集成电路工艺基之氧化.ppt
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1、Chap 2 氧化,绪论 SiO2的结构和性质 SiO2的掩蔽作用 硅的热氧化生长动力学 决定氧化速度常数和影响氧化速率的各种因素 热氧化过程中的杂质再分布 初始氧化阶段以及薄氧化层的生长 Si- SiO2 界面特性,下一页,二氧化硅是上帝赐给IC的材料。,Introduction,硅易氧化 几个原子层厚,1nm左右 氧化膜化学性质稳定,绝缘性好 SiO2的存在形态 晶体:石英、水晶等 石英砂,主要成分为SiO2 ,为制备硅原料的核心材料 非晶体:玻璃等(热氧化方法制备的SiO2),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
2、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,SiO2的作用,SiO2的制备+光刻 +扩散 硅平面工艺,返回,2.1.1 SiO2的结构,无论是结晶形还是无定形SiO2,都是以Si为中心,Si-O原子组成的正四面体,其中OSi O键桥的键角为109.5,是固定的。,2.1 SiO2的结构及性质,结晶形SiO2的结构,结晶形SiO2是由Si-O四面体在空间规则排列所构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个Si-O四面体中心的硅形成共价键,氧原子的化合价也被满足。,无定形SiO2的结构,Amorph
3、ous SiO2 中Si-O-Si键角为110 180 桥键氧:与两个相邻的Si-O四面体中心的硅原子形成共价键的氧 非桥键氧:只与一个Si-O四面体中心的硅原子形成共价键的氧 非桥键氧越多,无定型的程度越大,无序程度越大,密度越小,折射率越小 无定形SiO2的强度:桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数 结晶态和无定形态区分非桥联氧是否存在,SiO2结构在制备工艺中的应用,硅要运动,打破四个OSi 键 氧要运动,打破两个OSi 键,对非桥键氧,只需打破一个OSi 键 故氧的运动同硅相比更容易,氧的扩散系数比硅的大几个数量级 氧化时,是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2层,到达Si- SiO2界面,与硅
4、反应,而非硅向外表面运动,在表面与氧化剂反应生成SiO2。,2.1.2 SiO2的主要性质(1),密度:表征致密程度 结晶形:2.65g/cm3 非结晶形:2.152.25g/cm3 折射率:表征光学性质 密度较大的SiO2具有较大的折射率 波长为5500A左右时, SiO2的折射率约为1.46 电阻率: 与制备方法及所含杂质数量等因素有关,高温干氧氧化制备的电阻率达1016 cm,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106107V/cm(1011V/nm) 介电常数:表征电容性能 SiO2的相对介电常数为3.9,SiO2的主要性质(2
5、),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,SiO2的主要性质(3),返回,2.2 SiO2的掩蔽作用,2.2.1 杂质在SiO2中的存在形式,杂质在SiO2中的存在形式,网络形成者:可以替代SiO2网络中硅的杂质,即能代替SiO四面体中心的硅、并能与氧形成网络的杂质 特点是离子半径与Si原子相近或者更小 三价网络形成者(如B)增加非桥键氧数目,降低SiO2强度 五价网络形成者(如P)减少非桥键氧数目,增加SiO2强度,杂质在SiO2中的存在形式,网络改变者:存在于SiO2网络间隙中的杂质 特点:离子半径大,多以氧化物形式进入SiO2后离化,增加非桥键
6、氧浓度,降低SiO2强度,易运动,破坏电路的稳定性和可靠性。 Na、K、Pb、Ba 水汽的行为类似于网络改变者,2.2.2 杂质在SiO2中的扩散系数(1),E为杂质在SiO2中的扩散激活能,Do为表观扩散系数,选择扩散(在集成电路中的重要应用) 在相同的条件下,一些杂质在SiO2中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度,即SiO2对某些杂质起掩蔽作用。 掩蔽是相对的, 杂质在SiO2的扩散系数:,杂质在SiO2中的扩散系数(2),杂质在SiO2中的扩散系数 B、P、As等常用杂质的扩散系数小, SiO2对这类杂质可以起掩蔽作用 Ga、某些碱金属(Na)的扩散系数大, SiO2对这类杂质就起不到掩蔽
