第1页：第二章 氧化封面
第二章 氧化硅热氧化
第2页：氧化是一种自然现象
- 氧化是一种自然现象
- 铁、铜、银等金属的自然氧化硅、硫、磷等非金属的自然氧化
- Si的自然氧化层很薄在40埃左右
第3页：氧化是硅基集成电路的基础工艺之一
- 氧化是硅基集成电路的基础工艺之一
- 氧化的目的：
- 保护硅片表面
- 器件隔离
- 屏蔽掺杂
- 形成电介质层
第4页：硅热氧化的概念
- 硅热氧化的概念
- 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℃
第5页：氧化系统
氧化系统
第6页：氧化剂（氧分子或水分子）
氧化剂（氧分子或水分子）通过扩散到达Si与Si02界面同Si发生反应，其过程如下：1.氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2表面，其流密度为F1 ;2.氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2-Si界面，流密度为F2 ;3.氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度为F3 ;4.反应的副产物离开界面。氧化过程
第7页：氧化物生长速率
- 氧化物生长速率
- 氧化层生长第一阶段（≤150Å）线性：
- 氧化层生长第二阶段（＞150Å）抛物线生长阶段：
- 其中X为氧化层厚度
- B/A为线性速率系数、B为抛物线速率系数
- t为生长时间
- B/A和B与温度、氧化剂浓度，反应室压力等因素有关。
第8页：氧化物生长曲线
氧化物生长曲线
第9页：影响二氧化硅生长的因素
- 掺杂效应
- 重掺杂的硅要比轻掺杂的氧化速率快
- 硅片晶向
- <111>硅单晶的氧化速率比<100>稍快
- 反应室的压力
- 压力越高氧化速率越快
- 氧化方式
- 湿氧氧化比干氧氧化速度快
第10页：常规氧化工艺
- 常规氧化工艺
- 硅片清洗（除去硅片上的各种沾污）
- 5cm/分）
- 质量检查（厚度及其均匀性、表面缺陷、固定和可动电荷的检测）
- SiO2厚度大约600nm左右常规氧化程序曲线
第11页：常规氧化工艺
第12页：氢氧合成氧化工艺
- 氢氧合成氧化工艺
- 氢氧合成产生水分子替代去离子水加热产生的水分子。
- 氢氧合成的化学反应方程式：
- 2H2＋O2 = 2H2O（氢氧合成温度≥750℃）
- 氢氧合成工艺中，特别注意H2与O2的流量比！
第13页：SiO2-Si系统中的电荷
热生长SiO2–Si系统中的实际电荷情况热生长SiO2–Si系统
第14页：SiO2-Si系统中的四种电荷
在实际的SiO2–Si系统中，存在四种电荷：
- 可动电荷：指Na＋、K＋离子，来源于工艺中的化学试剂、器皿和各种沾污等。
- 固定电荷：指位于SiO2–Si界面2nm以内的过剩硅离子，可采用掺氯氧化降低。
- 界面态：指界面陷阱电荷(缺陷、悬挂键），可以采用氢气退火降低。
- 陷阱电荷：由辐射产生。热生长SiO2–Si系统
第15页：在氧化工艺中
在氧化工艺中，通常在氧化系统中通入少量的HCl气体（浓度在3％以下）以改善SiO2的质量。其优点：1、氯离子进入SiO2－Si界面与正电荷中和以减少界面处的电荷积累2、氧化前通入氯气处理氧化系统以减少可动离子沾污掺氯氧化工艺
第16页：不掺氯与掺氯氧化层电荷密度对比
不掺氯和掺氯氧化层电荷密度对比| 电荷类型 | 不掺氯热氧化层 | 掺氯热氧化层 |
|---|
| 可动电荷（主要是Na＋离子）密度 | 3×10¹²～1×10¹³ /cm² | 2×10¹⁰～1×10¹¹ /cm² |
|---|
| 固定电荷密度 | 1×10¹² /cm² | （1～3）×10¹¹ /cm² |
|---|
第17页：氧化消耗硅氧化前氧化后
- 氧化消耗硅氧化前氧化后
- 氧化消耗硅的厚度是二氧化硅厚度的45％左右
第18页：选择性氧化
- 选择性氧化
- 常用于硅的局部场氧化LOCOS（LOCalOxidation ofSilicon）氧化前氧化后
第19页：三种热氧化层质量对比
三种热氧化层质量对比| 氧化方式 | 掩蔽性 | 结构 | 均匀性 | 重复性 | 氧化速率 | 氧化水温 |
|---|
| 干氧氧化 | 质量好 | 致密 | 好 | — | 慢 | — |
