硅热氧化工艺

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(4)热氧化

(4)热氧化
x j小于SiO2本身的厚度 xSiO2
x j xSiO2
掩蔽条件: DSi>>DSiO2
杂质的 DSi T 关系曲线
DSiO2
22
SiO2掩蔽层厚度的确定
硅衬底上的SiO2要能够单做掩膜来实现定域扩散, 需要SiO2满足:
1、 SiO2有一定的厚度;2、 DSi>>DSiO2; 3、且SiO2表面杂质浓度(CS)与Si/SiO界面杂质
二氧化硅膜用途
作为掩蔽膜
离子注入掩蔽 11
二氧化硅膜用途
互连 层间 绝缘 介质
12
二氧化硅膜用途
作为电隔离膜
隔离工艺
13
14
二氧化硅膜用途
作为掩膜; 作为芯片的钝化和保护膜; 作为电隔离膜; 作为元器件的组成部分。
15
SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅 时代的主要原因
TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜
生长速率常数 (m2/min)
1.48×10-4
6.2×10-4
38.5×10-4 117.5×10-4 43.5×10-4
133×10-4
生长0.5 微米SiO2 所需时间 (min)
1800
360
63 22 58 18
SiO2的密度 (g/mm)
备注
2.27
2.15
2.21 2.12 2.08 2.05
SiO2 形成
氧化剂流动方向 (如 O2或 H2O)
气流滞流层
SiO2 Si衬底
39
40
热氧化动力学(迪尔-格罗夫模型)
氧化剂输运---气体输运流密度用F1表 主流 粘滞层
Ga; 3. Au在SiO2中扩散系数很小,但由于

实验二十二、硅片氧化工艺实验

实验二十二、硅片氧化工艺实验

实验二十二、硅片氧化工艺实验一.实验目的1.熟悉半导体工艺的一般步骤2.掌握硅片氧化的基本方法和原理,能够熟练使用管式电炉二.实验原理(一)高温氧化及厚度测量氧化是在硅片表面生长一层二氧化硅(SiO₂)膜的过程。

这层膜的作用是:保护和钝化半导体表面:作为杂质选择扩散的掩蔽层;用于电极引线和其下面硅器件之间的绝缘;用作MOS电容和MOS器件栅极的介电层等等。

其实现的方法有:高温氧化(热氧化)、化学气相淀积(CVT)、阳极氧化、溅射等。

氧化即生长在硅片表面上,也向硅片里面延伸,如图1所示。

一般氧化层的45%的厚度是在初始表面上形成,46%是在初始表面以下生成。

通常氧化层的厚度,薄的可以小于500A(栅氧化层),厚的可以大于1000Å(场氧化层)。

氧化的范围为700-1100℃,氧化层的厚度和它的生长进间成比例。

常用的氧化方法是高温氧化。

所以这里,我们着重强调一下高温氧化。

高温氧化就是把硅衬底片置于1000℃以上的高温下,并通入氧化性气体(如氧气、水汽),使衬底本身表面的一层硅氧化成SiO₂。

高温氧化又分为:干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化三种。

实践表明,干氧氧化速率慢,但所得到的二氧化硅层质量较好,且和光刻胶有良好的粘附性(不易“浮胶”),而水汽氧化恰恰相反,氧化速度快,使所得二氧化硅层质量较差,而且过量的水还有腐蚀Si的作用,所以很少单独采用水汽氧化。

但如果在氧中掺入一定量的水汽(就是所谓的湿氧氧化的方法),就在一定程度上解决了氧化速度和氧气质量之间的矛盾,因此不宜于在生长较厚的氧化层时使用。

但终究湿氧氧化生成的二氧化硅层的质量不如干氧氧化的好,且易引起Si表面内杂质再分布。

所以,在生长较厚的氧化层时,往往采用干氧-湿氧-干氧的工艺步骤,这既可以使氧化时间不致过长而能保证工艺对氧化层质量的要求。

(二)高温氧化机理1. 干氧氧化在高温下,氧气与硅接触时是通过以下化学反应在硅表面形成二氧化硅的可见一个氧分子就可以生成一个二氧化硅分子。

(4)热氧化

(4)热氧化

36
4.2.2

热氧化机理
在热氧化的过程中,氧化反应将在SiO2-Si界面处进
行,而不发生在SiO2层的外表层;
d Si nSiO2 nSi d SiO2
2.2 1022 d SiO2 0.44d SiO2 22 5 10

