实验硅热氧化工艺分析

实验硅热氧化工艺

在硅片表面生长一层优质的氧化层对整个半导体集成电路制造过程具有极为重要的意义。它不仅作为离子注入或热扩散的掩蔽层，而且也是保证器件表面不受周围气氛影响的钝化层，它不光是器件与器件之间电学隔离的绝缘层，而且也是MOS 工艺以及多层金属化系统中保证电隔离的主要组成部分。因此了解硅氧化层的生长机理，控制并重复生长优质的硅氧化层方法对保证高质量的集成电路可靠性是至关重要的。

在硅片表面形成SiO2的技术有很多种：热氧化生长，热分解淀积（即VCD 法），外延生长，真空蒸发，反应溅射及阳极氧化法等。其中热生长氧化在集成电路工艺中用得最多，其操作简便，且氧化层致密，足以用作为扩散掩蔽层，通过光刻易形成定域扩散图形等其它应用。

一、实验目的

1、掌握热生长SiO2的工艺方法（干氧、湿氧、水汽）。

2、熟悉SiO2层在半导体集成电路制造中的重要作用。

3、了解影响氧化层质量有哪些因素。

4、能建立起厚度d和时间t的函数关系。

5、了解形成SiO2层的几种方法及它们之间的不同之处。

二、实验原理

热生长二氧化硅法是将硅片放在高温炉内，在以水汽、湿氧或干氧作为氧化剂的氧化气氛中，使氧与硅反应来形成一薄层二氧化硅。图1和图2分别给出了干氧和水汽氧化装置的示意图。

图1、干氧氧化装置示意图

图2、水汽氧化装置示意图

将经过严格清洗的硅片表面处于高温的氧化气氛（干氧、湿氧、水汽）中时, 由于硅片表面对氧原子具有很高的亲和力，所以硅表面与氧迅速形成SiO2层。硅的常压干氧和水汽氧化的化学反应式分别为:

Si+02> SiO2 (2—1)

Si+2H2O> SiO2+2H2 T (2— 2) 如果生长的二氧化硅厚度为x(卩m,所消耗的硅厚度为X,则由定量分析可

知：

i

二二—二0.46 (2 —3)

即生长1叩的SiO2,要消耗掉0.46叩的Si。由于不同热氧化法所得二氧化硅的密度不同，故-值亦不同。图3示出了硅片氧化前后表面位置的变化。

图3、SiO2生长对应硅片表面位置的变化

当硅片表面生长一薄层SiO2以后，它阻挡了O2或H2O直接与硅表面接触，此时氧原子和水分子必须穿过SiO2薄膜到达Si—SiO2界面才能与硅继续反应生长SiO2。显然，随着氧化层厚度的增长，氧原子和水分子穿过氧化膜进一步氧化就越困难，所以氧化膜的增厚率将越来越小。Deal—Grove的模型描述了硅氧化的动力学过程。他们的模型对氧化温度700r至1300r，压强0.2至1个大气压(也许更高些)，生长厚度300?至20000?的干氧和湿氧氧化证明是合适的。

通过多种实验已经证明，硅片在热氧化过程中是氧化剂穿透氧化层向

Si—SiO2界面运动并与硅进行反应，而不是硅向外运动到氧化膜的外表面进行反应，其氧化模型如图4所示。氧化剂要到达硅表面并发生反应，必须经历下列三个连续的步骤：

o

图4、Deal—Grove热氧化模型

①从气体内部输运到气体一一氧化物界面，其流密度用F i表示。

②扩散穿透已生成的氧化层，到达Si02—Si界面，其流密度用F2表示。

③在Si表面发生反应生成Si02，其流密度用F3表示。

在氧化过程中，由于Si02层不断生长，所以Si02—Si界面也就不断向Si内

移动，因此，这里所碰到的是边界随时间变化的扩散问题。我们可以采用准静态

近似，即假定所有反应实际上都立即达到稳定条件，这样变动的边界对扩散过程

的影响可以忽略。在准静态近似下，上述三个流密度应该相等，则有

F i=F2=F3 （2—4）

附面层中的流密度取线性近似，即从气体内部到气体——氧化物界面处的氧

化剂流密度F i正比于气体内部氧化剂浓度Cg与贴近Si02表面上的氧化剂浓度Cs的差，数学表达式为

F i =h g（C g -C s）（ 2— 5）

其中h g是气相质量输运（转移）系数。

假定在我们所讨论的热氧化过程中，亨利定律是成立的：即认为在平衡条件下，固体中某种物质的浓度正比于该物质在固体周围的气体中的分压。于是SiO2

表面的氧化剂浓度Co正比于贴近SiO2表面的氧化剂分压

C O=HP S

H为亨利定律常数。在平衡情况下，SiO2中氧化剂的浓度区）中的氧化剂分压Pg成正比，即有

C* = HPg

由理想气体定律可以得到

P g

C g -

g KT Ps,则有

（2—6）

C*应与气体（主气流(2—7)

(2—8)

C s二空

KT

把式（2—6）~（2—9）代入式（2—5）中，则有

F1 =h（C* -C。）(2—

9) (2—10)

h

h =

H KT

其中h是用固体中的浓度表示的气相质量输运（转移）系数，【用固体中的浓度表示的附面层中的流密度。

通过SiO2层的流密度F2就是扩散流密度，数学表达式为

C O_C j

F

2

L

X。

(2—11)

2—10)是

(2—12)

D 为氧化剂在SiO 2中的扩散系数，Co 和C i 分别表示SiO 2表面和Si02— Si 界面 处

的氧化剂浓度，X O 为SiO 2的厚度。

如果假定在SiO 2— Si 界面处，氧化剂与Si 反应的速率正比于界面处氧化剂 的浓度C i ，于是有

F 3 二 K s C i

（2—13）

K S 为氧化剂与Si 反应的化学反应常数。

根据稳态条件F I =F 2=F 3，再经过一定的数学运算，可得到 C i 和C o 的具体表 达式

Sc *

当上面两式中扩散系数D 极大或极小时，硅的热氧化存在两种极限情况。 当D 非常小时，C i —0, C o -C *，这种情况称为扩散控制态。它导致通过氧化层 的氧化输运流量比在Si — Si02界面处反应的相应流量来得小（因为D 小）,因此 氧化速率取决于界面处提供的氧。

第二种极限情况是D 非常大时，

*

C

C i =Co 二

（2—16）

1+邑 h

此时称为反应控制态。因为在 Si —Si02界面处提供足够的氧，氧化速率是由反 应速率常数K S 和C i （等于C o ）所控制。

为了计算氧化层生长的速率，我们定义 N 1为进入单位体积氧化层中氧化的 分子数，由于每立方厘米氧化层中Si02分子密度为2.2 X1022

个，每生成一个Si02 分子需要一个氧分子，或者两个水分子，这样对氧气氧化来说N 1为2.2 >1022

/cm 3

, 对水汽氧化来说N 1为4.4 X022

/cm 3

o

随着Si02不断生长，界面处的Si 也就不断转化为Si02中的成份，因此Si 表面处的流密度也可表示为

F 3 二 N 1

（2—17）

dt

把（2—14）式代入到（2—13）式中，并与上式联立，则得到 Si02层的生长厚

度与生长时间的微分方程

C i

K S X

(2—14)

C

O

K S X

(2—15)