|---|
| 湿氧氧化 | 基本满足 | 适中 | 较好 | — | 快 | 95℃ |
|---|
| 水汽氧化 | 较差 | 疏松 | 差 | — | 最快 | 102℃ |
|---|
原文「均匀性」与「重复性」两列数值存在粘连，干氧氧化未给出氧化水温，建议对照原图核对。
第20页：结构及质量
- 结构及质量：热生长的比沉积的结构致密，质量好。
- 成膜温度：热生长的比沉积的温度高。沉积氧化层可在400℃获得，在金属布线形成后进行，做为金属之间的层间介质和顶层钝化层。
- 硅消耗：热生长的消耗硅，沉积的不消耗硅。热生长氧化层与沉积氧化层的区别
第21页：SiO2层的质量检查
- SiO2层的质量检查
- 氧化层表面缺陷的检查目检和使用100倍～500倍的显微镜检查
- 氧化层厚度及其均匀性的测量利用光学干涉原理使用膜厚仪、椭偏仪等仪器测量
- 氧化层固定离子电荷和可动离子电荷的测量使用C－V测试仪检测
第22页：通过颜色的不同可估算SiO2层厚度
通过颜色的不同可估算SiO2层厚度
第23页：SiO2结构
SiO2结构、性质和用途
- 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。
第24页：Si与SiO2物理性质对比
Si与SiO2的物理性质对比| 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（℃） | 1417 | 1700 |
|---|
| 热导（W/cm·K） | 1.5 | 0.01 |
|---|
| 击穿场强（V/cm） | 3×10⁵ | 6×10⁶ |
|---|
第25页：SiO2的化学性质
SiO2的化学性质SiO2的化学性质非常稳定，仅被氢氟酸（HF）腐蚀
第26页：SiO2在集成电路中的用途
- SiO2在集成电路中的用途
- 栅氧层：做MOS结构的电介质层（热生长）
- 场氧层：限制带电载流子的场区隔离（热生长或沉积）
- 保护层：保护器件以免划伤和离子沾污（热生长）
- 注入阻挡层：局部离子注入掺杂时，阻挡注入掺杂（热生长）
- 垫氧层：减小氮化硅与硅之间应力（热生长）
- 注入缓冲层：减小离子注入损伤及沟道效应（热生长）
- 层间介质：用于导电金属之间的绝缘（沉积）
第27页：栅氧层
第28页：场氧层
- 场氧层
- STI（ShallowTrenchIsolation）
- 用CVD方法形成厚度2500-15000ÅNMOS阈值电压公式
第29页：场氧层
- 场氧层
- LOCOS隔离
- 用热生长法形成厚度2500-15000ÅNMOS阈值电压公式
第30页：保护层
- 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
第31页：注入阻挡层
- 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
第32页：垫氧层
第33页：注入缓冲层
- 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
第34页：层间介质
第35页：氧化层应用的典型厚度
氧化层应用的典型厚度
第36页：卧式高温炉
卧式高温炉
第37页：立式高温炉
立式高温炉
第38页：立式炉系统
立式炉系统
第39页：高温炉的组成
高温炉的组成
- 工艺腔
- 硅片传输系统
- 气体分配系统
- 温控系统
- 尾气系统
第40页：快速热处理（RTP）
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
- 减少热预算
- 硅中杂质运动最小
- 冷壁加热减少沾污
- 腔体小气氛洁净
- 更短的加工时间
第41页：RTP的应用
RTP的应用
- 注入退火以减小注入损伤和杂质电激活
- 沉积氧化膜增密
- 硼磷硅玻璃（BPSG）回流
- 阻挡层退火（如TiN）
- 硅化物形成（如TiSi2）
- 接触合金
第42页：常规炉与快速热退火炉的升温曲线对比
常规炉与快速热退火炉的升温曲线对比
第43页：RTP系统
RTP系统
第44页：本章作业
- 简要描述硅热氧化（即回答硅热氧化的概念）
- 影响二氧化硅生长的因素有哪些？
- 列出热生长氧化层在IC制造中的6种用途
