SiO2的结构和性质

SiO2的结构和性质

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字号2010-05-03 21:31:25| 分类：微电子材料| 标签：sio2psg氧化原子薄膜|（氧化硅的结构怎样？为什么SiO2能够用作为B、P、Sb、As等杂质扩散的掩蔽膜？）

原创作者：Xie M. X. (UESTC，成都市)

氧化硅（SiO2）有晶体与非晶体之分，例如水晶（石英）就是一种晶态氧化硅，而硅片上热生长的氧化膜则为非晶态氧化硅。晶态氧化硅中的原子分布具有长程有序性；非晶态氧化硅中的原子分布也具有一定的有序性，但只是短程有序性。

在Si表面上制备氧化硅薄膜的方法有许多种，例如：热生长法；CVD（化学气相淀积）法，如烷氧基硅烷（如正硅酸乙酯[Si(OC2H5)4]，TEOS）的热分解（或热解氧化）淀积法；PVD（物理气相淀积）法等。

（1）SiO2的一般性质：

原子密度= 2.3×1022 cm-3；晶体密度= 2.27 g-cm-3；熔点≈1700 oC；比热Cp =1.0 J/g-oC；热导率= 0.014 W/cm-K；热膨胀系数（ΔL/LΔT）=0.5×10-6 [1/oC]（比Si和GaAs的都小）；禁带宽度Eg≈8eV；电阻率> 1016 Ω-cm（为绝缘体）；击穿电场≈600 V/μm。

（2）SiO2的结构：

氧化硅中的基本化学键是Si-O键（含有50 %的共价键和50 %的离子键）。

氧化硅中原子排列的基本结构是一种Si-O键构成的正四面体，即每一个Si离子的周围有4个按正四面体分布的O离子（Si离子中心与O离子中心之间的距离为1.6?，O离子与O离子中心之间的距离为2.27?）。然后，这种Si-O正四面体通过顶角的O离子而规则地连接起来形成网络式的结构，即构成晶态氧化硅。否则，若这些Si-O正四面体的连接不是很规则，即形成具有一些错乱的网络式结构，则为非晶态氧化硅。

显然，在氧化硅中存在许多由多个Si-O正四面体包围而成的空洞（网络中间的空洞），这些空洞的体积都比较大。实际上，Si-O分子本身所占据整个的体积较小，只有43%，而大部分都是空洞。因此，氧化硅的比重较小，晶态氧化硅的为2.65g/cm3，非晶态氧化硅的为2.21g/cm3。也因此，氧化硅比较容易地能够让半径较小的H、Na、K、Ca、Ba等杂质原子进入到其网络结构中（处在空洞里），并且这些杂原子在网络结构中的扩散也较容易，这种杂质往往称为网络改变剂。

在SiO2中掺入B、P、Sb、As、Al等杂质原子时，即可形成磷硅玻璃（PSG）、硼硅玻璃（BSG）等。掺入的这些杂质原子，在SiO2结构中往往取代Si-O正四面体中心的Si，形成带电的缺陷，这些杂质原子常称为网络形成剂。由于这种杂质原子在网络中的位置稳定，故在SiO2中的扩散速度较慢，所以氧化硅薄膜可用作为热扩散工艺中的掩蔽膜，以阻止B、P、Sb、As等这些杂质原子的扩散。

由Si和SiO2的比重可以求出每一克分子的Si和SiO2的体积分别为12.06cm3/mole和27.18cm3/mole，则每一克分子的Si薄膜和SiO2薄膜的厚度之比为0.44，这就是说，若要生长100nm的SiO2薄膜，那么只需要消耗44nm的Si即可。

（3）Si/SiO2界面的性质：

一般，Si/SiO2界面处的界面态密度≤1010cm2。这些界面态往往是由于氧化不完全等之故，使得在界面的30?范围内存在许多Si原子的悬挂键（即未与氧原子结合的价键——带正电荷的中心）所造成的。为了减少这种悬挂键，可以通过氢气退火，让一些氢原子进入到界面、并与悬挂键形成Si-H键（中性）来实现；不过，这些Si-H键的离解能较小，约为0.3 eV。

Si/SiO2界面处的势垒高度与半导体型号有关：对n型半导体的电子，势垒高度约为3.2eV；对p型半导体的空穴，势垒高度约为4.9 eV。

（4）磷硅玻璃（PSG）薄膜的性质：

①磷硅玻璃（PSG）的成分为P2O5+ SiO2。

②PSG中的氧负电中心对Na离子有提取、固定和阻挡作用，故可用作芯片的最后钝化膜。但为了避免SiO2膜中偶极子的极化效应以及潮解所引起的器件不稳定和Al条被腐蚀等弊病，应该控制SiO2膜中P2O5的含量<5%，或者在PSG膜上再淀积一层SiO2、成为[SiO2-PSG-SiO2]复合膜来使用。

③PSG的热膨胀系数随着P2O5成分的增大而增大，利用这种特性即可实现PSG与半导体的良好热匹配。例如：

P2O5含量≈15%的PSG可与硅有很好的热匹配性；P2O5含量≈20%~24%的PSG可与GaAs能很好热匹配。因此，可在半导体表面上直接淀积成分适当的较厚的PSG薄膜来进行钝化。

④PSG可以阻挡Zn和Sn等杂质的扩散（而SiO2薄膜则否），则PSG可用作为GaAs的扩散掩蔽膜、注入掩蔽膜或包覆层。⑤PSG在1000oC~1100oC的中性或氧化性气氛中加热时，会变软和回熔，并产生一层平滑的几何外形，这有利

于随后的金属布线。作为这种用途的PSG，其中的P2O5含量可偏高到6% ~8%（P2O5含量低时不易软化和流动）；包含有B的PSG（B3%，P5%），在900 oC左右就会软化.