热氧化工艺学习.pptx

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1、微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术第第4 4章章 热氧化热氧化(电子讲稿中出现的图号是该书中的图号电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)硅的热氧化工艺硅的热氧化工艺(Thermal Oxidation)二氧化硅的性质和用途二氧化硅的性质和用途 热氧化原理热氧化原理(Deal-Grove(Deal-Grove 模型模型)热氧化工艺（方法）和系统热氧化工艺（方法）和系统 热氧化工艺的质量检测热氧化工艺的质量检测参考资料：参考资料：参考资料：参考资料：第1页/共62页分子数密度：分子数密度：2.2 2.2 101022 22 cmcm3 3一、二氧化硅一、二氧化硅(Si02)的性

2、质和用途的性质和用途热氧化方法制备的二氧化硅是热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构无定形结构(硅的密度：硅的密度：2.33g2.33gcmcm3 3)密度：密度：2.27g2.27gcmcm3 3分子量：分子量：60.0960.09(硅的原子量：硅的原子量：28.09)28.09)(硅的原子数密度：硅的原子数密度：5 5 101022 22 cmcm3 3)（一）（一）（一）（一）SiOSiO2 2的结构的结构的结构的结构4 4个个OO原子位于四面体的原子位于四面体的顶点顶点，SiSi位于位于四面体四面体中心。中心。桥位桥位OO原子原子与与2 2个个SiSi原子原子键合；键合；其它其它OO原子

3、原子只与只与1 1个个SiSi键合键合第2页/共62页 介电强度高介电强度高：10 MV/cm 10 MV/cm 最小击穿电场最小击穿电场(非本征击穿非本征击穿)：由缺陷、杂质引起：由缺陷、杂质引起 最大击穿电场最大击穿电场(本征击穿本征击穿)：由：由SiOSiO2 2厚度、导热性、厚度、导热性、界面态电荷等决定；界面态电荷等决定；氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低1 1、二氧化硅的绝缘特性、二氧化硅的绝缘特性 电阻率高电阻率高：1 1 101014 14 cm 1 cm 1 10 101616 cmcm 禁带宽度大：禁带宽度大：9 eV 9 eV 介

4、电常数介电常数：3.93.9 (热氧化二氧化硅膜热氧化二氧化硅膜)（二）（二）（二）（二）SiOSiO2 2的性质的性质的性质的性质第3页/共62页 B B、P P、As As 等等常见杂质常见杂质在在SiOSiO2 2中的中的扩散系数扩散系数远小于远小于其其 在在SiSi中的扩散系数。中的扩散系数。D DSiSi D DSiOSiO2 2 SiO SiO2 2做掩蔽膜要有做掩蔽膜要有足够的厚度足够的厚度：对特定的杂质、扩：对特定的杂质、扩散散 时间、扩散温度等条件，有一时间、扩散温度等条件，有一最小掩蔽厚度最小掩蔽厚度。某些杂质，如某些杂质，如GaGa，NaNa，OO，CuCu，AuAu等，

5、是等，是SiOSiO2 2中的中的快速扩散杂质快速扩散杂质。2 2、二氧化硅的掩蔽性质、二氧化硅的掩蔽性质第4页/共62页 在一定温度下，在一定温度下，能和强碱能和强碱(如如NaOHNaOH，KOHKOH等等)反反 应应，也有可能被铝、氢等还原。，也有可能被铝、氢等还原。3 3、二氧化硅的化学稳定性、二氧化硅的化学稳定性 二氧化硅是硅的二氧化硅是硅的最稳定最稳定化合物，属于酸性氧化物，化合物，属于酸性氧化物，不溶于水不溶于水。耐耐多种多种强酸腐蚀强酸腐蚀，但极，但极易与易与氢氟酸氢氟酸反应反应。第5页/共62页（三）二氧化硅在（三）二氧化硅在IC中的中的主要用途主要用途 用做杂质选择扩散的掩蔽

6、膜 用做IC的隔离介质和绝缘介质 用做电容器的介质材料 用做MOS器件的绝缘栅材料第6页/共62页SiOSiO2 2在一个在一个PMOSFETPMOSFET结构中的应用结构中的应用 (剖面示意图剖面示意图)第7页/共62页（四）（四）（四）（四）ICIC中常见的中常见的中常见的中常见的SiOSiO2 2生长方法：生长方法：生长方法：生长方法：热氧化法、淀积法热氧化法、淀积法第8页/共62页问题：问题：生长厚度生长厚度为为T Toxox的二氧化硅，的二氧化硅，估算需要消耗多估算需要消耗多少厚度的硅少厚度的硅?二、热氧化原理二、热氧化原理(Deal-Grove 模型模型)（一）（一）（一）（一）二

