氧化和原子层淀积技术在线视频

诸位同学大家好

今天我们学习第四章

薄膜制备技术的第三节

氧化和ALD

所谓ALD就是

Atomic Layer Deposition

原子层沉积的意思

那么氧化和ALD

通常是用来制作这个

CMOS器件栅氧化层

也就是薄的高质量氧化层的

这样的一个制备技术

那么氧化很简单

那么就是实际上是利用

衬底材料

那么在一个氧气的环境下

使得这个衬底材料氧化的

这样的一个过程

你譬如说衬底材料是硅

那么在氧气的气氛下

就会生成二氧化硅

那么当然这个气氛

也可以用其他的氧化气体

譬如说水汽

你譬如说一氧化二氮等等

那么它的这个氧化的这个温度

往往要的很高

你譬如说硅和氧反应

那么在1000度左右的

这样一个温度

那么正因为要很高的温度

那么它的从设备的角度来讲

它是在一个这个管式的石英管

那么为了使得它的整个

这个温度场能够很均匀的话

那么它的整个这个炉体

是要分五区分别加热的

那么使整个这个炉子很长

你比如说它的炉体

可以到4到5米

那么它的加上前面的这个

装片子的这个区域

那么一个炉子的长度呢

往往要到8到10米长

这样一个炉子

大家知道这个超净间里头的

这个面积的话

是寸土寸金的

所以呢现代的这个集成电路

往往它不是这种平行躺式

也就是所谓的卧式炉

而是所谓立式炉

立式炉其实就是把这个

整个的这个炉子立起来了而已

那么这样的话

可以节约超净间的这个空间

那么另外一个这个

氧化不一样的

除了这个刚才说的这个

通过这个加热的这个炉体

来形成这样一千度左右的

这样的一个氧化的

这个温度以外呢

那么因为这样的炉子很大

那么硅片进去

升温降温的速度也很慢

那么整个的这个氧化时间

往往是在譬如说半个小时

二十分钟这样的一个量级

那么前几节的课程中

我们讲到了

那么在整个这个

制造介质膜的一个工艺过程中

我们很在乎的一个东西

就是Thermal budget

也就是说我们希望

整个工艺过程的热预算

要尽可能地小

那么刚才说的比较高的

这个温度下

又持续很长时间的话

那Thermal budget很大

那么我们也可以用

更直接更快速的

一些加热的方式

你譬如说典型的

就是用高功率的碘钨灯

来实现这个硅片的加热

那么这张图呢

就是所谓的RTP

就是 Rapid Thermal Processing 的一个设备

那么它是单片硅片

直接加热这个硅片

然后用很贴近的

那么高功率的这个碘钨灯的阵列

来加热的

这样它呢氧化的温度

也同样可以到一千度左右

但是呢氧化的时间非常短

是多少秒数量级的这样的

这样呢可以大大的降低

这个所谓的这个Thermal budget

那么它的道理呢

实际上跟这个氧化的过程

也是一样的

那么氧化的动力学过程

那么实际上是这样

那么就是氧气

那么宏观的气体流动

到了这个硅片的这个表面的

这个气体滞留层的话

那么氧气是通过扩散

穿过这个气体滞留层

之后呢在这个衬底的表面吸附

吸附了之后

因为衬底的表面

往往已经开始氧化了

那么氧化了已经

有一层氧化硅了

这个氧气的气氛

还要通过扩散

穿过这样一层二氧化硅

达到这个硅和二氧化硅的界面

然后呢在温度的作用下

与这个衬底的硅反应

生成二氧化硅

整个这个动力学过程呢

那么就是这样一个过程

那么在工艺实际的里头

那么往往大家要注意的

一件事情就是

硅在与氧气反应之后

生成二氧化硅的过程

同时也是一个体积膨胀的过程

那么就是说

硅变成了二氧化硅之后

它的体积大概要膨胀一倍左右

也就是说硅膜的厚度

大概只是二氧化硅膜厚度的

44%左右的这样一样

这个体积的膨胀

在实际工艺中

往往会引起局部的应力

这也是我们集成电路里头

