1、半导体制造工艺1第4章氧化2第4章氧化4.1引言4.2二氧化硅膜的性质4.3二氧化硅膜的用途4.4热氧化原理4.5氧化设备4.6氧化膜的质量控制4.7氧化工艺模拟34.1引言二氧化硅(SiO2)是一种绝缘介质。它在半导体器件中起着十分重要的作用。硅暴露在空气中，即使在室温条件下，其表面也能生长一层4nm左右的氧化膜。这一层氧化膜结构致密，能防止硅表面继续被氧化，且具有极稳定的化学性质和绝缘性质。正因为二氧化硅膜的这些特性，才引起人们的广泛关注，并在半导体工艺中得到越来越广泛的应用。44.2二氧化硅膜的性质1.二氧化硅的物理性质(1)密度密度是表示二氧化硅致密程度的标志。图 4-1二氧化硅结构平
2、面图54.2二氧化硅膜的性质图4-2硅-氧四面体结构示意图64.2二氧化硅膜的性质表4-1二氧化硅膜主要物理性质(2)折射率折射率是表示二氧化硅光学特性的参数。(3)电阻率电阻率是表示二氧化硅电学性能的重要参数。(4)相对介电常数相对介电常数是表示二氧化硅膜电容性能的一个重要参数。74.2二氧化硅膜的性质(5)介电强度介电强度是衡量材料耐压能力大小的，单位为V/cm。2.二氧化硅的化学性质1)随着氢氟酸浓度的增加，二氧化硅的腐蚀速率也增加，其关系曲线如图4-3所示。2)随着腐蚀反应温度的增加，腐蚀速率也加快，其曲线关系如图4-4所示。图4-3二氧化硅的腐蚀速率与氢氟酸浓度的关系84.2二氧化硅
3、膜的性质图4-4二氧化硅腐蚀速率与温度的关系94.3二氧化硅膜的用途1.二氧化硅膜的掩蔽作用1)二氧化硅层要有足够的厚度，以确保杂质在其内部扩散时能达到理想的掩蔽效果。2)所选杂质在二氧化硅中的扩散系数要比在硅中的扩散系数小得多。2.二氧化硅膜的保护和钝化作用3.二氧化硅的隔离作用4.二氧化硅在某些器件中的重要作用(1)MOS器件中的栅极材料在MOS管中，常常以二氧化硅膜作为栅极，这是因为二氧化硅层的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流。104.3二氧化硅膜的用途(2)电容器的介质材料集成电路中的电容器大都是用二氧化硅来做的，因为二氧化硅的相对介电常数为34，击穿电压较高，电容温度系数小，这
4、些优越的性能决定了二氧化硅是一种优质的电容器介质材料。5.用于电极引线和硅器件之间的绝缘114.4热氧化原理4.4.1常用热氧化方法1.干氧氧化图4-5硅干氧氧化层厚度与氧化时间的关系124.4热氧化原理2.水汽氧化解决措施：经过吹干氧(或干氮)热处理，硅烷醇可分解为硅氧烷结构，并排除水3.湿氧氧化4.掺氯氧化(1)掺氯氧化作用掺氯氧化的主要作用是减少钠离子的沾污，抑制氧化堆垛层错，提高少子寿命，即提高器件的性能和可靠性。1)可吸收、提取硅中的有害杂质。2)掺氯不仅可以减少钠离子的沾污，并且集中分布在SiO2-Si界面附近的氯还能使迁移到这里来的钠离子的正电荷效应减弱并被掐住不动，从而使其丧失
5、电活性和不稳定性。134.4热氧化原理(2)掺氯氧化的氯源选择掺氯试剂往往用氯化氢(HCl)、三氯乙烯(C2HCl3)、四氯化碳(CCl4)及氯化铵(NH4Cl)等。5.氢氧合成氧化4.4.2影响氧化速率的因素1.氧化层厚度与氧化时间的关系1)由上述各种热氧化膜制备过程可知，硅的热氧化过程是氧化剂通过氧化层向SiO2-Si界面运动，再与界面的硅发生反应，而不是硅穿透氧化层向外运动的。氧化剂(O2和H2O)从气相内部输运到气体-氧化层界面(又称膜层表面)；氧化剂扩散穿透已生成的二氧化硅起始层，抵达SiO2-Si界面；在界面处与硅发生氧化反应；144.4热氧化原理生成的副产物扩散出氧化层，并随主气
6、流转移。2)通过求解相关方程式，可以得到氧化层厚度与氧化时间的关系主要有以下两种典型情况：氧化层厚度与氧化时间成正比，氧化层的生长速率主要取决于在硅表面上的氧化反应的快慢，称为表面反应控制，此时的氧化速率主要取决于化学反应速率常数ks的大小。氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比，氧化层的生长速率主要取决于氧化剂在氧化层中扩散的快慢，称为扩散控制，此时的氧化速率主要取决于扩散系数Dox的大小。2.氧化温度的影响3.氧化剂分压的影响154.4热氧化原理图4-6氧化层厚度与氧化温度的关系曲线图4.氧化气氛的影响164.4热氧化原理5.衬底表面势的影响衬底表面势的影响主要发生在氧化处于表面反应控制过程中
