1、1 氧化介质薄膜生长氧化介质薄膜生长1 氧化硅介质薄膜的基本结构氧化硅介质薄膜的基本结构2 硅的热氧化硅的热氧化3热处理热处理2问题问题1：为什么硅是目前所有半导体材料中应：为什么硅是目前所有半导体材料中应用最为成功的材料？用最为成功的材料？Si有一系列的硅基材料：有一系列的硅基材料：SiO2，绝缘材料；，绝缘材料；Si3N4：介质材料；：介质材料；多晶硅：可以掺杂，导电；多晶硅：可以掺杂，导电；硅化物：导电，作为接触和互连硅化物：导电，作为接触和互连SiO2生长容易，稳定，和生长容易，稳定，和Si具有理想的界面特性。具有理想的界面特性。这点对硅工艺贡献最大这点对硅工艺贡献最大!31 1 二氧
2、化硅的结构、性质和用途二氧化硅的结构、性质和用途 二氧化硅又名二氧化硅又名硅石硅石，主要以石英砂形式存在。，主要以石英砂形式存在。结晶型结晶型Crystallized(石英石英,水晶水晶)存在形式存在形式 无定形无定形amorphous(硅石硅石,石英砂石英砂)4SiO2的结构的结构由由SiO四面体四面体组成组成 四面体中心是硅原子，四个顶四面体中心是硅原子，四个顶角上是氧原子角上是氧原子 四面体之间由四面体之间由Si-O-Si桥连接，桥连接，该该O原子称为原子称为桥联氧桥联氧桥联氧桥联氧非桥联氧非桥联氧518010928SiO共价键共价键二氧化硅晶体结构示意图二氧化硅晶体结构示意图Si-O四
3、面体四面体结晶型结晶型SiO2是Si-O四面体在空间规则排列四面体在空间规则排列无定型无定型SiO2是Si-O四面体在空间没有规则排列四面体在空间没有规则排列6a、物理性质：物理性质：坚硬难坚硬难熔（溶）熔（溶）的固体，熔点（的固体，熔点（1723）沸点（）沸点（2230）高，）高，不导电不导电二氧化硅的性质二氧化硅的性质4.介电强度介电强度衡量材料耐压能力大小的，单位是衡量材料耐压能力大小的，单位是V/cmV/cm 表示单位厚度的表示单位厚度的SiO2SiO2所能承受的最大击穿电压所能承受的最大击穿电压 热生长的热生长的SiO2SiO2介电强度为介电强度为10106 610107 7V/cm
4、V/cm1.密度密度 表征表征SiO2SiO2的致密程度，密度大，致密度高的致密程度，密度大，致密度高2.折射率折射率表示表示SiO2SiO2光学性质的参数，密度越大，折射率越大光学性质的参数，密度越大，折射率越大3.电阻率电阻率表征电学性质的物理量；温度越高，电阻率越小表征电学性质的物理量；温度越高，电阻率越小5.介电常数介电常数表示表示SiO2SiO2电容性能电容性能的参数的参数 平行板电容公式？平行板电容公式？MOSMOS器件中电介质要求具有较大的介电常数，以便减小电容器器件中电介质要求具有较大的介电常数，以便减小电容器的体积和重量。热生长的体积和重量。热生长SiO2SiO2介电常数为介
5、电常数为3.23.23.83.87（1）常温与氢氟酸反应）常温与氢氟酸反应4HF+SiO2=SiF4+2H2O氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃的雕刻，不用玻璃仪器保存氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃的雕刻，不用玻璃仪器保存 b b、二氧化硅的化学性质二氧化硅的化学性质（不与水作用、常温下只与氢氟酸和强碱反应（不与水作用、常温下只与氢氟酸和强碱反应 不与其它任何酸作用）不与其它任何酸作用）SiF4+2HF=H2SiF6-六氟硅酸六氟硅酸SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O SiOSiO2 2+2NaOH=Na+2NaOH=Na2 2SiOSiO3 3+H+H2 2O O（2）二氧化硅与碱作用）二氧化