热氧化是通过扩散与化学反应来完成的,氧化反应
是由硅片表面向硅片纵深依次进行的,硅被消耗, 所以硅片变薄,氧化层增厚。
散进入Si/SiO2面,与硅原子反应生成新的SiO2网络结构,使
SiO2膜不断增厚。

与之相反,硅体内的Si原子则不容易挣脱Si共价键的束缚, 也不容易在已生长的SiO2网络中移动。

所以,在热氧化过程中,氧化反应将在Si/SiO2界面处进行,而 不是发生在SiO2层的外表层,这一特性决定了热氧化的机理。
9


二氧化硅膜用途
元器件的组成部分
0.8 nm栅氧化层
10
二氧化硅膜用途
作为掩蔽膜
离子注入掩蔽
11
二氧化硅膜用途
互连 层间 绝缘 介质
12
二氧化硅膜用途
作为电隔离膜
隔离工艺
13
14
二氧化硅膜用途


作为掩膜; 作为芯片的钝化和保护膜; 作为电隔离膜; 作为元器件的组成部分。
32
不同工艺制作的SiO2的主要物理性质
氧化方法 密 度 (g/cm2) 2.24~2.27 折 射 率 (λ =5460Å) 1.460~1.466 电 阻 率 (Ω · cm) 3×1015~ 2×1016 介 电 常 数 介 电 强 度 (106v/cm) 9


3.4(10千周)

热氧化工艺

热氧化工艺
■ 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: 氧化层足够厚(氧化时间长) 可忽略一次项,此时T t为抛物线关系 关系:
其中B 其中B为抛物线氧化速率常数
■ 介于(1)、(2)两者之间的情况,Tox ~ t关系要用求根公式表示: 介于(1)、(2)两者之间的情况, 两者之间的情况 t关系要用求根公式表示: 关系要用求根公式表示
两个方程式,但有三个未知量: 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 亨利定律: 体中该元素的分气压成正比
H—亨利气体常数
理想气体定律
剩下两个未知量:C0和Ci 剩下两个未知量:
+ 两个方程可求解Ci和C0 两个方程可求解 可求解C
定义
则有: 则有:
第一章 热氧化工艺 (Thermal Oxidation) Oxidation)
硅的热氧化工艺(Thermal 硅的热氧化工艺(Thermal Oxidation)
■ ■ ■ ■
二氧化硅的性质和用途 热氧化原理(Deal热氧化原理(Deal-Grove 模型) 模型) 热氧化工艺(方法) 热氧化工艺(方法)和系统 热氧化工艺的质量检测
通过解方程,可以得到 通过解方程,
因此, 因此,有, 将J3与氧化速率联系起来,有 与氧化速率联系起来,
其中N 是形成单位体积SiO 其中N1是形成单位体积SiO2所需的 氧化剂分子数或原子数。 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) =2.2× 干氧O 水汽H
J3: 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 氧化剂由气相传输至 传输至SiO 的表面,其粒子流密度J (即单位时间通过单位面积的原子数或分子数)为: 即单位时间通过单位面积的原子数或分子数)

