1、n本章主要內(nèi)容:6)6)氧化層質(zhì)量評估與氧化層質(zhì)量評估與C-VC-V測試測試引言引言 最后最后，雖然，雖然SiO2是堅固的，但是它容易被氫氟是堅固的，但是它容易被氫氟酸所分解，這樣只要用抗氫氟酸的掩膜把酸所分解，這樣只要用抗氫氟酸的掩膜把SiO2掩蔽掩蔽起來，就只有在暴露出起來，就只有在暴露出SiO2的窗口區(qū)把的窗口區(qū)把SiO2去掉，去掉，而掩蔽起來的而掩蔽起來的SiO2不被氫氟酸腐蝕，仍然保持堅固不被氫氟酸腐蝕，仍然保持堅固的特性。的特性。 SiO2的這些特性是造成硅集成電路迅速發(fā)展的重的這些特性是造成硅集成電路迅速發(fā)展的重要條件，相反要條件，相反Ge,GaAs正是缺少這樣特性的保護(hù)膜。正是

2、缺少這樣特性的保護(hù)膜。 由圖可以看出，由圖可以看出，SiO2在在CMOS電路中用于柵絕緣層電路中用于柵絕緣層（Gox），及絕緣隔離作用的場氧化層（），及絕緣隔離作用的場氧化層（Fox）。場氧化）。場氧化層較厚，而柵氧化層很薄。層較厚，而柵氧化層很薄。n在MOS電路中作為MOS器件的絕緣柵介質(zhì)，器件的組成部分n擴散時的掩蔽層，離子注入的(有時與光刻膠、Si3N4層一起使用)阻擋層n作為集成電路的隔離介質(zhì)材料n作為電容器的絕緣介質(zhì)材料n作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料n作為對器件和電路進(jìn)行鈍化的鈍化層材料在集成電路制作中的主要作用在集成電路制作中的主要作用氧化膜(層)應(yīng)用名稱應(yīng)用厚度說明自然氧化層

3、不希望的15-20屏蔽氧化層注入隔離，減小損傷200熱生長摻雜阻擋層摻雜掩蔽400-1200選擇性擴散場氧化層和LOCOS器件隔離3000-5000濕氧氧化襯墊氧化層為Si3N4提供應(yīng)力減小 100-200熱生長很薄犧牲氧化層去除缺陷 ,t A2/4B時，時，SiO2生長厚度有公式生長厚度有公式（拋物線型氧化規(guī)律，（拋物線型氧化規(guī)律，B為拋物線型速率常數(shù)）為拋物線型速率常數(shù)）(b)當(dāng)氧化時間很短，即當(dāng)氧化時間很短，即(t+) A2/4B；SiO2生長厚度公式生長厚度公式(線性型線性型氧化規(guī)律氧化規(guī)律,B/A為線性常數(shù)為線性常數(shù)) )B(t2SiOT2)(2tABSiOT SiOSiO2 2生長

4、的快慢將由氧化劑在生長的快慢將由氧化劑在SiOSiO2 2中的擴散速度與中的擴散速度與SiSi反應(yīng)速度中較慢的一個因數(shù)所決定反應(yīng)速度中較慢的一個因數(shù)所決定擴散控制擴散控制反應(yīng)控制反應(yīng)控制TSiO2(O)氧化起始氧化起始t=0時已有時已有SiO2的厚度的厚度2.3.4 2.3.4 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素n溫度n濕氧或干氧n厚度n壓力n圓片晶向(或)n硅中雜質(zhì)氧化速率與溫度n氧化速率對溫度很敏感，指數(shù)規(guī)律n溫度升高會引起更大的氧化速率升高n物理機理：溫度越高，O與Si的化學(xué)反應(yīng)速率越高；溫度越高，O在SiO2中的擴散速率越高。 氧化速率與圓片晶向n表面的氧化速率高于表面n表面的Si原