6、硅与碱作用8（3 3）高温与活泼金属或非金属作用）高温与活泼金属或非金属作用SiO2+2Mg Si+2MgOSiO2+3AL3SiAL2O3 SiO2+3C2COSiC1800碳化硅强度仅次于金刚砂，是优质的磨料，可碳化硅强度仅次于金刚砂，是优质的磨料，可在硅片加工的研磨过程中使用在硅片加工的研磨过程中使用9总结：总结：SiOSiO2 2的基本性质的基本性质 良好的电绝缘介质良好的电绝缘介质(Gate Oxide,Field Oxide)Resistivity 1020 ohmcm Energy Gap 9eV 高的击穿场强高的击穿场强 (10MV/cm)稳定的可重复的稳定的可重复的Si/Si
7、O2界面特性界面特性 在在Si表面的均匀的表面的均匀的SiO2生长生长10q对大多数杂质来说，对大多数杂质来说，SiO2是非常好的扩散掩膜是非常好的扩散掩膜qSi和和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率之间有非常好的选择腐蚀比率SiSiO2HF DipSi11SiO2在集成电路制造中的应用在集成电路制造中的应用 Gate oxide and capacitor dielectric in MOS devices Isolation of individual devices(STI)Masking against implantation and diffusion Passivation of
8、 silicon surface12SiO2在集成电路制造中的用途在集成电路制造中的用途1.扩散，离子注入的扩散，离子注入的(有时与光刻胶、有时与光刻胶、Si3N4层一起使用层一起使用)掩蔽层（阻挡，屏蔽掩蔽层（阻挡，屏蔽层不准确）层不准确）2.器件表面器件表面保护和钝化层保护和钝化层3.MOS器件的组成部分器件的组成部分栅介质栅介质4.电容介质电容介质5.器件器件隔离用的绝缘层隔离用的绝缘层6.多层多层布线间的绝缘层布线间的绝缘层热氧化是形成热氧化是形成SiO2最重要方法最重要方法131.SiO2作为掺杂阻挡层作为掺杂阻挡层 原因：原因：利用硼和磷利用硼和磷在二氧化硅中的扩散速率在二氧化硅中
9、的扩散速率都都要要远低于其在硅单晶中的扩散速率。远低于其在硅单晶中的扩散速率。二氧化硅的厚度足够厚二氧化硅的厚度足够厚器件制造过程中的掺杂是定域（有选择的器件制造过程中的掺杂是定域（有选择的区域）掺杂，那么不需要掺杂的区域就必区域）掺杂，那么不需要掺杂的区域就必须进行保护而不被掺杂须进行保护而不被掺杂阻挡掺杂物进入非掺杂区域阻挡掺杂物进入非掺杂区域14Masking against implantation and diffusion15 2.2.表面钝化表面钝化作用：作用：防止器件的表面和内部受到机械损失和杂防止器件的表面和内部受到机械损失和杂质污染，起到了保护作用。质污染，起到了保护作用。
10、Si163.MOSFET的绝缘栅极的绝缘栅极n二氧化硅绝缘层的电阻率高，介电强度大，几二氧化硅绝缘层的电阻率高，介电强度大，几乎不存在漏电流乎不存在漏电流175.器件隔离器件隔离二氧化硅介电常数大，为二氧化硅介电常数大，为34，击穿耐压教，击穿耐压教高，电容温度系数小高，电容温度系数小集成电路的集成电路的隔离隔离有有PN结隔离结隔离和和介质隔离介质隔离两种两种,SiO2用于用于介质隔离介质隔离.漏电流小漏电流小,岛与岛之间的隔离电压大岛与岛之间的隔离电压大,寄生电容小寄生电容小4.电容介质电容介质18 绝大多数晶园表面被覆盖了绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层一层足够厚的氧化层来来防止