7、氧化硅的生长二氧化硅的生长二氧化硅的生长二氧化硅的生长(化学过程化学过程化学过程化学过程)干氧氧化干氧氧化第9页/共62页（二）热氧化生长动力学（二）热氧化生长动力学（二）热氧化生长动力学（二）热氧化生长动力学 (物理过程物理过程物理过程物理过程)第10页/共62页J1J1：粒子流密度：粒子流密度：J2J2：扩散流密度：扩散流密度 J3J3：反应流密度：反应流密度（三）热氧化工艺的（三）热氧化工艺的（三）热氧化工艺的（三）热氧化工艺的Deal-Grove Deal-Grove 模型模型模型模型C C：氧化剂浓度：氧化剂浓度第11页/共62页(1)(1)氧化剂氧化剂由由气相气相传输至传输至SiO

8、SiO2 2的表面的表面，其粒子流密度，其粒子流密度J J1 1 (即单位时间通过单位面积的原子数或分子数即单位时间通过单位面积的原子数或分子数)为：为：1 1、D G D G 模型模型h hG G 气相气相质量输运系数质量输运系数，单位：，单位：cm/seccm/secC CG G 气相气相(离硅片表面较远处离硅片表面较远处)氧化剂氧化剂浓度浓度Cs Cs SiO SiO2 2表面外侧表面外侧氧化剂氧化剂浓度浓度第12页/共62页D D0 0 氧化剂在氧化剂在SiOSiO2 2中中的的扩散系数扩散系数，单位：，单位：cmcm2 2/sec/secC C0 0 SiOSiO2 2表面表面内侧内

9、侧氧化剂浓度氧化剂浓度C Ci i SiOSiO2 2-Si-Si界面处界面处氧化剂浓度氧化剂浓度T T0 x 0 x SiOSiO2 2厚度厚度(2)(2)位于位于SiOSiO2 2表面的氧化剂穿过已生成的表面的氧化剂穿过已生成的SiOSiO2 2层扩散到层扩散到 SiOSiO2 2-Si-Si界面，其界面，其扩散流密度扩散流密度J J2 2为：为：线性近似，得到线性近似，得到第13页/共62页K Ks s 氧化剂在氧化剂在SiOSiO2 2-Si-Si界面处的表面界面处的表面化学反应速率常数化学反应速率常数，单位：单位：cm/seccm/sec(3)(3)SiOSiO2 2-Si-Si界面

10、处界面处，氧化剂和硅反应生成新的，氧化剂和硅反应生成新的SiOSiO2 2 ，其，其 反应流密度反应流密度J J3 3为：为：CiCi SiO SiO2 2-Si-Si界面处氧化剂浓度界面处氧化剂浓度平衡平衡状态下，有状态下，有得到两个方程式，但有三个未知量：得到两个方程式，但有三个未知量：Cs Co CCs Co Ci i求求求求 解解解解第14页/共62页剩下两个未知量：剩下两个未知量：C C0 0和和C Ci i亨利定律：亨利定律：固体表面吸附元素浓度与固体表面外侧气固体表面吸附元素浓度与固体表面外侧气 体中该元素的分气压成正比体中该元素的分气压成正比 理想气体定律理想气体定律HH亨利气

11、体常数亨利气体常数+两个方程两个方程可求解可求解C Ci i和和C C0 0两个方程式，但有三个未知量：两个方程式，但有三个未知量：Cs Co CCs Co Ci i第15页/共62页定义定义则有：则有：第16页/共62页其中其中N N1 1是形成单位体积是形成单位体积SiOSiO2 2所需的氧化剂分子所需的氧化剂分子数或原子数。数或原子数。通过解方程，可以得到通过解方程，可以得到因此，有，因此，有，将将J J3 3与氧化速率联系起来，有与氧化速率联系起来，有N N1 1=2.2=2.210102222cmcm-3-3(干氧干氧OO2 2)N N1 1=4.4=4.4 10 102222cmc

