半导体工艺基础 氧化
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第三章 Oxidation 氧化
Oxidation氧化
简介 氧化膜的应用 氧化机理 氧化工艺 氧化设备 RTO快速热氧化
简介
氧化层简介
硅与O2直接反应可得； SiO2性能稳定； 氧化工艺在半导体制造中广泛使用
Si + O2 → SiO2
Oxidation
Silicon
氧化层简介
氧化膜的应用
氧化层应用
掺杂阻挡层 表面钝化(保护)
– Screen oxide, pad oxide, barrier oxide 隔离层
– Field oxide and LOCOS 栅氧化层
掺杂阻挡氧化层
氧化层应用
Much lower B and P diffusion rates in SiO2 than that in Si
氧化膜(层)应用
氧化层应用
名称
应用
厚度
说明
自然氧化层
不希望的
15-20A
屏蔽氧化层
注入隔离，减小损伤 ~200A
热生长
掺杂阻挡层
掺杂掩蔽
400-1200A 选择性扩散
场氧化层和LOCOS 器件隔离
30005000A
衬垫氧化层
为Si3N4提供应力减小 100-200A
湿氧氧化 热生长很薄
牺牲氧化层
去除缺陷
氧化层应用
Blanket Field Oxide Isolation
LOCOS Process
氧化层应用
LOCOS
氧化层应用
Compare with blanket field oxide – Better isolation更好的隔离 – Lower step height更低台阶高度 – Less steep sidewall侧墙不很陡峭
被氧化的硅片上有机物的清除
强氧化剂清除有机污垢
H2SO4:H2O2 or NH3OH:H2O2 followed by DI H2O rinse.
High pressure scrub or immersion in heated dunk tank followed by rinse, spin dry and/or dry bake (100 to 125 °C).
氧化层应用
牺牲氧化层ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱSacrificial Oxide
Defects removal from silicon surface
器件隔离氧化层
氧化层应用
临近器件的绝缘隔离 Blanket field oxide Local oxidation of silicon (LOCOS) Thick oxide, usually 3,000 to 10,000 Å
Screen Oxide
氧化层应用
氧化层应用
Pad and Barrier Oxides in STI Process
USG: Undoped Silicate Glass未掺杂硅酸盐玻璃
氧化层应用
Application, Pad Oxide
Relieve strong tensile stress of the nitride Prevent stress induced silicon defects
成核点 这种SiO2层的阻挡作用很差 氧化前需要清洗硅片表面
氧化前圆片清洗
颗粒 有机粘污 无机粘污 本征氧化层
RCA清洗
Developed by Kern and Puotinen in 1960 at RCA Most commonly used clean processes in IC fabs (1号液)－NH4OH:H2O2:H2O with 1:1:5 to
SiO2 can be used as diffusion mask
氧化层应用
表面钝化(保护)氧化层
Pad Oxide衬垫氧化层, Screen Oxide屏蔽氧化层 Sacrificial Oxide牺牲氧化层, Barrier Oxide阻挡氧化层
Normally thin oxide layer (~150Å) to protect silicon defects from contamination and overstress.
Pre-oxidation Wafer Clean Particulate Removal
High purity deionized (DI) water or H2SO4:H2O2 followed by DI H2O rinse.
高压清洗或者放在清洗液中加热漂洗，最后烘 干High pressure scrub or immersion in heated dunk tank followed by rinse, spin dry and/or dry bake (100 to 125 °C).
1:2:8 ratio at 70 to 80℃ to remove organic . (2号液)-- HCl:H2O2:H2O with 1:1:6 to 1:2:8
ratio at 70 to 80 ℃ to remove inorganic contaminates ，DI water rinse HF dip or HF vapor etch to remove native oxide.