11、从金属层产生的感应，这时的防止从金属层产生的感应，这时的SiOSiO2 2称为称为场氧化场氧化物。物。如图所示。如图所示。金属层氧化层晶片19202122232 2 硅的热氧化硅的热氧化 硅的热氧化是硅的热氧化是指在指在1000以上的高温下以上的高温下,硅经过氧硅经过氧化生成二氧化硅的过程化生成二氧化硅的过程.热氧化分为热氧化分为干氧氧化、湿氧氧化、水气氧化干氧氧化、湿氧氧化、水气氧化以及以及掺氯氧化、氢氧合成等。掺氯氧化、氢氧合成等。242.2.1 1热氧化方法热氧化方法 1.1.干氧氧化：氧分子与硅直接反应生成二氧化硅干氧氧化：氧分子与硅直接反应生成二氧化硅（固态）（气态）（固态）22Si
12、OOSi温度：温度：900-1200900-1200，氧化速度慢，氧化速度慢2.2.水汽氧化：高温下水汽与硅生成二氧化硅水汽氧化：高温下水汽与硅生成二氧化硅3.3.湿氧氧化：既有干氧氧化，又有水汽氧化湿氧氧化：既有干氧氧化，又有水汽氧化（气态）（固态）（气态）（固态）2222HSiOOHSi22222Si+2H OSiO2HSi+OSiO25种种类类氧化剂氧化剂优点优点缺点缺点干氧干氧氧化氧化O O2 2SiO2SiO2结构致密，均匀性和结构致密，均匀性和重复性好，掩蔽能力强重复性好，掩蔽能力强生长速率慢生长速率慢水汽水汽氧化氧化H H2 2O O氧化速度快氧化速度快SiO2SiO2质量差，质
13、量差，掩蔽能力不强掩蔽能力不强湿氧湿氧氧化氧化通过高纯通过高纯水的氧气水的氧气生长速率介于上述两者间生长速率介于上述两者间比干氧氧化快比干氧氧化快1010倍左右倍左右三种方法比较三种方法比较实际生成中，可以根据要求选择干氧、湿氧或水实际生成中，可以根据要求选择干氧、湿氧或水汽氧化。汽氧化。为了既保证氧化质量又提高氧化速率，为了既保证氧化质量又提高氧化速率，通常采用：通常采用：干氧干氧+湿氧湿氧+干氧干氧 的氧化工艺的氧化工艺26热氧化化学反应虽然非常简单，但氧化机理并非如此，热氧化化学反应虽然非常简单，但氧化机理并非如此，因为一旦在硅表面有二氧化硅生成，它将阻挡因为一旦在硅表面有二氧化硅生成，
14、它将阻挡O O原子与原子与SiSi原子直接接触，原子直接接触，所以其后的所以其后的继续氧化是继续氧化是O O原子通过扩原子通过扩散穿过已生成的二氧化硅层，散穿过已生成的二氧化硅层，向向SiSi一侧运动到达界面进一侧运动到达界面进行反应而增厚的。行反应而增厚的。27 无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消耗硅，如图所示。硅，如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的硅消耗的厚度占氧化总厚度的0.44，这就意味着这就意味着每生长每生长1m的氧化物，就有的氧化物，就有0.44m的硅消的硅消耗（耗（干、湿氧化略有差别）。干、湿氧化略有差别）。28水汽氧化水
15、汽氧化 Si+2H2OSiO2+2H2 高溫狀態下，高溫狀態下，H2O 會解離成會解離成 H 和和 H-O H-O 在二氧化矽在二氧化矽比氧比氧擴散快擴散快 濕氧氧化反應比乾氧氧化反應的成長速率高濕氧氧化反應比乾氧氧化反應的成長速率高.29 4.4.掺氯氧化掺氯氧化氯源氯源 HClHCl、三氯乙烯、三氯乙烯(C(C2 2HClHCl3 3)简简称称TCETCE、三氯乙烷、三氯甲烷、三氯乙烷、三氯甲烷、ClCl2 2、NHNH4 4ClCl、CClCCl4 4等。等。30掺氯作用掺氯作用 氯可以氯可以减少减少氧化层里的氧化层里的移动离子（移动离子（NaNa）电荷）电荷，在，在SiO2-SiSiO
16、2-Si界面界面可同硅的悬挂健结合，减少界面态。可同硅的悬挂健结合，减少界面态。可可与重金属杂质生成氯化物气体排出，与重金属杂质生成氯化物气体排出，从而减少硅从而减少硅表面及氧化层的结构缺陷表面及氧化层的结构缺陷 薄的薄的MOSMOS栅极氧化层栅极氧化层质量要求很高，为了满足这一要质量要求很高，为了满足这一要求，求，通常采用加氯氧化法通常采用加氯氧化法31 通过一定的理论分析可知，通过一定的理论分析可知，在初始阶段氧化层厚度在初始阶段氧化层厚度(X)(X)与时间与时间(t)(t)是线性关系，而后变成抛物线关系。是线性关系，而后变成抛物线关系。通常来说，小于通常来说，小于10001000埃的氧化
