第二章氧化

硅熱氧化2.1引言

■氧化是一種自然現(xiàn)象鐵、銅、銀等金屬的自然氧化

硅、硫、磷等非金屬的自然氧化

Si的自然氧化層很薄在40埃左右氧化是硅基集成電路的基礎(chǔ)工藝之一氧化的目的：保護硅片表面器件隔離屏蔽摻雜形成電介質(zhì)層2.2氧化原理硅熱氧化的概念：氧分子或水分子在高溫下與硅發(fā)生化學反應，并在硅片表面生長氧化硅的過程。熱氧化分為干氧、濕氧、水汽氧化，其化學反應式：■干氧氧化：Si＋O2→SiO2■濕氧氧化：Si＋H2O＋O2→SiO2+H2■水汽氧化：Si＋H2O→SiO2＋H2■

硅的氧化溫度：750℃～1100℃氧化系統(tǒng)氧化劑（氧分子或水分子）通過擴散到達Si與Si02界面同Si發(fā)生反應，其過程如下：1.氧化劑擴散穿過滯留層達到SiO2表面，其流密度為F1;2.氧化劑擴散穿過SiO2層達到SiO2-Si界面，流密度為F2;3.氧化劑在Si表面與Si反應生成SiO2，流密度為F3;4.反應的副產(chǎn)物離開界面。氧化過程氧化物生長速率氧化層生長第一階段（≤150?

）線性：氧化層生長第二階段（＞150?）拋物線生長階段：其中X為氧化層厚度B/A為線性速率系數(shù)、B為拋物線速率系數(shù)t為生長時間B/A和B與溫度、氧化劑濃度，反應室壓力等因素有關(guān)。氧化物生長曲線影響二氧化硅生長的因素氧化溫度：氧化時間：摻雜效應：重摻雜的硅要比輕摻雜的氧化速率快硅片晶向：<111>硅單晶的氧化速率比<100>稍快反應室的壓力：壓力越高氧化速率越快氧化方式：濕氧氧化比干氧氧化速度快常規(guī)氧化工藝硅片清洗（除去硅片上的各種沾污）進片/出片（進出850℃溫區(qū)的速度：5cm/分）質(zhì)量檢查（厚度及其均勻性、表面缺陷、固定和可動電荷的檢測）SiO2厚度大約600nm左右

常規(guī)氧化程序曲線常規(guī)氧化工藝濕氧氧化水汽產(chǎn)生裝置氫氧合成氧化工藝氫氧合成產(chǎn)生水分子替代去離子水加熱產(chǎn)生的水分子。氫氧合成的化學反應方程式：2H2＋O2=2H2O（氫氧合成溫度≥750℃）氫氧合成工藝中，特別注意H2與O2的流量比！熱生長SiO2–Si系統(tǒng)中的實際電荷情況熱生長SiO2–Si系統(tǒng)在實際的SiO2–Si系統(tǒng)中，存在四種電荷：1.

可動電荷：指Na＋、K＋離子，來源于工藝中的化學試劑、器皿和各種沾污等。2.固定電荷：指位于SiO2–Si界面2nm以內(nèi)的過剩硅離子，可采用摻氯氧化降低。3.界面態(tài)：指界面陷阱電荷(缺陷、懸掛鍵），可以采用氫氣退火降低。4.陷阱電荷：由輻射產(chǎn)生。熱生長SiO2–Si系統(tǒng)在氧化工藝中，通常在氧化系統(tǒng)中通入少量的HCl氣體（濃度在3％以下）以改善SiO2的質(zhì)量。其優(yōu)點：

1、氯離子進入SiO2－Si界面與正電荷中和以減少界面處的電荷積累

2、氧化前通入氯氣處理氧化系統(tǒng)以減少可動離子沾污摻氯氧化工藝不摻氯熱氧化層

1.可動電荷（主要是Na＋離子）密度：

3×1012～1×1013/cm22.固定電荷密度：1×1012/cm2摻氯熱氧化層

1.可動電荷（主要是Na＋離子）密度：

2×1010～1×1011/cm22.固定電荷密度：（1～3）×1011/cm2不摻氯和摻氯氧化層電荷密度的對比氧化消耗硅

氧化前

氧化后■氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45％左右選擇性氧化：常用于硅的局部場氧化LOCOS

