热氧化生长动力学的研究

热氧化生长动力学的研究

摘要在分立器件与集成电路制造过程中，需要很多类型的薄膜，这些薄膜主要分为四类：热氧化薄膜、介质、多晶硅以及金属膜等。半导体可采用多种氧化方法，包括热氧化法、电化学阳极氧化法以及等离子体反应法。对于硅来说，热

的生长原理和影响因氧化法是最重要的。本文主要讲述了在热氧化过程中SIO

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素。

一引言

在分立器件与集成电路制造过程中，需要很多类型的薄膜，这些薄膜主要分为四类：热氧化薄膜、介质、多晶硅以及金属膜等。半导体可采用多种氧化方法，包括热氧化法、电化学阳极氧化法以及等离子体反应法。对于硅来说，热氧化法是最重要的。在热氧化薄膜中，有两种膜最重要：一种是在漏/源极的导通沟道覆盖的栅极氧化膜（gate oxide）;一种是用来隔离其他器件的场氧化膜（field oxide）。这些膜只有通过热氧化才能获得最低界面陷阱密度的高质量氧化膜。二氧化硅SiO2和氮化硅Si3N4的介电薄膜作用：隔离导电层；作为扩散及离子注入的掩蔽膜；防止薄膜下掺杂物的损失；保护器件使器件免受杂质、水气或刮伤的损害。由于多晶硅电极的可靠性由于铝电极，常用来制作MOS器件的栅极；多晶硅可以作为杂质扩散的浅结接触材料；作为多层金属的导通材料或高电阻值的电阻。金属薄膜有铝或金属硅化物，用来形成具有低电阻值的金属连线、欧姆接触及整流金属-半导体接触势垒器件。

二二氧化硅简介

2.1 SiO2的结构

S iO2 分为结晶形和无定形两类。结晶形 SiO2 由 Si-O 四面体在空间规则排列而成，如水晶；无定形 SiO2 是 Si-O 四面体在空间无规则排列而成，为透明的玻璃体、非晶体，其密度低于前者，如热氧化的 SiO2 、CVD 淀积的 SiO2 等。Si-O 四面体的结构是，4 个氧原子位于四面体的 4 个角上，1 个硅原子位于四面体的中心。每个氧原子为两个相邻四面体所共有。

2.2 SiO2的性质

1）、二氧化硅的绝缘特性

二氧化硅具有电阻率高、禁带宽度大、介电强度高等特点。而且二氧化硅最小击穿电场(非本征击穿)：由缺陷、杂质引起，最大击穿电场(本征击穿)：由SiO2厚度、导热性、界面态电荷等决定。实验证明二氧化硅氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低。

2）、二氧化硅的掩蔽性质

B、P、As 等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其在Si中的扩散系数。SiO2做掩蔽膜要有足够的厚度：对特定的杂质、扩散时间、扩散温度等条件，有一最小掩蔽厚度。

3）、二氧化硅的化学稳定性

二氧化硅是硅的最稳定化合物，属于酸性氧化物，不溶于水。耐多种强酸腐蚀，但极易与氢氟酸反应。在一定温度下，能和强碱(如NaOH，KOH等)反应，也有可能被铝、氢等还原。

2.3二氧化硅在IC中的主要用途

二氧化硅可用做杂质选择扩散的掩蔽膜、IC的隔离介质和绝缘介质、

电容器的介质材料以及MOS器件的绝缘栅材料等等。

三热氧化动力学的原理

3.1原理

热氧化工艺的原理就是在硅衬底上生成高质量的二氧化硅薄膜。热氧化工艺分为干氧氧化和湿氧氧化。反应方程式如下：Si+2H2O→SiO2+2H2湿氧氧化

Si+O2→SiO2干氧氧化

热氧化是高温工艺。在高温下，一开始是氧原子与硅原子结合，二氧化硅的生长是一个线性过程。大约长了500Å之后，线性阶段达到极限。为了保持氧化层的生长，氧原子与硅原子必须相互接触。在二氧化硅的热生长过程中，氧气扩散通过氧化层进入到硅表面，因此，二氧化硅从硅表面消耗硅原子，氧化层长入硅表面。随着氧化层厚度的增加，氧原子只有扩散通过更长的一段距离才可以到达硅表面。因此从时间上来看，氧化层的生长变慢，氧化层厚度、生长率及时间之间的关系成抛物线形。

高质量的二氧化硅都是在800℃~1200℃的高温下生成，而且其生成速率极其缓慢。其中湿氧氧化速率要高于干氧氧化。在氧化过程中，硅与二氧化硅的界面会向硅内部迁移，这将使得Si表面原有的污染物移到氧化膜表面而形成一个崭新的界面。

热氧化法生长二氧化

常用的热氧化装置（图一），由电阻式加热的炉身、圆柱形熔凝石英管、石英舟以及气体源组成。将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，反应管用电阻丝加热炉加热一定温度(常用的温度为900～1200℃，在特殊条件下可降到600℃以下)，氧气或水汽通过反应管（典型的气流速度为1L/min）时生成SiO2层，其厚度一般在几十埃到上万埃之间。

3.2热氧化工艺的Deal-Grove 模型

C：氧化剂浓度 J1：粒子流密度 J2：扩散流密度 J3：反应流密度1、D – G 模型

(1)氧化剂由气相传输至SiO2的表面，其粒子流密度J1(即单位时间通过单位面积的原子数或分子数)为：

(2)位于SiO2表面的氧化剂穿过已生成的SiO2层扩散到SiO2-Si界面，其扩散流密度J2为：

(3) SiO2-Si界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiO2，其反应流密度J3为：

四实验方案

1.氧化工艺的主要步骤以干氧氧化为例

1) 硅片送入炉管，通入N2及小流量O2；

2) 升温，升温速度为5℃～30℃/分钟；

3) 通大流量O2，氧化反应开始；

4) 通大流量O2及TCE (0.5～2％)；

5) 关闭TCE，通大流量O2，以消除残余的TCE；

6) 关闭O2，改通N2，作退火；

7) 降温，降温速度为2℃～1 0℃/分钟；

8) 硅片拉出炉管。

2.不同氧化方法的特点

(1) 干氧氧化：氧化速率慢，SiO2膜结构致密、干燥(与光刻胶粘附性好)，掩蔽能力强。

(2) 湿氧氧化：氧化速率快，SiO2膜结构较疏松，表面易有缺陷，与光刻胶粘附性不良。 (湿氧环境中O2和 H2O的比例是关键参数) (3) 氢氧合成氧化：氧化机理与湿氧氧化类似，SiO2膜质量取

决于H2，O2纯度(一般H2纯度可达99.9999％，O2纯度可达 99.99％)；氧化速率取决于H2和O2的比例。

(3) 掺氯氧化：减少钠离子沾污，提高SiO2／Si界面质量；氧化速率略有提高。 (常用的氯源：HCI，TCE，TCA等)

五主要结论与分析

1、氧化层厚度与氧化时间的关系式：

氧化层足够薄(氧化时间短)时，可忽略二次项，此时T ox~ t为线性关系：

其中B/A为线性氧化速率常数

氧化层足够厚(氧化时间长)时，可忽略一次项，此时T ox ~ t为抛物线关系：

其中B为抛物线氧化速率常数