5、子密度高氧化速率氧化速率與氧化劑分壓氧化劑分壓氧化劑分壓對氧化速率的影響：氧化劑分壓對氧化速率的影響： 氧化劑分壓提高，氧化速率加快氧化劑分壓提高，氧化速率加快。B2DSiO2C*/N1C*Hpg氧化速率與雜質(zhì)氧化速率與雜質(zhì)摻有硼磷等高濃度雜質(zhì)的硅其氧化速率明顯摻有硼磷等高濃度雜質(zhì)的硅其氧化速率明顯變大。變大。對于干氧氧化，水汽是該工藝中的雜質(zhì)，水對于干氧氧化，水汽是該工藝中的雜質(zhì)，水汽會增加氧化速率。汽會增加氧化速率。 Si + 2HSi + 2H2 2O SiOO SiO2 2 + 2H + 2H2 2NaNa會使氧化速率增加，破壞橋鍵氧。會使氧化速率增加，破壞橋鍵氧。ClCl 1.1.會

6、使會使Na+Na+離子鈍化；離子鈍化；2.2.增加氧化層下硅中少數(shù)增加氧化層下硅中少數(shù)載流子壽命；載流子壽命；3.3.減少減少SiO2SiO2中的缺陷，提高了氧化層的中的缺陷，提高了氧化層的抗擊穿能力；抗擊穿能力；4.4.會降低界面態(tài)密度及表面固定電荷密會降低界面態(tài)密度及表面固定電荷密度；度；5.5.減少氧化層下硅的氧化層錯減少氧化層下硅的氧化層錯線性速率線性速率拋物線速率拋物線速率2.4 氧化工藝氧化設(shè)備n干氧氧化，薄氧化層干氧氧化，薄氧化層 柵氧化層 襯墊氧化層，屏蔽氧化層，犧牲氧化層，等等n濕氧氧化，厚氧化層濕氧氧化，厚氧化層 場氧化層 擴散掩膜氧化層Pyrogenic Steam Sy

7、stem濕氧氧化設(shè)備濕氧氧化設(shè)備干氧設(shè)備干氧設(shè)備Wet Oxide Instructions 1) Purge furnace with Argon or Nitrogen gas. a) Turn on the gas into the system from the tanks. b) Make sure that nitrogen is flowing straight into the furnace (see figure). c) Turn the gas flowing through the furnace up to about 10 SCFH (turn back down

8、 after about 10 minutes-see step 6). 2) Turn on the bubbler. a) Turn on switch 1 to the actual bubbler and make sure there is adequate water in the bowl. b) Turn on switch 2 to the entrance tube and make sure that the power does go up to somewhat less than 100. c) Make sure there is adequate water i

9、n the in the bowl. Use only 18M deionized water to fill bowl.3) Load the wafer. a) Place the wafer into one of the appropriate slots in the quartz tray. b) Load the wafers into the furnace right away; no appreciable oxide will grow at 400C, and its a good idea to continue the purge after the wafers

10、are inside. Gently load the tray into the furnace with the aluminium foil tray holder and slide it into the center third of the furnace with the quartz rod. c) Place the cap on the end of the furnace.4) Turn up the furnace. a) After the furnace has been purged of gases other than nitrogen (about 10

11、minutes), turn the furnace up to the desired temperature remembering that T(desired) - 200C = T(dial). b) Make sure that the output power goes to 5 and +/-50 dials are set at 200 and 500.5) Turn down the N2 gas flow to about 1 SCFH. 6) Start the wet oxide process.a) Once the furnace is up to the des

12、ired temperature (the output power fluctuates about the center of the dial), make sure that the bubbler has reached the setpoint at 202Fb) Turn the N2 gas flow rate up to about 4.5 SCFH.c) Switch the N2 input so that it goes through the bubbler by switching the tube to the northern valve on the back

13、 of the clean box.d) Start the timer as soon as soon as the N2 starts bubbling through the water. 7) Turn down the N2 gas flow.a) Once the furnace is purged with the steam (about 10 mintues), turn the N2 gas flow rate down to about 1 SCFH. (Unless you are doing a very short run in which case you wil

14、l do this step as step 9b.)b) If necessary, check the water level in the bubbler bowl and fill as appropriate.8) Turn off the bubbler.a) Once the timer goes off at the approved time switch the nitrogen input from the bubbler back to straight into the furnace.b) Turn the nitrogen flow back up to abou

