热处理(氧化)

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器件介质层
• MOS器件的栅氧介质层和电容介质层
硅栅下的极薄的氧化层作为栅和源、漏间的介 电质材料，形成栅氧结构；用来让氧化层下面的栅 极区产生感应电荷，从而控制器件中的电流；
二氧化硅介电常数大，击穿耐压较高，电容温度 系数小，故热氧化法生成的氧化层也可用作硅表面 和导电层表面之间形成的电容的介电层。
SiO2对杂质的掩蔽特性 • 对硼、磷、砷等有很好的屏蔽性，是理想的
扩散掩蔽层。 • 某些碱金属离子，尤其是钠离子，即使在低 温下也只需很短的时间就能扩散至整个SiO2 层，故氧化硅要尽量避免钠一类离子的沾污。 • 镓在氧化硅中的扩散系数很大，故对镓不起 屏蔽作用。
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SiO2作掩蔽层的基本要求
SiO2 4HF SiF4 2H 2O
SiF4 2HF H 2 (SiF6 )
SiO2 6HF H 2 (SiF6 ) 2H 2O
SiO2的主要作用
基于SiO2良好的介质特性，其作为介质 材料主要有以下作用： 掺杂阻挡层；
器件保护层；
表面钝化层； 电学隔离层； 器件介质层；
metal 2 metal 1
n-well n+ p+ p-type
淀积法
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§2.2
SiO2的掩蔽作用
SiO2的分类 非本征氧化硅中的杂质按其在SiO2网络 结构中的位置和作用可分为两类： 网络形成者 网络改变者
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网络形成者：
指可替代SiO2网格中硅的杂质，即替位式杂质， 能代替SiO2四面体中心的硅、并能与氧形成网络结构 的杂质，称之为网络形成者。 通常是和硅原子大小相近或更小的一类杂质，如硼、 磷、铝等。 对氧化层的影响： 网络形成者的价电子数与硅不同 网络的结构和性质发生变化: 应用：常被有意掺入SiO2中，用来改善其物理性质： 改变氧化层中有氧桥和无氧桥的比例，改变其密度、 硬度、流动性、熔点及扩散系数。 常用于淀积SiO2，而不用于热SiO2。
半导体中的SiO2
半导体工艺中用热氧化法生长的SiO2 是典型的无定形SiO2。 无定形SiO2的强度、密度等性质受其晶 体内有氧桥与无氧桥的数目之比的影响：
在无定形SiO2中，与无氧桥相比，有氧 桥的部分越大，氧化层的密度、黏合力就越 大，受损伤的趋向也就越小。
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无定形SiO2的结构特点
作为掺杂或注入 掺杂阻挡层 杂质到硅片中的 掩蔽材料
垫氧化层
注入屏蔽 氧化层 金属 间绝缘层
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用作氮化硅的缓 冲层以减小应力
用于减少注入沟 道和损伤
n-well p-type
Contact mask
热生长且非常薄 热生长
n-well n+ p+ p-type
用作金属连线间 的保护层
Via
产生方法
室温下自然生长
tox
栅氧化层
优选干热氧化法
Field oxide (FOX)
场氧化层
n-well
active area after LOCOS
优选湿氧化法
p-type
p+ poly
保护阻挡层
保护有源器件和 硅免受后续工艺 的影响。
Silicide
n+ poly Oxide spacer
n+
p-doping
♦ 很好地控制界面陷阱和固定电荷。
这些特点对MOS器件和其他器件都是至关重要的。
种类 机理 干氧 氧化 水汽 氧化
氧化开始时，是氧分子与硅片表面的 硅原子进行化学反应，形成初始氧化 层，之后的继续氧化是氧原子扩散穿 过氧化层到达SiO2-S界面进行反应 一开始是水汽在高温下与硅片表面的 硅原子作用，生成SiO2起始层，其后 的继续氧化反应首先是水分子与表面 的SiO2反应形成硅烷醇结构，生成的 硅烷醇再扩散穿过氧化层抵达SiSiO2界面处，与硅原子反应，生成硅 氧烷结构，同时产生氢气，氢气将迅 速离开Si-SiO2界面 让氧气在通入反应室前，先通过热的 高纯去离子水，使氧气中携带一定量 的水汽，然后再与硅片发生反应生 SiO2薄膜
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电学绝缘层
• 器件和电路中的绝缘层；
二氧化硅绝缘层的电阻率高，介电强度大，几乎 不存在漏电流。集成电路的隔离有PN结隔离和介质 隔离，SiO2用于介质隔离，因为漏电流小，岛与岛 之间的隔离电压大，寄生电容小。 常用作金属互连层之间的有效绝缘层，从而起到 金属连线保护层的作用。 绝大多数晶圆表面用足够厚的氧化层来避免金属层 感应导致的晶圆表面的电荷累积效应。
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§2.1 SiO2的结构、性质及用途
• 二氧化硅又名硅石，主要以石英砂形式存在。
结晶型(石英，水晶) 存在形式 无定形(硅石，石英砂)
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SiO2二维结构
结晶形SiO2
由Si-O四面体在空间规则排列构成 每个顶角的O原子与两个相邻四面 体中心的Si原子形成共价键