12、m-3-3(水汽水汽H H2 2O)O)第17页/共62页边界条件边界条件上述方程式的解可以写为：上述方程式的解可以写为：其中，其中，第18页/共62页 介于介于(1)(1)、(2)(2)两者之间两者之间的情况，的情况，T Toxox t t关系要用求根公式表示：关系要用求根公式表示：（1 1）氧化层厚度与氧化时间的关系式：）氧化层厚度与氧化时间的关系式：氧化层足够薄氧化层足够薄(氧化时间短氧化时间短)时时，可忽略二次项，此时，可忽略二次项，此时T Toxox t t为为线性线性关系：关系：其中其中B/AB/A为为线性氧化速率常数线性氧化速率常数 氧化层足够厚氧化层足够厚(氧化时间长氧化时间长

13、)时时，可忽略一次项，此时，可忽略一次项，此时T Tox ox t t为为抛物线抛物线关系：关系：其中其中B B为为抛物线氧化速率常数抛物线氧化速率常数2 2、主要结论、主要结论第19页/共62页（2 2）氧化速率与氧化层厚度的关系）氧化速率与氧化层厚度的关系氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降第20页/共62页图图4.6 4.6 各种薄各种薄干氧氧化干氧氧化情况下，氧化速率与氧化层厚度之间情况下，氧化速率与氧化层厚度之间 的关系，衬底是轻微掺杂的的关系，衬底是轻微掺杂的 (1 0 0)(1 0 0)硅。硅。第21页/共62页

14、 线性氧化区：线性氧化区：抛物线氧化区：抛物线氧化区：讨讨讨讨 论论论论也称反应限制氧化区也称反应限制氧化区也称扩散限制氧化区也称扩散限制氧化区第22页/共62页 D-G D-G模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，但对于但对于薄干氧氧化层薄干氧氧化层的生长，的生长，D-GD-G模型模型严重低估严重低估氧化层厚度。氧化层厚度。根据根据D-GD-G模型，模型，氧化层厚度趋于零氧化层厚度趋于零(氧化时间接近于零氧化时间接近于零)时，时，氧化速率接近于一个常数值氧化速率接近于一个常数值：初始快速氧化阶段初始快速氧化阶段但实际工艺结果显示，初始氧化速率但实

15、际工艺结果显示，初始氧化速率比预计值大了比预计值大了4 4倍倍或更多。或更多。D-GD-G干氧模型中给出一个干氧模型中给出一个 值，来补偿初始阶段的过度生长。值，来补偿初始阶段的过度生长。3 3、D G D G 模型的修正模型的修正第23页/共62页湿氧工艺的氧化速率常数湿氧工艺的氧化速率常数干氧工艺的氧化速率常数干氧工艺的氧化速率常数第24页/共62页参数参数B B和和B/AB/A可写成可写成ArrheniusArrhenius函数形式。函数形式。参数参数B B的激活能的激活能E EAA取决于氧化剂的扩散系数取决于氧化剂的扩散系数(D(D0 0)的激活能；的激活能；B B和和B/AB/A4

16、4、参数、参数B B和和B/AB/A的温度依赖关系的温度依赖关系在各种氧化工艺条件下，参数在各种氧化工艺条件下，参数B B和和B/AB/A都可以确定下来，都可以确定下来，并且是并且是扩散系数扩散系数、反应速率常数反应速率常数和和气压等工艺参数气压等工艺参数的函数。的函数。参数参数B/AB/A的激活能取决于的激活能取决于KsKs，基本上与，基本上与SiSiSiSi键合力一致。键合力一致。第25页/共62页B/A:B/A:线性速率常数线性速率常数B:B:抛物线速率常数抛物线速率常数图图4.2 4.2 氧化系数氧化系数B B的阿列尼乌斯图，的阿列尼乌斯图，湿氧氧化参数取决于湿氧氧化参数取决于水汽浓度

17、水汽浓度(进而进而取决于气流量和高温分解条件取决于气流量和高温分解条件)图图4.3 4.3 氧化系数氧化系数B/AB/A的阿列尼乌斯图的阿列尼乌斯图第26页/共62页I I 氧化速率常数氧化速率常数的的实验获取实验获取方法方法补补补补 充充充充第27页/共62页氧化层厚度氧化层厚度 氧化时间关系氧化时间关系图图第28页/共62页IIIIIIII 计算热氧化工艺生长计算热氧化工艺生长SiOSiO2 2厚度厚度的方法的方法(例子例子)(1)(1)查表查表4.14.1得到得到11001100下湿氧氧化的下湿氧氧化的B B，B/AB/A数值，并结合数值，并结合T Toxioxi 值计算出值计算出 求解