17、受控于线性机理。这是大多数埃的氧化受控于线性机理。这是大多数MOSMOS栅栅极氧化的范围。极氧化的范围。1.1.氧化速率与时间的关系氧化速率与时间的关系硅硅硅(a)(b)(c)硅的线性氧化硅的抛物线氧化X=化厚度氧 B=物线常数抛 B/A=性常数线 t=化时间氧 X=B/AtX=Bt影响氧化速率的因素影响氧化速率的因素32氧化速率區域的說明圖氧化層厚度氧化時間線性成長區域BAX=t擴散限制區域X=B t332.2.温度对氧化速率的影响温度对氧化速率的影响温度与氧化速率成指数关系，温度越高，氧化速率越大。温度与氧化速率成指数关系，温度越高，氧化速率越大。3.3.压力对氧化速率的影响压力对氧化速率
18、的影响压力与氧化速率成线性关系，压力越大，氧化速率越大。压力与氧化速率成线性关系，压力越大，氧化速率越大。4.4.杂质对氧化速率的影响杂质对氧化速率的影响重掺杂的硅比轻掺杂的硅氧化速率快。重掺杂的硅比轻掺杂的硅氧化速率快。硼掺杂比磷掺杂氧化速率快硼掺杂比磷掺杂氧化速率快342.2.2 2 热氧化设备简介热氧化设备简介 热氧化的基本设备热氧化的基本设备 卧式炉卧式炉 立式炉立式炉 快速热处理（快速热处理（RTP）35裝載晶圓,水平式系統到排氣端製程爐管晶舟承載架製程氣體晶圓36裝載晶圓,垂直式系統晶圓塔架37快速加热制程（快速加热制程（RTPRTP）传统传统的高温加热炉的高温加热炉是一种批量工具
19、是一种批量工具，一次能够处理数百片晶圆。一次能够处理数百片晶圆。由于热容量大由于热容量大，因此制程炉管或制程反应室的温度，因此制程炉管或制程反应室的温度只能慢慢地升只能慢慢地升高和慢慢地降低。高和慢慢地降低。RTP是一种单晶圆制程是一种单晶圆制程，它能够以每秒钟，它能够以每秒钟75度到度到200度的速率升温。度的速率升温。38RTPRTP溫度和高溫爐溫度和高溫爐溫度時間高溫爐RTP室溫.39快速退火技术快速退火技术(RTPRTP技术技术)特点特点:单片操作单片操作.优点优点:1.杂质浓度不变杂质浓度不变,并并100%激活激活.2.残留晶格缺陷少残留晶格缺陷少,均匀性和重复性好均匀性和重复性好.
20、3.加工效率高加工效率高,可达可达200300片片/h.4.设备简单设备简单,成本低成本低.5.温度较高温度较高(1200)，升温速度较快升温速度较快(75200/sec)6.掺杂物的扩散最小化掺杂物的扩散最小化40退火後摻雜物擴散退火後摻雜物擴散高溫爐高溫爐 退火退火快速加熱退火快速加熱退火匣極匣極41 1.1.快速加热工艺主要是用在快速加热工艺主要是用在离子注入后的退火离子注入后的退火，目的是，目的是消除由于注入带来的晶格损伤和缺陷。消除由于注入带来的晶格损伤和缺陷。2.2.使用单晶圆使用单晶圆RTP系统来生长高品质的超薄氧化层。系统来生长高品质的超薄氧化层。由由于器件尺寸越来越小的趋势使
21、得加在晶园上的每层的厚于器件尺寸越来越小的趋势使得加在晶园上的每层的厚度越来越薄，厚度减少最显著的是栅极氧化层。先进的度越来越薄，厚度减少最显著的是栅极氧化层。先进的器件要求栅极厚度小于器件要求栅极厚度小于0.010.01微米。微米。目前的栅氧化层厚度目前的栅氧化层厚度大概在大概在3nm左右。左右。如此薄的氧化层对于普通的反应如此薄的氧化层对于普通的反应炉来炉来说，是难以实现的。而说，是难以实现的。而RTP系统快速升温降温可以提供系统快速升温降温可以提供所需的控制能力。所需的控制能力。应用应用42 热处理是简单地将硅片加热和冷却来达到特定结果热处理是简单地将硅片加热和冷却来达到特定结果的一个工