单晶硅的热氧化

单晶硅的热氧化

第七章第七章单晶硅的热氧化单晶硅的热氧化在硅表面形成二氧化硅称为氧化,稳定且附着力强的二氧化硅的制成导致了硅集成电路平面工艺的诞生。

尽管有许多种在硅表面直接生成二氧化硅的方法,但通常还是采用热氧化的方法来完成,这种方式就是将硅暴露在高温氧化环境(氧气,水)之中。

热氧化方法能够在二氧化硅薄膜的制备过程中使膜厚以及硅/二氧化硅界面特性得到控制。

其它生长二氧化硅的技术有等离子阳极氧化和湿法阳极氧化,但这两种技术都未在超大规模集成电路工艺中得到广泛的应用。

表2.热二氧化硅部分物理常数直流电阻率(Ωcm),25°C 1014~1016绝缘常数 3.8~3.9 密度(g/cm3)2.27 能隙(eV) 约8 绝缘强度(V/cm)5~10×106 熔点( C) 约1700 在缓冲HF 中的腐蚀速率( /min)1000 折射系数 1.46红外辐射吸收峰9.3 比热(J/g °C) 1.0 线性膨胀系数(cm/cm °C)5.0×10-7 硅上膜内应力(dyne/cm2) 2~4×109 分子重量60.08 热导率(W/cm °C) 0.014 每立方厘米分子数 2.3×1022 表1.在超大规模集成电路工在超大规模集成电路工艺中应用的热二氧化硅膜厚的范围艺中应用的热二氧化硅膜厚的范围热生成二氧化硅在超大规模集成电路工艺中主要应用于生成从60Å到1000Å厚的二氧化硅膜,这些膜的作用包括:a)离子注入和扩散掩蔽层;b)硅表面钝化;c)器件隔离(例如硅的局部氧化,简称LOCOS);d)用作栅氧和在MOS 器件中起绝缘作用的电容器;e)用作在电可变ROMs (EAROMs)中的隧道效应氧化膜。

表1列出了在这些应用中膜厚的范围。

本章将讨论:a)石英玻璃和热生成二氧化硅的特性;b)氧化动力学;c)初始氧化过程以及硅与二氧化硅的直接氮化;d)不同生长条件下的氧化速度;e)硅/二氧化硅界面特性;f)氧化过程中掺杂浓度的再分配;g)氧化设备;h)氧化厚度的测量。

热处理(氧化)

热处理(氧化)
231硅的热氧化种类种类机理机理氧化氧化优点优点缺点缺点氧化氧化氧化开始时是氧分子与硅片表面的氧化开始时是氧分子与硅片表面的硅原子进行硅原子进行化学反应化学反应形成初始氧化形成初始氧化层之后的继续氧化是氧原子层之后的继续氧化是氧原子扩散扩散穿穿过氧化层到达过氧化层到达sio2sio2ss界面进行反应界面进行反应oo22sio2sio2结构致密均匀结构致密均匀性和重复性好掩蔽性和重复性好掩蔽能力强能力强生长速率生长速率慢慢水汽水汽氧化氧化一开始是水汽在高温下与硅片表面的一开始是水汽在高温下与硅片表面的硅原子作用硅原子作用生成生成sio2sio2起始层起始层其后其后的继续氧化反应首先是水分子与表面的继续氧化反应首先是水分子与表面的的sio2sio2反应反应形成硅烷醇结构形成硅烷醇结构生成的生成的硅烷醇再硅烷醇再扩散扩散穿过氧化层抵达穿过氧化层抵达sisisio2sio2界面处与硅原子反应界面处与硅原子反应生成硅生成硅氧烷结构氧烷结构同时产生氢气氢气将迅同时产生氢气氢气将迅速离开速离开sisisio2sio2界面界面hh22oo氧化速度快氧化速度快sio2sio2质量质量差掩蔽差掩蔽能力不强能力不强氧化氧化让氧气在通入反应室前先通过热的让氧气在通入反应室前先通过热的高纯去离子水使氧气中携带一定量高纯去离子水使氧气中携带一定量的水汽然后再与硅片发生反应生的水汽然后再与硅片发生反应生sio2sio2薄膜薄膜通过通过氧气氧气生长速率介于上生长速率介于上述两者间述两者间干氧系统水汽产生器其他常用氧化其他常用氧化1
2014-3-22 14
器件介质层
• MOS器件的栅氧介质层和电容介质层
硅栅下的极薄的氧化层作为栅和源、漏间的介 电质材料,形成栅氧结构;用来让氧化层下面的栅 极区产生感应电荷,从而控制器件中的电流;
二氧化硅介电常数大,击穿耐压较高,电容温度 系数小,故热氧化法生成的氧化层也可用作硅表面 和导电层表面之间形成的电容的介电层。

