第一章热氧化工艺.ppt

5、影响氧化速率的因素 (1) 温度对氧化速率的影响： (2) 氧化气氛对氧化速率的影响： (3) 氧化剂气压对氧化速率的影响： 当氧化剂气压变大时，氧化反应会被加速进行。 (4) 硅片表面晶向对氧化速率的影响： 由于Ks取决于硅表面的密度和反应的活化能， 而<111>的硅表面原子密度较高，Ks相对较大； 所以<111>的氧化速率比<100>快。 温度 ? ? B和B/A ? ? 氧化速率 ? C*(H2O气氛) >> C*(O2气氛) H2O氧化速率远大于O2 氧化速率 B ? C* ? PG 图4.5 高压水汽氧化中的抛物线和线性速率系数(引自Razouk等人文献，经电化学协会准许重印) ■ 杂质的增强氧化效应 高浓度衬底杂质一般都倾向于提高氧化速率 注意：杂质的增强氧化不仅 造成硅片表面氧化层厚度的 差异，也形成新的硅台阶。 (5) 衬底掺杂对氧化的影响 图4.19 900℃下，干氧氧化的速率系数与磷表面浓度的函数关系曲线(引自Ho等人文献，经电化学协会准许重印) 高浓度的磷在硅表 面增加空位密度， 从而提高硅的表面 反应速率。 图4.18 在三种不同的硼表面浓度下，二氧化硅厚度与湿氧氧化时间的关系(引白DeaI等人文献，经电化学协会准许重印) 高浓度的硼进入 SiO2中可增强分 子氧扩散率，从 而提高其抛物线 氧化速率。 氧化过程中硅内的杂质会在硅和新生长的SiO2之界面处重新 分布，这是由于杂质在硅和SiO2中的固溶度不同引起的。 ■ 分凝效应 ■ 干氧氧化的氧化剂 —— O2 ■ 湿氧氧化的氧化剂 —— O2 + 水的混合气体。 （一）热氧化工艺(方法) ■ O2加少量卤素（1%-3%），最常用的卤素是氯 ■ 高温下O2和H2混合点火燃烧形成水蒸汽(H2O) 1、最常见的氧化方法： 2、其他常用的氧化环境： 三、热氧化工艺（方法）和系统 （按氧化剂分类） 干氧氧化和湿氧氧化 1) 硅片送入炉管，通入N2及小流量O2； 2) 升温，升温速度为5℃～30℃/分钟； 3) 通大流量O2，氧化反应开始； 4) 通大流量O2及TCE (0.5～2％)； 5) 关闭TCE，通大流量O2，以消 除残余的TCE； 6) 关闭O2，改通N2，作退火； 7) 降温，降温速度为2℃～1 0℃/分钟； 8) 硅片拉出炉管。 3、氧化工艺的主要步骤 TCE：三氯乙烯 以干氧氧化为例 (1) 干氧氧化：氧化速率慢，SiO2膜结构致密、干燥(与光 刻胶粘附性好)，掩蔽能力强。 (2) 湿氧氧化：氧化速率快，SiO2膜结构较疏松，表面易有缺 陷，与光刻胶粘附性不良。 (湿氧环境中O2和 H2O的比例是关键参数) (3) 氢氧合成氧化：氧化机理与湿氧氧化类似，SiO2膜质量取 决于H2，O2纯度(一般H2纯度可达99.9999％，O2纯度 可达 99.99％)；氧化速率取决于H2和O2的比例。 (3) 掺氯氧化：减少钠离子沾污，提高SiO2／Si界面质量；氧 化速率略有提高。 (常用的氯源：HCI，TCE，TCA等) 4、不同氧化方法的特点 图4.4 氯对氧化速率系数的影响 1、局部氧化(LOCOS，Local Oxidation of Si) （二）lC制造中常用的氧化工艺(技术)： (1) 栅氧化工艺是CMOS IC制造的关键工艺，基本要求： ■ 栅氧化层薄（集成度）； ■ 栅氧化温度低（保证氧化工艺的均匀性和重复性）。 (2) 掺氯氧化可使氧化物缺陷密度显著减少，但温度低于1000℃ 时氯的钝化效果差。一般的栅氧化工艺采取两步氧化法： ■ 800℃～900℃，O2+HCl氧化； ■ 升温到1000～1100℃，N2 + HCl退火 (3) 对于100?及更薄厚度的氧化层，通常采用的氧化工艺还有： ■ 稀释氧化：氧化气氛为O2和惰性气体(如Ar)的混合物 ■ 低压氧化：降低氧化炉中的气压(改用CVD设备) ■ 快速热氧化(Rapid Oxidation)：采用快速热处理设备 (4) 在栅氧化层厚度缩小到20?后： 需要发展替代的栅介质层材料，如氮氧化硅、高K介质材料等。 2、栅氧化工艺 ■ 降低氧化温度，缩短氧化时间，使IC制造可采用低