半導(dǎo)體制造工藝第4章氧化

第4章氧化4.1引言

4.2二氧化硅膜的性質(zhì)

4.3二氧化硅膜的用途

4.4熱氧化原理

4.5氧化設(shè)備

4.6氧化膜的質(zhì)量控制

4.7氧化工藝模擬4.1引言

二氧化硅(SiO2)是一種絕緣介質(zhì)。它在半導(dǎo)體器件中起著十分重要的作用。硅暴露在空氣中，即使在室溫條件下，其表面也能生長一層4nm左右的氧化膜。這一層氧化膜結(jié)構(gòu)致密，能防止硅表面繼續(xù)被氧化，且具有極穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和絕緣性質(zhì)。正因為二氧化硅膜的這些特性，才引起人們的廣泛關(guān)注，并在半導(dǎo)體工藝中得到越來越廣泛的應(yīng)用。4.2二氧化硅膜的性質(zhì)1.二氧化硅的物理性質(zhì)

(1)密度密度是表示二氧化硅致密程度的標(biāo)志。圖4-1二氧化硅結(jié)構(gòu)平面圖4.2二氧化硅膜的性質(zhì)圖4-2硅-氧四面體結(jié)構(gòu)示意圖4.2二氧化硅膜的性質(zhì)表4-1二氧化硅膜主要物理性質(zhì)(2)折射率折射率是表示二氧化硅光學(xué)特性的參數(shù)。

(3)電阻率電阻率是表示二氧化硅電學(xué)性能的重要參數(shù)。

(4)相對介電常數(shù)相對介電常數(shù)是表示二氧化硅膜電容性能的一個重要參數(shù)。4.2二氧化硅膜的性質(zhì)(5)介電強度介電強度是衡量材料耐壓能力大小的，單位為V/cm。

2.二氧化硅的化學(xué)性質(zhì)

1)隨著氫氟酸濃度的增加，二氧化硅的腐蝕速率也增加，其關(guān)系曲線如圖4-3所示。

2)隨著腐蝕反應(yīng)溫度的增加，腐蝕速率也加快，其曲線關(guān)系如圖4-4所示。圖4-3二氧化硅的腐蝕速率與氫氟酸濃度的關(guān)系4.2二氧化硅膜的性質(zhì)圖4-4二氧化硅腐蝕速率與溫度的關(guān)系4.3二氧化硅膜的用途1.二氧化硅膜的掩蔽作用

