chap2氧化.ppt
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1、1,Chap 2 氧化,SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因,硅工艺中的一系列重要硅基材料:,SiO2:绝缘栅/绝缘/介质材料; Si3N4:介质材料,用作钝化/掩蔽等; 多晶硅:可以掺杂,导电; 硅化物:导电,作为接触和互连,2,Chap 2 氧化 oxide,本章重点: 1、 SiO2层用途 2、 SiO2氧化方法 3、 SiO2质量监测 SiO2层的特点: l 能紧紧地依附在硅衬底表面,具有良好的化学稳定性和电绝缘性。 l 对某些杂质能起到掩蔽作用。 l 极易溶解于氢氟酸中,而在其它酸中稳定。,3,2.1 SiO2的结构和性质,一、结构 1. 结晶型和非结晶型(无定形)
2、两种 2.基本单元:Si-O四面体,中心是硅,四个顶角上是氧原子,为两个硅原子所共有。(结构见书图) 3. 连接两个Si-O四面体的氧称为桥键氧,只有一个Si-O四面体的氧称为非桥键氧。,4,5,3.无定形SiO2的强度应是桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数,桥键氧数目越多,则网络结合的就越紧密,否则就越疏松。 4.在无定形SiO2网络中,硅在SiO2中的扩散系数比氧的扩散系数小几个数量级。在热氧化法制备的过程中,是氧或水汽等氧化剂穿过SiO2层,到达Si- SiO2界面,与硅反应生成SiO2 ,而不是硅向SiO2外表面运动,在表面与氧化剂反应生成SiO2,6,二、二氧化硅的性质 1.密度与折
3、射率 2. 耐腐蚀性 二氧化硅膜的化学稳定性极高,不溶于水,除氢氟酸外,和别的酸不起作用。氢氟酸腐蚀原理如下: 六氟化硅溶于水。 利用这一性质作为掩蔽膜,光刻出IC 制造中的各种窗口。,7,3. 二氧化硅膜的掩蔽性质 B、P、As等杂质在SiO2的扩散系数远小于在Si中的扩散系数。DSi DSiO2 SiO2 膜要有足够的厚度。杂质在一定的扩散时间、扩散温度下,有一最小厚度。 4. 二氧化硅膜的绝缘性质 热击穿、电击穿、混合击穿: a.最小击穿电场(非本征)针孔、裂缝、杂质。 b.最大击穿电场(本征)厚度、导热、界面态电荷等;氧化层越薄、氧化温度越高, 击穿电场越低。 c.介电常数34(3.9
4、),8,三、 用途 1.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 二氧化硅对杂质扩散起到掩蔽作用,利用这个性质结合光刻工艺,就可以进行选择性扩散。 这种掩蔽作用是有条件的。随着温度升高扩散时间延长,杂质也有可能会扩散穿透二氧化硅膜层,使掩蔽作用失效。因此二氧化硅膜起掩蔽作用有两个条件(1)厚度足够;(2)所选杂质在二氧化硅中的扩散系数要比在硅中的扩散系数小得多。,9,2.器件和电路的保护或钝化膜 在硅片表面生长一层二氧化硅膜,可以保护硅表面和P-N结的边缘不受外界影响,提高器件的稳定性和可靠性。同时,在制造工艺流程中,防止表面或P-N结受到机械损伤和杂质玷污,起到
5、了保护作用。另外,有了这一层二氧化硅膜,就可以将硅片表面和P-N结与外界气氛隔开。降低了外界气氛对硅的影响,起到钝化作用。但是,钝化的前提是膜层的质量要好,如果二氧化硅膜中含有大量纳离子或针孔,非但不能起到钝化作用,反而会造成器件不稳定。,10,3.某些器件的重要组成部分 (1)MOS管的绝缘栅材料 在MOS晶体管中,常以二氧化硅膜作为栅极,这是因为二氧化硅层的电阻率高,介电强度大,几乎不存在漏电流。但作为绝缘栅要求极高,因为Si-SiO2界面十分敏感(指电学性能), SiO2层质量不好,这样的绝缘栅极就不是良好的半导体器件。,11,(2)电容器的介质材料 集成电路中的电容器是以SiO2作介质
6、的,因为SiO2的介电常数为3-4,击穿耐压较高,电容温度系数下,这些性能决定了它是一种优质的电容器介质材料。另外,生长二氧化硅方法很简单,在集成电路中的电容器都以二氧化硅来代替。,12,4.集成电路中的隔离介质 集成电路中的隔离有P-N隔离和介质隔离两种,而介质隔离中的介质就是二氧化硅。因为SiO2介质隔离的漏电流很小,岛与岛之间的隔离电压较大,寄生电容较小。因此,用二氧化硅作介质隔离的集成电路的开关速度较好。,13,5.用于电极引线和硅器件之间的绝缘介质 在集成电路制备中,电极引线和器件之间,往往有一种绝缘材料,工艺上大多采用二氧化硅作为这一层绝缘材料,使得器件之间,电极引线之间绝缘。,1