18、求解T Toxox即可即可方法方法方法方法 1 1 1 1：(2)(2)将将B B，A A，及氧化时间及氧化时间t t代入方程式代入方程式第29页/共62页(3)(3)再在再在氧化厚度氧化厚度 氧化时间氧化时间图图 上直接查找上直接查找11001100下，湿氧下，湿氧 氧化氧化5757分钟所得到的氧化层分钟所得到的氧化层 厚度为厚度为6500A6500A左右。左右。方法方法方法方法 2 2 2 2(1)(1)在在氧化厚度氧化厚度-氧化时间图氧化时间图上可上可直接查找直接查找11001100下，湿氧下，湿氧 氧化氧化T Toxioxi=4000=4000 所需的氧化时间是所需的氧化时间是2424

19、分钟；分钟；(2)(2)因此例题中总的有效氧化因此例题中总的有效氧化 时间为时间为(24+33)=57(24+33)=57分钟分钟 (此处即假设初始氧化层厚度为此处即假设初始氧化层厚度为0)0)；利用利用氧化厚度氧化厚度-氧化时间氧化时间图图第30页/共62页5 5、影响氧化速率的因素、影响氧化速率的因素(1)(1)温度对氧化速率的影响：温度对氧化速率的影响：(2)(2)氧化气氛对氧化速率的影响：氧化气氛对氧化速率的影响：(3)(3)氧化剂气压对氧化速率的影响：氧化剂气压对氧化速率的影响：当氧化剂气压变大时，氧化反应会被加速进行当氧化剂气压变大时，氧化反应会被加速进行。(4)(4)硅片表面晶向

20、对氧化速率的影响：硅片表面晶向对氧化速率的影响：由于由于KsKs取决于硅取决于硅表面的密度表面的密度和反应的和反应的活化能活化能，而而的硅表面原子密度较高，的硅表面原子密度较高，KsKs相对较大；相对较大；所以所以的氧化速率比的氧化速率比快快。温度温度 B B和和B/AB/A 氧化速率氧化速率 C*(HC*(H2 2OO气氛气氛)C*(O)C*(O2 2气氛气氛)H H2 2OO氧化速率远大于氧化速率远大于OO2 2 氧化速率氧化速率B B C*C*P PGG第31页/共62页图图4.5 4.5 高压水汽氧化中的抛物线和线性速率系数高压水汽氧化中的抛物线和线性速率系数(引自引自RazoukRa

21、zouk等人文献，经电化学协会准许重印等人文献，经电化学协会准许重印)第32页/共62页 杂质的增强氧化效应杂质的增强氧化效应 高浓度衬底杂质高浓度衬底杂质一般都倾向于一般都倾向于提高氧化速率提高氧化速率注意：杂质的增强氧化不仅注意：杂质的增强氧化不仅造成硅片表面氧化层厚度的造成硅片表面氧化层厚度的差异，也形成差异，也形成新的硅台阶新的硅台阶。(5)(5)衬底掺杂对氧化的影响衬底掺杂对氧化的影响第33页/共62页图图4.19 9004.19 900下，干氧氧化的下，干氧氧化的速率系数速率系数与与磷磷表面浓度表面浓度的函数关系曲线的函数关系曲线(引自引自HoHo等人文献，等人文献，经电化学协会准

22、许重印经电化学协会准许重印)高浓度的磷在硅表高浓度的磷在硅表面面增加空位密度增加空位密度，从而从而提高提高硅的表面硅的表面反应速率反应速率。第34页/共62页图图4.18 4.18 在在三种三种不同的硼表面不同的硼表面浓度浓度下，下，二氧二氧化硅厚度化硅厚度与与湿氧氧化时间湿氧氧化时间的关系的关系(引白引白DeaIDeaI等人文献，经电化学协会准许重印等人文献，经电化学协会准许重印)高浓度的硼高浓度的硼进入进入SiOSiO2 2中中可增强分可增强分子氧扩散率子氧扩散率，从，从而而提高提高其抛物线其抛物线氧化速率氧化速率。第35页/共62页氧化过程中硅内的氧化过程中硅内的杂质杂质会会在在硅和新生

23、长的硅和新生长的SiOSiO2 2之之界面处重新界面处重新分布分布，这是由于杂质在硅和，这是由于杂质在硅和SiOSiO2 2中的固溶度不同引起的。中的固溶度不同引起的。分凝效应分凝效应第36页/共62页 干氧氧化的干氧氧化的氧化剂氧化剂 O O2 2 湿氧氧化的湿氧氧化的氧化剂氧化剂 OO2 2 +水水的混合气体的混合气体。（一）热氧化工艺（一）热氧化工艺（一）热氧化工艺（一）热氧化工艺(方法方法方法方法)OO2 2加少量卤素加少量卤素（1%-3%1%-3%），最常用的卤素是），最常用的卤素是氯氯 高温下高温下OO2 2和和H H2 2混合点火混合点火燃烧形成水蒸汽燃烧形成水蒸汽(H(H2 2