1)二氧化硅層要有足夠的厚度，以確保雜質(zhì)在其內(nèi)部擴散時能達(dá)到理想的掩蔽效果。

2)所選雜質(zhì)在二氧化硅中的擴散系數(shù)要比在硅中的擴散系數(shù)小得多。

2.二氧化硅膜的保護(hù)和鈍化作用

3.二氧化硅的隔離作用

4.二氧化硅在某些器件中的重要作用

(1)MOS器件中的柵極材料在MOS管中，常常以二氧化硅膜作為柵極，這是因為二氧化硅層的電阻率高，介電強度大，幾乎不存在漏電流。4.3二二氧氧化化硅硅膜膜的的用用途途(2)電電容容器器的的介介質(zhì)質(zhì)材材料料集集成成電電路路中中的的電電容容器器大大都都是是用用二二氧氧化化硅硅來來做做的的，，因因為為二二氧氧化化硅硅的的相相對對介介電電常常數(shù)數(shù)為為3~4，，擊擊穿穿電電壓壓較較高高，，電電容容溫溫度度系系數(shù)數(shù)小小，，這這些些優(yōu)優(yōu)越越的的性性能能決決定定了了二二氧氧化化硅硅是是一一種種優(yōu)優(yōu)質(zhì)質(zhì)的的電電容容器器介介質(zhì)質(zhì)材材料料。。5.用用于于電電極極引引線線和和硅硅器器件件之之間間的的絕絕緣緣4.4熱熱氧氧化化原原理理4.4.1常常用用熱熱氧氧化化方方法法1.干氧氧氧化圖4-5硅干干氧氧化化層厚度度與氧化化時間的的關(guān)系4.4熱熱氧化化原理2.水汽汽氧化解決措施施：經(jīng)過過吹干氧氧(或干干氮)熱熱處理，，硅烷醇醇可分解解為硅氧氧烷結(jié)構(gòu)構(gòu)，并排排除水3.濕氧氧氧化4.摻氯氯氧化(1)摻摻氯氧化化作用摻摻氯氧氧化的主主要作用用是減少少鈉離子子的沾污污，抑制制氧化堆堆垛層錯錯，提高高少子壽壽命，即即提高器器件的性性能和可可靠性。。1)可吸吸收、提提取硅中中的有害害雜質(zhì)。。2)摻氯氯不僅可可以減少少鈉離子子的沾污污，并且且集中分分布在SiO2-Si界界面附近近的氯還還能使遷遷移到這這里來的的鈉離子子的正電電荷效應(yīng)應(yīng)減弱并并被掐住住不動，，從而使使其喪失失電活性性和不穩(wěn)穩(wěn)定性。。4.4熱熱氧化化原理(2)摻摻氯氧化化的氯源源選擇摻摻氯試試劑往往往用氯化化氫(HCl)、三氯氯乙烯(C2HCl3)、四氯氯化碳(CCl4)及氯化化銨(NH4Cl)等等。5.氫氧氧合成氧氧化4.4.2影影響氧化化速率的的因素1.氧化化層厚度度與氧化化時間的的關(guān)系1)由上上述各種種熱氧化化膜制備備過程可可知，硅硅的熱氧氧化過程程是氧化化劑通過過氧化層層向SiO2-Si界界面運動動，再與與界面的的硅發(fā)生生反應(yīng)，，而不是是硅穿透透氧化層層向外運運動的。。①氧化化劑(O2和H2O)從氣氣相內(nèi)部部輸運到到氣體-氧化層層界面(又稱膜膜層表面面)；②氧化化劑擴散散穿透已已生成的的二氧化化硅起始始層，抵抵達(dá)SiO2-Si界界面；③在界界面處與與硅發(fā)生生氧化反反應(yīng)；4.4熱熱氧化化原理④生成的的副產(chǎn)物物擴散出出氧化層層，并隨隨主氣流流轉(zhuǎn)移。。2)通過過求解相相關(guān)方程程式，可可以得到到氧化層層厚度與與氧化時時間的關(guān)關(guān)系主要要有以下下兩種典典型情況況：①氧化化層厚度度與氧化化時間成成正比，，氧化層層的生長長速率主主要取決決于在硅硅表面上上的氧化化反應(yīng)的的快慢，，稱為表表面反應(yīng)應(yīng)控制，，此時的的氧化速速率主要要取決于于化學(xué)反反應(yīng)速率率常數(shù)ks的大小。。②氧化化層厚度度與氧化化時間的的平方根根成正比比，氧化化層的生生長速率率主要取取決于氧氧化劑在在氧化層層中擴散散的快慢慢，稱為為擴散控控制，此此時的氧氧化速率率主要取取決于擴擴散系數(shù)數(shù)Dox的大小。。2.氧化化溫度的的影響3.氧化化劑分壓壓的影響響4.4熱熱氧化化原理圖4-6氧化化層厚度度與氧化化溫度的的關(guān)系曲曲線圖4.氧化化氣氛的的影響4.4熱熱氧化化原理5.