1 1 ) ks hg
2 DHPg N1
温度：氧化速率随温度升高而增大。 气氛：适量掺氯气氛可以增加氧化速率。
3.
4.
氧化剂分压：氧化速率与氧化剂分压成正比。
硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。
2. 对于线性速率常数B/A，温度的影响 B 则主要是通过反应速率常数Ks体现的。 具体表现在干氧和湿氧具有相同的激 活能，这是因为干氧和水汽氧化本质 上都是硅－硅键的断裂，具有相同的 激活能。
抛物线速率常数B随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）
线性速率常数B/A随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）
氯气氛的影响分析
微电子工艺学
第三章 热生长二氧化硅膜
二氧化硅膜的用途：
1.作为掺杂的掩蔽膜；
SiO2
Si
2.MIS栅介质膜；
3.介质隔离；
4.保护层或缓冲层。
4.1
二氧化硅膜的结构和性质
1. 结构特点：长程无序，短程有 序。 2. 组成单元：硅氧四面体。 3. 二氧化硅中也可能存在各种杂 质，如氢氧根（替代氧）；硼、 磷（替代硅）；钾、钠、钙、 钡、铅、铝（填隙杂质），从 而对其物理性质产生重要的影 响。
1 1 A 2 D( ) ks hg B 2 DHPg N1
重依赖于硅表面的键密度。显然，
（111）晶面的键密度大于（100） 晶面，所以（111）晶面上的氧化速
率最大。
掺杂的影响分析
硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。
1. 对于硼来说，氧化过程中大量的硼进入到SiO2中， 破坏了SiO2的结构，从而使氧化剂在SiO2中的扩散 能力增强，因此增加氧化速率。 2. 对于磷来说，虽然进入SiO2的磷不多，但在高浓度
2.
时，高浓度磷掺杂会改变硅的费米能级，使硅表面
空位增多 （存在争议） ，从而提供了额外的氧化点， 增加了氧化速率。
4.5 热氧化引起的缺陷
氧化诱生层错是热氧化产生的缺陷，它通常存在于
Si/SiO2界面附近硅衬底一侧。
产生原因：氧化过程中产生硅自填隙点缺陷，这些点缺 陷凝聚起来，在（111）面内形成层错。 减少层错的措施：a）磷、硼掺杂引入晶格失配缺陷作 为点缺陷的吸收源；b）掺氯氧化可以吸收点缺陷，阻 止点缺陷凝聚长大；c）采用高压氧化，从而减少氧化 温度和时间；d）采用（111）硅片。
热生长二氧化硅的方法
1. 干氧法：硅和分子氧反应生成SiO2
特点：氧化速度慢，但氧化层致密。
2. 水汽氧化：硅和水汽反应生成SiO2
特点：氧化速度快，但氧化层疏松。
3. 湿氧法：硅同时和氧分子及水汽反应生成SiO2
特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。
4.3 迪尔－格罗夫氧化模型
自由气 体层
Cg J1 Cs
边界条件：T＝0时刻氧化层厚度假设为t0，则有：
tox Atox B(t )
2
1 1 A 2 D( ) k s hg B 2 DHPg N1
其中：
1、若氧化层厚度足够薄：
B tox (t ) A
反应速率控制
to 2 At0 B
2、若氧化层厚度足够厚：
tox B(t )
度约为0.55tox的台阶，而Si3N4膜受上述台阶的影响会翘起， 形成所谓的“鸟嘴效应”。为消除鸟嘴，可在局部氧化之 前，先将窗口处的硅腐蚀掉，然后进行氧化。
习题
1. 在某个双极工艺中，为了隔离晶体管，需要生长1μm厚 的场氧化层，由于考虑到杂质扩散和堆跺层错的形成， 氧化必须在1050℃下进行。如果工艺是在一个大气压下 的湿氧气氛中进行，计算所需要的氧化时间。假定抛物 线速率系数与氧化气压成正比，分别计算在5和20个大 气压下， 氧化所需 要的时间 。（1个大 气压下， B＝ 0.4μm2/h，B/A=2.4 μm/h）。 一块硅样品在1200℃下采用干氧氧化1小时，问：1） 生长的氧化层有多厚？2）再在1200 ℃采用湿氧氧化生 长0.1μm需要多长时间？
化硅可用于硼、磷、砷等杂质的扩散掩蔽，而不能用于镓、
铝的扩散掩蔽。镓、铝可以采用氮化硅作为掩蔽膜。
4.11 硅的局部氧化（LOCOS） （local oxidation of silicon）
• 当需要在硅片上进行局部氧化时，一般用氮化硅作掩蔽膜， 因为致密的氮化硅能阻挡氧和水。
• 由于硅氧化成二氧化硅后体积会膨胀，所以窗口会形成高
3. 可移动离子电荷：来自钾、钠等其它碱金属离子污染， 在高温和电场的作用下可在氧化层内移动，非常有害。 4. 氧化层陷阱电荷：由氧化层内的缺陷引起，这些缺陷可 以捕获电子或空穴。
改善Si/SiO2界面的方法
1. 大多数氧化工艺在硅片从炉子里面拉出来
之前，有一个短时的氮气或氩气退火，可 以显著改善Si/SiO2界面质量。 2. 掺氯氧化可以减小可移动离子，减小界面 态和固定电荷。 3. 注意工艺过程中的洁净环境，尽可能减少 可动离子。
4.6 氧化层质量－Si/SiO2界面
1.
固定电荷层：存在于Si/SiO2界面附近，是一些过剩的硅 离子。这些过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但还没 有与氧分子反应，于是形成固定电荷层。 界面陷阱电荷：硅表面出现晶格周期中断，从而导致界 面处出现悬挂键，成为电子或空穴的陷阱，并在禁带中
2.
引入能级，称为界面态。
2. 通过改变氧化剂分压可以达到调整
SiO2生长速率的目的，因此出现了 高压氧化和低压氧化技术。
1 1 A 2 D( ) ks hg B 2 DHPg N1
氧化速率常数随温度和压强的关系
硅片晶向的影响分析
1. B与晶向无关，因为分压一定的情况 下，氧化速率与氧化剂在SiO2中的扩 散系数D有关，而SiO2 是无定形的， 所以扩散具有各向同性。 2. A与晶向有关，因为反应速率常数严
4.8 氧化层厚度测量方法
1. 台阶法：腐蚀部分SiO2膜得到台阶，然后用电镜
或显微镜观测得到膜厚。
2. 光学法：包括椭偏光法和干涉法。
3. 电学测量：包括电压击穿法和电容－电压法等。
4.9
氧化系统
普通氧化系统
高压氧化系统
氧化炉实物图
栅氧化步骤
预清洗
在O2和HCl混合气氛中，1100 ℃下60分钟的氧 化炉清洗，然后用N2吹扫，并降温到800 ℃。 在O2和N2混合气氛中装载硅片。
在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的改善， 并可以增大氧化速率，主要有以下方面：
钝化可动离子，特别是钠离子；
增加硅中少数载流子的寿命；
减少中的缺陷，提高了抗击穿能力； 降低界面态密度和固定电荷密度；
减少硅中的堆积层错。