15、t 4.5 SCFH or whatever flow rate it was when it initially first flowed through the bubbler.c) Turn off switch 1 and 2. 9) Turn down the furnace.a) After the furnace is again purged with nitrogen, turn down the furnace to the OFF temperature of 400A1C.b) Turn down the N2 flow to 1 SCFH.10) Unload the

16、 furnace.a) Once the furnace is below 500C (about 60-90 minutes), use the gloves to take the cap off of the end of the furnace tube.b) Taking the quartz rod, slide the tray out to the end of the tube.c) Wait 5 minutes.d) Using the gloves AND the aluminum tray holder, slide the tray completely out of

17、 the furnace tube and into the glass cooling tube to the right of the furnace.e) Wait 5 minutes or until the tray is cool.f) Slide the tray out of the cooling tube and set it down on the aluminum sheets.g) Using tweezers, remove the wafer from the tray. 11) Turn off the N2 gas.a) Turn the flow rate

18、into the furnace offb) Turn the N2 flow into the system off.2.5 熱氧化過程中的雜質(zhì)再分布2.5.12.5.1分凝現(xiàn)象分凝現(xiàn)象 任何一種雜質(zhì)在不同相中的任何一種雜質(zhì)在不同相中的溶解度是不同的，硅在熱氧化時所形成溶解度是不同的，硅在熱氧化時所形成的界面隨熱氧化而不斷向硅中推進(jìn)，原的界面隨熱氧化而不斷向硅中推進(jìn)，原存于存于Si中的雜質(zhì)將在界面兩邊中的雜質(zhì)將在界面兩邊Si-SiO2進(jìn)進(jìn)行重新分布，直到達(dá)到界面兩邊化學(xué)勢行重新分布，直到達(dá)到界面兩邊化學(xué)勢相同，這就是分凝現(xiàn)象。相同，這就是分凝現(xiàn)象。摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化中，摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化

19、中，在在Si-SiO2界面上，兩相中平衡雜質(zhì)濃度界面上，兩相中平衡雜質(zhì)濃度之比定義為分凝系數(shù)之比定義為分凝系數(shù)m。 雜質(zhì)硼的分凝系數(shù)一般為雜質(zhì)硼的分凝系數(shù)一般為m0.11； 雜質(zhì)磷的分凝系數(shù)一般雜質(zhì)磷的分凝系數(shù)一般m為為10左右。左右。 衡濃度雜質(zhì)在二氧化硅中的平雜質(zhì)在硅中的平衡濃度m 由此可見，在擴有雜質(zhì)硼的硅由此可見，在擴有雜質(zhì)硼的硅熱氧化中，熱氧化中，Si表面的硼雜質(zhì)濃度會表面的硼雜質(zhì)濃度會下降，而大量雜質(zhì)會分凝到下降，而大量雜質(zhì)會分凝到Si-SiO2的的SiO2中。相反，在擴有雜質(zhì)中。相反，在擴有雜質(zhì)磷的硅熱氧化中，磷的硅熱氧化中，Si表面的磷雜質(zhì)表面的磷雜質(zhì)濃度會增加，這是因為大量雜

20、質(zhì)將濃度會增加，這是因為大量雜質(zhì)將從從SiO2中分凝到中分凝到Si中。中。硅中雜質(zhì)硼磷在硅中雜質(zhì)硼磷在Si-SiOSi-SiO2 2界面的分凝現(xiàn)象界面的分凝現(xiàn)象利用硼的分凝系利用硼的分凝系數(shù)數(shù)m1,當(dāng)硼預(yù)淀積表面濃度大時，當(dāng)硼預(yù)淀積表面濃度大時，可通過控制熱氧化可通過控制熱氧化“吃掉吃掉”一些過一些過量的硅中硼，讓雜質(zhì)富集到量的硅中硼，讓雜質(zhì)富集到SiO2中，中，使表面濃度降低。相反磷預(yù)淀積濃使表面濃度降低。相反磷預(yù)淀積濃度小，可通過熱氧化度小，可通過熱氧化“吐出吐出”一些一些SiO2中的磷，使表面濃度升高。中的磷，使表面濃度升高。2.62.6柵氧化層的制備柵氧化層的制備 隨著隨著IC尺寸不斷