24、O)O)1 1、最常见的氧化方法：、最常见的氧化方法：2 2、其他常用的氧化环境：、其他常用的氧化环境：三、热氧化工艺（方法）和系统三、热氧化工艺（方法）和系统（按氧化剂分类）（按氧化剂分类）干氧氧化干氧氧化和和湿氧氧化湿氧氧化第37页/共62页1)1)硅片送入硅片送入炉管炉管，通入，通入N N2 2及及小流量小流量OO2 2；2)2)升温，升温速度为升温，升温速度为5 53030/分钟分钟；3)3)通大流量通大流量OO2 2，氧化反应开始；，氧化反应开始；4)4)通大流量通大流量OO2 2及及TCE TCE(0.50.52 2)；5)5)关闭关闭TCETCE，通大流量，通大流量OO2 2，以

25、消，以消 除残余的除残余的TCETCE；6)6)关闭关闭OO2 2，改通，改通N N2 2，作，作退火退火；7)7)降温，降温速度为降温，降温速度为2 21 01 0/分钟分钟；8)8)硅片拉出炉管。硅片拉出炉管。3 3、氧化工艺的、氧化工艺的主要步骤主要步骤TCETCE：三氯乙烯：三氯乙烯以以干氧干氧氧化为例氧化为例第38页/共62页(1)(1)干氧氧化：干氧氧化：氧化速率慢，氧化速率慢，SiOSiO2 2膜结构致密、干燥膜结构致密、干燥(与光与光 刻胶粘附性好刻胶粘附性好)，掩蔽能力强。，掩蔽能力强。(2)(2)湿氧氧化：湿氧氧化：氧化速率快，氧化速率快，SiOSiO2 2膜结构较疏松，表

26、面易有缺膜结构较疏松，表面易有缺 陷，与光刻胶粘附性不良。陷，与光刻胶粘附性不良。(湿氧环境中湿氧环境中OO2 2和和 H H2 2OO的比例是关键参数的比例是关键参数)(3)(3)氢氧合成氧化：氢氧合成氧化：氧化机理与湿氧氧化类似，氧化机理与湿氧氧化类似，SiOSiO2 2膜质量取膜质量取 决于决于H H2 2，OO2 2纯度纯度(一般一般H H2 2纯度可达纯度可达99.999999.9999，OO2 2纯度纯度 可达可达 99.9999.99)；氧化速率取决于；氧化速率取决于H H2 2和和OO2 2的比例。的比例。(3)(3)掺氯氧化：掺氯氧化：减少钠离子沾污，提高减少钠离子沾污，提高

27、SiOSiO2 2SiSi界面质量；氧界面质量；氧 化速率略有提高。化速率略有提高。(常用的氯源：常用的氯源：HCIHCI，TCETCE，TCATCA等等)4 4 4 4、不同氧化方法的特点不同氧化方法的特点第39页/共62页图图4.4 4.4 氯对氧化速率系数的影响氯对氧化速率系数的影响第40页/共62页1 1、局部氧化、局部氧化(LOCOS(LOCOS，Local Oxidation of Si)Local Oxidation of Si)（二）（二）（二）（二）lClC制造中常用的氧化工艺制造中常用的氧化工艺制造中常用的氧化工艺制造中常用的氧化工艺(技术技术技术技术)：第41页/共62页

28、(1)(1)栅氧化工艺是栅氧化工艺是CMOS ICCMOS IC制造的制造的关键工艺关键工艺，基本要求：，基本要求：栅氧化层薄栅氧化层薄（集成度）；（集成度）；栅氧化温度低（栅氧化温度低（保证氧化工艺的均匀性和重复性）。保证氧化工艺的均匀性和重复性）。(2)(2)掺氯氧化掺氯氧化可使氧化物可使氧化物缺陷密度缺陷密度显著显著减少减少，但温度低于，但温度低于10001000 时氯的钝化效果差。一般的栅氧化工艺采取时氯的钝化效果差。一般的栅氧化工艺采取两步氧化法两步氧化法：800800900900，OO2 2+HClHCl氧化；氧化；升温到升温到1000100011001100，N N2 2 +HC