常见的热氧化工艺

常见的热氧化工艺

二.常见的各种氧化工艺1.热氧化工艺热生长氧化法-将硅片置于高温下,通以氧化的气氛,使硅表面一薄层的硅转变为二氧化硅的方法。

①常见的热氧化工艺类别及特点:a 干氧氧化:干氧氧化法-氧化气氛为干燥、纯净的氧气。

氧化膜质量最好,但氧化速度最慢。

b水汽氧化:水汽氧化法-氧化气氛为纯净的水汽。

氧化速度最快,但氧化膜质量最差。

c湿氧氧化:湿氧氧化法-氧化气氛为纯净的氧气+纯净的水汽。

氧化膜质量和氧化速度均介于干氧氧化和水汽氧化之间。

②常见的热氧化工艺:a方法:常采用干氧-湿氧-干氧交替氧化法。

b工艺条件:温度:高温(常见的为1000℃-1200℃)。

时间:一般总氧化时间超过30分钟。

②氧化生长规律:一般热氧化生长的二氧化硅层厚度与氧化时间符合抛物线规律。

原因是:在氧化时存在氧化剂穿透衬底表面已生成的二氧化硅层的事实。

2.热分解淀积法:(工艺中也常称为低温淀积法或低温氧化法)热分解淀积法-在分解温度下,利用化合物的分解和重新组合生成二氧化硅,然后将生成的二氧化硅淀积在衬底(可为任何衬底)表面上,形成二氧化硅层的方法。

①可见的低温氧化工艺类别及特点:a.含氧硅化物热分解淀积法:多采用烷氧基硅烷进行热分解,分解物中有二氧化硅,在衬底上淀积形成二氧化硅层。

b.硅烷(不含氧硅化物)热分解氧化淀积法:硅烷热分解析出硅原子,与氧化剂(氧气)作用生成二氧化硅,在衬底上淀积形成二氧化硅层。

②常见的低温氧化工艺:a.设备:采用低真空氧化淀积炉。

b.条件:Ⅰ含氧硅化物热分解淀积法:对常用的正硅酸乙酯:T=750℃;真空度为托。

Ⅱ硅烷热分解氧化淀积法:T>300 ℃(实际采用420 ℃),淀积时系统中通入氧气,真空度同上。

③低温氧化生长规律:低温氧化(热分解淀积)生长的二氧化硅层厚度与氧化时间符合线性规律。

原因是:在氧化时是在衬底表面上淀积二氧化硅,不存在氧化剂穿透衬底表面已生成的二氧化硅层的问题。

SiO2的制备方法:热氧化法干氧氧化水蒸汽氧化湿氧氧化干氧-湿氧-干氧(简称干湿干)氧化法氢氧合成氧化化学气相淀积法热分解淀积法溅射法化学汽相淀积(CVD)化学汽相淀积(Chemical Vapor Deposition):通过气态物质的化学反应在衬底上淀积一层薄膜材料的过程CVD技术特点:具有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点CVD方法几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜,例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等常压化学汽相淀积(APCVD)低压化学汽相淀积(LPCVD)等离子增强化学汽相淀积(PECVD)化学汽相淀积(CVD)单晶硅的化学汽相淀积(外延):一般地,将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延,生长有外延层的晶体片叫做外延片二氧化硅的化学汽相淀积:可以作为金属化时的介质层,而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜,甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源低温CVD氧化层:低于500℃中等温度淀积:500~800℃高温淀积:900℃左右多晶硅的化学汽相淀积:利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一,它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高,而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入,使MOS集成电路的集成度得到很大提高。

(4)热氧化

(4)热氧化
电阻率 与制备方法及所含杂质有关,高温干氧可 达1016Ω·cm,一般在107-1015 Ω·cm;
介电性 介电常数3.9; 介电强度 100-1000V/μm; 折射率 在1.33-1.37之间; 腐蚀性 只和HF酸反应,与强碱反应缓慢。
9
二氧化硅膜用途
元器件的组成部分
0.8 nm栅氧化层 10
(106v/cm)
3.4(10千周)
9
湿 氧 2.18~2.21 1.435~1.458
3.82(1兆周)
水 汽 2.00~2.20 1.452~1.462 1015~1017
3.2(10千周) 6.8~9
热分解淀积 2.09~2.15 1.43~1.45
107~108
外延淀积
2.3
1.46~1.47
x j小于SiO2本身的厚度 xSiO2
x j xSiO2
掩蔽条件: DSi>>DSiO2
杂质的 DSi T 关系曲线
DSiO2
22
SiO2掩蔽层厚度的确定
硅衬底上的SiO2要能够单做掩膜来实现定域扩散, 需要SiO2满足:
1、 SiO2有一定的厚度;2、 DSi>>DSiO2; 3、且SiO2表面杂质浓度(CS)与Si/SiO界面杂质
水浴温度 95℃
水汽发生器 水温 102℃
30
工艺
掩膜氧化(厚氧化层) 干氧-湿氧-干氧 薄层氧化(MOS栅)
干氧 掺氯氧化
热氧化工艺流程:洗片-升温-生长-取片
31
工艺
热氧化是以消耗衬底为代价的,这类氧化称为本征氧化, 以本证氧化生长的二氧化硅薄膜具有玷污少的优点。
热氧化温度高,氧化膜致密性好,针孔密度小。因此, 热氧化膜可以用来作为掺杂掩膜和介电类薄膜。