21、縮小，電路尺寸不斷縮小，電路的工作速度不斷提高，要求柵氧的工作速度不斷提高，要求柵氧化層也按比例減薄，目前柵氧化化層也按比例減薄，目前柵氧化層厚度已經(jīng)薄到層厚度已經(jīng)薄到100左右，因此左右，因此制備柵氧化層顯得十分重要。制備柵氧化層顯得十分重要。柵氧化層應(yīng)滿足下列要求：柵氧化層應(yīng)滿足下列要求： 低缺陷密度，具有好的抗雜質(zhì)擴散的勢低缺陷密度，具有好的抗雜質(zhì)擴散的勢壘特性，在熱載流子應(yīng)力和輻射條件下穩(wěn)定。壘特性，在熱載流子應(yīng)力和輻射條件下穩(wěn)定。 具有低的界面態(tài)密度和低的固定電荷密具有低的界面態(tài)密度和低的固定電荷密度的高質(zhì)量度的高質(zhì)量Si-SiOSi-SiO2 2界面，低的熱預(yù)算工藝。界面，低的熱預(yù)

22、算工藝。 柵氧化層制備要求包括嚴(yán)格予清洗，去柵氧化層制備要求包括嚴(yán)格予清洗，去有機物，去金屬玷污，中間包括用稀有機物，去金屬玷污，中間包括用稀HFHF酸漂酸漂洗，采用高溫快速氧化等等措施。洗，采用高溫快速氧化等等措施。改善柵氧化層質(zhì)量方法：改善柵氧化層質(zhì)量方法： 1 1 預(yù)氧化清洗。預(yù)氧化清洗。 硅清洗工藝的基本準(zhǔn)則是消除表面有機物、過渡金屬硅清洗工藝的基本準(zhǔn)則是消除表面有機物、過渡金屬和堿性離子和顆粒。和堿性離子和顆粒。 2 2 工藝與柵氧化硅質(zhì)量的關(guān)系。工藝與柵氧化硅質(zhì)量的關(guān)系。 采取高溫氧化采取高溫氧化 3 3 用化學(xué)方法改進(jìn)柵氧化層用化學(xué)方法改進(jìn)柵氧化層。 在柵氧化層中加入氮或氟在柵氧

23、化層中加入氮或氟 4 CVD4 CVD和疊層氧化硅和疊層氧化硅2.7Si-SiO2.7Si-SiO2 2界面特性界面特性降低降低Na+的措施包括：的措施包括： 使用含氯的氧化工藝使用含氯的氧化工藝 用氯定期清洗管道及相關(guān)容器用氯定期清洗管道及相關(guān)容器 使用使用超純凈超純凈的化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)物質(zhì) 保證氣體或氣體傳輸過程的清潔。保證氣體或氣體傳輸過程的清潔。 使用使用PSGPSG（磷硅玻璃）鈍化可移動（磷硅玻璃）鈍化可移動離子離子2.7.22.7.2界面態(tài)或界面陷阱電荷界面態(tài)或界面陷阱電荷 Qit(c/cm2ev) Qit是指存在于是指存在于Si-SiO2界面，能量處于硅禁帶界面，能量處于硅禁帶中的

24、可與價帶、導(dǎo)帶方便交換電荷的陷阱能中的可與價帶、導(dǎo)帶方便交換電荷的陷阱能級或電荷狀態(tài)。級或電荷狀態(tài)。 對于（對于（100）Si來說來說 Qit231010/cm2ev 對于（對于（111）Si來說來說 Qit11.51011/cm2ev 解釋界面態(tài)的物理機制有三種，一解釋界面態(tài)的物理機制有三種，一般認(rèn)為在硅表面有一個鍵是空的，沒有般認(rèn)為在硅表面有一個鍵是空的，沒有形成共價鍵，稱為形成共價鍵，稱為懸掛鍵懸掛鍵。氧化中大部。氧化中大部分硅表面懸掛鍵和分硅表面懸掛鍵和O結(jié)合形成結(jié)合形成O-Si-O鍵，鍵，但仍有少量剩余懸掛鍵，這些懸掛鍵有但仍有少量剩余懸掛鍵，這些懸掛鍵有一個未配對電子而表現(xiàn)為界面態(tài)