氧化里头

那么时常要考虑的一个

实际的问题

那我们再回过头来看

这个氧化的这个动力学过程

那么这有一个

这个所谓的模型叫Deal-Grove模型

那么具体的看

那么整个的这个氧化过程

实际上可以分成三个

相对独立的一个过程

第一个过程呢就是气体

扩散穿过滞留层的这样一个过程

就是氧气通过扩散

穿过滞留层达到硅片表面的

这样的一个过程

那么它这个氧气的输运的流

如果要写成J1的话

那么它显然与气体里

传输过来的气体里头的

氧气的浓度

和硅片表面的浓度差

与它这个正相关

第二个过程呢

就是表面的这个氧气

那么通过半导体的吸附

变成了这个吸附的

表面的浓度

你譬如说Co

那么与硅二氧化硅和硅

界面地方的这个

氧气的浓度所谓Ci

它们之间的这个浓度差

那么驱动了氧气

那么氧分的这样一个扩散

那么这个呢我们把这个流

可以写成J2

那么还有第三个这个过程

所谓J3就是说

到达了硅与二氧化硅

界面的这个氧与硅表面

与硅反应生成二氧化硅的

这样一个过程

那么这个反应过程呢

它主要是与温度相关的

那么这个过程呢

当然一方面与温度相关

另一方面与这个

达到界面的这样的

氧的浓度相关

那么这个流我们写成J3

那么显然这J1 J2 J3

这三个这个流

是串联进行的

那么可以写成整个的流

等于J1也等于J2

也等于J3

那么但是这个只有

这样一个过程的话

实际上中间有三个未知数

一面的这个氧的浓度这个Cs

以及半导体吸附的

氧的浓度Co

以及二氧化硅和硅界面中的

氧的浓度Ci

那么三个未知数

只有两个方程

这个没办法解

那么但是呢我们以前学这个

这个热力学的时候

有一个亨利定律大家知道吧

那么亨利定律的

这个意思呢就是说

吸附的这个氧的浓度呢

实际上是跟外面的氧的

分压相关的

那么也就是Co等于HPs

那么通过引入亨利定律呢

那我们就是三个方程

三个未知数

那么就可以解出来

那么氧化过程的

氧化层的厚度与时间的

这样的一个关系式

那么就是图中显示的

这样的一个关系式

那么在这个两个

极端的情况下

那么我们可以给出

这个关系式的一个

重要的表达

一个是呢就是

当这个氧化刚开始的时候

也就是说初始的氧化层

很薄的时候

那么这个关系式

就可以简化成

实际上就是Tox

那么直接正比于氧化的时间

也就是说在初期的氧化的时候

那么氧化的速率

氧化的厚度

是跟时间成线性关系的

这也很容易理解

开始的时候那么它

它几乎没有这个氧

在这个二氧化硅中

扩散的这样的一个过程

但是随后

随着这个氧化层的厚度

增厚之后

那么整个的这个反应过程

实际上就不由这个

界面处的反应决定了

而是由氧气在二氧化硅中

扩散达到界面处的

这个速度决定的

那么这时候呢

氧化的这个厚度的增长

就与这个氧化时间

逐渐的成一个抛物线的

这样一个饱和的

一个特性了

那么实际的这个

因为这个模型

它主要描述了整个的

这个氧化的一个

动力学过程

但是实际上具体的计算

氧化的速率

实际上是很困难

中间有很多这个物理参数

实际上是要靠实验经验

来提取的

那么在实际的

半导体的工艺当中呢

我们通常会通过一些实验数据

把它画成一些曲线

那么你直接查曲线

那么就可以得到

不同的温度下

那么不同的氧化时间

所得到的氧化层的厚度

像这个图就给出了一个

干氧氧化就是干氧气

氧化的一个速率

和温度的一个图

另外呢这边这个图

给出了这个湿氧

也就是水汽氧化的速率

那可以看到

水汽的氧化速率

远远高于干氧

那么这是为什么呢

是因为水汽在二氧化硅中的

扩散速度

远远大于氧气在

二氧化硅中的扩散速度

也就是说水汽更容易

穿过二氧化硅

