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1、第10章氧化第10章氧化第10章氧化大纲1.引言2.氧化膜3.热氧化生长4.生长设备5.氧化工艺6.质量测量7.氧化检查及故障排除12/21/20222集成电路工艺第10章氧化1.引言氧化：热生长法、淀积法热预算(thermalbudget):温度时间趋势：热预算下降，降低硅需要的热能12/21/20223集成电路工艺第10章氧化2.氧化膜热生长氧化层的温度：7501100热氧化硅-thermaloxide12/21/20224集成电路工艺第10章氧化氧化膜的性质二氧化硅的原子结构:一个硅原子被四个氧原子包围着的四面体单元无定形的二氧化硅在原子水平上没有长程有序的晶格周期无定型的玻璃状结构12
2、/21/20225集成电路工艺第10章氧化氧化膜的性质二氧化硅熔点：1732热生长的二氧化硅能紧紧粘附在硅衬底上，具有优良的介质特性自然氧化膜：4nm左右12/21/20226集成电路工艺第10章氧化氧化膜的用途保护器件免划伤和隔离沾污限制带电载流子场区隔离（表面钝化）栅氧或存储单元结构中的介质材料掺杂中的注入掩膜金属导电层间的介质层12/21/20227集成电路工艺第10章氧化器件保护和隔离硅片表面上生长的SiO2可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保护硅内的灵敏器件。SiO2是坚硬和无孔（致密）的材料，可以用来有效隔离硅表面的有源器件。坚硬的SiO2层将保护硅片免受在制造工艺中可能发生的划伤
3、和损害。12/21/20228集成电路工艺第10章氧化表面钝化热生长SiO2的一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键，从而降低它的表面态密度，这种效果成为表面钝化。表面钝化能防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其他外部沾污物引起的漏电流的通路。12/21/20229集成电路工艺第10章氧化表面钝化（续）在硅表面生长的可以将硅表面的电活性污染物（可动离子沾污）束缚在其中。钝化对于控制结器件的漏电流和生长稳定的栅氧化物很重要。氧化层作为一种优质的钝化层，它要求均匀的厚度、无针孔和空隙等质量要求。用栅氧化层做硅表面钝化层必须要有足够的氧化层厚度以阻止由于在硅表面电荷积累引起的金属层充电。这种充电会导致短
4、路和其他一些不受欢迎的电学效应。12/21/202210集成电路工艺第10章氧化栅氧电介质MOS技术中重要的栅氧结构热生长获得栅氧极薄的氧化层（2nm）做介质材料栅氧：具有高的电介质强度（107V/cm)和高的电阻率(1017-cm)MOS器件可靠性的关键是栅氧完整性要求高质量、极好膜厚均匀性、无杂质12/21/202211集成电路工艺第10章氧化掺杂阻挡二氧化硅可做为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层。与硅相比，掺杂物在二氧化硅里的移动缓慢，只需要薄氧化层即可阻挡掺杂物。薄氧化层（如15nm）也可以用于需要离子注入的区域。它可以减少对硅表面的损伤，还可通过减小沟道效应，获得对杂质注入时结深的更好控
5、制。12/21/202212集成电路工艺第10章氧化扩散系数B、P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小，所以。常常选择B、P作为扩散的杂质种类。而对于Ga、Al等杂质，情况则相反。Au虽然在SiO2中的扩散系数很小，但由于在Si中的扩散系数太大，这样以来横向扩散作用也大，所以也不能选用。12/21/202213集成电路工艺第10章氧化金属层间的介质层二氧化硅是微芯片金属层间有效的绝缘体二氧化硅能阻止上层金属和下层金属间短路。氧化物质要求无针孔和空隙12/21/202214集成电路工艺第10章氧化氧化硅的应用1应用目的说明自然氧化层(NativeOxide)通常是沾污。有时用于存储器存储