半导体制造工艺之硅的氧化

半导体制造工艺之硅的氧化

硅氧化工艺的控制策略
• 采用先进的温度和压力控制系统 • 优化氧化剂的种类和浓度配比 • 控制反应气氛和添加剂的添加量 • 提高硅片的质量和一致性
03 硅的氧化膜特性及影响因素
硅氧化膜的结构及性质
硅氧化膜的结构
• 氧化硅薄膜由硅原子和氧原子组成 • 硅原子与氧原子以不同的键合方式排列
硅氧化膜的性质
半导体制造工艺之硅的氧化
01 硅的氧化工艺概述
硅氧化工艺的重要性及应用领域
硅氧化工艺是 半导体制造中 的基本工艺
01
• 用于制备氧化硅薄膜 • 影响半导体器件的性能和可 靠性
硅氧化工艺在 多个领域有广
泛应用
02
• 集成电路制造 • 太阳能电池制造 • 微电子技术

硅氧化工艺的 研究和发展对 提高半导体器 件性能具有重
硅氧化工艺的发展历程及趋势
硅氧化工艺的发展历程
• 20世纪50年代:首次实现硅的氧化工艺 • 20世纪60年代:湿法氧化工艺的研究和发展 • 20世纪70年代:干法氧化工艺的研究和发展 • 20世纪80年代至今:多种氧化工艺的综合应用和优化
硅氧化工艺的发展趋势
• 提高氧化硅薄膜的质量和性能 • 降低氧化工艺的成本和环境影响 • 探索新型氧化工艺和技术
硅的氧化工艺的未来展望及前景
硅的氧化工艺的未来展望
• 持续优化和创新氧化工艺 • 拓展硅氧化工艺在新兴领域的应用 • 提高半导体器件的性能和可靠性
硅的氧化工艺的前景
• 硅的氧化工艺将继续在半导体制造中发挥重要作用 • 硅的氧化工艺将推动半导体产业的持续发展和创新
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硅热氧化工艺