达到硅与二氧化硅的界面

那么这也是我们

往往有的时候需要

比较快速的氧化的时候

那么我们会在

氧的气氛中

掺入少量的水汽

那么使得它的扩散

增强它的扩散

那么我们讲到了

这个氧化的工艺

通常我们是用到

栅氧化层的制备上的

那么在栅氧化层的制备当中

除了这个氧化膜本身以外

还要关注一些重要的事情

第一个呢

就是钾钠等碱金属离子的控制

大家知道钾钠等碱金属离子

在二氧化硅和硅中都是快扩散杂质

它在二氧化硅中

会形成移动电荷

使得CMOS器件的

阈值电压漂移

所以呢氧化之前的清洗

尤其是去除碱金属离子

是非常苛刻的

这是一个工艺控制中

要注意的一个事情

另外一个呢

就是即使你整个的

工艺控制再严格

也很难完全杜绝

碱金属离子的沾污

那么在氧化的过程中呢

在整个的氧化气氛中

通入少量的氯化氢气体

也是使得它跟碱金属离子反应

那么这也是一个

进一步控制碱金属离子

沾污的一个办法

还有一个呢就是

在栅氧化层界面

栅氧化层当中

硅与二氧化硅之间的界面

是非常非常重要的

它呢直接决定了

器件的这个阈值等等特性

所以在氧化之前

硅表面的处理

是非常非常重要的

那么要把硅表面处理好

这样使得尽可能的

减少硅与二氧化硅

之间的界面缺陷

那么还有一个

栅氧化层很重要的问题

是什么呢

就是我们这张图给出了

我们实际器件的一个结构图

大家知道

那么栅氧化层上边是栅

栅的话我们通常

是用重掺杂的多晶硅

来做栅材料

那么对于P型栅的话

它的掺杂元素呢是硼

硼的扩散系数是很大的

那么如果要是

二氧化硅的这个栅氧化层

是很薄的我们前面讲

它的厚度只有1到3个纳米的厚度

这么薄的二氧化硅

在后续的热处理中

那么这个多晶硅栅上的这个硼

就有可能穿过这样一个二氧化硅

到达沟道

使得沟道的杂质分布

与我们原来预期的杂质分布

就会不一样

那么这个杂质分布的这个变化

也会影响整个器件的

包括阈值等等

其他的这个特性

所以呢二氧化硅的

栅介质这个东西

要做的尽可能的致密

使得它具备

阻挡这个硼穿通的

的一个特性

那么通常在制备的过程中呢

往往会加有意的加

少量的一氧化氮

使得呢这个氧化层

不是一个完全意义下的

二氧化硅而是一个氮氧化硅

氮氧化硅它对硼的

阻挡特性

会比二氧化硅好

这是第一

第二呢我们要尽可能的

使得这个栅介质不要太薄

那么厚一点的话

对阻挡这个硼穿通

也是有好处的

但是呢栅氧化层的厚度

实际上并不是可以自由选择的

那么它随着

整个器件的scaling down

它也必须得减少

这样的话

另外一个选择呢就是说

我们上面的栅

就不用掺杂的多晶硅

而是用所谓的金属栅

这个我们在后续的课程中

会讲到

那么为什么要用金属栅

其中一个很重要的问题就是

那么栅氧化层的

厚度的减薄以至于

我们把所有的手段

都用上之后

也没办法克服硼穿通的问题了

那么就我们不得不

就是放弃掉这个掺硼的

多晶硅来做栅

这样的一个选择

而选择金属栅

另外一个问题呢就是

随着整个器件的

特征尺寸的减小

大家知道现在的

先进的COMS的特征尺寸

已经到了22纳米16纳米

这样的一个量级

那么整个的栅氧化层

为了减小短沟道效应

那么整个的栅氧化层

厚度要持续的减薄

那么这张图给出了

就是当器件的特征尺寸

小于50纳米以后

它的这个栅氧化层的厚度呢

实际上要做到1纳米左右

那么1纳米是什么概念呢

大家学这个量子力学可以知道

任何势垒不管这个势垒的

势垒高度有多少

如果势垒宽度

小于一个纳米以后的话

那么整个的量子隧穿就非常大了

而且呢这个量子隧穿的这个几率

与厚度的减薄是呈指数关系的

那么也就是说

到了1纳米以后

那么随着这个势垒宽度的减薄