22、艺的一个工艺,也叫退火。也叫退火。在热处理过程中，在晶圆上在热处理过程中，在晶圆上不但不但没有增加或减去任何物质没有增加或减去任何物质，反而，反而会有一些污染物会有一些污染物和水气从晶圆上蒸发。和水气从晶圆上蒸发。3 3 热处理（退火）热处理（退火）43 3.1 3.1 退火（退火（AnnealingAnnealing）原原 理：理：利用热能利用热能（Thermal Energy），），将物体内将物体内产生内应力的一些缺陷加以消除。所施加的能量产生内应力的一些缺陷加以消除。所施加的能量将增加晶格原子及缺陷在物体内的振动及扩散，将增加晶格原子及缺陷在物体内的振动及扩散，使得原子的排列得以重整使得
23、原子的排列得以重整。根据注入的杂质数量不同，退火温度一般在根据注入的杂质数量不同，退火温度一般在450950之间。之间。44离子注入过程是一个离子注入过程是一个非平衡非平衡过程，高能离子进入靶过程，高能离子进入靶后不断与后不断与原子核及其核外电子碰撞原子核及其核外电子碰撞，逐步损失能量，逐步损失能量，最后停下来。停下来的位置是随机的，一部分不在最后停下来。停下来的位置是随机的，一部分不在晶格上，因而没有电活性晶格上，因而没有电活性,需要需要退火退火激活激活不在晶格位不在晶格位置而在晶格间隙的置而在晶格间隙的杂质离子杂质离子;同时同时修复修复晶格晶格注入损伤注入损伤实际上实际上这个工艺主要是针对
24、离子注入这个工艺主要是针对离子注入的，因为离子的，因为离子注入后注入离子会在晶体内部产生很多缺陷，必须注入后注入离子会在晶体内部产生很多缺陷，必须通过退火才能给予消除。通过退火才能给予消除。45 注入后的半导体材料：注入后的半导体材料：。杂质处于间隙。杂质处于间隙 nND;pNA 。晶格损伤。晶格损伤；迁移率下降；少子寿命下降；迁移率下降；少子寿命下降 热退火后：热退火后：。n-n=ND(p=NA)。主要的退火制程有：主要的退火制程有：1.后离子注入（后离子注入（Post Ion Implantation）；）；2.金属硅化物（金属硅化物（Silicide）的退火。的退火。主要硅化金属材料有：
25、主要硅化金属材料有：WSix,TiSi2（用于用于Salicide制程）制程）,MoSi2,CoSi2等。等。退火后，金属硅化物电阻率可降到只有原来的退火后，金属硅化物电阻率可降到只有原来的10%。3.BPSG硼磷硅玻璃硼磷硅玻璃（Boro phospho silicate Glass）BPSG进行热流动（进行热流动（Flow）所须的玻态转变温度较低所须的玻态转变温度较低850。4.SOG（Spin-On Glass）旋涂式玻璃旋涂式玻璃。483.2 3.2 硅化反应硅化反应硅化反应：金属与硅的反应硅化反应：金属与硅的反应 Ti2SiTiSi2常用的硅化物常用的硅化物Wsi，TiSi2，MoS
26、i2，CoSi2熔点高熔点高(大都在大都在15001500以上以上)。电阻率低。电阻率低(约约为为10-7m)10-7m)，硬度高。，硬度高。金属硅化物在硅片的整个加工过程中应用十金属硅化物在硅片的整个加工过程中应用十分广泛。多在分广泛。多在超大规模集成电路超大规模集成电路中使用，如中使用，如用作用作金属栅、肖特基接触、欧姆接触金属栅、肖特基接触、欧姆接触等。等。493.3 3.3 熔流熔流 硼磷硅玻璃硼磷硅玻璃（Boro-phospho-silicate Glass,BPSG）掺杂了掺杂了硼和磷的二氧化硅硼和磷的二氧化硅 磷硅玻璃磷硅玻璃PSG 掺杂了磷的二氧化硅掺杂了磷的二氧化硅BPSGB
27、PSG在制备上有在制备上有2 2个阶段：个阶段：首先，利用含有硅，硼，磷，氧元素的气首先，利用含有硅，硼，磷，氧元素的气体通过体通过CVDCVD的方法的方法淀积淀积；然后将淀积有；然后将淀积有BPSGBPSG的硅片置于温度为的硅片置于温度为850850950950的炉管中的炉管中进行熔流，使进行熔流，使BPSGBPSG平坦化。平坦化。50 二氧化硅原有的有序网络结构二氧化硅原有的有序网络结构由于硼磷杂质由于硼磷杂质（B2O3B2O3，P2O5P2O5）的加入而变得疏松的加入而变得疏松，在高温条在高温条件下件下某种程度上某种程度上具有具有像液体一样的像液体一样的流动能力流动能力（ReflowRe