6、或膜的钝化在室温下生长速率是每小时1.54nm栅氧化层(GateOxide)用做MOS晶体管栅和源漏之间的介质栅氧厚度2nm到几十nm，最优选干氧法生长场氧化层(FieldOxide)用做单个晶体管之间的隔离阻挡层使它们彼此隔离场氧厚度2501500nm，湿氧氧化是优选方法阻挡层氧化(BarrierOxide)保护有源器件和硅免受后续工艺影响热生长几十nm的厚度12/21/202215集成电路工艺第10章氧化氧化硅的应用2应用目的说明掺杂阻挡层(DopantBarrier)作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料通过选择性扩散，掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区域垫氧化层(PadOxide)做氮化硅缓冲
7、层以减小应力热生长并非常薄注入屏蔽氧化层(ImplantScreenOxide)用于减小注入沟道和损伤热生长金属层间绝缘阻挡层(InsulatingBarrierBetweenMetalLayers)用做金属连线间的保护层这种氧化硅不是热生长的，而采用淀积方法12/21/202216集成电路工艺第10章氧化3.热氧化生长半导体应用典型的氧化物厚度（埃）栅氧(0.18m工艺）20-60电容器的电介质5-100掺杂掩蔽的氧化物400-1200STI隔离氧化物150LOCOS垫氧200-500场氧2500-1500012/21/202217集成电路工艺第10章氧化氧化的化学反应干氧：Si(固态)+O
8、2(气态)SiO2(固态)湿氧：Si(固态)+H2O(气态)SiO2(固态)+2H2(气态)12/21/202218集成电路工艺第10章氧化湿法氧化12/21/202219集成电路工艺第10章氧化两种方法的比较湿氧反应会产生一层二氧化硅膜和氢气。潮湿环境有更快的生长速率是由于水蒸气比氧气在二氧化硅中扩散更快、溶解度更高。湿氧反应生成的氢分子会束缚在固态的二氧化硅层内，使得氧化层的密度比干氧小。这种情况可通过在惰性气体中加热氧化物来改善，以得到与干氧生长相似的氧化膜结构和性能。12/21/202220集成电路工艺第10章氧化氧化生长模式氧化生长模式一旦在硅表面有二氧化硅生成，它将阻挡O2与Si原
9、子直接接触，所以其后的继续氧化是O2通过扩散穿过已生成的二氧化硅层，向Si一侧运动到达界面进行反应而增厚的。12/21/202221集成电路工艺第10章氧化氧化生长模式氧化生长模式无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗硅。硅消耗的厚度占氧化总厚度的0.46，这就意味着每生长1m的氧化物，就有0.46m的硅消耗（干、湿氧化略有差别）。12/21/202222集成电路工艺第10章氧化扩散氧化物生长发生在氧分子通过已生成的二氧化硅层运动进入硅片的过程中扩散扩散是一种材料在另一种材料中的运动对于固体、液体和气体，原子是从高浓度区域向低浓度区域扩散的，而且热能会促进这种扩散。菲克定律(Ficks