7、4,0.8 nm栅氧化层,离子注入掩蔽,隔离工艺,互连层间绝缘介质,15,2.2 SiO2的掩蔽作用,一、杂质在二氧化硅中的存在形式 1.本征二氧化硅:网络体中,只有硅和氧两种元素的SiO2,即不含杂质的SiO2 2.非本征二氧化硅:在器件制造中,往往掺入某些杂质,这样形成的SiO2 3.按杂质在网络中所处位置可分为两类:网络形成者和网络改变者。 (1)网络形成者:可以替代网络中硅原子的杂质。其离子半径与Si相近。 (2)网络改变者:存在于二氧化硅网络间隙中的杂质。一般是以离子形式存在于网络中,其离子半径大,替代硅的可能性很小。,16,热氧化生长,水存在的情况:Si:O:Si Si:O:H+
8、H:O:Si 掺杂杂质:取代Si的位置, 网络形成体(B,P) 占据间隙位置,网络变性体 (金属原子Na, K),含杂质的SiO2结构,17,网络改变者往往以氧化物的形式进入二氧化硅中,进入网络之后便离化,并把氧离子交给SiO2网络。 因网络中的氧的增加,结果非桥键氧的浓度增大, SiO2网络强度减弱,熔点降低。存在于网络间隙中的网络改变者容易运动,尤其是在外场和温度作用下更是如此,对电路的稳定性和可靠性产生极坏影响。 4.水汽能以分子态形式进入二氧化硅网络,和桥键氧反应生成非桥键氢氧基,减少了网络中桥键氧数目,网络强度减弱或疏松,使杂质的扩散能力增强。其行为和网络改变者或间隙杂质相似。,18
9、,二、杂质在SiO2中的扩散系数 1.选择扩散的掩蔽膜 在各种器件制造中往往是通过硅表面特定区域向硅内掺入一定数量的某种杂质,其余区域不进行掺杂。即选择扩散。 选择扩散是根据某些杂质,在条件相同的情况下,在SiO2中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度的性质来完成,即利用SiO2层对某些杂质起到“掩蔽”作用来达到。在相同条件下,杂质在硅中的扩散深度已达到要求时,而在二氧化硅中的扩散深度还非常浅,没有扩透预先生长的SiO2层,因而在SiO2层保护的硅内没有杂质进入,客观上就起到了掩蔽作用。,19,2.服从扩散规律 3.避免钠一类离子的玷污,因为它在SiO2中的扩散系数和迁移率都很大,钠离子的玷污是造
10、成双极器件和MOS器件性能不稳定的重要原因。 三、掩蔽层厚度的确定 1.在实际生成过程中通过计算和实践相结合的方法估算。 2.杂质在SiO2中服从余误差分布和高斯分布(具体下一章介绍),20,2.3 硅的热氧化生长动力学,一、硅的热氧化 1. SiO2的制备方法很多,有热分解淀积法、溅射法、真空蒸发法、阳极氧化法、化学气相淀积法、等离子氧化法和热氧化法等等。 2.热氧化是应用最为广泛的。这是因为它具有工艺简单、操作方便、氧化膜质量最佳、膜的稳定性和可靠性好等特点。 3.硅的热氧化是指硅与氧或水汽等氧化剂,在高温下经化学反应生成SiO2的过程。,21,二、SiO2的制备方法 1.三种氧化 速度
11、均匀重复性 结构 掩蔽性 水温 干氧:慢 好 致密 好 湿氧:快 较好 中 基本满足 95 水汽:最快 差 疏松 较差 102 实际采用:干氧湿氧干氧,22,进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图,23,2.水汽氯化氢氧化 (1)作用:减少钠离子的玷污,抑制氧化垛层错,提高少子寿命,也就是提高器件的电性能和可靠性。在生产中广泛应用。SiO2-Si界面未饱和键和氯离子结合,减少其被杂质原子的价键所占据造成的玷污。 在半导体材料中,经常存在一些重金属杂质,如铜、金等,另外,在氧化过程中,也很容易引入这些杂质。它们在半导体中形成复合中心,使少子寿命变短,如果面外有氯离子存在,它能与这些金属杂质发生作用,生
12、成易挥发的氯化物,而被排除,从而减少了复合中心。,24,(2)掺氯氧化机理 HCl氧化中的反应: 氯在Si-SiO2界面处以氯硅氧复合体形式存在,它们与氧反应,释放出氯气。因电中性作用氯气对Na+有吸附作用,将Na+固定在Si SiO2界面附近,改善器件特性及可靠性。,25,氯使界面处的硅形成硅空位,吸收本征层错中的过多的硅原子,减少层错。 (3)掺氯氧化膜的负偏压不稳定性 掺氯氧化膜加负偏压时,高温负电场会破坏SiSi、 SiO键,变形或破裂,增加固定氧化物电荷和界面陷阱电荷密度,使CV曲线向负方向移动。,26,3.其他常用氧化 (1).氢氧合成氧化 氢氧合成水-汽化=水汽氧化 比湿氧优,均