28、flow）。因此因此BPSGBPSG薄膜薄膜具有卓越的填孔能具有卓越的填孔能力，力，并且并且能够提高整个硅片表面的平坦化，能够提高整个硅片表面的平坦化，从从而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围。而为光刻及后道工艺提供更大的工艺范围。513.4 3.4 固化固化 将薄膜材料的一部分有机溶剂挥发，从而提高将薄膜材料的一部分有机溶剂挥发，从而提高有机溶剂的密度，（有机溶剂的密度，（如将光刻胶中的有机溶剂挥如将光刻胶中的有机溶剂挥发），这一过程发），这一过程称为固化。称为固化。以前金属薄膜之间的层间介质用的是以前金属薄膜之间的层间介质用的是SOG,它是二氧化硅和溶剂共同组成的混合物，用它是二氧化硅和溶
29、剂共同组成的混合物，用旋转式覆盖在硅片表面，然后通过固化过程，旋转式覆盖在硅片表面，然后通过固化过程，使得使得SOG内的溶剂挥发，变成固态内的溶剂挥发，变成固态SOG，达达到金属层之间或者硅片之间的绝缘到金属层之间或者硅片之间的绝缘52专题：绝缘层隔离工艺专题：绝缘层隔离工艺1.1.局部氧化隔离法隔离局部氧化隔离法隔离(LOCOS)LOCOS)local oxidation of silicon2.2.浅沟槽隔离浅沟槽隔离(STI)STI)Shallow trench isolation531.1.局部氧化隔离法局部氧化隔离法(LOCOS)LOCOS)传统的传统的0.250.25m m工艺以上
30、工艺以上的器件隔离方法是硅的的器件隔离方法是硅的局部氧化。它局部氧化。它利用了氧在利用了氧在Si3N4中扩散非常缓慢中扩散非常缓慢的性质，的性质，从而从而使得被氮化硅覆盖的硅层使得被氮化硅覆盖的硅层在氧化在氧化过程中过程中极难生成氧化物极难生成氧化物。氮化硅将作为氧化物氮化硅将作为氧化物阻挡层保持不变阻挡层保持不变。54 虽然虽然氮化硅氮化硅有很多优于二氧化硅的特性，但是它有很多优于二氧化硅的特性，但是它永永远不可能替代二氧化硅远不可能替代二氧化硅。原因是不可能直接在晶园上原因是不可能直接在晶园上生长氮化硅，生长氮化硅，通常的做法是先生长一层通常的做法是先生长一层高质量薄的二高质量薄的二氧化硅
31、氧化硅（通常称其为（通常称其为垫氧垫氧），然后在其上面在生长氮），然后在其上面在生长氮化硅。化硅。氮化硅（氮化硅（Si3N4Si3N4）Si Si3 3N N4 4膜比二氧化硅膜密度高、针孔少。同时也是一个膜比二氧化硅膜密度高、针孔少。同时也是一个很好的扩散阻挡层很好的扩散阻挡层（杂质在氮化硅中的扩散系数小于（杂质在氮化硅中的扩散系数小于在二氧化硅中的）在二氧化硅中的）。55衬垫氧化层的作用氮化矽矽基片襯墊氧化層n缓冲氮化硅的高应力张力n预防应力产生硅的缺陷56 二氧化硅层生长在没有氮化硅阻挡层的区域上二氧化硅层生长在没有氮化硅阻挡层的区域上,由于由于氧化剂能够通过衬底氧化剂能够通过衬底 si
32、o2层横向扩散层横向扩散,将会将会使得使得氧化氧化反应从氮化硅薄反应从氮化硅薄膜膜的边缘的边缘横向扩散横向扩散 氧通过衬垫氧化层横向扩散，使得靠近场区的氮化氧通过衬垫氧化层横向扩散，使得靠近场区的氮化硅下面会生成一定的氧化层，硅下面会生成一定的氧化层，该部分的形状和鸟的该部分的形状和鸟的嘴部类似嘴部类似,通常叫通常叫鸟嘴鸟嘴(Birds Beak).LOCOSLOCOS工艺中存在的问题工艺中存在的问题57矽局部氧化的問題矽局部氧化的問題鸟嘴鸟嘴 二氧化硅内部的二氧化硅内部的横向扩散引起横向扩散引起的的 在在氮化硅层下生长氮化硅层下生长“鸟嘴鸟嘴”区属于无用的过渡区，既不能作为隔离区，也区属于无