25、。一個未配對電子而表現(xiàn)為界面態(tài)。荷電荷電中心、化學(xué)雜質(zhì)中心、化學(xué)雜質(zhì)(Cu Fe)。 界面態(tài)會造成界面態(tài)會造成MOS器件器件VT漂移，降漂移，降低溝道遷移率，降低了器件性能。低溝道遷移率，降低了器件性能。降低界面態(tài)的方法有降低界面態(tài)的方法有： PMA( (金屬化后退火金屬化后退火) )，有，有H H2 2氣氛，氣氛，H H使懸掛鍵鈍化。使懸掛鍵鈍化。 選用（選用（100100）晶面硅片。）晶面硅片。 低溫，惰性氣體退火。低溫，惰性氣體退火。降低界面陷阱密度降低界面陷阱密度金屬化后，在氫氣氣氛金屬化后，在氫氣氣氛中，由于中，由于ALAL的存在，可的存在，可以形成氫原子，并擴散以形成氫原子，并擴散

26、到到siosio2 2-si-si界面，與懸掛界面，與懸掛鍵相結(jié)合，使這些鍵鈍鍵相結(jié)合，使這些鍵鈍化，從而減少界面態(tài)化，從而減少界面態(tài)2.7.3 SiO2.7.3 SiO2 2中的固定正電荷中的固定正電荷QQf f 在在SiO2中，在靠近中，在靠近Si-SiO2界面處，由于氧化層中的界面處，由于氧化層中的氧空位，造成氧化層中氧空位，造成氧化層中過剩的硅離子過剩的硅離子，形成位置相對固定，形成位置相對固定的正電荷。的正電荷。 固定正電荷與工藝條件和晶面有關(guān)。固定正電荷與工藝條件和晶面有關(guān)。 (111)面固定正電荷密度大于面固定正電荷密度大于(100)面。面。 降低固定正電荷辦法：選擇適當(dāng)?shù)墓枰r底

27、晶向、氧化條件和退火溫降低固定正電荷辦法：選擇適當(dāng)?shù)墓枰r底晶向、氧化條件和退火溫度。是度。是N2氣下熱處理。氣下熱處理。影響影響MOS器件域值電壓（器件域值電壓（P溝，增加；溝，增加；N溝，減少）；溝，減少）；減少溝道載流子遷移率。減少溝道載流子遷移率。2.7.42.7.4氧化層電離陷阱電荷氧化層電離陷阱電荷QotQot 位于位于SiO2中，靠近中，靠近Si-SiO2界面，當(dāng)界面，當(dāng)- -射射線，線，- -射線，中子輻射及高低能電子輻射時，射線，中子輻射及高低能電子輻射時，打破打破Si-O-SiSi-O-Si鍵，在鍵，在SiOSiO2 2中產(chǎn)生電子空穴對，中產(chǎn)生電子空穴對，如果如果SiOSiO

28、2 2中沒有電場存在，電子空穴對將重中沒有電場存在，電子空穴對將重新復(fù)合，但當(dāng)新復(fù)合，但當(dāng)SiOSiO2 2中有電場存在，如中有電場存在，如NMOSNMOS柵極柵極加正電壓，電子向柵極運動，被復(fù)合掉。而空加正電壓，電子向柵極運動，被復(fù)合掉。而空穴被陷阱俘獲，在穴被陷阱俘獲，在Si-SiOSi-SiO2 2界面附近積累起正界面附近積累起正電荷，電荷， 這些正電荷會在這些正電荷會在Si表面感應(yīng)出負(fù)電荷，表面感應(yīng)出負(fù)電荷，使半導(dǎo)體表面有使半導(dǎo)體表面有N型化趨勢。這使型化趨勢。這使BJT管表面擊穿電壓下降。管表面擊穿電壓下降。 NMOS增強型難于制造增強型難于制造(VT=0(VT=0時，時，由于由于S

