集成电路芯片制造实用技术 教学课件 作者 卢静 第4章 氧化20101031.ppt

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1、集成电路芯片制造实用技术第4章氧化工艺目录4.1概述4.2二氧化硅膜特性及应用4.3热氧化4.4二氧化硅膜制备方法4.5实训：氧化设备操作入门4.1概述硅表面上总是覆盖一层二氧化硅（SiO2），即使是刚刚解理的硅，在室温下，只要在空气中，一暴露就会在表面上形成几个原子层的氧化膜。氧化膜相当致密，能阻止更多的氧原子通过它继续氧化。这种天然形成的氧化层厚度只能达到40Å左右。形成的二氧化硅不但能紧紧地依附在硅衬底上，而且具有极为稳定的化学特性和电绝缘特性。4.1.1氧化介质膜的基本结构本节将讨论氧化介质膜的基本结构模式，从而揭示其可以降低在其体内的某些化学元素的迁移速率

2、的内在机理。随后，将简要地讨论热生长法制备氧化介质膜的常规工艺手段及其介质膜置备过程中的动力学模型，介绍对热生长氧化介质膜基本过程所进行的数学描述。4.1.1氧化介质膜的基本结构图4-1结晶型二氧化硅的二维结构示意图4-2非本征无定型二氧化硅二维结构图4-3充当网络改变剂元素的行为描述4.1.1氧化介质膜的基本结构在相同的条件下，杂质在硅材料中已达到预定的扩散深度时，而其在SiO2介质膜中仅迁移了极为有限的距离，远没有达到SiO2与Si的交界面（常描述为SiO2-Si）。杂质没有扩散通过（或称为穿透）覆盖在硅表面的二氧化硅介质膜，故在二氧化硅层保护下的区域则不会有杂

3、质进入，二氧化硅在客观上确实起到了掩蔽杂质的作用。4.1.2氧化硅介质膜影响杂质迁移行为的内在机理4.2二氧化硅膜特性及应用4.2.1二氧化硅介质膜的主要性质1.二氧化硅的密度2．二氧化硅的折射率3．二氧化硅的电阻率4．二氧化硅的介电强度5．二氧化硅的介电常数6．二氧化硅的化学特性4.2.2氧化硅层的主要应用二氧化硅的重要应用可归结为以下几个方面：（1）表面钝化层（2）掺杂阻挡层（3）表面绝缘层（4）器件绝缘层4.2.2氧化硅层的主要应用图4-4作为掺杂阻挡层的二氧化硅4.2.2氧化硅层的主要应用图4-5作为绝缘层的二氧化硅层4.2.2氧化硅层的主要应用图4-6在M

4、OS栅极中，二氧化硅作为场氧化4.2.2氧化硅层的主要应用图4-7在固态电容里的二氧化硅层4.3热氧化氧化反应是需要的能量，在硅技术里，这些能量来源于对晶圆的加热，所以被称为热氧化反应（ThermalOxidation）。二氧化硅层在常压或高压条件下生长。常压氧化发生在不必有意控制压力的系统中。有两种常压技术：炉管反应炉和快速氧化系统。4.3.1水平炉管反应炉4.3.1水平炉管反应炉水平炉管反应炉从20世纪60年代早期开始应用在氧化、扩散、热处理以及各种淀积工艺中。它最先被开发用在锗技术甲的扩散工艺中。直到如今一直被简单地称作扩散反应炉（DiffusionFurna

5、ces）。更准确、更通用的词叫做炉管反应炉（Tubefurnace）。图4-8显示了一个有三个加热区的水平炉管反应炉的横截面图。它包含一个由多铝红柱石材料制成的陶瓷炉管，管的内表面有铜材料制成的加热管丝。每一段加热炉丝决定一个加热区并且由相应独立的电源供电，并由比例控制器控制其温度。反应炉最多可以有7个独立的加热区。在反应炉里有有个石英的炉管，它被用做氧化反应室。反应室可以在一个瓷套管里。瓷套管叫做套筒（Muffle）。它起到一个热接受器的作用，可以使得沿石英炉管的热分配比较均匀。4.3.1水平炉管反应炉氧化又称为热氧化，热氧化工艺的基本过程是利用高纯的氧气（O2）

6、送入工艺腔，在高温下与圆片表面的硅（Si）发生化学反应，生成二氧化硅（SiO2）。热氧化过程需要消耗半导体基质内的Si，氧化反应从圆片表面开始逐层向内部推进。生长温度通常在900℃~1200℃之间。气体源是作为氧化剂的氧气（O2）、水蒸气（H2O）以及其他辅助气体氮气（N2）、氢气（H2）、氯气（Cl2）等，它们的选择配置取决于氧化方法和氧化层的性能要求。4.3.1水平炉管反应炉图4-8单炉管，三加热区的水平炉的截面图4.3.1水平炉管反应炉生产中的石英反应炉是一个由各种部件组成的集成系统（参见图4-9）。它们是：（1）反应室。（2）温度控制系统。（3）反应炉。（4

7、）气体柜。（5）晶圆清洗站。（6）装片站。（7）工艺自动化。。4.3.1水平炉管反应炉图4-9炉管反应炉4.3.2垂直炉管反应炉水平炉在很长一段时期内占领了大量的市场：在它成为市场主流的30年间，大量的新工艺被开发和应用。可是，随着对污染更严格的控制和晶圆的直径越来越大，以及对生产率的要求限制了水平炉的进一步发展。对污染更严格的控制导致了悬挂系统的开发。随着晶圆越来越大，越来越重，悬挂系统也变得越来越大，越来越强。同时，大的晶圆直径要求大直径的炉管，这给维持中央区温度带来压力，仅有少数公司报告说自己的水平炉可以生产200mm或更大直径的晶圆。装载晶圆越多，炉管越