襯底底表面勢勢的影響響襯底表面面勢的影影響主要要發(fā)生在在氧化處處于表面面反應(yīng)控控制過程程中，這這是因為為化學(xué)反反應(yīng)速率率常數(shù)ks與襯底表表面勢有有關(guān)。而而襯底表表面勢除除了與襯襯底取向向、摻雜雜濃度有有關(guān)外，，還與氧氧化前的的表面處處理等因因素有關(guān)關(guān)。4.5氧氧化設(shè)設(shè)備1.常規(guī)規(guī)氧化設(shè)設(shè)備圖4-7臥式式氧化爐爐示意圖圖4.5氧氧化設(shè)設(shè)備圖4-8立式式氧化爐爐的裝置置部分4.5氧氧化設(shè)設(shè)備圖4-9摻氯氯氧化設(shè)設(shè)備示意意圖2.摻氯氯氧化設(shè)設(shè)備4.5氧氧化設(shè)設(shè)備圖4-10氫氫氧合成成氧化設(shè)設(shè)備示意意圖3.氫氧氧合成氧氧化設(shè)備備4.5氧氧化設(shè)設(shè)備1)氧化化前必須須檢查注注入器噴噴口前端端溫度是是否在氫氫氣的著著火點溫溫度(585℃)以上，，噴口是是否在石石英管界界面的中中心位置置上，并并從出口口處檢查查噴口前前端是否否正常，，檢查安安放在噴噴口前端端附近的的熱電偶偶是否有有斷電現(xiàn)現(xiàn)象。2)定期期檢查氫氫氣、氮氮氣、氧氧氣的氣氣體管道道是否存存在漏氣氣。3)注意意石英管管是否蓋蓋緊，不不可有漏漏氣現(xiàn)象象發(fā)生。。4)在進(jìn)進(jìn)行設(shè)備備調(diào)試時時，必須須充分通通以氮氣氣后才能能工作。。5)氧化化結(jié)束后后要用氮氮氣排除除廢氣，，一定要要把殘留留在爐管管內(nèi)的氣氣體，特特別是氫氫氣，排排除干凈凈。4.6氧氧化膜膜的質(zhì)量量控制4.6.1氧氧化膜厚厚度的測測量在生產(chǎn)實實踐中，，測量SiO2厚度的方方法有很很多，如如果精度度要求不不高，可可采用比比色法、、腐蝕法法等。如如果有一一定精度度要求，，則可以以采用雙雙光干涉涉法和電電容電壓壓法。在在某些研研究分析析領(lǐng)域，，已經(jīng)采采用了精精度極高高的橢圓圓偏振光光法。下下面分別別介紹一一下幾種種常用的的氧化膜膜厚度測測量方法法。1.比色色法4.6氧氧化膜膜的質(zhì)量量控制表4-2不同同氧化膜膜厚度的的干涉顏顏色4.6氧氧化膜膜的質(zhì)量量控制圖4-11雙雙光干涉涉法示意意圖3.橢圓圓偏振光光法2.雙光光干涉法法4.6氧氧化膜膜的質(zhì)量量控制4.6.2氧氧化膜缺缺陷類型型及檢測測1.氧化化膜缺陷陷類型(1)宏宏觀缺陷陷宏觀觀缺陷又又稱表面面缺陷，，主要包包括：氧氧化層厚厚度不均均勻、表表面有斑斑點、氧氧化層上上有針孔孔等。1)氧氧化層層厚度度不均均勻。。2)氧氧化層層斑點點。解決方方法是是嚴(yán)格格處理理硅片片表面面，對對石英英管進(jìn)進(jìn)行嚴(yán)嚴(yán)格的的清洗洗，嚴(yán)嚴(yán)格控控制水水溫和和氧氣氣流量量。3)氧氧化層層針孔孔。解決方方法是是嚴(yán)格格刪除除襯底底材料料，氧氧化前前進(jìn)行行嚴(yán)格格的清清洗。。(2)微觀觀缺陷陷氧氧化膜膜的微微觀缺缺陷是是指鈉鈉離子子沾污污和熱熱氧化化層錯錯。1)鈉鈉離子子沾污污。4.6氧氧化膜膜的質(zhì)質(zhì)量控控制2)熱熱氧化化層錯錯。解決熱熱氧化化層錯錯的方方法很很多，，如降降低氧氧化爐爐溫，，采用用高溫溫氧化化，還還可以以采用用化學(xué)學(xué)吸附附法。。2.氧氧化膜膜缺陷陷的檢檢測(1)表面面觀察察法二二氧氧化硅硅表面面存在在的斑斑點、、裂紋紋、白白霧和和針孔孔等缺缺陷，，以及及膜厚厚的不不均勻勻性，，可以以用肉肉眼或或顯微微鏡進(jìn)進(jìn)行目目檢或或鏡檢檢來鑒鑒別。。(2)氯氣氣腐蝕蝕法二二氧氧化硅硅表面面存在在的針針孔、、裂紋紋等不不連續(xù)續(xù)缺陷陷，可可用氯氯氣腐腐蝕法法檢測測。