西安交通大学微电子制造技术第十章氧化.ppt

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1、微电子制造技术第10章氧化引言半导体制造技术的基础之一是在硅片表面生长一层氧化层的能力。50年代最主要的发展就是氧化物的掩膜技术。它是一种在氧化层上通过刻蚀图形，达到对硅衬底进行扩散掺杂的工艺技术。几十年来氧化在硅平面工艺发展中扮演了十分的重要角色。通过不同的氧化工艺，制造的氧化层具有高质量、稳定和期待的介质特性。这些特性特别是对于MOS工艺中的栅结构来说是至关重要的。氧化物可以通过淀积和热生长得到。本章主要讨论热生长氧化物，包括它的结构、性质和生长工艺。学习目标1.了解半导体制造中SiO2的结构、优缺点及各种用途；2.描

2、述氧化的化学反应以及在Si上生长氧化物的机理；3.解释选择性氧化并给出两个实例；4.识别三种热氧化工艺的设备，讨论快速升温立式炉的优点；5.解释什么是快速热处理及其用途。氧化硅的结构与性质结构SiO2薄膜的原子结构如下图所示，可以看出，它是由一个硅原子被4个氧原子包围着的四面体单元组成的。SiliconOxygenFigure10.2二氧化硅的原子结构典型SiO2的物理结构由位于氧四面体中心的硅原子组成由上图可见，二氧化硅薄膜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，这是因为四面体

3、单元在晶体内没有以规则的三维形式排列。性质优质的绝缘材料，熔点温度：1732℃；热生长的SiO2能够牢固黏附在硅衬底上，并且具有优良的介质特性。硅片表面自然生成的氧化膜厚度最大为40Å，而且不均匀，通常认为是一种污染物。无定形SiO2、Si3N4、Al2O3性质比较SiSiO2Si3N4Al2O3结构单晶无定形无定形无定形密度2.332.18~2.272.9~3.13.1~4.0相对介电常数11.73.8~3.95.0~6.57.5~9.6表面电荷密度≃2x10111.5x1012-(0.3~1)x1012扩散掩蔽能力B、

4、P、Sb、AsB、P、Sb、As、Ga等热膨胀系数2.5x10-60.56x10-6≃4x10-6热传导系数1.428.1硬度7.0≃57.5~8.5抗辐射能力差一般强氧化膜的用途由于二氧化硅的生长简单容易，并且与硅衬底有着良好界面，使其对硅半导体制造非常重要，因此成为半导体制造中广泛应用的薄膜材料。氧化硅薄膜在微芯片制造中的应用有：保护器件免划伤和隔离污染表面钝化栅氧或存储器单元结构中的介质材料掺杂阻挡层金属导电层间的介质层器件保护和隔离硅片表面上生长的二氧化硅可以作为一种有效阻挡层，用来隔离和保护硅表面有源器件免受其它

5、因素的影响。表面钝化热生长的SiO2，一个主要优点是可以通过束缚硅的悬挂键。从而降低它的表面态密度，这种效果称为表面钝化，它能防止电性能退化并减少由潮湿、离子或其它外部沾污物引起的漏电流的通路。钝化对于控制结型器件的漏电流是非常重要的。Figure10.3栅氧电介质对于MOS技术中常用的重要栅氧结构（见下图），用极薄的氧化层做介质材料，一般通过热生长获得。要求具有高的电介质强度和高的电阻率、极好的膜厚均匀性、无杂质等。另外，任何可以使栅氧结构功能退化的沾污都必须严格加以控制。对于0.18µm工艺，典型的栅氧厚度是20nm±

6、1.5Å。Figure10.4掺杂阻挡二氧化硅可做为硅表面选择性掺杂的有效掩蔽层(见下图)。与硅相比，掺杂物在SiO2里的移动较慢，所以只需要较薄的氧化层就可以阻挡掺杂物进入被保护的区域。薄氧化层(如150Å)也可以用于需要离子注入的区域，以减少注入对硅片表面的晶体损伤。还可以通过减小沟（管）道效应，获得对杂质注入时结深的控制（见第17章）。Phosphorusimplantp+Siliconsubstratep-Epitaxiallayern-wellBarrieroxidexjx0Figure10.5实现掩蔽扩散的条件

7、二氧化硅的早期研究主要是作为实现定域扩散的掩蔽膜作用，如上图所示，在杂质向Si中扩散的同时，也要向SiO2层中扩散，设在Si中的扩散深度为在SiO2层中的扩散深度为式中：扩散时间，、分别表示杂质在SiO2和Si中的扩散系数，显然要实现掩蔽扩散的条件是，即当杂质在硅中的扩散深度达到时杂质在SiO2中的扩散深度应所以，氧化层厚度原则上讲，只要满足上面不等式，就可起到杂质扩散的掩蔽作用，但实际上只有那些的杂质，用SiO2掩蔽才有实用价值，否则所需的SiO2厚度就很厚，既难于制备，又不利于光刻。但是，只要按照的条件选择杂质种类，就

8、可实现掩蔽扩散的作用。研究发现，B、P在SiO2中的扩散系数比在Si中的扩散系数小，所以,通常选择B、P作为扩散的杂质种类。而对于Ga、Al等杂质，情况则相反。值得注意的是，Au虽然在SiO2中的扩散系数很小，但由于在Si中的扩散系数太大，这样以来横向扩散作用也大，所以也不能选用。掩蔽扩散所需氧化层的最