硅热氧化工艺

硅热氧化工艺硅热氧化工艺是一种常用于制备硅基材料的工艺方法,它通过在高温下将硅与氧气反应,形成氧化硅层。

这种工艺具有简单、可控性强、成本低等优点,因此广泛应用于半导体、光电子、微电子等领域。

硅热氧化工艺的基本原理是利用硅与氧气在高温下的化学反应。

在反应开始时,先将硅材料加热至一定温度,一般为1000℃左右。

然后,通过将氧气通入反应室中,使氧气与硅发生反应。

在反应中,硅表面的硅原子与氧气中的氧原子结合,形成氧化硅层。

这个过程是一个自发的氧化反应,同时伴随着放热。

硅热氧化工艺的关键参数主要包括温度、气氛和时间。

温度是影响氧化速率和氧化层质量的主要因素,较高的温度有利于氧化反应的进行。

气氛是指反应室中的气体组成,一般使用氧气作为氧化剂,同时还可以控制氧气的流量来调节氧化速率。

时间是指反应的持续时间,一般来说,反应时间越长,氧化层的厚度越大。

硅热氧化工艺的应用非常广泛。

在半导体制造中,硅热氧化工艺常用于制备金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的绝缘层。

在制备过程中,通过控制硅热氧化工艺的参数,可以得到具有不同厚度和质量的氧化硅层,从而实现对绝缘层性能的调控。

此外,硅热氧化工艺还可以用于制备光电子器件中的光波导和光纤接口等。

除了半导体领域,硅热氧化工艺还在微电子、传感器、太阳能电池等领域有着广泛的应用。

在微电子领域,硅热氧化工艺可以制备微电子器件中的绝缘层和电容层。

在传感器领域,硅热氧化工艺可以制备氧化硅薄膜,用于制备压力传感器、湿度传感器等。

在太阳能电池领域,硅热氧化工艺可以制备太阳能电池的表面反射镀层,提高太阳能电池的光吸收效率。

尽管硅热氧化工艺具有诸多优点和应用前景,但也存在一些问题。

首先,硅热氧化工艺需要较高的温度,这对设备和工艺的稳定性提出了要求。

其次,硅热氧化工艺的氧化速率较慢,需要较长的时间来制备较厚的氧化硅层。

此外,在工艺过程中,还需要对温度、气氛等参数进行严格控制,以保证氧化层的质量和性能。

第一章热氧化工艺解读

第一章热氧化工艺解读

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
■ 参数B的激活能EA取决于氧化剂的扩散系数(D0)的激活能;
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
以干氧氧化为例
TCE:三氯乙烯
4、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
一、二氧化硅(Si02)的性质和用途
(一)SiO2的结构
密度:~2.27g/cm3 分子量:60.09 热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构 (硅的密度:~2.33g/cm3) (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
5、影响氧化速率的因素 (1) 温度对氧化速率的影响:
温度 B和B/A 氧化速率

半导体制造工艺之硅的氧化概述

半导体制造工艺之硅的氧化概述
详细描述
湿氧氧化法中,氧气和水蒸气在高温下与硅片反应,生成二 氧化硅层。该方法形成的二氧化硅层具有较低的折射率和较 好的光学性能,适用于制造光学器件和窗口材料等。
干氧氧化法
总结词
干氧氧化法是利用纯氧气与硅反应生 成二氧化硅的过程。
详细描述
干氧氧化法中,硅片和纯氧气在高温 下反应,生成二氧化硅层。该方法形 成的二氧化硅层具有较高的硬度和较 低的折射率,适用于制造集成电路和 微电子器件等。
SUMMAR Y
04
硅的氧化应用
集成电路制造
集成电路中的隔离技术
在集成电路制造中,硅的氧化被广泛 应用在隔离技术上。通过氧化,可以 将不同器件或电路区域进行隔离,防 止电流的交叉干扰。
保护层形成
在集成电路的制造过程中,硅的氧化 可以形成一层保护层,防止器件受到 环境中的化学物质和物理损伤。
微电子器件制造
详细描述
低功耗氧化技术通常在较低的温度下进行,例如600°C 或更低。这种技术利用特定的工艺条件来降低功耗,同 时保持氧化层的生长速度和稳定性。由于低功耗氧化技 术具有较低的能源消耗和较短的工艺时间,因此它在现 代半导体制造中越来越受到重视,有助于降低生产成本 和提高生产效率。
高k材料的应用
总结词
水汽热氧化法
总结词
水汽热氧化法是利用水汽在高温下与硅反应,生成二氧化硅的过程。
详细描述
水汽热氧化法中,硅片和水汽在高温下反应,生成二氧化硅层。该方法形成的二 氧化硅层具有较高的透过率和较低的折射率,适用于制造光学器件和窗口材料等 。
湿氧氧化法
总结词
湿氧氧化法是在氧气中加入水蒸气,与硅反应生成二氧化硅 的过程。
微型化制造
随着微电子器件的微型化,硅的氧化技术对 于形成微型结构至关重要。通过精确控制氧 化过程,可以制作出更小、更精确的电子器 件。

常见的热氧化工艺

常见的热氧化工艺
3低温氧化生长规律:
低温氧化(热分解淀积)生长的二氧化硅层厚度与氧化时间符合线性规律。原因是:在氧化时是在衬底表面上淀积二氧化硅,不存在氧化剂穿透衬底表面已生成的二氧化硅层的问题。
SiO2的制备方法:
热氧化法
干氧氧化
水蒸汽氧化
湿氧氧化
干氧-湿氧-干氧(简称干湿干)氧化法
氢氧合成氧化
化学气相淀积法
热分解淀积法
低温CVD氧化层:低于500℃
中等温度淀积:500~800℃
高温淀积:900℃左右
多晶硅的化学汽相淀积:利用多晶硅替代金属铝作为MOS器件的栅极是MOS集成电路技术的重大突破之一,它比利用金属铝作为栅极的MOS器件性能得到很大提高,而且采用多晶硅栅技术可以实现源漏区自对准离子注入,使MOS集成电路的集成度得到很大提高。
常压化学汽相淀积(APCVD)
低压化学汽相淀积(LPCVD)
等离子增强化学汽相淀积(PECVD)
化学汽相淀积(CVD)
单晶硅的化学汽相淀积(外延):一般地,将在单晶衬底上生长单晶材料的工艺叫做外延,生长有外延层的晶体片叫做外延片
二氧化硅的化学汽相淀积:可以作为金属化时的介质层,而且还可以作为离子注入或扩散的掩蔽膜,甚至还可以将掺磷、硼或砷的氧化物用作扩散源
氮化硅的化学汽相淀积:中等温度(780~820℃)的LPCVD或低温(300℃) PECVD方法淀积
物理气相淀积(PVD)
蒸发:在真空系统中,金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子,淀积在晶片上。按照能量来源的不同,有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种
溅射:真空系统中充Байду номын сангаас惰性气体,在高压电场作用下,气体放电形成的离子被强电场加速,轰击靶材料,使靶原子逸出并被溅射到晶片上