7、作用 Na离子在SiO2中的扩散系数和迁移率都非常大 Na离子来源非常丰富 Na离子玷污是造成双极器件和MOS器件性能不稳定的重要原因之一,2.2.3 掩蔽层厚度的确定(1),有效掩蔽条件 杂质的 SiO2有一定厚度 掺杂杂质 B、P、As 等常用杂质在SiO2中的扩散系数远小于在硅中的扩散系数 B、P、As的杂质源制备容易、纯度高,操作方便,掩蔽层厚度的确定(2),掩蔽层厚度的确定 杂质在SiO2表面的浓度为在Si- SiO2界面浓度的1000倍时的SiO2的厚度为最小厚度 对恒定源(余误差),浓度为C(x)所对应的深度表达式为: 对有限源(高斯分布),A随时间变化,其中:,得到:,图2.5
8、 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,返回,2.3 硅的热氧化生长动力学,CVD(化学气相淀积) PVD (物理气相淀积) 热氧化:硅与氧或水汽等氧化剂,在高温下经化学反应生成SiO2有什么特点? 热氧化生成的SiO2掩蔽能力最强 质量最好,重复性和稳定性好 降低表面悬挂键从而使表面态密度减小,且能很好的控制界面陷阱和固定电荷,2.3.1 硅的热氧化,每生长一单位厚度的 SiO2,将消耗约0.44单位厚度的硅(台阶覆盖性) SiO2 中所含Si的原子密度 CSiO2=2.21022/cm3 Si 晶体中的原子密度 CSi =5
9、.01022/cm3,硅的热氧化生长(1),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,得到:,硅的热氧化生长(2),热氧化法,干氧氧化 水汽氧化 湿氧氧化 氢氧合成氧化(LSI和VLSI的理想氧化技术) 掺氯氧化(为减小SiO2中的Na+玷污),干氧氧化,干氧氧化 氧化剂:干燥氧气 反应温度:9001200 干氧氧化制备的SiO2的特点 结构致密、干燥、均匀性和重复性好 与光刻胶粘附性好,掩蔽能力强。 生长速度非常慢 干氧氧化的应用 MOS晶体管的栅氧化层,干氧氧化,Si表面无SiO2,则氧化剂与Si反应,生成SiO2
10、,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40 湿氧氧化时,厚度超过1000 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,反应条件 氧化剂:高纯水(95 左右)+氧气 特点: 生长速率较高 SiO2结构略粗糙,进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图,热氧化法,三种氧化法比较 干氧氧化 结构致密但氧化速率极低 湿氧氧化 氧化速率高但结构略粗糙,制备厚二氧化硅薄膜 水汽氧化 结构粗糙-不可取 实际生产: 干氧氧化 + 湿氧氧化 + 干氧氧化 5
11、分钟 + (视厚度而定)+ 5 分钟 常规三步热氧化模式既保证了SiO2表面和界面的质量,又解决了生长速率问题,2.3.2 热氧化生长动力学(1),生长过程:,D-G模型的使用范围 D-G模型对温度在700-1300范围内,压力从2104Pa到1.01105Pa,氧化层厚度在300-20000A之间的氧气氧化和水汽氧化都是适用的。 薄氧化层的生长模型?,菲克第一定律,根据稳态条件:,hg是质量输运系数,ks为氧化剂与Si反应的化学反应常数,热氧化生长动力学(2),当氧化剂在SiO2中的扩散系数DSiO2 ksxo则Ci0, Co C*,氧化为扩散控制 当氧化剂在SiO2中的扩散系数DSiO2很
12、大,则Ci= Co = C*/(1+ks/h),氧化为反应控制,热氧化生长动力学(3),SiO2不断生长,界面处的Si也就不断转化为SiO2中的成份,因此表面处的流密度:,热氧化生长速率(1),其中:N1为每生长一个单位体积SiO2所需要氧化剂的分子个数。在氧化膜中有2.21022个SiO2分子/cm3,在进行氧化时,要获得一个SiO2分子,在干氧环境中需要一个氧分子,在水汽环境中需要两个水分子),热氧化生长速率(2),解关系式(6)得:,微分方程(5)的解给出了SiO2的生长厚度与时间的普遍关系式(6):,(6),其中:,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
13、慢的一个因素所决定: 当氧化时间很长(Thick oxide),即t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),热氧化生长速率(3),当氧化时间很短(thin oxide),即(t +) 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),B/A为线性速率常数;B为抛物型速率常数,热氧化生长速率(4),返回,2.4 决定氧化速率常数的因素,氧化剂分压 氧化温度,氧化剂分压 pg通过C*对B 产生影响,B与pg成正比关系,出现高压氧化和低压氧化来控制氧化速率,决定氧化速率常数的因素(1),决定氧化速率常数的因素(2),氧化温度 温度对
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