7、，这是因为化学反应速率常数ks与衬底表面势有关。而衬底表面势除了与衬底取向、掺杂浓度有关外，还与氧化前的表面处理等因素有关。174.5氧化设备1.常规氧化设备图4-7卧式氧化炉示意图184.5氧化设备图4-8立式氧化炉的装置部分194.5氧化设备图4-9掺氯氧化设备示意图2.掺氯氧化设备204.5氧化设备图4-10氢氧合成氧化设备示意图3.氢氧合成氧化设备214.5氧化设备1)氧化前必须检查注入器喷口前端温度是否在氢气的着火点温度(585)以上，喷口是否在石英管界面的中心位置上，并从出口处检查喷口前端是否正常，检查安放在喷口前端附近的热电偶是否有断电现象。2)定期检查氢气、氮气、氧气的气体管道
8、是否存在漏气。3)注意石英管是否盖紧，不可有漏气现象发生。4)在进行设备调试时，必须充分通以氮气后才能工作。5)氧化结束后要用氮气排除废气，一定要把残留在炉管内的气体，特别是氢气，排除干净。224.6氧化膜的质量控制4.6.1氧化膜厚度的测量 在生产实践中，测量SiO2厚度的方法有很多，如果精度要求不高，可采用比色法、腐蚀法等。如果有一定精度要求，则可以采用双光干涉法和电容电压法。在某些研究分析领域，已经采用了精度极高的椭圆偏振光法。下面分别介绍一下几种常用的氧化膜厚度测量方法。1.比色法234.6氧化膜的质量控制表4-2不同氧化膜厚度的干涉颜色244.6氧化膜的质量控制图4-11双光干涉法示
9、意图3.椭圆偏振光法2.双光干涉法254.6氧化膜的质量控制4.6.2氧化膜缺陷类型及检测1.氧化膜缺陷类型(1)宏观缺陷宏观缺陷又称表面缺陷，主要包括：氧化层厚度不均匀、表面有斑点、氧化层上有针孔等。1)氧化层厚度不均匀。2)氧化层斑点。解决方法是严格处理硅片表面，对石英管进行严格的清洗，严格控制水温和氧气流量。3)氧化层针孔。解决方法是严格删除衬底材料，氧化前进行严格的清洗。(2)微观缺陷氧化膜的微观缺陷是指钠离子沾污和热氧化层错。1)钠离子沾污。264.6氧化膜的质量控制2)热氧化层错。解决热氧化层错的方法很多，如降低氧化炉温，采用高温氧化，还可以采用化学吸附法。2.氧化膜缺陷的检测(1
10、)表面观察法二氧化硅表面存在的斑点、裂纹、白雾和针孔等缺陷，以及膜厚的不均匀性，可以用肉眼或显微镜进行目检或镜检来鉴别。(2)氯气腐蚀法二氧化硅表面存在的针孔、裂纹等不连续缺陷，可用氯气腐蚀法检测。274.6氧化膜的质量控制图4-12氯气腐蚀法装置示意图284.6氧化膜的质量控制4.6.3不同方法生成的氧化膜特性比较 在工艺中，虽然采用干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化都可以制备二氧化硅薄膜，但采用不同的氧化工艺，所制备出的薄膜性能有较大区别。1)干氧氧化中，氧化速度较慢，氧化层结构致密；表面是非极性的硅氧烷(Si-O-Si)结构，所以与光刻胶的粘附性能良好，不易产生浮胶现象。2)水汽氧化速度较快，
11、但由于水汽的进入，使得氧化层中大量的桥键氧裂变为非桥键氧的烃基，所以氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化的好，特别是其表面是极性的硅烷醇，它极易吸附水，极性的水不易沾润非极性的光刻胶，所以氧化层表面与光刻胶粘附性差。294.6氧化膜的质量控制3)湿氧氧化兼有干氧氧化与水汽氧化两种作用，因此其氧化速度及氧化层质量介于干氧氧化及水汽氧化之间。304.7氧化工艺模拟4.7.1概述 为了得到良好的器件和集成电路性能，必须要选择合适的工艺过程和优化的工艺条件。如果在工艺流水线上通过工艺性实验流片来确定合适的工艺条件，往往需要花费很长的周期和很高的成本，有时还不能得到预期的效果。而此时如果用软件来进行模拟就可
12、以很好地改善这一问题。4.7.2工艺模型 不同的工艺过程对应不同的工艺模型，工艺模型就是用数学方法表示工艺过程，目前的很多模型都是经验公式。工艺模型的好坏直接影响工艺模拟的结果和精度，因此是工艺模拟的关键。4.7.3工艺模拟器简介 目前提供工艺模拟器的主要厂家有Synopsys和Sivaco公司。314.7氧化工艺模拟1.Synopsys公司的TCAD系统(1)Device模块组此模块作为业界标准器件的仿真工具，可以用来预测半导体器件的电学、温度和光学特性，通过一、二、三维的方式对多种器件进行建模，包括MOSFET、Strain Silicon、SiGe、BiCMOS、HBT、IGBT等，从简