10、laws)根据温度、浓度和扩散的激活能描述扩散材料的运动速率。12/21/202223集成电路工艺第10章氧化SiO2-Si界面从单晶硅到无定形SiO2间的SiO2/Si界面上存在突变。在SiO2分子中，每个硅原子和四个氧原子键合，每个氧原子和2个硅原子键合，但在界面上有些硅原子并没有和氧原子键合。距界面2nm以内的硅不完全氧化是带正电荷的固定氧化物电荷区。界面处积累的其他一些电荷包括界面陷阱电荷、可移动氧化物电荷。前者由结构缺陷、氧化诱生缺陷或者金属杂质引起的正的或负的电荷组成，后者是由于可动离子沾污引起的，在远离界面的氧化物体内，也可能有正的或负的电荷氧化物陷阱电荷。对于器件的正常工作，界
11、面处的电荷堆积是不受欢迎的，它会导致MOS器件的开启电压值变得无法接受，通过在氢气或氢氮混合气体中低温（450）退火可以减少这种不可接受的电荷。12/21/202224集成电路工艺第10章氧化12/21/202225集成电路工艺第10章氧化氯化物在氧化中的应用在氧化工艺中用含氯气体可以中和界面处的电荷堆积。氯离子能扩散进入正电荷层，并形成中性层。氯化物浓度保持在3以下，否则过多的氯化物离子将引起器件的不稳定。在热氧化工艺中加入氯化物离子的其他优点是它们能使氧化速率提升1015；氯的存在实际上能俘获来自炉体、工艺原材料和可动离子沾污。如气态的氯化氢(HCl)12/21/202226集成电路工艺第
12、10章氧化氧化物生长速率Deal&Grove氧化物生长模型:在初始阶段，氧化层厚度(X)与时间(t)是线性关系，而后变成抛物线关系。随着每一个新的生长层出现，O2的扩散时间更长，这就意味着生长速率变慢，这一阶段被称为抛物线阶段。因此，氧化层的生长会通过两个阶段：线性阶段和抛物线阶段，之间的变化依赖氧化温度和其他因素。通常来说，小于150埃的氧化受控于线性机理。这是大多数MOS栅极氧化的范围。12/21/202227集成电路工艺第10章氧化氧化物生长速率12/21/202228集成电路工艺第10章氧化影响氧化物生长的因素温度H2O掺杂效应晶向压力效应等离子增强12/21/202229集成电路工艺
13、第10章氧化掺杂效应重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快。在抛物线阶段，硼掺杂比磷掺杂氧化得快。因为硼趋向于混合到氧化膜中，这将减弱它的键结构，使通过它的氧扩散随之增大。硼掺杂和磷掺杂的线性速率系数相差不大。12/21/202230集成电路工艺第10章氧化晶向线性氧化速率依赖于晶向的原因是(111)面的硅原子密度比(100)面的大。因此在线性阶段，(111)硅单晶的氧化速率将比(100)稍快，但(111)的电荷堆积要多。在抛物线阶段，抛物线速率系数B不依赖于硅衬底的晶向。对于(111)和(100)向，在抛物线阶段的氧化生长速率没有差别。12/21/202231集成电路工艺第10章氧化压力效应由于氧
14、化层的生长速率依赖于氧化剂从气相运动到硅界面的速度，所以生长速率将随着压力增大而增大。高压强迫使氧原子更快地穿越正在生长的氧化层，这对线性和抛物线速率系数的增加很重要。此法可降低热预算：允许降低温度但仍保持不变的氧化速率，或者在相同温度下获得更快的氧化生长。12/21/202232集成电路工艺第10章氧化等离子增强给硅施以比等离子区低的偏压，这可使硅片收集等离子区内的电离氧。这种行为导致硅的快速氧化，并且允许氧化物生长在低于600的温度下进行。这一技术带来的问题是产生颗粒、较高的膜应力以及比热生长氧化要差的膜质量。12/21/202233集成电路工艺第10章氧化选择性氧化/局部氧化（局部氧化（
15、LOCOS）硅片上的选择性氧化区域是利用SiO2来实现对硅表面相邻器件间的电隔离。传统的.25m工艺以上的器件隔离方法是硅的局部氧化。LOCOS-LOCalOxidationofSilicon12/21/202234集成电路工艺第10章氧化鸟嘴效应BirdsBeakEffect在氧化时，当O2扩散穿越已生长的氧化物时，它是在各个方向上扩散的，纵向扩散的同时也横向扩散，这意味着在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于氧化层比消耗的硅更厚，所以在氮化物掩膜下的氧化生长将抬高氮化物的边沿。称之为“鸟嘴效应”。12/21/202235集成电路工艺第10章氧化浅槽隔离（浅槽隔离（STI）用于亚0.25