单晶硅的热氧化

单晶硅的热氧化

第七章第七章单晶硅的热氧化单晶硅的热氧化在硅表面形成二氧化硅称为氧化,稳定且附着力强的二氧化硅的制成导致了硅集成电路平面工艺的诞生。

尽管有许多种在硅表面直接生成二氧化硅的方法,但通常还是采用热氧化的方法来完成,这种方式就是将硅暴露在高温氧化环境(氧气,水)之中。

热氧化方法能够在二氧化硅薄膜的制备过程中使膜厚以及硅/二氧化硅界面特性得到控制。

其它生长二氧化硅的技术有等离子阳极氧化和湿法阳极氧化,但这两种技术都未在超大规模集成电路工艺中得到广泛的应用。

表2.热二氧化硅部分物理常数直流电阻率(Ωcm),25°C 1014~1016绝缘常数 3.8~3.9 密度(g/cm3)2.27 能隙(eV) 约8 绝缘强度(V/cm)5~10×106 熔点( C) 约1700 在缓冲HF 中的腐蚀速率( /min)1000 折射系数 1.46红外辐射吸收峰9.3 比热(J/g °C) 1.0 线性膨胀系数(cm/cm °C)5.0×10-7 硅上膜内应力(dyne/cm2) 2~4×109 分子重量60.08 热导率(W/cm °C) 0.014 每立方厘米分子数 2.3×1022 表1.在超大规模集成电路工在超大规模集成电路工艺中应用的热二氧化硅膜厚的范围艺中应用的热二氧化硅膜厚的范围热生成二氧化硅在超大规模集成电路工艺中主要应用于生成从60Å到1000Å厚的二氧化硅膜,这些膜的作用包括:a)离子注入和扩散掩蔽层;b)硅表面钝化;c)器件隔离(例如硅的局部氧化,简称LOCOS);d)用作栅氧和在MOS 器件中起绝缘作用的电容器;e)用作在电可变ROMs (EAROMs)中的隧道效应氧化膜。

表1列出了在这些应用中膜厚的范围。

本章将讨论:a)石英玻璃和热生成二氧化硅的特性;b)氧化动力学;c)初始氧化过程以及硅与二氧化硅的直接氮化;d)不同生长条件下的氧化速度;e)硅/二氧化硅界面特性;f)氧化过程中掺杂浓度的再分配;g)氧化设备;h)氧化厚度的测量。

