1、3.2氧化工藝,1957年研究發(fā)現(xiàn)SiO2具有阻止雜質(zhì)原子向硅內(nèi)部擴(kuò)散的作用。硅表面總是覆蓋一層SiO2,它具有極穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和電絕緣性質(zhì)。SiO2制備和光刻、擴(kuò)散結(jié)合導(dǎo)致了平面工藝和超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展。,3.2.1SiO2的作用：,1.對(duì)雜質(zhì)擴(kuò)散的掩蔽作用2.作為MOS器件的絕緣柵材料3.對(duì)器件的保護(hù)作用(鈍化膜)4.用作集成電路的隔離介質(zhì)和絕緣介質(zhì)5.作為集成電路中電容元件的介質(zhì),SiO2結(jié)構(gòu)和性質(zhì)SiO2是一種廣泛存在的一種物質(zhì)。分為結(jié)晶型和非結(jié)晶型。方石英和水晶屬于結(jié)晶型的。熱氧化制備的SiO2是無(wú)定型的，是一種透明的玻璃體。（硅晶體演示）1、結(jié)構(gòu)：Si-O四面體。結(jié)晶型Si

2、O2是四面體在空間規(guī)則排列所構(gòu)成的。非結(jié)晶型SiO2是四面體在空間不規(guī)則排列所構(gòu)成的。,二氧化硅晶體結(jié)構(gòu)示意圖,2、主要性質(zhì)（1）密度密度是SiO2致密程度的標(biāo)志。密度大表示SiO2致密程度高，密度小表示SiO2致密程度底，無(wú)定型的SiO2密度一般為2.20g/cm3.（2）折射率折射率是表征SiO2薄膜光學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù).一般來(lái)說(shuō),密度大的SiO2具有較大的折射率.波長(zhǎng)為5500A時(shí),其折射率約為1.46（3）電阻率SiO2的電阻率高低與制備方法和所含雜質(zhì)等因素有密切關(guān)系,高溫干氧氧化法制備的SiO2電阻率可超過(guò)1016cm,（4）介電強(qiáng)度SiO2作為絕緣介質(zhì)時(shí),常用介電常數(shù)來(lái)表示薄膜的

3、耐壓能力,SiO2薄膜的介電強(qiáng)度的大小與致密度、均勻性、雜質(zhì)含量等因素有關(guān)。一般為106107V/cm。（5）介電常數(shù)介電常數(shù)表示電容性能，對(duì)MOS電容器，其電容量有下列關(guān)系式：式中，S為金屬電極的面積，d為SiO2的厚度。0為相對(duì)介電常數(shù)，一般為3.84.0,SiO2為SiO2的相對(duì)介電常數(shù)。,（6）腐蝕SiO2的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，只與氫氟酸能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)式如下：SiO2+4HFSiF4+2H2O反應(yīng)式生成的四氟化硅能進(jìn)一步與氫氟酸反應(yīng)生成可溶于水的絡(luò)合物-六氟硅酸，反應(yīng)式為：SiF4+2HFH2（SiF6)總的反應(yīng)式為：SiO2+6HFH2（SiF6)+2H2O在生產(chǎn)中利用SiO2能

4、與氫氟酸反應(yīng)的性質(zhì)，完成對(duì)SiO2腐蝕的目的。,3、SiO2的屏蔽作用SiO2在集成電路中的重要作用之一，就是作為選擇擴(kuò)散的掩蔽膜。雜質(zhì)在硅中的擴(kuò)散系數(shù)：DSiO2=D0exp(-E/kT)E為雜質(zhì)在SiO2中擴(kuò)散激活能，D0為表觀擴(kuò)散系數(shù)。在確定所需SiO2的厚度時(shí)，假定SiO2表面處的雜質(zhì)濃度與Si-SiO2界面處的雜質(zhì)濃度為某一個(gè)值（例如為103）時(shí)，就認(rèn)為起到了屏蔽作用，由此可求出所需SiO2的最小厚度。,下圖給出了用干氧氧化方法生長(zhǎng)的SiO2層，在不同屏蔽氣態(tài)P2O5和B2O3雜質(zhì)源，擴(kuò)散時(shí)間和所需最小厚度的關(guān)系。,3.2.2SiO2的生長(zhǎng)方法-熱氧化,制備SiO2的方法很多，有分解

5、沉積法，濺射法，真空蒸發(fā)法，陽(yáng)極蒸發(fā)法，等離子氧化法等，對(duì)集成電路制造來(lái)說(shuō)，熱氧化法制備的SiO2質(zhì)量最好，是重要的基礎(chǔ)工藝之一?；瘜W(xué)氣相淀積也是一種重要的氧化方法。1熱氧化原理熱氧化是指硅與氧或水汽，在高溫下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成SiO2。熱氧化的特點(diǎn)：1.具有很高的重復(fù)性和化學(xué)穩(wěn)定性；2.表面懸掛鍵少，表面態(tài)密度減小。,熱氧化的基本過(guò)程：,SiO2表面,SiO2,原先的Si界面,Si襯底,氧化過(guò)程主要分為兩步：,1氧化物質(zhì)（如氧氣）通過(guò)擴(kuò)散方式穿過(guò)硅表面上已有的一層SiO2薄膜進(jìn)入SiO2和Si之間的界面。2氧化物質(zhì)在界面處與Si起反應(yīng)生成新的SiO2層并不斷變厚。其反應(yīng)式：若氧化物質(zhì)是氧氣：Si

