半导体制造技术-第十章.pptxVIP

dreamtower@163.com;第十章 氧化; 硅表面SiO2的简单实现，是硅材料被广泛应用的一个重要因素。本章中，将介绍SiO2的生长工艺及用途、氧化反应的不同方法，其中包括快速热氧化工艺。另外，还简单介绍本工艺中最重要的部分---反应炉，因为它是氧化、扩散、热处理及化学气相淀积反应的基本设备。 ;工艺中硅曝露需要的热能称为热预算。半导体工艺的目标之一是尽量降低硅需要的热能。一般通过降温或减少时间使热预算最小。; SiO2膜的原子结构如图所示。它是由一个硅原子被4个氧样原子包围着的四面体单元组成的。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。;①密度：表示SiO2结构的致密程度；密度大，表示致密程度高； 二氧化硅的密度约为2.23g/cm2，硅的密度为 2.33g/cm2，所以，硅的密度大于二氧化硅的密度。 Si 变成SiO2后体积会膨胀 ②折射率：表示SiO2的光学性质； SiO2的折射率约为1.46。 ③电阻率：表示SiO2的电学性质；SiO2的电阻率约为1016?cm。 ④介电强度：表示单位厚度的SiO2薄膜的耐压能力；106～107V/cm ⑤介电常数：表示SiO2的电容性能；SiO2的相对介电常数?SiO2为3.9。 ⑥热膨胀系数:表示SiO2受温度变化的形变； SiO2热膨胀系数小，是Si的1/5；故冷却时易产生微细的裂纹，丧失钝化和掩蔽的作用； ⑦分凝系数：平衡时杂质在硅和二氧化硅界面的分凝系数为一常数；对于B: m≈0.3; 对于P：m≈10;① SiO2是最稳定的硅化物； ② SiO2不溶于水； ③ SiO2能耐较强的侵蚀，但极易与HF作用；;氧化膜的应用;器件保护和隔离;LOCOS工艺流程;LOCOS掩模板;;缺点： 1、鸟嘴侵蚀有源区； 2、不利于后序工艺中的平坦化； 3、杂质重新分布。;局部氧化时，O2扩散穿越已生长的氧化物向各个方向上扩散，纵向扩散的同时也横向扩散，因此，在氮化物掩膜下有着轻微的侧面氧化生长。由于Si氧化生成SiO2 后体积膨胀，使掩蔽的Si3N4- SiO2 膜周边受影响而向上翘起，形成鸟嘴。;改进的LOCOS工艺;浅槽隔离（STI）;LOCOS、PBL可用于技术节点?0.35-0.5 mm；0.35 mm必须使用STI;3）LPCVD氮化硅 （100 nm）;6）热生长氧化硅阻挡层 （20 nm）;9）CMP平坦化 ;现代STI技术（CMOS）;3）CMP平坦化;表面钝化;Pad Oxide衬垫氧化层 Sacrificial Oxide牺牲氧化层 Barrier Oxide阻挡氧化层 ;栅氧电介质;掺杂阻挡;金属层间的介质;名称;热氧化生长;干氧和湿氧的比较;氧化生长模式 无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗硅，如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的0.46，这就意味着每生长1μm的氧化物，就有0.46μm的硅消耗（干、湿氧化略有差别）。 ; 一旦在硅表面有二氧化硅生成，它将阻挡O2原子与Si原子直接接触，所以其后的继续氧化是O2原子通过扩散穿过已生成的二氧化硅层，向Si一侧运动到达界面进行反应而增厚的。通过一定的理论分析可知，在初始阶段，氧化层厚度(X)与时间(t)是线性关系，而后变成抛物线关系。 ;B/A为线性速率常数；B为抛物线速率常数;掺氯氧化 ;①掺氯氧化可吸收、提取氧化层下面硅中的杂质，减少复合中心，使少子寿命增加。因为高温下氯气和许多杂质发生反应，生成挥发性的化合物而从反应室逸出。; 晶格方向 因为不同晶向其原子密度不同，所以在相同的温度、氧化气压等条件下，原子密度大的晶面，氧化生长速率要大，而且在低温时的线性阶段更为明显。如图所示。;掺杂 用来制造芯片的硅片都是经过掺杂的，另外在以后的工艺中，还要用热扩散或离子注入工艺完成掺杂。掺杂元素和浓度对氧化生长速率都有影响。列如，高掺杂浓度的硅表面要比低掺杂浓度的硅表面氧化速率快。而且高掺杂浓度的硅表面上的氧化层比在其他层上生长的氧化层的密度低。 另一个对氧化生长速率有影响的是氧化完成后，硅中掺杂原子的分布。 ; N型掺杂物（P、As、Sb）他们在硅中比在二氧化硅中有更高的溶解度。当氧化层碰到它们时，这些杂质将进入硅中，在硅与二氧化硅之间，就象铲雪机推一个大雪堆一样，结果是，N型掺杂物在硅与二氧化硅之间比在晶体里有更高的密度（称之为二氧化硅的排磷作用）。 当掺杂物是P型材料的硼(B)元素时，就会产生相反的结果。即硼原子被拉入二氧化硅层，导致在SiO2与Si交界处的硅原子被B 原子消耗尽（称之为二氧化硅的吸硼作用） 。 ;压力效应