热氧化工艺

边界条件 上述方程式的解可以写为：
其中，
2、主要结论 （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Tox ~ 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Tox ~ t为抛物线关系： 其中B为抛物线氧化速率常数
■ 介电常数：3.9 (热氧化二氧化硅膜)
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。DSi > DSiO2
■ 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。
某些杂质，如Ga，Na， O，Cu，Au等，是SiO2 中的快速扩散杂质。
(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：
线性近似，得到
D0 — 氧化剂在SiO2中的扩散系数，单位：cm2/sec C0 — SiO2表面内侧氧化剂浓度 Ci — SiO2-Si界面处氧化剂浓度 T0x — SiO2厚度
(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：
Ks — 氧化剂在SiO2 -Si界面处的表面化学反应速率常数， 单位：cm/sec
Ci — SiO2-Si界面处氧化剂浓度
求解
平衡状态下，有
得到两个方程式，但有三个未知量：Cs Co Ci
两个方程式，但有三个未知量：Cs Co Ci 亨利定律：固体表面吸附元素浓度与固体表面外侧气
体中该元素的分气压成正比
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。
（三）二氧化硅在IC中的主要用途
■ 用做杂质选择扩散的掩蔽膜 ■ 用做IC的隔离介质和绝缘介质 ■ 用做电容器的介质材料 ■ 用做MOS器件的绝缘栅材料
D-G干氧模型中给出一个值，来补偿初始阶段的过度生长。
湿氧工艺的氧化速率常数 干氧工艺的氧化速率常数
4、参数B和B/A的温度依赖关系 在各种氧化工艺条件下，参数B和B/A都可以确定下来， 并且是扩散系数、反应速率常数和气压等工艺参数的函数。 参数B和B/A可写成Arrhenius函数形式。
B和B/A
硅的热氧化工艺(Thermal OxidatioBaidu Nhomakorabea)
■ 二氧化硅的性质和用途 ■ 热氧化原理(Deal-Grove 模型) ■ 热氧化工艺（方法）和系统 ■ 热氧化工艺的质量检测 参考资料：
《微电子制造科学原理与工程技术》第4章 热氧化 (电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)
一、二氧化硅(Si02)的性质和用途
（二）SiO2的性质 1、二氧化硅的绝缘特性
■ 电阻率高： 1 1014 ·cm ~ 1 1016 ·cm 禁带宽度大： ~ 9 eV
■ 介电强度高：> 10 MV/cm 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； 氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低
■ 介于(1)、(2)两者之间的情况，Tox ~ t关系要用求根公式表示：
（2）氧化速率与氧化层厚度的关系 氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降
图4.6 各种薄干氧氧化情况下，氧化速率与氧化层厚度之间 的关系，衬底是轻微掺杂的 (1 0 0) 硅。
讨论 ■ 线性氧化区： 也称反应限制氧化区
SiO2在一个PMOSFET结构中的应用 (剖面示意图)
（四）IC中常见的SiO2生长方法： 热氧化法、淀积法
二、热氧化原理(Deal-Grove 模型)
（一） 二氧化硅的生长(化学过程)
干氧氧化
问题：生长厚度 为Tox的二氧化硅， 估算需要消耗多 少厚度的硅?
（二）热氧化生长动力学 (物理过程)
■ 抛物线氧化区： 也称扩散限制氧化区
3、D – G 模型的修正
初始快速氧化阶段
■ D-G模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合， 但对于薄干氧氧化层的生长，D-G模型严重低估氧化层厚度。
■ 根据D-G模型，氧化层厚度趋于零(氧化时间接近于零)时， 氧化速率接近于一个常数值：
但实际工艺结果显示，初始氧化速率比预计值大了4倍或更多。
（三）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：
hG — 气相质量输运系数，单位：cm/sec CG — 气相(离硅片表面较远处)氧化剂浓度 Cs — SiO2表面外侧氧化剂浓度
补充 I 氧化速率常数的实验获取方法
氧化层厚度~氧化时 间关系图
（一）SiO2的结构 热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构
密度：～2.27g／cm3
(硅的密度：～2.33g／cm3)
分子量：60.09
(硅的原子量：28.09)
分子数密度：2.2 1022 ／cm3 (硅的原子数密度：5 1022 ／cm3)
4个O原子位于四面体的顶点， Si位于四面体中心。
桥位O原子与2个Si原子键合； 其它O原子只与1个Si键合
H—亨利气体常数
理想气体定律
剩下两个未知量：C0和Ci + 两个方程可求解Ci和C0
定义
则有：
通过解方程，可以得到
因此，有， 将J3与氧化速率联系起来，有
其中N1是形成单位体积SiO2所需的 氧化剂分子数或原子数。 N1=2.2×1022cm-3(干氧O2) N1=4.4 × 1022cm-3(水汽H2O)
■ 参数B的激活能EA取决于氧化剂的扩散系数(D0)的激活能； ■ 参数B/A的激活能取决于Ks，基本上与Si—Si键合力一致。
B:抛物线速率常数
B/A:线性速率常数
图4.2 氧化系数B的阿列尼乌斯图， 湿氧氧化参数取决于水汽浓度(进而 取决于气流量和高温分解条件)
图4.3 氧化系数B/A的阿列尼乌斯图