29、lHCl退火退火(3)(3)对于对于100100 及及更薄更薄厚度的氧化层，通常采用的氧化工艺还有：厚度的氧化层，通常采用的氧化工艺还有：稀释氧化稀释氧化：氧化气氛为：氧化气氛为OO2 2和惰性气体和惰性气体(如如Ar)Ar)的混合物的混合物 低压氧化低压氧化：降低氧化炉中的气压：降低氧化炉中的气压(改用改用CVDCVD设备设备)快速热氧化快速热氧化(Rapid Oxidation)(Rapid Oxidation)：采用快速热处理设备：采用快速热处理设备(4)(4)在栅氧化层厚度缩小到在栅氧化层厚度缩小到2020 后：后：需要发展替代的栅介质层材料，如氮氧化硅、高需要发展替代的栅介质层材料，

30、如氮氧化硅、高K K介质材料等。介质材料等。2 2、栅氧化工艺、栅氧化工艺第42页/共62页 降低降低氧化氧化温度温度，缩短氧化时间，使，缩短氧化时间，使ICIC制造可采用制造可采用低温工艺低温工艺；氧化层氧化层质量较好质量较好，降低漏电流，降低漏电流，改善电特性改善电特性；氧化层氧化层密度高密度高于常压氧化，于常压氧化，表面态密度低表面态密度低于常压氧化；于常压氧化；局部氧化时局部氧化时SiSi3 3N N4 4转化成转化成SiOSiO2 2的速度随压力上升而下降，因的速度随压力上升而下降，因 此可采用更薄的此可采用更薄的SiSi3 3N N4 4及消氧，这有利于及消氧，这有利于减小减小“鸟

31、嘴鸟嘴 效应效应。3 3、高压氧化、高压氧化一般的氧化工艺都是在常压下进行，高压氧化是指提高氧化一般的氧化工艺都是在常压下进行，高压氧化是指提高氧化剂气压的氧化方法。高压氧化工艺特别剂气压的氧化方法。高压氧化工艺特别适于生长厚氧化层适于生长厚氧化层，(1)(1)优点：优点：(2)(2)高压氧化可采用高压氧化可采用干氧干氧、湿氧湿氧和和氢氧合成氧化氢氧合成氧化的方法进行。的方法进行。但因为但因为设备昂贵设备昂贵，故尚未被广泛采用。，故尚未被广泛采用。第43页/共62页1 1、常见的热氧化设备主要有、常见的热氧化设备主要有卧式卧式和和立式立式两种。两种。卧式炉系统组成示意图卧式炉系统组成示意图（三

32、）氧化设备（三）氧化设备（三）氧化设备（三）氧化设备(系统系统系统系统)2 2、一个、一个氧化炉管系统氧化炉管系统主要由四部分组成：主要由四部分组成：控制器控制器、硅片装卸区硅片装卸区、炉管主体区炉管主体区和和气体供应柜气体供应柜第44页/共62页第45页/共62页(1)(1)炉温控制：炉温控制：精度、稳定度、恒温区、对温度变化响应。先精度、稳定度、恒温区、对温度变化响应。先 进设备的温度偏差可控制在进设备的温度偏差可控制在0.50.5。(2)(2)推拉舟系统：推拉舟系统：净化环境，粉尘沾污少净化环境，粉尘沾污少(3)(3)气路系统：气路系统：可靠性、控制精度和响应速度、气流状况可靠性、控制精

33、度和响应速度、气流状况(密封性密封性)(4)(4)安全性。安全性。3 3、一个优良的氧化系统应具备的特点：、一个优良的氧化系统应具备的特点：第46页/共62页4 4、立式氧化炉管、立式氧化炉管，其类似于竖起来的卧式炉。，其类似于竖起来的卧式炉。三管卧式炉系统三管卧式炉系统ASM A412 300mmASM A412 300mm双体立式炉系统双体立式炉系统 第47页/共62页(1)(1)易实现自动化。易实现自动化。(2)(2)硅片水平放置，硅片水平放置，承载舟不会因重力而发生弯曲；热氧承载舟不会因重力而发生弯曲；热氧 化工艺均匀性比卧式炉好。化工艺均匀性比卧式炉好。(3)(3)洁净度高洁净度高，