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掺杂阻挡层
主要原因： 硅技术中用到的所有掺杂剂在SiO2中的扩散 速度远低于在硅中的扩散速度； 二氧化硅的厚度足够厚； 其热膨涨系数与硅的热膨涨系数很接近； 因而在加热或冷却时，晶圆就不会产生弯曲。
dopant
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器件保护/牺牲/缓冲层
• 器件的保护层和隔离层
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网络改变者 是指存在于SiO2网络间隙中的杂质。主要是离子半 较大的一类杂质，如钾、钠、钡、铅、铝等在网络中 一般是以离子形式存在。 由于离子 半径较大，故不能取代网络中硅原子的位 置，而只能占据网络中的空隙处，称网络改变者。 对氧化层的影响： 1.氧化物在网络中离化后，使一部分桥键 氧变成 非桥键氧，造成网络结构弱化和疏松，且使氧化层 熔点降低； 2.杂质则在网络中的空隙处以微弱的键合力和非桥 键氧连接着，些微的温度和电场作用，就可使杂质 变成可动性的正离子，从而可引起器件不稳定和劣 化。 2014-3-22 21
含氯的干氧清洗石英管 干氧氧化（或含氯） 湿氧氧化或水汽氧化加快氧化速率 干氧氧化。
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氧化过程中硅的消耗
• 无论是干氧、水汽还是湿氧氧化，氧化层的
生长都要消耗硅。
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LOCOS中，氧化硅的体积为所消耗的硅体积的2.2倍
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2.3.2 SiO2的生长动力学过程
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氧化层厚度及主要用途
硅器件中的氧化层厚度的变化范围很大：
tox
( A ) 应 用
60 ~ 100 150 ~ 500 200 ~ 500 2000 ~ 5000 3000 ~ 10 000
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沟道栅极（栅氧） 栅极氧化、电容绝缘层 LOCOS氧化 掩膜氧化、表面钝化 场氧
SiO2密度很高，非常坚硬且无孔，因而：
一方面可避免环境中及后序过程中的沾污侵入 晶圆表面； 另一方面，其硬度可防止对晶圆表面的划伤或 损害，从而增强晶圆在生产过程中的耐用性。
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• 表面钝化作用
表面钝化层
有了这一层二氧化硅膜，就可以将硅片表面与外界 气氛隔开。降低了外界气氛对硅的影响，起到钝化 作用。主要作用： 减弱环境对器件表面的影响，防止器件的表面和内 部受到机械损失和杂质污染； 可将硅表面的沾污禁锢在SiO2膜中，有助于提高器 件的稳定性和可靠性; 有利于控制器件的漏电流和产生稳定栅氧化物，有 效地防止器件性能退化。
2.3.1 硅的热氧化
制 备SiO2的方法有很多，热分解淀积、溅射、真空蒸发。 阳极氧化法、化学气相淀积、热氧化法等。热生长法制备 的SiO2质量好，是集成电路的重要工艺之一。 热氧化法：Si与氧或水汽等氧化剂在高温下发生化学反应 生成SiO2 。热氧化法根据氧化气氛分为：干氧氧化、水气 氧化、湿氧氧化以及掺氯氧化、氢氧合成等。 热氧化法制备SiO2的特点： ♦ 具有很高的重复性和化学稳定性，其物理性质和化学性质 不太受湿度和中等温度热处理的影响； ♦ 降低Si表面的悬挂键，使表面态密度减小；
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SiO2的主要性质
密度：
一般为2.20g/cm3（无定形，一般用称量法测量）； 折射率： 是波长的函数，5500Å左右时为1.46，密度较大则折射率 较大； 电阻率： 高温干氧氧化法制备的SiO2电阻率高达1016Ω·cm； 介电强度： 单位厚度的SiO2所能承受的最小击穿电压，与致密程度、 均匀性、杂质含量等因素有关，一般为106-107V/cm ； 腐蚀： 氢氟酸；
无定形SiO2
Si-O四面体的空间排列没有规律 Si-O-Si键桥的角度不固定，在 110°-180°之间，峰值144 °。
• 顶角上的每个氧原子
桥氧
非桥联氧
都与相邻的两个Si-O 四面体中的硅原子键 合，为两个硅原子共 用，形成Si-O-Si的氧 桥，称为桥键氧。
• 氧原子只与一个四面
体中的硅原子联接， 即没有形成氧桥，称 为非桥键氧
• • •
热氧化过程中，氧化层的增厚包括三个过程： 氧化剂从气体内部以扩散形式输运到气体-氧化层界面 氧化剂以扩散穿过已生成的氧化层，抵达SiO2-Si界面； 氧化剂在硅—氧化硅界面发生氧化反应；
n+
p+

n-doping
p+ n-well
热生长
Shallow-trench isolation Source-drain extension
p-type substrate
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氧化硅的应用(2)
应用 目的 结构 产生方法