16、m工艺的选择性氧化的主要技术是浅槽隔离。STI技术中的主要绝缘材料是淀积氧化物。STI-ShallowTrenchIsolation12/21/202236集成电路工艺第10章氧化二氧化硅的应力二氧化硅的应力是不可接受的，因为这会使硅片翘曲并且有可能在硅片内产生层状缺陷。氧化膜的应力是由于硅和二氧化硅的热膨胀系数不同造成的。氧化膜的应力会导致硅片翘曲，氧化表面呈凸起状。12/21/202237集成电路工艺第10章氧化氧化诱生堆垛层错OISF-OxidationInducedStackingFaults无论湿氧或干氧都会在Si和SiO2之间的界面处形成OISF。堆垛层错是由于层之间堆垛错误形成的
17、晶胞位错。OISF是造成界面氧化不完全的原因，这将导致此区域中过多的硅空隙。由于氯气在硅表面将提供空位形成，所以掺氯的热氧化会大大减少OISF，这提供了一种清除过多硅空隙的手段。12/21/202238集成电路工艺第10章氧化4.生长设备用于热工艺的基本设备：卧式炉立式炉快速热处理(RTP)12/21/202239集成电路工艺第10章氧化卧式炉早期半导体产业，卧式炉在硅片热处理中被广泛使用。它的命名来自石英管的水平位置，石英管是用来放置和加热硅片的。12/21/202240集成电路工艺第10章氧化立式炉90年代初卧式炉被立式炉取代，主要是因为立式炉更易自动化、可改善操作者的安全以及减少颗粒沾污
18、；可更好地控制温度和均匀性。12/21/202241集成电路工艺第10章氧化立式炉的主要控制系统工艺腔硅片传输系统气体分配系统尾气系统温控系统12/21/202242集成电路工艺第10章氧化快速升温立式炉快速升温炉能迅速将一批硅片温度升到加工温度，减少工艺稳定需要的时间，工艺结束后快速冷却。快速升温炉的发展使得硅片以100/分的升温速率和60/分的冷却速率，同时处理100片成为可能。先进的温度控制：模块式温度控制（model-basedtemperaturecontrol)允许控制对硅片单独加热和冷却。控制系统可以监控相关的各个温区，以优化硅片上的温度。12/21/202243集成电路工艺第1
19、0章氧化卧式炉和立式炉系统性能的比较卧式炉和立式炉系统性能的比较(1)性能参数性能目标卧式炉立式炉常规装载硅片数目小，利于工艺灵活性200片/炉100片/炉净化室占地面积小，节约空间较大，而且拥有4根工艺管道较小（单根工艺管道）并行处理工艺灵活性无工艺中的装卸舟，可提高产量气流动力学（GFD）在一致性方面最优化较差，这源于舟、铲子等硬件。浮力和重力导致气流分布不均较高的GDF和气流分布均匀，一致舟旋转，提高膜均匀性理想的状态不可能设计很容易包括在内12/21/202244集成电路工艺第10章氧化卧式炉和立式炉系统性能的比较卧式炉和立式炉系统性能的比较(2)性能参数性能目标卧式炉立式炉硅片温度梯
20、度相当小大，叶片阴影的辐射小装/卸硅片过程中的颗粒控制颗粒最小化相对差通过上下装片方式改善颗粒控制石英更换短时间内容易完成涉及更多并且慢更容易和更快，停机时间缩短装载硅片技术自动化自动化困难使用机械人技术使自动化更容易工艺前后炉管气氛的控制控制令人满意较难控制极好的控制，真空或中性气氛12/21/202245集成电路工艺第10章氧化快速热处理(RTP)RTP是种小型的快速加热系统，带着辐射热和冷却源，通常一次处理一片硅片。由于RTP具有非常快的、局域化的加热时间，它只对硅片进行加热（不对炉壁加热）。通常在几分之一秒内将单个硅片加热到400130012/21/202246集成电路工艺第10章氧化