34、产尘密度小。，产尘密度小。(4)(4)设备体积小设备体积小，在洁净室占地少，安排灵活。，在洁净室占地少，安排灵活。立式氧化炉管的优点：立式氧化炉管的优点：立式炉管在立式炉管在大尺寸硅片大尺寸硅片(200mm/300mm200mm/300mm)的氧化工艺中的氧化工艺中 已取代了卧式炉管，成为已取代了卧式炉管，成为工业界标准设备工业界标准设备。第48页/共62页 质量检测是氧化工艺的一个关键步骤质量检测是氧化工艺的一个关键步骤 氧化层质量的含义包括：氧化层质量的含义包括：厚度厚度、介电常数介电常数、折射率折射率、介电强度介电强度、缺陷密度缺陷密度等等 质量检测需要对上述各项质量检测需要对上述各项指

35、标的绝对值指标的绝对值、其在片内及片间、其在片内及片间 的的均匀性均匀性进行测量进行测量 质量检测的方法一般可分为：质量检测的方法一般可分为：物理测量物理测量、光学测量光学测量、电学测量电学测量四、热氧化工艺的质量检测四、热氧化工艺的质量检测第49页/共62页 台阶法：台阶法：HFHF腐蚀出腐蚀出SiOSiO2 2台阶后，台阶后，探针扫描探针扫描过台阶，取得硅过台阶，取得硅 片表面轮廓，确定台阶高度。片表面轮廓，确定台阶高度。精度较高精度较高。SEMSEM(扫描电子显微镜扫描电子显微镜)10001000；TEMTEM(透射电子显微镜透射电子显微镜)技术技术 椭圆偏振光法椭圆偏振光法：精度高，非

36、破坏性测量。：精度高，非破坏性测量。（一）氧化膜厚度的检测方法（一）氧化膜厚度的检测方法（一）氧化膜厚度的检测方法（一）氧化膜厚度的检测方法 干涉法干涉法：非破坏性测量，适于测量：非破坏性测量，适于测量数百数百 以上以上的薄膜。的薄膜。(Nanospec)(Nanospec)比色法：比色法：不同厚度的不同厚度的SiOSiO2 2膜呈现不同颜色。膜呈现不同颜色。(见教材见教材7575页表页表4.24.2)电容法：电容法：通过测量固定面积通过测量固定面积MOSMOS结构的电容，来推算氧化层厚度。结构的电容，来推算氧化层厚度。第50页/共62页第51页/共62页（二）氧化膜的电学测量方法：（二）氧化

37、膜的电学测量方法：（二）氧化膜的电学测量方法：（二）氧化膜的电学测量方法：1 1、击穿电压、击穿电压2 2、电荷击穿特性：、电荷击穿特性：3 3、电容、电容-电压电压(C-V)(C-V)测试：测试：增加电容器电压，测量通过氧化层的电流增加电容器电压，测量通过氧化层的电流热氧化硅的介电强度大约为热氧化硅的介电强度大约为12MV/cm12MV/cm；给氧化层加刚好低于击穿电场的电应力，测量给氧化层加刚好低于击穿电场的电应力，测量电流随时间的变化关系。电流随时间的变化关系。TDDB(Time Dependent Dielectric TDDB(Time Dependent Dielectric Br

38、eakdown)Breakdown)测试测试根据根据C-VC-V曲线及其温偏特性，可以判断曲线及其温偏特性，可以判断氧化层厚度氧化层厚度、氧化层中的、氧化层中的固定电荷密固定电荷密度度、可动电荷密度可动电荷密度和和界面态密度界面态密度等。等。第52页/共62页本征击穿取决于厚度，非本征击穿取决于缺陷；本征击穿取决于厚度，非本征击穿取决于缺陷；击穿电压的统计分布反映氧化层质量。击穿电压的统计分布反映氧化层质量。击穿电压击穿电压：第53页/共62页 电荷击穿特性：电荷击穿特性：击穿由电荷在氧化层中的积累而造成。击穿由电荷在氧化层中的积累而造成。第54页/共62页 电容电容-电压电压(C-V)(C-

39、V)测试测试：偏温应力法：偏温应力法：1)1)提取提取MOSMOS电容电容C-VC-V曲线；曲线；2)2)样品加热到样品加热到 100C100C，在栅极加在栅极加2-5meV/cm,2-5meV/cm,保持保持10-2010-20分钟分钟,冷却到室温做冷却到室温做C-VC-V曲线；曲线；3)3)加负偏压，重复上述过程。加负偏压，重复上述过程。第55页/共62页 Si-SiOSi-SiO2 2的界面特性比较稳定，重复性好。的界面特性比较稳定，重复性好。Si-SiOSi-SiO2 2系统中的电荷影响器件性能和可靠性系统中的电荷影响器件性能和可靠性1 1 1 1、Si-SiOSi-SiO2 2系统中