（LOCalOxidationofSilicon）氧化前氧化后三種熱氧化層質(zhì)量對比質(zhì)量氧化水溫氧化速率均勻性重復性結(jié)構(gòu)掩蔽性干氧氧化慢好致密好濕氧氧化95℃快較好適中基本滿足水汽氧化102℃最快差疏松較差1.結(jié)構(gòu)及質(zhì)量：熱生長的比沉積的結(jié)構(gòu)致密，質(zhì)量好。2.成膜溫度：熱生長的比沉積的溫度高。沉積氧化層可在400℃獲得，在金屬布線形成后進行，做為金屬之間的層間介質(zhì)和頂層鈍化層。3.硅消耗：熱生長的消耗硅，沉積的不消耗硅。熱生長氧化層與沉積氧化層的區(qū)別

SiO2層的質(zhì)量檢查氧化層表面缺陷的檢查目檢和使用100倍～500倍的顯微鏡檢查氧化層厚度及其均勻性的測量利用光學干涉原理使用膜厚儀、橢偏儀等儀器測量氧化層固定離子電荷和可動離子電荷的測量使用C－V測試儀檢測■通過顏色的不同可估算SiO2層厚度

2.3SiO2結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途SiO2的原子結(jié)構(gòu)：屬于非晶體、無定形結(jié)構(gòu)，Si-O四面體在空間無規(guī)則排列。物理性質(zhì)SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁帶寬度（eV）1.12~8相對介電常數(shù)11.73.9熔點（℃）14171700熱導（W/cm.k）1.50.01擊穿場強（V/cm）3×1056×106

■

SiO2的物理性質(zhì)SiO2的化學性質(zhì)

SiO2的化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，僅被氫氟酸（HF）腐蝕SiO2在集成電路中的用途1.柵氧層：做MOS結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)層（熱生長）2.場氧層：限制帶電載流子的場區(qū)隔離（熱生長或沉積）3.保護層：保護器件以免劃傷和離子沾污（熱生長）4.注入阻擋層：局部離子注入摻雜時，阻擋注入摻雜（熱生長）5.墊氧層：減小氮化硅與硅之間應力（熱生長）6.注入緩沖層：減小離子注入損傷及溝道效應（熱生長）7.層間介質(zhì)：用于導電金屬之間的絕緣（沉積）1.柵氧層：熱生長方法形成2.場氧層STI（ShallowTrenchIsolation）用CVD方法形成

厚度2500-15000?NMOS閾值電壓公式2.場氧層LOCOS隔離用熱生長法形成

厚度2500-15000?NMOS閾值電壓公式3.保護層：保護有源器件和硅表面免受后續(xù)工藝的影響用熱生長法形成4.注入阻擋層：作為注入或擴散摻雜雜質(zhì)到硅中的掩蔽材料用熱生長法形成5.墊氧層用于減小氮化硅與硅之間的應力用熱生長法形成6.注入緩沖層：用于減小注入損傷及減小溝道效應用熱生長法形成7.層間介質(zhì)：用作金屬連線間的絕緣層用CVD方法形成氧化層應用的典型厚度2.4氧化設備臥式高溫爐立式高溫爐立式爐系統(tǒng)高溫爐的組成1、工藝腔2、硅片傳輸系統(tǒng)3、氣體分配系統(tǒng)4、溫控系統(tǒng)5、尾氣系統(tǒng)2.5快速熱處理快速熱處理（RTP）是在非常短的時間內(nèi)（經(jīng)常是幾分之一秒）將單個硅片加熱至400℃～1300℃溫度范圍的過程。RTP的優(yōu)點：

1.減少熱預算

2.硅中雜質(zhì)運動最小

3.冷壁加熱減少沾污

4.腔體小氣氛潔凈

5.更短的加工時間RTP的應用

1.注入退火以減小注入損傷和雜質(zhì)電激活

2.沉積氧化膜增密

3.硼磷