21、RTP的主要优点减少热预算硅中杂质运动最小减少沾污，因为冷壁(coldwall)加热由于较小的腔体体积，可以达到清洁的气氛更短的加工时间（指循环时间）12/21/202247集成电路工艺第10章氧化传统立式炉和传统立式炉和RTP间的对比间的对比立式炉RTP一批单片热壁(hotwall)冷壁(coldwall)长时间加热和冷却炉子短时间加热和冷却硅片硅片较小热梯度硅片较大热梯度长周期短周期测量气氛温度测量硅片温度结果：大的热预算颗粒气氛控制结果：温度均匀性杂质运动最小硅片间的重复性产量由于快速加热产生应力绝对的温度测量12/21/202248集成电路工艺第10章氧化RTP的热源大多数的RTP采用
22、多盏卤钨灯组装在一起作为热源。卤钨灯将产生短波长辐射，硅片加热依靠选择性吸收卤钨灯的辐射。RTP在辐射热源和硅片间传输能量，同时也不会对反应腔壁加热。称为“冷壁”，通常是光滑的金属，其上有一石英窗口，可使来自卤钨灯热源的辐射通过。12/21/202249集成电路工艺第10章氧化RTP的温度控制RTP的温度控制依靠热电偶或光学高温计。热电偶和硅片直接接触，确定硅片的真实温度。虽然热电偶相对可靠，但它响应时间慢，并且在高温时其寿命会变短。光学高温计可以测量远处的温度，其响应时间快。它是通过对硅片加热，探测其红外辐射来完成的。然而，硅片表面的发生率依赖于硅片表面顶部或底部膜的种类变化。12/21/2
23、02250集成电路工艺第10章氧化RTP应用注入退火，以消除缺陷并激活和扩散杂质淀积膜的致密，如淀积氧化膜硼磷硅玻璃（BPSG）回流阻挡层退火，如氮化钛(TiN)硅化物形成，如硅化钛(TiSi2)接触合金12/21/202251集成电路工艺第10章氧化5.氧化工艺热氧化的目标：按厚度要求生长无缺陷、均匀的SiO2膜。用于特定硅片制造步骤的氧化工艺条件的类型取决于氧化层的厚度和性能要求。薄氧化物，如栅氧，通常用干氧生长。由于钠离子沾污是值得注意的，所以在氧化过程中将HCl加入O2中，从而获得高质量的氧化物。对于厚氧化物，如场氧，使用水汽。生长过程中的高压允许厚氧化物在合理的时间段里，降低温度生长
24、。12/21/202252集成电路工艺第10章氧化氧化前的清洗要获得高质量的氧化，硅片的清洗至关重要。诸如颗粒和可动离子沾污(MIC)等对器件的性能和成品率有严重影响。u炉体极其相关设备的清洗维护（特别是对石英器皿）u工艺中化学物品的纯度u氧化气氛的纯度（炉中氧源的纯度）u硅片清洗和操作实践12/21/202253集成电路工艺第10章氧化清洗液和设备基本湿法化学清洗液是RCASC-1和SC-2清洗体系以及piranha清洗。氧化工艺的清洗设备包括手动和自动湿法清洗槽、超声波系统(megasonic)、酸喷涂器、清水或干法系统。12/21/202254集成电路工艺第10章氧化氧化工艺菜单为使热氧
25、化发生，氧化炉设备中的某些工艺条件要遵循一定的特殊格式，这就是工艺菜单。干法热氧化为例：干法热氧化最常见的应用是生长用于栅氧的薄氧化膜。对于0.15m器件约为23nm。用干法氧化生长的高质量氧化物具有均匀的密度、无针孔、可重复的特点。12/21/202255集成电路工艺第10章氧化干法氧化工艺菜单干法氧化工艺菜单步骤时间（分钟）温度（）N2净化气（slm）N2（slm）工艺气体O2(slm)HCl(sccm)注释08508.0000待机状态158508.000装片27.5升温速率20/min8.000升温3510008.000温度稳定430100002.567干法氧化53010008.000退
