西安交通大学微电子制造技术第十氧化.pptVIP

微电子制造技术第 10 章 氧 化 引 言 半导体制造技术的基础之一是在硅片表面生长一层氧化层的能力。50年代最主要的发展就是氧化物的掩膜技术。它是一种在氧化层上通过刻蚀图形，达到对硅衬底进行扩散掺杂的工艺技术。几十年来氧化在硅平面工艺发展中扮演了十分的重要角色。 通过不同的氧化工艺，制造的氧化层具有高质量、稳定和期待的介质特性。这些特性特别是对于MOS工艺中的栅结构来说是至关重要的。 氧化物可以通过淀积和热生长得到。本章主要讨论热生长氧化物，包括它的结构、性质和生长工艺。 学 习 目 标 1.了解半导体制造中SiO2的结构、优缺点及各种用途； 2.描述氧化的化学反应以及在Si上生长氧化物的机理； 3.解释选择性氧化并给出两个实例； 4.识别三种热氧化工艺的设备，讨论快速升温立式炉的优点； 5.解释什么是快速热处理及其用途。 氧化硅的结构与性质 结构 SiO2薄膜的原子结构如下图所示，可以看出，它是由一个硅原子被4个氧原子包围着的四面体单元组成的。 由上图可见，二氧化硅薄膜是一种无定型的玻璃状结构，具体地说是一种近程有序的网状结构，没有长程有序的晶格周期，这是因为四面体单元在晶体内没有以规则的三维形式排列。 性质 优质的绝缘材料，熔点温度：1732℃；热生长的SiO2能够牢固黏附在硅衬底上，并且具有优良的介质特性。硅片表面自然生成的氧化膜厚度最大为40?，而且不均匀，通常认为是一种污染物。 无定形SiO2、Si3N4、Al2O3性质比较 氧化膜的用途 由于二氧化硅的生长简单容易，并且与硅衬底有着良好界面，使其对硅半导体制造非常重要，因此成为半导体制造中广泛应用的薄膜材料。氧化硅薄膜在微芯片制造中的应用有： 保护器件免划伤和隔离污染 表面钝化 栅氧或存储器单元结构中的介质材料 掺杂阻挡层 金属导电层间的介质层 器件保护和隔离 硅片表面上生长的二氧化硅可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保护硅表面有源器件免受其它因素的影响。 表面钝化 热生长的SiO2，一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，这种效果称为表面钝化，它能防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其它外部沾污物引起的漏电流的通路。钝化对于控制结型器件的漏电流是非常重要的。 栅氧电介质 对于MOS技术中常用的重要栅氧结构（见下图），用极薄的氧化层做介质材料，一般通过热生长获得。要求具有高的电介质强度和高的电阻率、极好的膜厚均匀性、无杂质等。另外，任何可以使栅氧结构功能退化的沾污都必须严格加以控制。对于 0.18 μm 工艺，典型的栅氧厚度是20nm±1.5?。 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(见下图)。与硅相比，掺杂物在SiO2里的移动较慢，所以只需要较薄的氧化层就可以阻挡掺杂物进入被保护的区域。 薄氧化层(如150?)也可以用于需要离子注入的区域 ，以减少注入对硅片表面的晶体损伤。还可以通过减小沟（管）道效应，获得对杂质注入时结深的控制（见第17章）。 实现掩蔽扩散的条件 二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用，如上图所示，在杂质向Si中扩散的同时，也要向SiO2层中扩散，设在Si中的扩散深度为 在SiO2层中的扩散深度为 式中： 扩散时间， 、 分别表示杂质在SiO2和Si中的扩散系数，显然要实现掩蔽扩散的条件是 ，即当杂质在硅中的扩散深度达到 时杂质在SiO2中的扩散深度应 所以， 氧化层厚度 原则上讲，只要 满足上面不等式，就可起到杂质扩散的掩蔽作用，但实际上只有那些 的杂质，用SiO2掩蔽才有实用价值，否则所需的SiO2厚度就很厚，既难于制备，又不利于光刻。 但是，只要按照 的条件选择杂质种类，就可实现掩蔽扩散的作用。研究发现，B、P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小，所以,通常选择B、P作为扩散的杂质种类。而对于Ga、Al等杂质，情况则相反。 值得注意的是，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。 掩蔽扩散所需氧化层的最小厚度确定 要确定最小厚度，就需知道杂质在氧化硅中的分布形式，据实验研究结果，一般为余误差分布和高斯分布，大多数情况下用余误差比较接近。 在扩散时要完全使杂质不扩入硅中是很难实现的(除非氧化层厚度非常厚)，通常就定义扩入硅中的杂质数量不足以引起硅表面电性能的变化，就认为氧化硅的掩蔽有效。对不同器件要求不同，一