第2章：氧化.ppt

■ 椭偏仪 - 测量薄膜厚度非常精确 - 原理类似膜厚仪，只是测量的是反射光平行 和垂直方向偏振强度的变化 ■ 台阶仪 - 需要刻蚀掉部分薄膜才能测量 - 竖直方向台阶测量非常精确 2.3 SiO2结构、性质和用途 集成电路SiO2的原子结构： 属于非晶体、无定形结构，Si-O 四面体在空 间无规则排列。 物理性质 Si SiO2 比重（g/cm3） 2.23 2.20 禁带宽度（eV） 1.12 ~ 8 相对介电常数 11.7 3.9 熔点（℃） 1414 1700 热导（W/cm.k） 1.5 0.01 击穿场强（V/cm） 3 × 105 6 × 106 ■ SiO2的物理性质 SiO2的化学性质 SiO2 的化学性质非常稳定，仅被 HF 酸腐蚀 SiO2在集成电路工艺中的用途 1. 栅氧层：做MOS结构的电介质层（热生长） 2. 场氧层：限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉积） 3. 保护层：保护器件以免划伤和离子沾污（热生长） 4. 注入阻挡层：局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂 （热生长） 5. 垫氧层：减小氮化硅与硅之间应力（热生长） 6. 注入缓冲层：减小离子注入损伤及沟道效应（热生长） 7. 层间介质：用于导电金属之间的绝缘（沉积） 1. 栅氧层： 热生长方法形成（干法） 2. 场氧层 STI（Shallow Trench Isolation） 用CVD方法形成 厚度2500-15000 ? 2. 场氧层 LOCOS隔离 用热生长法形成（干法-湿法-干法掺氯） 厚度2500-15000 ? 3. 保护层： 保护有源器件和硅表面免受后续工艺的影响 用热生长法形成 4. 注入阻挡层： 作为注入或扩散掺杂杂质到硅中的掩蔽材料 用热生长法形成 5. 垫氧层 用于减小氮化硅与硅之间的应力 用热生长法形成 6. 注入缓冲层： 用于减小注入损伤及减小沟道效应 用热生长法形成 7. 层间介质： 用作金属连线间的绝缘层 用CVD方法形成 氧化层应用的典型厚度 氧化硅薄膜生长 90nm工艺栅氧厚度约2nm 1. 降低温度：可减小膜厚到5nm，厚度均匀性差 2. 降低气压：可减小膜厚到3-4nm，厚度均匀性差 3. 快速热氧化（RTO，Rapid Thermal Oxidation): 可减小膜厚到1.8nm，高温膜质量好 高温、短时间 例如1050oC，40s 2.4 快速热处理 快速热处理（RTP）是在非常短的时间内（经常是几分之一秒）将单个硅片加热至400～1300℃温度范围的过程。 RTP的优点： 1. 减少热预算 2. 硅中杂质运动最小 3. 冷壁加热减少沾污 4. 腔体小气氛洁净 5. 更短的加工时间 RTP的应用 1. 注入退火以减小注入损伤和杂质电激活 2. 沉积氧化膜增密 3. 硼磷硅玻璃（BPSG）回流 4. 阻挡层退火（如TiN） 5. 硅化物形成（如TiSi2） 6. 接触合金 常规炉与快速热退火炉的升温曲线对比 RTP系统 硅的自然氧化 氧化过程的两个阶段 氧化速度的相关因素 干氧氧化、湿氧氧化、水汽氧化区别 Si-SiO2界面的四种电荷和工艺控制方法 本章小结 SiO2在集成电路工艺中的7种用途 栅氧层工艺 LOCOS场氧层工艺 快速热处理（RTP） 本章小结 本 章 习 题 书中第十章：8、14、18 本 章 作业 1. 栅氧化层是用干法氧化还是湿法氧化生成？ 2. LOCOS场氧化层是由干法氧化-湿法氧化-干法掺氯氧化三步生成。解释每一步的作用。 3. 列出热生长氧化层在IC制造中的6种用途。 第二章 氧 化 硅热氧化 2.1 引 言 ■ 氧化是一种自然现象 银、铜、铁、铝等金属的自然氧化 硅的自然氧化层很薄在4nm左右 氧化工艺目的： 在硅片上生长一层二氧化硅层以保护硅片表面、器件隔离、屏蔽掺杂、形成电介质层等。 氧化是硅基集成电路的基础工艺之一。 2.2 氧化原理 硅热氧化的概念： 硅热氧化是氧分子或水分子在高温下与硅发生化 学反应，并在硅片表面生长氧化硅的过程。 热氧化分为干氧、湿氧、水汽氧化，其化学反应式： ■ 干氧氧化：Si＋O2 →SiO2 ■ 湿氧氧化：Si ＋ H2O ＋O2 → SiO2+H2 ■ 水汽氧化：Si ＋ H2O → SiO2 ＋ H2 ■ 硅的氧化温度：750 ℃ ～1100℃ 氧化系统 卧式高温炉 立式高温炉 立式炉系统 高温炉的组成 1、工艺腔 2、硅片传输系统 3、气体分配系统 4、温控系统 5、尾