4.6氧氧化膜膜的質(zhì)質(zhì)量控控制圖4-12氯氯氣腐腐蝕法法裝置置示意意圖4.6氧氧化膜膜的質(zhì)質(zhì)量控控制4.6.3不不同方方法生生成的的氧化化膜特特性比比較在工藝藝中，，雖然然采用用干氧氧氧化化、濕濕氧氧氧化和和水汽汽氧化化都可可以制制備二二氧化化硅薄薄膜，，但采采用不不同的的氧化化工藝藝，所所制備備出的的薄膜膜性能能有較較大區(qū)區(qū)別。。1)干干氧氧氧化中中，氧氧化速速度較較慢，，氧化化層結(jié)結(jié)構(gòu)致致密；；表面面是非非極性性的硅硅氧烷烷(Si-O-Si)結(jié)結(jié)構(gòu)，，所以以與光光刻膠膠的粘粘附性性能良良好，，不易易產(chǎn)生生浮膠膠現(xiàn)象象。2)水水汽氧氧化速速度較較快，，但由由于水水汽的的進(jìn)入入，使使得氧氧化層層中大大量的的橋鍵鍵氧裂裂變?yōu)闉榉菢驑蜴I氧氧的烴烴基，，所以以氧化化層結(jié)結(jié)構(gòu)疏疏松，，質(zhì)量量不如如干氧氧氧化化的好好，特特別是是其表表面是是極性性的硅硅烷醇醇，它它極易易吸附附水，，極性性的水水不易易沾潤潤非極極性的的光刻刻膠，，所以以氧化化層表表面與與光刻刻膠粘粘附性性差。。4.6氧氧化膜膜的質(zhì)質(zhì)量控控制3)濕濕氧氧氧化兼兼有干干氧氧氧化與與水汽汽氧化化兩種種作用用，因因此其其氧化化速度度及氧氧化層層質(zhì)量量介于于干氧氧氧化化及水水汽氧氧化之之間。。4.7氧氧化工工藝模模擬4.7.1概概述為了得得到良良好的的器件件和集集成電電路性性能，，必須須要選選擇合合適的的工藝藝過程程和優(yōu)優(yōu)化的的工藝藝條件件。如如果在在工藝藝流水水線上上通過過工藝藝性實實驗流流片來來確定定合適適的工工藝條條件，，往往往需要要花費費很長長的周周期和和很高高的成成本，，有時時還不不能得得到預(yù)預(yù)期的的效果果。而而此時時如果果用軟軟件來來進(jìn)行行模擬擬就可可以很很好地地改善善這一一問題題。4.7.2工工藝模模型不同的的工藝藝過程程對應(yīng)應(yīng)不同同的工工藝模模型，，工藝藝模型型就是是用數(shù)數(shù)學(xué)方方法表表示工工藝過過程，，目前前的很很多模模型都都是經(jīng)經(jīng)驗公公式。。工藝藝模型型的好好壞直直接影影響工工藝模模擬的的結(jié)果果和精精度，，因此此是工工藝模模擬的的關(guān)鍵鍵。4.7.3工藝模模擬器簡介介目前提供工工藝模擬器器的主要廠廠家有Synopsys和Sivaco公司。。4.7氧氧化工藝模模擬1.Synopsys公司的的TCAD系統(tǒng)(1)Device模塊組此此模塊作作為業(yè)界標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)器件的的仿真工具具，可以用用來預(yù)測半半導(dǎo)體器件件的電學(xué)、、溫度和光光學(xué)特性，，通過一、、二、三維維的方式對對多種器件件進(jìn)行建模模，包括MOSFET、StrainSilicon、SiGe、BiCMOS、HBT、IGBT等，從從簡單的二二極管、晶晶體管到復(fù)復(fù)雜的CMOS器件件、光電器器件、功率率器件、射射頻器件、、存儲器件件等都有準(zhǔn)準(zhǔn)確的模型型。(2)Process模塊組組Process是業(yè)界標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的工藝藝仿真工具具，可以對對IC生產(chǎn)產(chǎn)工藝進(jìn)行行優(yōu)化以縮縮短產(chǎn)品開開發(fā)周期和和產(chǎn)品定型型。(3)DeviceEditor模模塊組此此模塊具有有三個操作作模式：二二維器件編編輯，三維維器件編輯輯和三維工工藝流程模模擬。4.7氧氧化工藝模模擬(4)Workbench模模塊組此此模塊集成成了Synopsys的TCAD各模模塊工具的的圖形前端端集成環(huán)境境，用戶可可以通過圖圖形界面來來進(jìn)行半導(dǎo)導(dǎo)體研究及及其制備工工藝模擬和和器件仿真真的設(shè)計、、組織和運運行，使用用戶可以很很容易建立立IC工藝藝流程，以以便TCAD進(jìn)行模模擬，還可可以繪制器器件的各端端口電學(xué)性性能等重要要參數(shù)。