半导体氧化工艺.pptx
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1、氧化工艺内容内容1、列出硅器件中,二氧化硅膜层的基本用途。、列出硅器件中,二氧化硅膜层的基本用途。2、描述热氧化的机制。、描述热氧化的机制。3、氧化方法及工艺设备。、氧化方法及工艺设备。4、解释氧化条件及基底条件对氧化的影响。、解释氧化条件及基底条件对氧化的影响。5、氧化膜的质量评估。、氧化膜的质量评估。在集成电路工艺中,氧化是必不可少的一项工艺技术。自从早期人们发现硼、磷、砷、锑等杂质元素在SiO2的扩散速度比在Si中的扩散速度慢得多,SiO2膜就被大量用在器件生产中作为选择扩散的掩模,并促进了硅平面工艺的出现。同时在Si表面生长的SiO2膜不但能与Si有很好的附着性,而且具有非常稳定的化学
2、性质和电绝缘性。因此SiO2在集成电路中起着极其重要的作用。在平导体器件生产中常用的SiO2膜的生长方法有:热生长法、化学气相沉积法、阴极溅射法,HF一HNO3气相钝化法、真空蒸发法、外延生长法、阳极氧化法等。在深亚微米IC制造中,还发展了快速加热工艺技术。选择何种方法来生SiO2层与器件的性能有很大关系。二氧化硅层的用途1、表面钝化2、掺杂阻挡层3、表面绝缘体4、器件绝缘体5、缓冲层6、隔离层作为MQS器件的绝缘栅介质:在集成电路的特征尺寸越来越小的情况下,作为MQS结构中的栅介质的厚度也越来越小。此时SiO2作为器件的一个重要组成部分(如图1所示),它的质量直接决定器件的多个电学参数。同样
3、SiO2也可作为电容的介质材料。作为选择性掺杂的掩模:SiO2的掩蔽作用是指SiO2膜能阻挡杂质(例如硼、磷、砷等)向半导体中扩散的能力。利用这一性质,在硅片表面就可以进行有选择的扩散。同样对于离子注人,SiO2也可作为注人离子的阻挡层。作为隔离层:集成电路中,器件与器件之间的隔离可以有PN结隔离和SiO2介质隔离。SiO2介质隔离比PN结隔离的效果好,它采用一个厚的场氧化层来完成。作为缓冲层:当Si3N4。直接沉积在Si衬底上时,界面存在极大的应力与极高的界面态密度,因此多采用Si3N4/SiO2/Si结构,如图2所示。当进行场氧化时,SiO2会有软化现象。可以清除Si3N4和衬底Si之间的
4、应力。作为绝缘层:在芯片集成度越来越高的情况下就需要多层金属布线。它们之间需要用绝缘性能良好的介电材料加以隔离,SiO2就能充当这种隔离材料。作为保护器件和电路的钝化层:在集成电路芯片制作完成后,为了防止机械性的损伤,或接触含有水汽的环境太久而造成器件失效,通常在IC制造工艺结束后在表面沉积一层钝化层,掺磷的SiO2薄膜常用作这一用途。图1 MOS场效应晶体管结构图2 场氧化层作为缓冲层O2O2O2100nm Tox=(Bt)1/2 抛物线阶段热氧化的机制受限反应,受限扩散反应Si(S)+O2(V)SiO2(S)Si的氧化过程是一个表面过程,即氧化剂是在硅片表面处与Si原子起反应,当表面已形成
5、的SiO2层阻止了氧化剂与Si的直接接触,氧化剂就必须以扩散的方式穿过SiO2层、到达SiO2一Si界面与Si原子反应,生成新的SiO2层,使SiO2膜不断增厚,同时SiO2一Si界面向Si内部推进.SiO2的生长示意图Dry Oxidation Si(S)+O2(V)SiO2(S)Wet Oxidation(stream Oxidation)Si(S)+H2 O(V)SiO2(S)+H2(V)氧化率的影响900-1200oC900-1200oC1、氧化源:干氧 湿氧(发泡、干法)Cl参入氧化干氧氧化优点:结构致密、均匀性和重复性好、与光 刻胶黏附好且应力小。缺点:生长温度高、生长速度慢。氧化
6、率的影响2 2、高压氧化、高压氧化在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化速率,或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率都是率,或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率都是经常采用方法。经常采用方法。优点:有利于降低材料中的位错缺陷。优点:有利于降低材料中的位错缺陷。缺点:在利用高压氧化时要注意安全问题和高压系缺点:在利用高压氧化时要注意安全问题和高压系统带来的污染问题。统带来的污染问题。常压 低掺杂n型掺杂物:P、As、Sbp型掺杂物:B7、多晶硅、多晶硅 与单晶硅相比氧化率更快与单晶硅相比氧化率更快实际工艺中由于各个部分材料不同,造成氧化层厚度不实际工
7、艺中由于各个部分材料不同,造成氧化层厚度不均匀,出现台阶。均匀,出现台阶。氧化方法制备SiO2的方法很多,在集成电路工艺中最常用的方法为热氧化法和化学气相沉积法两种。下面主要介绍热氧化法。根据氧化气氛的不同,热氧化法又可分为干氧氧化、水汽氧化、湿氧氧化八掺氯氧化和氢氧合成氧化等。下面逐一进行介绍。干氧氧化干氧氧化就是在氧化过程中,直接通入O2进行氧化的方法。通过干氧氧化生成的SiO2膜其有结构致密;干燥、均匀性和重复性好;对杂质掩蔽能力强;钝化效果好;与光刻胶的附着性好等优点,该方法的缺点是氧化速率较慢。水汽氧化 水汽氧化是指硅片一与高温水蒸汽发生反应的氧化方法。由于水在SiO2中的平衡浓度N
8、(1019atoms/cm3)比O2在SiO2中的平衡浓度N(1016atoms/cm3)高出3个数量级,所以水汽氧化的氧化速率比干氧氧化的速率大得多。但水汽氧化法生成的SiO2膜结构疏松、表面有斑点和缺陷、含水量大、对杂质(尤其是磷)掩蔽能力较差,所以现在很少使用这种氧化方法。湿氧氧化 湿氧氧化法中,O2先通过95一98左右的去离子水,将水汽一起带人氧化炉内,O2和水汽同时与Si发生氧化反应。采用这种氧化方法生成的SiO2膜的质量比干氧氧化的略差,但远好过水汽氧化的效果,而且生长速度较快,因此,当所需氧化层厚度很厚且对氧化层的电学性能要求不高的情况下,为了量产的考虑,常采用这种氧化方法。其缺
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