那么隧穿几率是很大的

那么这样的话会引起

很大的栅漏电

那么也就是说

从减小这个短沟道效应的角度讲

那么CMOS器件要有

足够的栅控能力

也就是说的它的栅氧化的

这个栅电容要足够的大

但是同时呢

增大栅电容的一个

最有效的办法就是减小

栅的氧化层厚度

但是呢减小栅氧化层厚度

刚才说了已经到了

1纳米这样的一个量子隧穿

的这样一个门槛了

那么进一步减小这个

氧化层厚度

实际上是不可行的

那么怎么办呢

那么另一个办法的话

就是说在不减小

栅电容的情况下

那么怎么做呢

那么实际上是用

更高的介电常数的

比二氧化硅更高介电常数的

这样的一个栅介质

这样的话我的这个厚度不减薄

但是呢介电常数增加

同样可以增加这个栅

电容的一个容值

那么这就是我们所说的

引入的所谓EOT Effective Oxide Thickness

这样的一个概念

也就是说我用更高的

介电常数的介质

比二氧化硅更高的

介电常数的介质

来取代二氧化硅

这样的话

我的物理厚度

可以维持得比较大

而我的等效成二氧化硅

也就是从电容的角度来看

等效成二氧化硅的

厚度可以比较小

那么就是这个公式的

这个表示

这样的材料有哪些呢

比二氧化硅的介电常数大的

下面有这些材料

那么它的这个介电常数

都比二氧化硅大很多

二氧化硅的介电常数是3.9

那么这个图呢

给出了

20埃的二氧化硅的

也就是2纳米的二氧化硅的

这样的一个对电容的贡献

那么大概如果要是

我把这个材料换成氮化硅

氮化硅的介电常数是7

或者是氧化铝

它的介电常数是9

也就是说它们大概的

介电常数是二氧化硅的

一倍的这样的一个介质的话

那我同样的电容

我的物理厚度就可以增加一倍

可以到4个纳米

那么我如果要采用

更高的介电常数的材料

譬如说氧化铪

譬如说氧化镧

等等这些材料的话

那么我的整个的

同样的这个栅电容下

我的厚度可以增加到10纳米

这样的话我物理厚度

增加了之后呢

刚才说的由于量子隧穿

引起的这样一个栅漏电

就会大幅度的减少

那么这个图呢就给出

这样的一个示意

也就是说我对于

小尺寸的器件的话

那么我追求的不是

栅氧化层厚度的

进一步的减小

而是EOT的减小

也就是等效到二氧化硅的

厚度的减小

那么我用

更高介电常数的材料

不减少它的物理厚度

而减小它的等效

二氧化硅厚度

也就是减小它的EOT

这样的话我既满足了

抑制短沟道效应

所需要的增大氧化

栅电容的要求

同时呢又满足了

不减小它的物理厚度

使得它的栅漏电

不要太大的一个特性

那么这样一来呢

就是说我们的

栅的介质层

就要从氧化硅

过渡到所谓的high k材料

就是高介电常数材料

你譬如说这个图给出了

1.2纳米的氧化硅和

3纳米的high k材料的对比

那么3纳米的high k材料

譬如说氧化铪

它的等效的二氧化硅厚度

只有0.8个纳米

那么它从这个栅控能力的

角度来讲

3纳米的这个high k材料

比1.2纳米的二氧化硅材料

栅控能力更强

而它的物理厚度呢

到了3纳米

这样的话栅漏电可以小很多

那么这种high k材料

因为它不是二氧化硅

那么它怎么制备呢

就不能用我们刚才说的

直接用氧气氛与衬底的

硅反应来制备了

而同时呢它又是非常薄的

譬如说3个纳米

大概是什么概念

你譬如说二氧化硅

它的这个硅的原子的尺度

大概是0.4纳米的

就是4个埃

那么二氧化硅的这个尺度

大概是这个4个埃

就是0.04纳米

那么就是说

一个二氧化硅的这个

原子的尺度呢

大概是零点几个纳米

譬如说就是2埃

左右的这样的一个尺度

那么就是0.2个纳米

所以的话3个纳米

大概就是几十个原子层的