2.Silvaco公司的TCAD系系統(tǒng)4.7.4Athena基基礎(chǔ)Athena工藝模模擬器是目目前比較常常用的工藝藝模擬器。。1.語法基基礎(chǔ)1)每一個個語法命令令占用一行行，如果一一行放不下下，結(jié)尾處處用一個加加號“+””表示繼續(xù)續(xù)下一行；；每一行不不超過80個字符。。2)大部分分命令的參參數(shù)要按照照一定的順順序。4.7氧氧化工藝模模擬3)兩行之之間的空行行和參數(shù)之之間的多余余的空格會會忽略掉。。4)以符號號“#”開開頭的行是是注釋行。。5)輸入文文件可以包包含英文大大小寫，且且不區(qū)分大大小寫(特特殊字符除除外)。2.語法命命令(1)結(jié)構(gòu)構(gòu)和格點初初始化語句句結(jié)構(gòu)和和格點初始始化語句用用于定義初初始結(jié)構(gòu)的的尺寸、邊邊界、格點點密度和材材料類型。。1)base.mesh：規(guī)規(guī)定初始格格點的網(wǎng)格格參數(shù)。2)boundary：規(guī)定定矩形格點點與空氣的的邊界。3)initialize：：設(shè)置初始始格點、材材料的類型型及摻雜條條件。4)line：規(guī)定定矩形擬合合時的x和和y方向位位置。5)region：：規(guī)定矩形形網(wǎng)格和材材料的區(qū)域域。4.7氧氧化工藝模模擬(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)和網(wǎng)格處處理語句結(jié)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)網(wǎng)格處理語語句主要控控制結(jié)構(gòu)的的幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)和屬性以以及產(chǎn)生輸輸出文件的的類型。1)adapt.mesh：：啟動自適適應(yīng)網(wǎng)格劃劃分算法。。2)adapt.par：設(shè)設(shè)定自適應(yīng)應(yīng)網(wǎng)格劃分分參數(shù)。3)base.par：定義義自動生成成基本網(wǎng)格格時相鄰網(wǎng)網(wǎng)格特性。。4)electrode：給給電極區(qū)命命名。5)Gridmodel：：定義一個個包含自適適應(yīng)網(wǎng)格劃劃分命令的的臨時文件件。6)Profile：使atnena讀入一個個包含摻雜雜信息的ASCII文件。7)stretch：通過水水平或垂直直方向的拉拉伸改變結(jié)結(jié)構(gòu)的幾何何形狀。8)structure：將將網(wǎng)格劃分分及其結(jié)果果信息存入入指定的文文件。(3)仿真真語句仿仿真語句將將工藝過程程的物理基基本模型應(yīng)應(yīng)用于設(shè)計計的各種結(jié)結(jié)構(gòu)。4.7氧氧化工藝模模擬1)bake：曝光光后烘焙或或光刻膠刻刻蝕后烘焙焙。2)deposite：淀積積材料。3)develop：轉(zhuǎn)移曝曝光過的正正膠和沒有有曝光的負(fù)負(fù)膠，即顯顯影。4)diffuse：設(shè)定氧氧化和雜質(zhì)質(zhì)擴散的時時間和溫度度等，并計計算結(jié)果。。5)epitaxy：高溫條條件下的硅硅外延生長長。6)etch：實現(xiàn)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上幾幾何或機械械類的刻蝕蝕。7)expose：：光刻膠曝曝光。8)image：計計算2D或或1D圖像像。9)implant：離子注注入。10)polish：模擬外外延生長時時的化學(xué)機機械損傷。。11)Stress：計算熱熱應(yīng)力。12)strip：：移除光刻刻膠或用戶戶自定義的的其他材料料。