29、i-SiOSi-SiO2 2界面已有積累正電荷且無界面已有積累正電荷且無法控制，使增強型法控制，使增強型NMOS管管VTVT不好控不好控制制) )減少電離輻射陷阱電荷的主要方法是減少電離輻射陷阱電荷的主要方法是： 采用抗輻照氧化最佳條件，常采用抗輻照氧化最佳條件，常用用1000 1000 在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火在惰性氣體中進(jìn)行低溫退火(150(150400400) ) 采用抗輻射的鈍化層采用抗輻射的鈍化層SiSi3 3N N4 4等。等。Si-SiOSi-SiO2 2系統(tǒng)中的電荷系統(tǒng)中的電荷2.8 2.8 氧化層質(zhì)量評估與氧化層質(zhì)量評估與C-VC-V測試測試 要求要求SiO2層致密，無針孔，

30、厚度準(zhǔn)確，均勻，無玷層致密，無針孔，厚度準(zhǔn)確，均勻，無玷污。污。 (1)厚度檢查方法：厚度檢查方法： (a)目檢：在白光下，不同厚度目檢：在白光下，不同厚度SiO2層呈現(xiàn)不同層呈現(xiàn)不同干涉色彩，且有周期性。干涉色彩，且有周期性。 (b)單色光干涉法測單色光干涉法測SiO2厚度，測量精度厚度，測量精度TSiOTSiO2 2500500。利用單色光照射。利用單色光照射SiO2表面時由于表面時由于SiO2為透明介質(zhì)，為透明介質(zhì)， 入射光在入射光在SiO2表面和表面和Si-SiO2界面分別產(chǎn)生反射界面分別產(chǎn)生反射光，根據(jù)光的干涉原理，當(dāng)兩相干光光程差為光，根據(jù)光的干涉原理，當(dāng)兩相干光光程差為半波長的奇

31、數(shù)倍時，相位相反，兩光互相減弱，半波長的奇數(shù)倍時，相位相反，兩光互相減弱，出現(xiàn)暗條紋。兩相干光以光程差與出現(xiàn)暗條紋。兩相干光以光程差與SiO2的厚度的厚度TSiO2與與SiO2的折射率有關(guān)。有的折射率有關(guān)。有 , , 為光程差，為光程差，n n為為SiOSiO2 2的折射率。根據(jù)光相干原理，的折射率。根據(jù)光相干原理，若若2k2k/2/2時出現(xiàn)亮條紋，時出現(xiàn)亮條紋， (2k+1)(2k+1)/2/2時出現(xiàn)暗條紋。式中，時出現(xiàn)暗條紋。式中，為入射光波長，為入射光波長，k k為正為正整數(shù)整數(shù)k=0,1,2k=0,1,2 那么，假定在那么，假定在A點出現(xiàn)亮條紋，點出現(xiàn)亮條紋，B點出現(xiàn)暗點出現(xiàn)暗條紋，那

32、么有：光程差條紋，那么有：光程差A(yù)=2nTA=2nTA A , , B=2nTB=2nTB B 產(chǎn)生產(chǎn)生一明一暗條紋（一個干涉條紋）則一明一暗條紋（一個干涉條紋）則: : (c)橢圓偏振測厚儀測橢圓偏振測厚儀測SiO2厚度厚度 測量精度測量精度1010。(2)針孔、致密性檢查針孔、致密性檢查 鏡檢、暗傷查亮點、不均勻鏡檢、暗傷查亮點、不均勻(3)玷污情況檢查玷污情況檢查 采用采用C-V法測量較為普遍。法測量較為普遍。2.8.2 C-V法測量1.測試原理測試原理SiO2為電容電介質(zhì)層，為電容電介質(zhì)層，Co為以為以SiO2為介質(zhì)的為介質(zhì)的平板電容器平板電容器Cs為半導(dǎo)體空間電荷為半導(dǎo)體空間電荷區(qū)電容器區(qū)電容器由于由于Co不隨外電壓變不隨外電壓變化可看成常數(shù)，而化可看成常數(shù)，而Cs隨隨V變化，因此變化，因此有有C-V變化曲線。變化曲線。在理想情況下，對于P-Si，MOS電容有如下C-V特性（高頻測試）2.BT(Bias Voltage-Temperature) C-V法法 首先對首先對MOS電容進(jìn)行一次電容進(jìn)行一次C-V測試，獲得如上頁圖所式的測試，獲得如上頁圖所式的C-V曲曲線，然后在柵極線，然后在柵極(上極板上極板)加約加約1MV/cm的正向偏壓電場的正向偏壓電場(10v/10