33、用的过渡区，既不能作为隔离区，也不能作为器件区，浪费许多硅表面区域，这不能作为器件区，浪费许多硅表面区域，这对提高对提高集成集成电路中的电路中的集成度极其不利集成度极其不利 不平坦的表面不平坦的表面 氧化氧化层层在在硅硅表面上成長表面上成長 局域氧化层的高度局域氧化层的高度对对后道工艺中的后道工艺中的平坦化也不利，平坦化也不利，影响影响光刻制程和薄膜沉积光刻制程和薄膜沉积58如何抑制鸟嘴效应如何抑制鸟嘴效应 人们采用了很多方法来抑制鸟嘴效应，其中最普遍的就是人们采用了很多方法来抑制鸟嘴效应，其中最普遍的就是多晶硅多晶硅缓冲缓冲PBL(poly buffered LOCOS)制程制程。使用一层使
34、用一层多晶硅多晶硅(500A)来缓冲氮化硅的应力，这样，来缓冲氮化硅的应力，这样，衬垫氧化层衬垫氧化层的厚度就能从大约的厚度就能从大约500减小到减小到100A，这样就可以大大减少氧化这样就可以大大减少氧化物的侵入。物的侵入。59多晶矽緩衝層多晶矽緩衝層(PBL)LOCOS(PBL)LOCOSP型基片型基片氮化矽氮化矽多晶矽多晶矽P型基片型基片p+p+氮化矽氮化矽多晶矽多晶矽P型基片型基片p+p+SiO2氮化矽氮化矽P型基片型基片p+SiO2p+成長襯墊氧化層、沉積多晶矽及氮化矽成長襯墊氧化層、沉積多晶矽及氮化矽蝕刻氮化矽、多晶矽及氧化層、硼佈植蝕刻氮化矽、多晶矽及氧化層、硼佈植 氧化反應氧化
35、反應剝除襯墊氧化層、多晶矽及氮化矽剝除襯墊氧化層、多晶矽及氮化矽60多晶矽緩衝層多晶矽緩衝層(PBL)LOCOS(PBL)LOCOS 降低降低“鳥嘴鳥嘴”在在LPCVD 氮化矽之前沉積多晶矽氮化矽之前沉積多晶矽 橫向擴散的氧會被多晶矽層所消耗橫向擴散的氧會被多晶矽層所消耗 把鳥嘴降低到把鳥嘴降低到 0.1 0.2 m.61LOCOSLOCOS工艺的局限工艺的局限 改进的改进的LOCOS工艺可以大大减少氧化物的横向侵工艺可以大大减少氧化物的横向侵入。但是无论人们如何努力，仍旧会有入。但是无论人们如何努力，仍旧会有0.1 到到0.2微米的鸟嘴。微米的鸟嘴。当最小图形尺寸比当最小图形尺寸比0.250
36、.25微米要小的微米要小的时候，这么小的鸟嘴也变得难以忍受。时候，这么小的鸟嘴也变得难以忍受。于是发展于是发展出了浅槽隔离出了浅槽隔离STI(Shallow Trench Isolation)制程。制程。62 浅沟槽隔离浅沟槽隔离(STI)STI)是一种全新的器件隔离方法是一种全新的器件隔离方法，它它可以可以在全平坦化的条件下在全平坦化的条件下使使“鸟嘴鸟嘴”区宽度接近于区宽度接近于零零，目前已成为目前已成为0.250.25m m以下以下集成电路生产过程中的集成电路生产过程中的标准器件隔离技术。标准器件隔离技术。2.2.浅沟槽隔离浅沟槽隔离(STI)STI)63 在浅沟槽隔离法中，用在浅沟槽隔
37、离法中，用干刻方法在硅衬底上各干刻方法在硅衬底上各向异性地刻出一个深度约为向异性地刻出一个深度约为0 03 3微米至微米至0 08 8微米的沟微米的沟槽槽。在刻蚀沟槽时，活动区用光刻胶保护起来不受影。在刻蚀沟槽时，活动区用光刻胶保护起来不受影响。响。接下来用接下来用CVDCVD法在硅圆晶片表面沉积法在硅圆晶片表面沉积层二氧化硅层二氧化硅，再用回蚀法仅保留下沟槽中的二氧化硅，而把其它区再用回蚀法仅保留下沟槽中的二氧化硅，而把其它区域的二氧化硅全刻掉，使回蚀后的表面与原来的硅表域的二氧化硅全刻掉，使回蚀后的表面与原来的硅表面在同一平面上面在同一平面上,如下图。如下图。64 早期的早期的STI製程製
38、程 氧化物氧化物回蝕刻回蝕刻（etchback）先進的先進的STI製程製程 氧化物氧化物 CMP早期的和先进的早期的和先进的STISTI制程制程65P型基片型基片早期的早期的STI:STI:晶圓清洗晶圓清洗66襯墊氧化層襯墊氧化層P型基片型基片早期的早期的STI:STI:成長襯墊氧化層成長襯墊氧化層67襯墊氧化層襯墊氧化層P型基片型基片氮化矽氮化矽早期的早期的STI:LPCVDSTI:LPCVD氮化矽氮化矽68襯墊氧化層襯墊氧化層P型基片型基片光阻光阻氮化矽氮化矽早期的早期的STI:STI:光阻塗佈光阻塗佈69P型基片型基片光阻光阻氮化矽氮化矽早期的早期的STI:STI STI:STI 光罩對