6、+O2=SiO2若氧化物質(zhì)是水蒸氣：Si+2H2O=SiO2+2H2可見(jiàn)，氧化反應(yīng)生成新的SiO2要消耗一部分Si，使硅片變薄。消耗的Si層厚度XSi與生成的SiO2層的厚度XSiO2之間的關(guān)系為：XSi=0.44SiO2,總結(jié)：熱氧法生長(zhǎng)的SiO2來(lái)源于硅表面，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硅表面的位置不斷向硅內(nèi)方向移動(dòng)。無(wú)定形的SiO2分子密度為：2.21022/cm3,Si的分子密度：5.01022/cm3.生長(zhǎng)一個(gè)單位厚度的SiO2需要消耗0.44個(gè)單位厚度的硅層。,氧化爐,2常用的熱氧化方法,（1）氧氣氧化分為干氧氧化和濕氧氧化兩種方式。,A、干氧氧化干氧氧化是指在高溫下，氧與硅反應(yīng)生成SiO2：

7、Si+O2SiO2氧化的溫度為9001200。干氧氧化生成的SiO2結(jié)構(gòu)致密，干燥，均勻性好，掩蔽能力強(qiáng)，與光刻膠粘附性好，但速率慢。B、水汽氧化水汽氧化是指在高溫下，水汽與硅反應(yīng)生成SiO2：Si+2H2OSiO2+2H2水汽氧化的過(guò)程復(fù)雜，水汽氧化過(guò)程中SiO2網(wǎng)絡(luò)不斷削弱，致使水分子在SiO2中擴(kuò)散加快，因此，水汽氧化生成的SiO2質(zhì)量較差，但速度較快。,C、濕氧氧化濕氧氧化是將氧氣通過(guò)95高純水，鼓泡后將水汽帶入爐中。既有氧，又含有水汽。有兩種化學(xué)反應(yīng)。濕氧氧化生成的SiO2質(zhì)量比干氧氧化生成的略差，但速度很快。缺點(diǎn)是光刻時(shí)與光刻膠接觸不良。在實(shí)際生產(chǎn)中采用較多的是干氧-濕氧-干氧的方

8、法。在工業(yè)生產(chǎn)中，氧化爐石英舟內(nèi)可放置多達(dá)200片直徑為150300mm的硅片。為保證同一片及各片之間的氧化層厚度的均勻性，要求硅片所在范圍的爐內(nèi)溫度變化不得超過(guò)0.5。,（2）氫氧合成氧化,在常壓下分別將純氧和純氫直接通入石英管內(nèi)，使之燃燒成水：H2+O2H2O水在高溫下與硅反應(yīng)生成SiO2?？梢詼p少Na離子污染，生長(zhǎng)速率比濕氧快，氧化層質(zhì)量高，速率易控制，均勻性也較好。,（3）高壓氧化,高壓氧化分為高壓干氧氧化和高壓濕氧氧化兩種。與相應(yīng)常壓氧化方法的區(qū)別在于氧化氛圍處于高壓狀態(tài)。高壓氧化的優(yōu)點(diǎn)在于氧化層質(zhì)量好，氧化速度快，可大大降低氧化溫度，縮短氧化時(shí)間。,常壓化學(xué)汽相淀積,3化學(xué)氣相淀積

9、CVD方法,氧化質(zhì)量控制：1.氧化膜厚度控制2.氧化膜表面質(zhì)量控制硅片表面檢查，清洗，石英管和夾具的清潔，氣體和去離子水，操作過(guò)程3.固定氧化物電荷控制通過(guò)退火溫度控制，氧化速率4.針孔密度控制,1、性能氮化硅（SiN4)可以作為鈍化膜、局部氧化掩膜、擴(kuò)散掩膜、絕緣介質(zhì)膜。氮化硅對(duì)H2O和Na有強(qiáng)烈的阻擋作用,是一種較理想的鈍化材料。用氮化硅作擴(kuò)散掩膜可實(shí)現(xiàn)SiO2無(wú)法實(shí)現(xiàn)的阻止AL、Ga、In等雜質(zhì)的擴(kuò)散。Si3N4的擊穿強(qiáng)度較高，且有較高的熱傳導(dǎo)系數(shù)，適宜作多層布線的絕緣材料。,3.2.3氮化硅薄膜,2、制備1.常壓CVD法(APCVD)2.低壓CVD法(LPCVD)3.等離子體CVD法(

10、PCVD法)其中PCVD法可以在較低的溫度下淀積,3.2.4二氧化硅薄膜質(zhì)量要求和檢驗(yàn)方法,從四方面進(jìn)行檢查1、表觀檢查檢查氧化層顏色是否均勻(反映膜厚均勻情況),表面有無(wú)斑點(diǎn)、裂紋、白霧等，一般用顯微鏡檢查。2、氧化層厚度檢測(cè)(1)干涉法(1)熱氧化形成SiO2層(2)在SiO2膜層上用臘形成保護(hù)層(3)用HF酸腐蝕沒(méi)保護(hù)層的SiO2(4)用有機(jī)溶劑去掉臘保護(hù)層(5)利用干涉顯微鏡測(cè)量干涉條紋的彎曲量(6)用公式計(jì)算(2)用橢偏法測(cè)試,3、針孔密度檢查若氧化層質(zhì)量不高，含有針孔，將破壞其絕緣性能和掩蔽雜質(zhì)擴(kuò)散的能力。目前已有多種方法檢測(cè)是否有針孔及測(cè)量針孔密度的方法。4、二氧化硅中可動(dòng)電荷密度、界面態(tài)密度等表面參數(shù)的測(cè)定氧化層中可動(dòng)電荷、界面態(tài)密度的高低將影響晶體管的漏電流和MOS器件的閾值電壓，通常用專門的C-V測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。,3.2.5氧化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn),超薄柵氧化層質(zhì)量的保證高介電常量（high-k)柵材料的開(kāi)