Transcript 集成电路制造技术_第二章氧化（part3）.

第二章
主
氧
讲：毛
化
维
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西安电子科技大学微电子学院
2.5 热氧化的杂质再分布
2.5.1 杂质的分凝与再分布
 分凝系数
m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度
对同一杂质、同一温度条件，在平衡状态下，m是一
个常数。由m可判断在界面处杂质分布的情况。
P、As、Sb: 10； Ga：20 ； B：0.1-1；
 四种分凝现象：根据m<1、m>1和快、慢扩散
① m<1、 SiO2中慢扩散：B
② m<1、 SiO2中快扩散：H2气氛中的B
③ m>1、 SiO2中慢扩散：P
④ m>1、 SiO2中快扩散：Ga
2.5 热氧化的杂质再分布
2.5.2 再分布对Si表面杂质浓度的影响
 影响Si表面杂质浓度的因素：
①分凝系数m
②DSiO2/DSi
③氧化速率/杂质扩散速率
1. P的再分布（m=10）
 CS/CB：水汽>干氧
原因：氧化速率越快，加入
分凝的杂质越多；
 CS/CB随温度升高而下降。
2.5 热氧化的杂质再分布
2. B的再分布（m=0.3）
 CS/CB：水汽<干氧
 CS/CB随温度升高而升高。
原因：扩散速度随温度升高
而提高，加快了Si表面杂质
损耗的补偿。
改正：图2.23中纵坐标
CB/ CS应为 CS/CB
2.6 薄氧化层
D-G模型对厚度小于30nm的干氧氧化不准确；
 ULSI工艺中，栅氧化层通常都小于30nm。
2.6.1 快速初始氧化阶段
 干氧氧化：有一个快速
的初始氧化阶段，即
z*=(23±3)nm
τ＝(A/B)z* ((z*)2趋于0)
氧化机理：目前尚不完全清楚。
 湿氧和水汽氧化：τ＝0

2.6 薄氧化层
2.6.2 薄氧化层的制备
 ULSI对薄氧化层的要求：
①低缺陷密度；②好的抗杂质扩散的势垒特性；③
低界面态密度和固定电荷；④热载流子和辐射稳定
性； ⑤低成本。
 解决方法：
1.预氧化清洗：RCA工艺
①H2O-H2O2-NH4OH:去除有机沾污及Ⅰ、Ⅱ族金属沾
污
②HF：漂洗① 中产生的SiO2
③H2O-H2O2-HCl:去除重金属杂质
2.6 薄氧化层
2.改进氧化工艺：高温（>900℃）快速氧化
 界面态、固定电荷、氧化层陷阱随温度升高而减少；
 提高了载流子迁移率、抗辐射、抗热载流子效应的能力
改进了可靠性。
3.化学改善氧化层工艺：引入Cl、F、N2、NH3、N2O
① N2、NH3、N2O的作用：
N2（NH3、N2O）+ SiO2 → Si2N2O
 ∵Si-N键比Si-H键强度大
∴可抑制热载流子和电离辐射缺陷；
 N2O基工艺的优点：工艺简单；无H。
②F的作用：填补Si-SiO2界面的悬挂键，抑制热载流子
和电离辐射产生的缺陷；可使界面应力弛豫。
2.6 薄氧化层
4. CVD和叠层氧化硅： SiO2/SiO2， SiO2/Si3N4，
SiO2/HfO2 ，SiO2/Si3N4/SiO2；
①采用CVD法淀积SiO2、Si3N4、HfO2
 优点：不受Si衬底缺陷影响；低温；
②叠层氧化硅
 优点：缺陷密度明显减少、 Si-SiO2界面的应力接近
零
 原因：各层缺陷不重合、各层之间的应力 相互补偿;
增加了薄膜的ε，提高了抗B透入能力。
2.7 Si-SiO2界面特性
2.7 Si-SiO2界面特性
SiO2内和Si-SiO2界面处，存在四种界面电荷:
①可动离子电荷：Qm(C/cm2),正电荷，如Na+、K+；
②氧化层固定电荷：Qf(C/cm2)，正电荷，如Si+、荷正
电的氧空位；
③界面陷阱电荷：Qit(C/cm2)，正或负电荷，如Si的悬
挂键；
④氧化层陷阱电荷：Qot(C/cm2),正或负电荷。
 界面电荷的危害：在Si表面感应出极性相反的电荷，
影响MOS器件的理想特性，造成成
品率和可靠性的下降。
2.7 Si-SiO2界面特性
2.7.1 可动离子电荷Qm
 主要来源：大量存在于环境中的Na+ 。
 Na+的分布：遍布整个SiO2层。

