半导体制造工艺_03硅的氧化.ppt

第三章硅的氧化二氧化硅是上帝赐给IC的材料。Introduction在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质作为器件的组成部分作为集成电路的隔离介质材料作为电容器的绝缘介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料扩散时的掩蔽层离子注入的(有时与光刻胶、Si3N4层一起使用)阻挡层2.1.1SiO2的结构结晶形SiO2的结构无定形SiO2的结构SiO2结构在制备工艺中的应用2.1.2SiO2的主要性质（1）介电强度：单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿电压大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关一般为106~107V/cm（10－1~1V/nm）介电常数:表征电容性能SiO2的相对介电常数为3.9腐蚀：化学性质非常稳定只与氢氟酸发生反应还可与强碱缓慢反应薄膜应力为压应力2.2SiO2的掩蔽作用杂质在SiO2中的存在形式杂质在SiO2中的存在形式2.2.2杂质在SiO2中的扩散系数（1）杂质在SiO2中的扩散系数（2）2.2.3掩蔽层厚度的确定（1）掩蔽层厚度的确定（2）图2.5各种温度下能掩蔽磷和硼所需SiO2厚度与杂质在硅中达到扩散深度所需时间的关系SiO2掩蔽P的扩散过程2.3硅的热氧化生长动力学每生长一单位厚度的SiO2将消耗约0.45单位厚度的硅（台阶覆盖性）SiO2中所含Si的原子密度CSiO2=2.2×1022/cm3Si晶体中的原子密度CSi=5.0×1022/cm3厚度为面积为一平方厘米的SiO2体内所含的Si原子数为而这个数值应该与转变为SiO2中的硅原子数相等即热氧化法干氧氧化干氧氧化Si表面无SiO2则氧化剂与Si反应生成SiO2生长速率由表面化学反应的快慢决定。生成一定厚度的SiO2层氧化剂必须以扩散方式运动到Si-SiO2界面再与硅反应生成SiO2即生长速率为扩散控制。干氧氧化时厚度超过40Å湿氧氧化时厚度超过1000Å则生长过程由表面化学反应控制转为扩散控制水汽氧化湿氧氧化进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图热氧化法热氧化生长动力学（1）令C1为氧化层单位体积所含氧化剂分子数热氧化生长速率（2）SiO2生长快慢将由氧化剂在SiO2中的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个因素所决定：当氧化时间很长(Thickoxide)即t>>τ和t>>A2/4B时则SiO2的厚度和时间的关系简化为：（抛物型规律扩散控制）当氧化时间很短(thinoxide)即（t+τ）<<A2/4B时则SiO2的厚度和时间的关系简化为（线性规律反应控制）决定氧化速率常数的因素（2）温度对B及B/A的影响影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素（1）影响氧化速率的因素（1）影响氧化速率的因素（2）杂质对氧化速度的影响水汽（极少量的水汽就会极大增大氧化速率）水汽含量<1×10-6时氧化700分钟SiO2约为300Å水汽含量25×10-6时氧化700分钟SiO2约为370Å钠以氧化物形式进入离化后增加非桥键氧数线性和抛物型氧化速率明显增大杂质对氧化速度的影响氯（O2＋TCA/HCL/TCE）钝化可动离子尤其是钠离子生成可挥发的金属氯化物改善Si-SiO2界面特性——氯进入Si-SiO2界面界面态密度减小表面固定电荷密度减小提高氧化速率10～15％抑制层错TCA（三氯乙烷）在高温下形成光气（COCl2）是一种剧毒物质；TCE（三氯乙烯）可能致癌；HCL腐蚀性极强掺有杂质的硅在热氧化过程中靠近界面的硅中杂质将在界面两边的硅和二氧化硅中发生再分布。其决定因素有：杂质的分凝现象杂质通过SiO2表面逸散氧化速率的快慢杂质在SiO2中的扩散速度热氧化时杂质在界面上的再分布的诱因k<1并且杂质在氧化物中扩散很慢。例如Bk=0.3杂质在SiO2界面处浓度很高k>1并且杂质在氧化物中扩散慢。例如PAsSb杂质在硅界面处堆积2.7Si-SiO2界面特性可动离子电荷Qm（1）预防措施含氯的氧化工艺用氯周期性的清洗管道、炉管和相关容器使用超纯净的化学物质保证气体及气体传输过程的清洁用BPSG和PSG玻璃钝化可动离子用等离子淀积Si3N4来封闭已经完成的器件界面陷阱电荷Qit（1）危害：使阈值电压漂移大量的界面态电荷会显著降低晶体管沟道迁移率（金属化后退火（PMA）减少界面态）使MOS电容的C-V曲线发生畸变成为有效的复合中心导致漏电流的增加界面态密度与衬底晶向、氧化层生长条件、和退火条件有