这样的一个厚度

那么像这样薄的

这样一个介质层的话

那么又不是二氧化硅

我们通常用什么办法来制备呢

就是用所谓的ALD

Atomic layer deposition

它的整个的制备的过程

大概是这样

首先实际上

Atomic layer deposition

是一种特殊的CVD

就是上一节我们讲的CVD技术

那么它的整个的这个

介质的生成物

都是靠气体的源来带来的

而不是靠衬底

那么我们整个的与

常规的CVD的差别在于哪呢

首先它把两种反应物

是通过前驱体

就是第一种反应物气体过来

过来之后呢

那么它跟这个衬底表面吸附

吸附一个原子层

之后呢它就把这个气体

多余的气体抽掉

在真空下抽掉

使得只保留那么

与衬底这个吸附的

这一个单层的反应气体

然后它把第二个

反应气体放进来

放进来也是一样

那么只有这个与固体吸附的

这一个单分子层留在这

剩下的气体它都把它抽掉

这样的话也就是说

只把形成这个

high k材料的一个原子层的

反应物和被反应物

把它放到这个衬底上

然后让它们反应

这样的话就可以

一次形成一个单分子层

那么这个过程呢

周而复始

那么好在呢

我们整个的这个需要

制备的这个超薄的氧化层

刚才我讲了

大概也只有几十个

分子层的这样的一个厚度

那么我们用这种

所谓原子层淀积

那么就可以形成

这样高质量的

而且是非常薄的

一些high k材料

那么这个呢

是这个制备high k材料的

一个很重要的一个技术手段

那么从整个的

工艺过程中

大家可以看到

它与CVD技术

不一样的是什么呢

它完全它的这个反应物和

被反应物的话

完全是靠这个固体的表面吸附

来达到这个衬底表面的

所以呢它对整个的台阶覆盖

是非常好的

就是说它的表面吸附

是完全是均匀的

是一个分子层一个分子层的

这样的一个过程

所以呢它可以达到

非常好的这样的一个

台阶覆盖性

那么当然它的这个问题呢

就是说它的生长速率

非常地慢

一次呢一个cycle

那么只是生长一个分子层

好在呢我们的这个high k材料

需要的这个厚度也是非常薄的

那么这个就是所谓的ALD

那么小结一下

我们这一节的主要讲的内容

一个是我们要了解

氧化的动力学过程

和这个所谓的Deal-Grove模型

那么氧化的反应呢

是发生在硅和二氧化硅界面的

那么整个的输运过程

那么和界面反应过程

它是一个串联进行的

那么如果对于

已经有比较厚的氧化层了

那么它的整个的反应过程

实际上是受这个

氧气分扩散穿越二氧化硅

的过程控制的

但是对比较薄的

这个二氧化硅的话

它整个的反应过程

是受界面的反应速度限制的

这是一件事情

另外一件事情呢

就是栅氧化层的制备

除了这个制备高质量的氧化层

薄膜本身以外

那么其他的很多问题

也是非常重要的

也要同等的对待

你譬如说这个氧化层与

这个衬底的界面问题

那么氧化层的这个

抗硼穿通的问题

那么随着这个器件的

特征尺寸减小

那么它

如果用二氧化硅的话

它的物理厚度要降到

1纳米以下

已经到了这个量子隧穿的

这个门槛

那么我们必须要换high k介质

那么high k介质呢

它可以在不减小

在比较相对比较大的

物理厚度的情况下

达到比较小的这个

等效二氧化硅厚度

那么就是所谓的EOT概念

也是很重要的一个概念

希望同学们呢

能够理解这样的一个

EOT的概念

以及为什么

要换成这个high k介质

那么ALD也就是

Atomic layer deposition

是制备high k介质的

超薄的high k介质的

一个主要的手段

也是目前先进的集成电路里的

制备这个高质量栅介质的

一个主打的手段

那么谢谢大家