Na+的特性：
①其DSiO2很大（D0=5.0cm2/s,而P的D0=1.0×10-8cm2/s，
B的D0=3.0×10-6 cm2/s ）；
②在电场作用下，有显著的漂移（迁移率与D成正比）
2.7 Si-SiO2界面特性
2.7.1 可动离子电荷Qm
 Na+对器件性能的影响：
①引起MOS管VT的漂移：
VT = -（Qf+Qm+Qot)/C0+φms,
C0-SiO2层电容，φms- 金-半接触功函数差；
②引起MOS管栅极的局部低击穿：由Na+在Si-SiO2
界面分布不均匀引起局部电场的加强所引起；
③降低了PN结的击穿电压：由Na+ 在Si-SiO2界面的
堆积使P沟道表面反型，形成沟道漏电所致；
2.7 Si-SiO2界面特性
Na+数目的测量
—偏温测试（B-T）
①测不同温度下
的高频C-V曲线
②Na+数目

Nm=ΔVFB·qCOX（cm-2)
2.7 Si-SiO2界面特性
2.7.2 界面陷阱电荷（界面态）Qit
 来源： Si-SiO2界面缺陷、金属杂质及辐射
 能量：在Si的禁带中；
①高于禁带中心能级，具有受主特性；
②低于禁带中心能级，具有施主特性；
 界面态密度Dit：单位能量的界面陷阱密度
（/cm2eV）（图2.30）
2.7 Si-SiO2界面特性
2.7.2 界面陷阱电荷（界面态）Qit
Qit的三种物理模型
①少量Si悬挂键：硅表面少量剩余的悬挂键，以及在
Si-SiO2 过渡区（SiOx层),未完全氧化的三价Si。
②SiO2中的电离杂质（荷电中心）俘获电子或空穴。
③化学杂质，如Cu、Fe等。
2.7 Si-SiO2界面特性
Qit对器件性能的影响
①阈值电压VT漂移：ΔVT=-QitΦsurfCox
②MOS电容的C-V曲线畸变；
③漏电流增加(复合中心）；
④沟道电导率减小（沟道迁移率减少）。
⑤1/f噪声增加，电流增益下降；
 Qit的控制
①晶向选择：（111）的界面态密度大于（100）；
②退火工艺：低温、H2气氛；高温、惰性气体。

2.7 Si-SiO2界面特性
2.7.3 氧化层固定电荷Qf
 机理：氧化停止时，在Si-SiO2附近（SiOx ）存在大量
过剩Si离子或氧空位。
 特性：通常带正电；极性不随表面势和时间变化；
电荷密度不随表面势变化；
低温下Qf不变，高温负偏压强电场下，Qf增加；
具有“干氧氧化三角形”；电荷密度与晶向有关。
能级：在Si禁带外，但在SiO2 禁带内。
 对器件的影响：
①n-MOS的阈值降低，p-MOS的阈值增加；
②其散射作用减小了沟道载流子的迁移率，影响了跨导。

2.7 Si-SiO2界面特性
2.7.4 氧化层陷阱电荷Qot
 机理：①悬挂键②界面陷阱③硅-硅键的伸展④
弱的Si-Si键⑤ 扭曲的Si-O键⑥氧的悬挂
键⑦ Si-H键和Si-OH键。
 产生方式： ①电离辐射；②热电子注入。
 减少电离辐射陷阱的方法：
①高温干氧氧化：1000℃；
②惰性气氛低温退火：150-400℃；
③采用抗辐射的Al2O3、Si3N4等钝化层。

2.8 氧化系统
2.8 氧化系统
2.8 氧化系统
2.8 氧化系统

2.8.1 快速热处理系统（RTP）
RTP工艺是基于热辐射原理
灯型系统
石英托盘
晶圆
十字钨灯
工艺气体
排气 口
干燥压缩
空气通道
工艺气体
进气 口
RTP 周期
C
700
525
350
门
循环 水
入口
传感 器
晶圆感应
高温 计
纵向钨灯
175
0
过滤 器
管型高 温计
0 10 20 30 35 40 45 50 55 60 65 71 76 81 86 91 96 101
时间（ s ）
2.8 氧化系统

2.8.2 高压氧化系统
高压氧化系统——是指相对于前面的各种氧化方法，
氧化反应室内的压强较高的氧化系统。
垂直式炉管
2.8 氧化系统
晶圆操作控制器
三区段
加热线圈
微控制器
温度控制器
石英管
气体流量
控制器
加热器1
加热器2
加热器3

加热
保护罩
2.8.3 垂直式炉管系统
压力
控制器
终端
晶舟
装载器
排出
控制器