26、火630降温速率5/min8.000降温758508.000卸片88508.0000待机状态12/21/202256集成电路工艺第10章氧化6.质量测量氧化物厚度栅氧化物完整性(GOI-GateOxideIntegrity)氧化膜内的颗粒氧化膜下的颗粒12/21/202257集成电路工艺第10章氧化氧化物厚度缺陷类型：超出规范的栅氧厚度出现问题可能的原因是：错误的气流;检查HCl与O2比率是否正确，因为HCl会提高氧化速率用裸硅样片检测片全面检验炉子O2的泄露测量氧化物厚度，与标准厚度的硅片相对比，核对度量衡设备硅片在正常氧化之前或后在空气中过度暴露，导致过度的自然氧化物生长12/21/202
27、258集成电路工艺第10章氧化栅氧化物完整性(GOI)缺陷类型：n栅氧化物击穿n膜内可动离子沾污（MIC）栅氧化物缺陷常常与工艺条件有关：用无图形检测片做C-V测试，检测栅氧化物的完整性用表面电荷分析仪在检测片上做氧化物电荷分析回顾预氧清洗步骤，推测沾污源（如颗粒或MIC)确认没有来自气管或有故障的过滤器12/21/202259集成电路工艺第10章氧化氧化膜内的颗粒缺陷类型：u沾污的石英器皿u炉内的硅片破损u沾污的装卸台u沾污的气体过滤器或气管对在氧化工艺过程中加入的颗粒来源的改正：检查石英器皿和装卸台的清洁检查自动处理系统的对准检查进气的过滤器12/21/202260集成电路工艺第10章氧化
28、氧化膜下的颗粒缺陷类型：预氧化清洗沾污氧化步骤之前的颗粒源：验证预氧化清洗步骤的正确设立和执行检查石英器皿和装卸台的清洁12/21/202261集成电路工艺第10章氧化7.氧化检查及故障排除进入炉体的错误气流立式炉工艺腔内错误的温度均匀性RTP内不恰当的温度均匀性12/21/202262集成电路工艺第10章氧化进入炉体的错误气流可能的原因：l不正确的工艺菜单lMFC故障l错误的H2和O2比率（O2缺乏）纠正措施：n确认从炉子软件中调入的是正确的工艺菜单n检查工艺气体MFC(O2、N2、H2、Cl),以确认进行校准并操作正常n确认气阀功能正常（如不漏气等）n检查是否有空气从石英或炉门的密封圈外漏
29、入炉管内12/21/202263集成电路工艺第10章氧化立式炉工艺腔内错误的温度均匀性可能的原因：u错误的工艺菜单u热电偶工作方式不正确纠正措施：l确认正确的工艺菜单被调入l估计在升降温及恒温过程中温度是否不均匀l检查所有热电偶的工作方式。确认没有因过度受热和腐蚀而退化。替换有问题的热电偶。确认热电偶参考点的温度没有漂移。12/21/202264集成电路工艺第10章氧化RTP内不恰当的温度均匀性可能的原因：加热系统故障（如卤钨灯等）确认温度测量传感器工作正确纠正措施：确认加热灯正在工作并且光强正确确认光学高温计测量传感器的正确校准和温度测量。通过对硅表面反射率测量，检查硅片的发射率有无变化12
30、/21/202265集成电路工艺第10章氧化小结1在硅片上可以热生长或淀积二氧化硅。SiO2的原子结构是由一个硅原子被四个氧原子包围着的四面体单元组成的。硅片制造中氧化物的作用有：保护和隔离，钝化，电介质材料，掺杂掩蔽，金属层间的介质隔离。氧化膜的厚度依赖于它的用途。干法热生长氧化物的化学反应需要硅和氧化剂气体，湿氧的反应速度比干氧要快。在Si/SiO2界面存在不受欢迎的氧化物电荷，这可使用HCl中和。12/21/202266集成电路工艺第10章氧化小结2热氧化物在线性生长厚度约为15nm，随后是慢速的抛物线生长阶段。影响氧化物生长速率的因素有：掺杂物、晶体晶向、压力和温度。热处理工艺设备：卧式炉、立式炉、RTP。热处理工艺中的目标是使热预算最小化。12/21/202267集成电路工艺第10章氧化作业复习题11、31、47准备报告12/21/202268集成电路工艺第10章氧化谢谢！谢谢！