4.7氧氧化工藝模模擬(4)DeckBuild專專用語句DeckBuild專用語語句用來調(diào)調(diào)用DeckBuild運行行環(huán)境下的的特定操作作。1)autoelectrode：定定義版圖中中存在的電電極。2)extract：提取參參數(shù)。3)go：：指定不同同的仿真器器間的接口口。4)mask：通過過掩膜視窗窗實現(xiàn)光刻刻膠的沉淀淀和刻蝕。。5)set：設(shè)定用用戶定義的的變量值。。6)system：：允許執(zhí)行行C-Shell命命令，Windows版本無無此功能。。7)tonyplot：生成成圖形結(jié)果果。(5)可執(zhí)執(zhí)行控制語語句控制制語句提供供了幫助(help)、注釋釋(comment)以及退退出Athena仿仿真系統(tǒng)等等輔助功能能。3.Athena主主界面4.7氧氧化工藝模模擬圖4-13Athena程程序的主界界面4.7氧氧化工藝模模擬4.7.5氧化工工藝模擬實實例Silvaco公司司的TCAD系統(tǒng)除除了Windows版本的以以外，其他他版本的軟軟件將所有有的工藝采采用菜單的的方式來完完成。本書書以Windows版本的Athena為例，，給出文本本輸入方式式下實現(xiàn)NMOS器器件制作的的工藝設(shè)計計過程，并并給出部分分仿真示意意圖。1.網(wǎng)格劃劃分圖4-14網(wǎng)格劃劃分示意圖圖4.7氧氧化工藝模模擬2.初始化化硅襯底3.柵氧化化圖4-15氧化后后的結(jié)構(gòu)示示意圖4.7氧氧化工藝模模擬圖4-16提取氧氧化層厚度度的結(jié)果示示意圖9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。04:39:3804:39:3804:3912/29/20224:39:38AM11、以以我我獨獨沈沈久久，，愧愧君君相相見見頻頻。。。。12月月-2204:39:3804:39Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。04:39:3804:39:3804:39Thursday,December29,202213、乍見翻翻疑夢，，相悲各各問年。。。12月-2212月-2204:39:3904:39:39December29,202214、他鄉(xiāng)生白白發(fā)，舊國國見青山。。。29十二二月20224:39:39上上午04:39:3912月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月224:39上上午午12月月-2204:39December29,202216、行動出成成果，工作作出財富。。。2022/12/294:39:3904:39:3929December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。4:39:39上午午4:39上午午04:39:3912月-229、沒有有失敗敗，只只有暫暫時停停止成成功?。?。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有結(jié)結(jié)果果，，但但是是不不努努力力卻卻什什么么改改變變也也沒沒有有。。。。04:39:3904:39:3904:3912/29/20224:39:39AM11、成功就就是日復(fù)復(fù)一日那那一點點點小小努努力的積積累。。。12月-2204:39:3904:39Dec-2229-Dec-2212、世間成成事，不不求其絕絕對圓滿滿，留一一份不足足，可得得無限完完美。。。04:39:3904:39:3904:39Thursday,December29,202213、不知香積積寺，數(shù)里里入云峰。。。12月-2212月-2204:39:3904:39:39December29,202214、意志堅強強的人能把把世界放在在手中像泥泥塊一樣任任意揉捏。。29十二二月20224:39:39上上午04:39:3912月-2215、楚塞三三湘接，