半导体制造工艺之硅的氧化概述

半导体制造工艺之硅的氧化概述
❖ 电阻率: ▪ 与制备方法及所含杂质数量等因素有关,高温 干氧氧化制备的电阻率达1016Ω· cm
SiO2的主要性质(2)
❖ 介电强度:单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿 电压
▪ 大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关 ▪ 一般为106~107V/cm(10-1~1V/nm)
❖ 介电常数:表征电容性能
无定形SiO2的结构
❖ Amorphous SiO2 中Si-O-Si键角为110 º~180º ▪ 桥键氧:与两个相邻的Si-O四面体中心的硅原子形成共 价键的氧 ▪ 非桥键氧:只与一个Si-O四面体中心的硅原子形成共价 键的氧
❖ 非桥键氧越多,无定型的程度越大,无序程度越大,密度越 小,折射率越小………
❖ 无定形SiO2的强度:桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函 数
❖ 结晶态和无定形态区分——非桥联氧是否存在
SiO2结构在制备工艺中的应用
❖硅要运动,打破四个O—Si 键 ❖氧要运动,打破两个O—Si 键,对非桥键氧,只需打破
一个O—Si 键
故氧的运动同硅相比更容易,氧的扩散系数 比硅的大几个数量级
B. k<1,并且杂质在氧化 物中扩散很快。例如 B 在含H2环境下氧化,杂 质在Si界面处的浓度趋 于零。
氧化层排斥杂质
C. k>1,并且杂质在氧化物 中扩散慢。例如 P,As, Sb杂质在硅界面处堆积
∆E为杂质在SiO2中的扩散激活能,Do为表观 扩散系数
杂质在SiO2中的扩散系数(2)
No ❖ 杂质在SiO2中的扩散系数 ▪ B、P、As等常用杂质的扩散系数小, SiO2对这类杂
质可以起掩蔽作用
Image
▪ Ga、某些碱金属(Na)的扩散系数大, SiO2对这类
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In the integrated circuit technology, high pure water as steam heating source, and with dry wet oxidation is oxygen oxygen through the heating water (commonly used water temperature for 95) by the formation of the oxygen and water vapor mixture formation oxidation atmosphere. With high purity hydrogen and oxygen in quartz tube inlet reaction direct synthesis methods of water vapour water vapor oxidation, by changing the ratio of hydrogen and oxygen, can regulate steam pressure, reduce contamination, help to improve the quality of the silica thermal growth.
硅热氧化工艺,按所用的氧化气氛 可分为:干氧氧化、水汽氧化和湿 氧氧化。干氧氧化是以干燥纯净的 氧气作为氧化气氛,在高温下氧直 接与硅反应生成二氧化硅。水汽氧 化是以高纯水蒸汽为氧化气氛,由 硅片表面的硅原子和水分子反应生 成二氧化硅。水汽氧化的氧化速率 比干氧氧化的为大。而湿氧氧化实 质上是干氧氧化和水汽氧化的混合, 氧化速率介于二者之间。
余明刚 唐波 张芊
硅热氧化工艺
硅(Si)与含有氧化物质的气体,例如水汽 和氧气在高温下进行化学反应,而在硅 片表面产生一层致密的二氧化硅(SiO2) 薄膜。这是硅平面技术中一项重要的工 艺。常用的热氧化装置(图1)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),氧气或水汽通反应管
(典型的气流速度为1厘米/秒)时,在 硅片表面发生化学反应
生成SiO2层,其厚度一般在几十埃到上 万埃之间。
Si(固态)+O2(气态)→SiO2(固态) 或 Si(固态)+2H2O(汽态)→SiO2(固 态)+2H2(气态)
Silicon (Si) and contains oxide qualitative gases, such as water and oxygen for chemical reaction under high temperature, and in silicon wafer surface produces a layer of density of silica (SiO2) film. This is an important silicon flat technology process. The commonly used thermal oxidation device (figure 1) will be in use silicon quartz glass tube made in response, reaction furnace heating must work resistance wire temperature (commonly used temperature of 900 ~ 1200 ℃, under special conditions can drop to 600 ℃ below), oxygen or water vapour through the reaction tube (typical flow speed of 1 cm/SEC), silicon wafer surface in produces chemical reaction Generate SiO2 layer, the thickness of the general's dozens to tens of thousands between Evans.
Silicon thermal oxidation technology, used by the oxidation atmosphere can be divided into: dry oxygen oxidation, water vapor oxidation and the wet oxidation of oxygen. Dry oxygen oxidation is pure oxygen as dry oxidation atmosphere, under high temperature to oxygen reacts directly with silicon silica. Steam oxidation is high purity steam oxidation atmosphere for, the silicon wafer surface silicon atom and a water molecule reaction generated silica. The oxidation of the water vapor oxidation rate than dry oxygen oxidation of great. And wet oxidation is essentially dry oxygen oxygenation and water vapor oxidation of mixed, oxidation rate between between the two.
在集成电路工艺中,以加热高纯 水作为水蒸汽源,而湿氧氧化则 用干燥氧气通过加热的水(常用 水温为95)所形成的氧和水汽混 合物形成氧化气氛。用高纯氢气 和氧气在石英反应管进口处直接 合成水蒸汽的方法进行水汽氧化 时,通过改变氢气和氧气的比例, 可以调节水蒸汽压,减少沾污, 有助于提高热生长二氧化硅的质 量。
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