40、的电荷和界面特性系统中的电荷和界面特性第56页/共62页(2)(2)固定氧化层电荷固定氧化层电荷QQf f：在距：在距Si-SiOSi-SiO2 2界面约界面约3030 的的SiOSiO2 2里面，里面，通常带正电，是由于通常带正电，是由于SiOSiO2 2中存在过剩的中存在过剩的SiSi原子引起的。数原子引起的。数 量大约在量大约在1010101010101212/cm/cm2 2。高温退火高温退火和和加速氧化层的冷却加速氧化层的冷却可以降低可以降低QQf f。氧化温度越高，氧化温度越高，Si-SiOSi-SiO2 2的界面越突变。的界面越突变。2 2、热氧化层中的电荷及其解决方法：、热氧化

41、层中的电荷及其解决方法：(1)(1)界面陷阱电荷界面陷阱电荷QQit it:Si-SiO:Si-SiO2 2界面处氧化过程引起的未饱和键界面处氧化过程引起的未饱和键 及及SiSi与与SiOSiO2 2不连续性引起。数量大约在不连续性引起。数量大约在10101010/cm/cm2 2左右。左右。低温低温(400(400左右左右)氢退火氢退火及选用及选用晶片晶片可降低其浓度可降低其浓度。第57页/共62页(4)(4)氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷QQotot：没有特定的分布位置，主要由硅片制：没有特定的分布位置，主要由硅片制 造过程中其它工艺引起的电子和空穴被氧化层内的杂质或造过程中其它工艺引起的电

42、子和空穴被氧化层内的杂质或 未饱和键捕捉未饱和键捕捉(陷入陷入)造成。带正电或负电则不一定。数造成。带正电或负电则不一定。数 量大约在量大约在10109 910101313/cm/cm2 2。利用退火工艺可降低这类电荷浓度利用退火工艺可降低这类电荷浓度(3)(3)可动离子电荷可动离子电荷QQmm：氧化层内存在的碱金属离子：氧化层内存在的碱金属离子(Na+(Na+，K+K+等等)。来源于石英材料，化学品及操作人员污染。数量通。来源于石英材料，化学品及操作人员污染。数量通 常为常为1010101010101212/cm/cm2 2。掺氯氧化可有效减小掺氯氧化可有效减小QQmm2 2、热氧化层中的电

43、荷及其解决方法：、热氧化层中的电荷及其解决方法：第58页/共62页 SiOSiO2 2密度可由密度可由折射率折射率来反映，其典型值为来反映，其典型值为1.471.47。折射率。折射率越高越高，表明膜密度表明膜密度越高越高。SiOSiO2 2的密度特性还可以通过的密度特性还可以通过溶液腐蚀溶液腐蚀来检验。当来检验。当SiOSiO2 2密度改密度改 变时，刻蚀速率即跟着改变。变时，刻蚀速率即跟着改变。膜密度越高，刻蚀速率越低膜密度越高，刻蚀速率越低。(普通热生长二氧化硅在缓冲普通热生长二氧化硅在缓冲H FH F溶液中的腐蚀速率大约为溶液中的腐蚀速率大约为 10001000/分钟分钟)SiO SiO

44、2 2密度主要取决于密度主要取决于氧化温度氧化温度、气氛气氛等工艺条件。低温、高等工艺条件。低温、高 压氧化的二氧化硅膜具有更高密度、更高折射率和更低的压氧化的二氧化硅膜具有更高密度、更高折射率和更低的 HFHF腐蚀速率。腐蚀速率。（三）氧化层密度的测量方法（三）氧化层密度的测量方法（三）氧化层密度的测量方法（三）氧化层密度的测量方法第59页/共62页 二氧化硅的基本性质及其在二氧化硅的基本性质及其在lClC中的作用中的作用 热氧化生长动力学：热氧化生长动力学：D-GD-G模型模型 氧化膜厚度与氧化时间的关系式氧化膜厚度与氧化时间的关系式 影响氧化速率的因素，杂质对氧化工艺的影响影响氧化速率的因素，杂质对氧化工艺的影响 常用氧化方法、工艺及设备常用氧化方法、工艺及设备 氧化工艺质量监控方法氧化工艺质量监控方法本章小结本章小结第60页/共62页第61页/共62页感谢您的观看！第62页/共62页