<1000A 热氧化
栅氧化层
用作MOS管栅介质 30-120A 干氧氧化
阻挡氧化层
防止STI工艺中的污染 100-200A
Silicon Dioxide Grown on Improperly Cleaned Silicon Surface
表面未清洗硅片的热氧化层
热氧化生长的SiO2层是无定形的 SiO2分子间趋于交联形成晶体 未清洗硅片表面的缺陷和微粒会成为SiO2的
Disadvantage缺点 – rough surface topography粗糙的表面形貌 – Bird’s beak鸟嘴
被浅的管沟(STI)所取代
栅氧化层
氧化层应用
Gate oxide: thinnest and most critical layer Capacitor dielectric
Oxidation氧化
简介 氧化膜的应用 氧化机理 氧化工艺 氧化设备 RTO快速热氧化
简介
氧化层简介
硅与O2直接反应可得； SiO2性能稳定； 氧化工艺在半导体制造中广泛使用
Si + O2 → SiO2
Oxidation
Silicon
氧化层简介
氧化膜的应用
氧化层应用
掺杂阻挡层 表面钝化(保护)
– Screen oxide, pad oxide, barrier oxide 隔离层
– Field oxide and LOCOS 栅氧化层
掺杂阻挡氧化层
氧化层应用
Much lower B and P diffusion rates in SiO2 than that in Si
氧化膜(层)应用
氧化层应用
名称
应用
厚度
说明
自然氧化层
不希望的
15-20A
屏蔽氧化层
注入隔离，减小损伤 ~200A
热生长
掺杂阻挡层
掺杂掩蔽
400-1200A 选择性扩散
场氧化层和LOCOS 器件隔离
30005000A
衬垫氧化层
为Si3N4提供应力减小 100-200A
湿氧氧化 热生长很薄
牺牲氧化层
去除缺陷
氧化层应用
Blanket Field Oxide Isolation
LOCOS Process
氧化层应用
LOCOS
氧化层应用
Compare with blanket field oxide – Better isolation更好的隔离 – Lower step height更低台阶高度 – Less steep sidewall侧墙不很陡峭
被氧化的硅片上有机物的清除
强氧化剂清除有机污垢
H2SO4:H2O2 or NH3OH:H2O2 followed by DI H2O rinse.
High pressure scrub or immersion in heated dunk tank followed by rinse, spin dry and/or dry bake (100 to 125 °C).
氧化层应用
牺牲氧化层ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱSacrificial Oxide
Defects removal from silicon surface
器件隔离氧化层
氧化层应用
临近器件的绝缘隔离 Blanket field oxide Local oxidation of silicon (LOCOS) Thick oxide, usually 3,000 to 10,000 Å
Screen Oxide
氧化层应用
氧化层应用
Pad and Barrier Oxides in STI Process
USG: Undoped Silicate Glass未掺杂硅酸盐玻璃
氧化层应用
Application, Pad Oxide
Relieve strong tensile stress of the nitride Prevent stress induced silicon defects
成核点 这种SiO2层的阻挡作用很差 氧化前需要清洗硅片表面
氧化前圆片清洗
颗粒 有机粘污 无机粘污 本征氧化层
RCA清洗
Developed by Kern and Puotinen in 1960 at RCA Most commonly used clean processes in IC fabs (1号液)－NH4OH:H2O2:H2O with 1:1:5 to
SiO2 can be used as diffusion mask
氧化层应用
表面钝化(保护)氧化层
Pad Oxide衬垫氧化层, Screen Oxide屏蔽氧化层 Sacrificial Oxide牺牲氧化层, Barrier Oxide阻挡氧化层
Normally thin oxide layer (~150Å) to protect silicon defects from contamination and overstress.
Pre-oxidation Wafer Clean Particulate Removal
High purity deionized (DI) water or H2SO4:H2O2 followed by DI H2O rinse.
高压清洗或者放在清洗液中加热漂洗，最后烘 干High pressure scrub or immersion in heated dunk tank followed by rinse, spin dry and/or dry bake (100 to 125 °C).
1:2:8 ratio at 70 to 80℃ to remove organic . (2号液)-- HCl:H2O2:H2O with 1:1:6 to 1:2:8
ratio at 70 to 80 ℃ to remove inorganic contaminates ，DI water rinse HF dip or HF vapor etch to remove native oxide.
<1000A 热氧化
栅氧化层
用作MOS管栅介质 30-120A 干氧氧化
阻挡氧化层
防止STI工艺中的污染 100-200A
Silicon Dioxide Grown on Improperly Cleaned Silicon Surface
表面未清洗硅片的热氧化层
热氧化生长的SiO2层是无定形的 SiO2分子间趋于交联形成晶体 未清洗硅片表面的缺陷和微粒会成为SiO2的
Disadvantage缺点 – rough surface topography粗糙的表面形貌 – Bird’s beak鸟嘴
被浅的管沟(STI)所取代
栅氧化层
氧化层应用
Gate oxide: thinnest and most critical layer Capacitor dielectric