13、匀/重复性好 (2).低温氧化:缺陷少,(1000以下)但钝化效果差-加1100N2退火 (3).高压氧化:指高压水汽氧化,高密度、高折射率低腐蚀速率,杂质分凝效应小。,27,高压氧化:一种低温快速的氧化方法 B和B/A与氧化剂分压近似成正比 在一个大气压下,每增加一个大气压氧化速率增加一倍 如速率不变,则每增加一个大气压,温度下降30 C 但在VLSI工艺中,尚未广泛使用,原因: 1)安全问题,一般设备需要25 atm 2)设备占地太大,生产产量小 3)厚度不均匀,28,不同方法制作的SiO2的性质对比(定性),29,三、热氧化原理 1.生长机理:一般认为有两种模式。一种是氧或水汽直接穿过氧
14、表面层上的氧化膜;二是在高温下,硅原子在二氧化硅界面处,不断夺取二氧化硅中的氧,生成新的氧化膜,使得表面处仍是硅与氧进行氧化,相当于氧原子进入硅中,或硅原子逐步扩散到表面。持前一观点人多。(生长1umsio2,消耗0.46umsi),30,SiO2生长动力学,31,2.热氧化经历步骤: (1)氧化剂从气体内部以扩散形式穿过附面层运动到气体与二氧化硅界面; (2)氧化剂以扩散方式穿过二氧化层,到达二氧化硅与硅界面; (3)氧化剂在硅表面与硅反应生成二氧化硅; (4)反应副产物离开界面。,32,3.硅的热氧化存在两个极限: 其一是当氧化剂在二氧化硅中的扩散系数很小时,二氧化硅的生长速率主要由氧化剂
15、在二氧化硅中的扩散速度所决定,称为扩散控制; 其二如果扩散系数很大,在这种情况下,氧化剂到达硅和二氧化硅界面的速度就快,这时,二氧化硅的生长速率就由硅表面的化学反应速度决定,称为反应控制。,33,四、热氧化生长速率 SiO2的生长的快慢将由氧化剂在SiO2中的扩散速度以及与Si反应速度中较慢的一个因素来决定。即由扩散控制和表面化学反应速率来决定。 当氧化时间很短时,氧化服从线性规律,此时SiO2的生长速率主要由表面化学反应来决定。 当氧化时间很长时,氧化服从抛物型规律,此时SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的扩散快慢来决定。,34,2.4 决定氧化速率常数和影响氧化速率的各种因素,一、
16、决定氧化速率的各种因素 1.氧化时间 氧化时间短时,氧化速率与时间呈线性,氧化速率很快,且由表面化学反应控制,氧化层厚度增加快;随着时间的增长,氧化速率与时间成抛物线关系,氧化速率变慢,改为由扩散控制,即氧化层加厚的速度变慢。 2.氧化剂分压: 抛物线型速率常数B以及线性速率常数B/A与氧化剂分压都是线性关系,所以在一定的氧化条件下,通过改变氧化剂分压可以达到改变二氧化硅生长速率的目的,即所谓的高压氧化和低压氧化技术。,35,实验表明:对于和H2O氧化,氧化硅生长速率正比于PG,而O2的氧化无法完全用线性关系描述。,在水汽氧化时:,在氧气氧化时:,n0.70.8。上标i表示1 atm下的相应值
17、,压强对氧化速率的影响,如果要达到给定的氧化速率,增加气压,则氧化温度可以降低 如果在同样温度下生长一个给定的氧化层厚度,增加气压,则氧化时间可以减少。,36,3. 氧化温度: B与B/A与温度成指数关系,且在一个大气压下B/A的值由表面化学反应来决定,即由表面化学反应快慢决定氧化速率。只有低压情况氧化速率才由扩散控制。,37,二、影响氧化速率的其他因素 1.硅表面晶向 在氧化剂压力一定的情况下,B与硅衬底晶向无关,而(111)面上的B/A比(100)面上的大。随着氧化温度升高,晶向对B/A影响减小,因为在高温下氧化速率受B即扩散控制;同样当氧化时间很长,氧化层很厚时,氧化速率受B即扩散控制,
18、因此晶面取向对B/A也不起作用。,38,晶向对氧化速率的影响,化学反应速率常数ks与晶向有关。因此线性速率常数B/A与晶向有关。在适当温度(111)晶向硅的B/A为(100)硅的1.68倍,(110)晶向为1.45倍的(100)晶向值。 抛物线速率常数B与晶向无关。 高温长时间氧化,抛物线速率常数B起主要作用,晶向影响减弱。,39,衬底取向对氧化速率影响的原因,B与晶向无关 (B/A)111= 1.68(B/A)100,ks0是常数,与单位晶面上能与氧化剂反应的硅价键数成正比。,40,2.杂质 (1)硅衬底中掺杂P,B对氧化速率的影响 掺杂浓度增加氧化速率增大, 因此在氧化过程中,同一硅片表面
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