39、準光罩對準70P型基片型基片光阻光阻氮化矽氮化矽早期的早期的STI:STI STI:STI 光罩曝光光罩曝光71P型基片型基片光阻光阻氮化矽氮化矽早期的早期的STI:STI:顯影顯影72氮化矽氮化矽P型基片型基片光阻光阻早期的早期的STI:STI:蝕刻氮化矽和襯墊氧化層蝕刻氮化矽和襯墊氧化層73P型基片型基片氮化矽氮化矽早期的早期的STI:STI:剝除光阻剝除光阻74P型基片型基片氮化矽氮化矽早期的早期的STI:STI:蝕刻矽蝕刻矽75P型基片型基片氮化矽氮化矽早期的早期的STI:STI:成長阻擋氧化層成長阻擋氧化層76P型基片型基片通道阻絕佈植通道阻絕佈植氮化矽氮化矽早期的早期的STI:ST
40、I:通道阻絕佈植通道阻絕佈植,硼硼77P型基片型基片氮化矽氮化矽通道阻絕佈植通道阻絕佈植CVD氧化層氧化層早期的早期的STI:CVDSTI:CVD氧化層氧化層78P型基片型基片氮化矽氮化矽通道阻絕佈植通道阻絕佈植CVD氧化層氧化層光阻光阻早期的早期的STI:STI:光阻塗佈光阻塗佈79P型基片型基片氮化矽氮化矽通道阻絕佈植通道阻絕佈植CVD氧化層氧化層早期的早期的STI:STI:氧化層回蝕刻氧化層回蝕刻,停止於氮化矽停止於氮化矽80P型基片型基片通道阻絕佈植通道阻絕佈植CVD氧化層氧化層早期的早期的STI:STI:剝除氮化矽剝除氮化矽81P型基片型基片通道阻絕佈植通道阻絕佈植CVD氧化層氧化層
41、光阻光阻早期的早期的STI:STI:光阻塗佈光阻塗佈82P型基片型基片通道阻絕佈植通道阻絕佈植CVD氧化層氧化層早期的早期的STI:STI:氧化層回蝕刻氧化層回蝕刻83P型基片型基片通道阻絕佈植通道阻絕佈植CVD氧化層氧化層早期的早期的STI:STI:氧化層退火氧化層退火84先進先進STISTI 不需要通道阻絕離子佈植來提升不需要通道阻絕離子佈植來提升場域的臨界電壓場域的臨界電壓.85先進的先進的STI:STI:襯墊氧化層和襯墊氧化層和LPCVDLPCVD氮化矽氮化矽P型磊晶層型磊晶層P型晶圓型晶圓N型井區型井區P型井區型井區氮化矽氮化矽86先進的先進的STI:STI:蝕刻氮化矽蝕刻氮化矽,氧
42、化物和矽氧化物和矽 以及剝除光阻以及剝除光阻P型磊晶層型磊晶層P型晶圓型晶圓N型井區型井區P型井區型井區氮化矽氮化矽氮化矽氮化矽87先進的先進的STI:STI:高密度電漿高密度電漿 CVD CVD 沉積沉積USGUSG （Un-doped Silicate GlassUn-doped Silicate Glass）非掺杂硅（酸盐）玻璃非掺杂硅（酸盐）玻璃P型磊晶層型磊晶層P型晶圓型晶圓N型井區型井區P型井區型井區氮化矽氮化矽氮化矽氮化矽USGUSG88先進的先進的STI:CMP STI:CMP 停止於氮化矽停止於氮化矽P型磊晶層型磊晶層P型晶圓型晶圓N型井區型井區P型井區型井區NitrideN
43、itrideUSG89先進的先進的STI:STI:氮化矽剝除氮化矽剝除P型磊晶層型磊晶層P型晶圓型晶圓N型井區型井區P型井區型井區USGSTI90第三章第三章 复习复习 氧化硅的结构、性质氧化硅的结构、性质 二氧化硅在集成电路中的用途二氧化硅在集成电路中的用途 什么是硅的热氧化？热氧化的方法都有哪些？各自什么是硅的热氧化？热氧化的方法都有哪些？各自的优缺点是什么？的优缺点是什么？影响氧化速率的因素都有哪些？影响氧化速率的因素都有哪些？快速加热制程特点？应用？快速加热制程特点？应用？隔离技术分为？绝缘隔离技术主要有哪隔离技术分为？绝缘隔离技术主要有哪2种？种？LOCOS的工艺流程？存在的主要问题？如何克服？的工艺流程？存在的主要问题？如何克服？衬垫氧化层的作用？衬垫氧化层的作用？STI工艺流程？工艺流程？
