半导体 第六讲 氧化工艺.ppt

其他的氧化 除了以上几种热氧化方法外，还有几种特殊的氧化方法。例如：为了制备高质量的薄栅氧化层，出现了低温薄栅氧化（ ﹤ 900℃）和分压氧化(在氧气中通入一定比例的不活泼气体，降低氧气的分压，以降低氧化速率); 为了制备厚的氧化层，出现了高压氧化方法。 热氧化工艺的设备 热氧化的设备主要有水平式和直立式两种，6英寸以下的硅片都用水平式氧化炉,8英寸以上的硅片都采用直立式氧化炉。氧化炉管和装载硅片的晶舟都用石英材料制成。在氧化过程中，要防止杂质污染和金属污染，为了减少人为的因素，现代IC制造中氧化过程都采用自动化控制。如图3和图4所示分别是典型的水平式氧化炉系统和直立式氧化炉系统。 影响氧化均匀性的重要工艺参数是氧化区域的温度分布。在水平式氧化炉中采用五段加热器进行控温即是为了达到最佳的温度分布曲线，通常温度误差控制在士0.5℃。 与水平式氧化炉系统相比，直立式氧化系统有一个很大的优点，就是气体的向上热流性，使得氧化的均匀性比水平式的要好，同时它体积小、占地面积小，可以节省净化室的空间。 在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度的变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。一个氧化过程的主要步骤如图5所示。 步骤1:硅片送至炉管口，通人N2及少量O2 步骤2:硅片被推至恒温区，升温速率为5一30℃/Min步骤步骤3:通人大量O2 ，氧化反应开始。 步骤4:加人一定比例的含氯气体(干氧化方式)，或通人H2(湿氧化方式)。 步骤5:通O2 ，以消耗残留的含氯气体或H2 步骤6:改通N2 ，做退火处理。 步骤7:硅片开始拉至炉口，降温速率为2 -- 10 ℃/Min 步骤8:将硅片拉出炉管。 图3水平式氧化炉系统 图4直立式氧化炉系统 图5一个氧化程序的主要步骤 氧化膜的质量评价 以热氧化法生长的SiO2薄膜，在半导体器件的结构中具有多种用途，其中最主要的应用是作为MOSFET器件的栅氧化层。下面将针对作为栅氧化层的Si仇膜来探讨薄膜品质对MOSFET器件的影响。 氧化层的电荷 作为MOSFET器件结构中的一部分，对栅氧化层的要求是非常高的。但是由于在SiO2一Si界面因为氧化的不连续性，有一个过渡区的存在，各种不同的电荷和缺陷会随着热氧化而出现在这一过渡区，如钠离子进人SiO2层成为可动电荷。氧化层中这些电荷存在会极大地影响MOSFET器件的参数，并降低器件的可靠性。在氧化层中各种电荷的分布如图所示。 电荷在氧化层内的分布 这四种电荷的产生原因、数量、对MOSFET器件性能的影响和减少的方法。 ①界面陷阱电荷Qit。它是在Si一SiO2界面的正的或负的电荷，起源于Si - SiO2界面结构缺陷、氧化感生缺陷以及金属杂质和辐射等因素引起的其他缺陷。它的能级在Si的禁带中，电荷密度在1010/cm2左右。 Si一SiO2界面的Si原子悬挂键是一种主要的结构缺陷，通过释放或束缚电子的方式与Si表面层交换电子和空穴，进而调制Si的表面势，造成器件参数的不稳定性。此外，它还会导致器件表面漏电流和it/f噪声的增加以及四暗流增益(跨导)的降低。通常可通过氧化后适当的退火来降低Qit的浓度。 ②氧化层固定电荷Qf，这种电荷是指位于距离Si一SiO2界面3 nm的氧化层内的正电荷，又称界面电荷，是由氧化层中的缺陷引起的，电荷密度在1010-1012/cm2 固定电荷的影响是使MOSFET结构的C一V曲线向负方向平移，但不改变其形状;山于其面密度Qf是固定的，所以仅影响阀值电压的大小，而不会导致阀值电压的不稳定性。适当的退火及冷却速率能减少Qf ③可动离电荷Qm:由氧化系统中的碱金属离子(如K+,Na+,Li+等)进入氧化层引起的，电荷密度在1010-1012/cm2 在温度偏压实验中，Na+能在SiO2中横向及纵向移动，从而调制了器件有关表面的表面势，引起器件参数的不稳定。要减少此类电荷，可在氧化前先通人含氯的化合物气体清洗炉管，氧化方法采用掺氯氧化。 ④氧化层陷阱电荷Qot : 这是由氧化层内的杂质或不饱和键捕捉到加工过程中产生的电子或空穴所引起的，可能是正电荷，也可能是负电荷。电荷密度在109-1013/cm2左右。通过低温H2退火能降低其浓度，以至消除。 这些电荷的检测可采用电容一电压法，也就是通常所说的C-V测量技术，在这里不作详细介绍了。 氧化层的厚度和密度 在集成电路的加工工艺中，氧化层厚度的控制也是十分重要的。如栅氧化层的厚度在亚微米工艺中仅几十纳米，甚至几纳米。另外SiO2膜是否致密可通过折射率来反映，厚度与折射率检测多采用椭圆偏振法。这种方法铡量精度高，是一种非破坏性的测量技术，能同时测出膜厚和折射率。 氧化层的缺陷 氧化层的缺陷主要是针孔和层错，他们是M