13、单的二极管、晶体管到复杂的CMOS器件、光电器件、功率器件、射频器件、存储器件等都有准确的模型。(2)Process模块组Process是业界标准的工艺仿真工具，可以对IC生产工艺进行优化以缩短产品开发周期和产品定型。(3)Device Editor模块组此模块具有三个操作模式：二维器件编辑，三维器件编辑和三维工艺流程模拟。324.7氧化工艺模拟(4)Workbench模块组此模块集成了Synopsys的TCAD各模块工具的图形前端集成环境，用户可以通过图形界面来进行半导体研究及其制备工艺模拟和器件仿真的设计、组织和运行，使用户可以很容易建立IC工艺流程，以便TCAD进行模拟，还可以绘制器件的
14、各端口电学性能等重要参数。2.Silvaco公司的TCAD系统4.7.4Athena基础 Athena工艺模拟器是目前比较常用的工艺模拟器。1.语法基础1)每一个语法命令占用一行，如果一行放不下，结尾处用一个加号“+”表示继续下一行；每一行不超过80个字符。2)大部分命令的参数要按照一定的顺序。334.7氧化工艺模拟3)两行之间的空行和参数之间的多余的空格会忽略掉。4)以符号“#”开头的行是注释行。5)输入文件可以包含英文大小写，且不区分大小写(特殊字符除外)。2.语法命令(1)结构和格点初始化语句结构和格点初始化语句用于定义初始结构的尺寸、边界、格点密度和材料类型。1)base.mesh：规
15、定初始格点的网格参数。2)boundary：规定矩形格点与空气的边界。3)initialize：设置初始格点、材料的类型及掺杂条件。4)line：规定矩形拟合时的x和y方向位置。5)region：规定矩形网格和材料的区域。344.7氧化工艺模拟(2)结构和网格处理语句结构和网格处理语句主要控制结构的几何结构和属性以及产生输出文件的类型。1)adapt.mesh：启动自适应网格划分算法。2)adapt.par：设定自适应网格划分参数。3)base.par：定义自动生成基本网格时相邻网格特性。4)electrode：给电极区命名。5)Grid model：定义一个包含自适应网格划分命令的临时文件。
16、6)Profile：使atnena读入一个包含掺杂信息的ASCII文件。7)stretch：通过水平或垂直方向的拉伸改变结构的几何形状。8)structure：将网格划分及其结果信息存入指定的文件。(3)仿真语句仿真语句将工艺过程的物理基本模型应用于设计的各种结构。354.7氧化工艺模拟1)bake：曝光后烘焙或光刻胶刻蚀后烘焙。2)deposite：淀积材料。3)develop：转移曝光过的正胶和没有曝光的负胶，即显影。4)diffuse：设定氧化和杂质扩散的时间和温度等，并计算结果。5)epitaxy：高温条件下的硅外延生长。6)etch：实现结构上几何或机械类的刻蚀。7)expose：光
17、刻胶曝光。8)image：计算2D或1D图像。9)implant：离子注入。10)polish：模拟外延生长时的化学机械损伤。11)Stress：计算热应力。12)strip：移除光刻胶或用户自定义的其他材料。364.7氧化工艺模拟(4)DeckBuild专用语句DeckBuild专用语句用来调用DeckBuild运行环境下的特定操作。1)autoelectrode：定义版图中存在的电极。2)extract：提取参数。3)go：指定不同的仿真器间的接口。4)mask：通过掩膜视窗实现光刻胶的沉淀和刻蚀。5)set：设定用户定义的变量值。6)system：允许执行C-Shell命令，Window
18、s版本无此功能。7)tonyplot：生成图形结果。(5)可执行控制语句控制语句提供了帮助(help)、注释(comment)以及退出Athena仿真系统等辅助功能。3.Athena主界面374.7氧化工艺模拟图4-13Athena程序的主界面384.7氧化工艺模拟 4.7.5氧化工艺模拟实例 Silvaco公司的TCAD系统除了Windows版本的以外，其他版本的软件将所有的工艺采用菜单的方式来完成。本书以Windows版本的Athena为例，给出文本输入方式下实现NMOS器件制作的工艺设计过程，并给出部分仿真示意图。1.网格划分图4-14网格划分示意图394.7氧化工艺模拟2.初始化硅衬底3.栅氧化图4-15氧化后的结构示意图404.7氧化工艺模拟图4-16提取氧化层厚度的结果示意图41
