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)
hG — 气相质量输运系数，单位：cm/sec 气相质量输运系数 单位： 质量输运系数， CG — 气相(离硅片表面较远处)氧化剂浓度 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 表面外侧氧化剂 氧化剂浓度
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 参数B 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， 都可以确定下来， 在各种氧化工艺条件下，参数B 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。 并且是扩散系数、反应速率常数和气压等工艺参数的函数。 扩散系数、 的函数 参数B B/A可写成 参数B和B/A可写成Arrhenius函数形式。 可写成Arrhenius函数形式 函数形式。
(此处即假设初始氧化层厚度为0)； 此处即假设初始氧化层厚度为0)
(3) 再在氧化厚度~氧化时间图 再在氧化厚度 氧化时间图 氧化厚度~ 上直接查找1100℃ 上直接查找1100℃下，湿氧 氧化57分钟所得到的氧化层 氧化57分钟所得到的氧化层 厚度为6500A左右。 厚度为6500A左右。 左右
5、影响氧化速率的因素 (1) 温度对氧化速率的影响： 温度对氧化速率的影响：
B/A:线性速率常数 B/A:线性速率常数
图4.2 氧化系数B的阿列尼乌斯图， 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 水汽浓度( 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) 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 氧化系数B/A的阿列尼乌斯图
也称反应限制氧化区
■ 抛物线氧化区： 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， 模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，
薄干氧氧化层的生长 模型严重低估氧化层厚度。 严重低估氧化层厚度 但对于薄干氧氧化层的生长， 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， 根据D 模型，氧化层厚度趋于零(氧化时间接近于零)
氧化速率接近于一个常数值： 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。 比预计值大了4 或更多。 但实际工艺结果显示，初始氧化速率比预计值大了
D-G干氧模型中给出一个τ值，来补偿初始阶段的过度生长。 干氧模型中给出一个τ 来补偿初始阶段的过度生长。
(3) SiO2-Si界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiO2 ，其 Si界面处 氧化剂和硅反应生成新的SiO 界面处， 反应流密度J 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， 氧化剂在SiO Si界面处的表面化学反应速率常数， 界面处的表面化学反应速率常数 单位：cm/sec 单位： Ci — SiO2-Si界面处氧化剂浓度 Si界面处氧化剂浓度 求解 平衡状态下， 平衡状态下，有 状态下 得到两个方程式，但有三个未知量：Cs Co Ci 得到两个方程式，但有三个未知量：
（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 氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）
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 各种薄干氧氧化情况下， 干氧氧化情况下 的关系， 的关系，衬底是轻微掺杂的 (1 0 0) 硅。
讨论
■ 线性氧化区： 线性氧化区：
SiO2在一个PMOSFET结构中的应用 在一个PMOSFET结构中的应用 (剖面示意图) 剖面示意图)
IC中常见的 中常见的SiO 生长方法： （四）IC中常见的SiO2生长方法：
热氧化法、淀积法 热氧化法、
二、热氧化原理(Deal-Grove 模型) 热氧化原理(Deal模型)
二氧化硅的生长(化学过程) （一） 二氧化硅的生长(化学过程)
参考资料： 参考资料：
《微电子制造科学原理与工程技术》第4章 热氧化 微电子制造科学原理与工程技术》 (电子讲稿中出现的图号是该书中的图号) 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 二氧化硅(Si0
（一）SiO2的结构
密度：～ ：～2.27g／ 密度：～2.27g／cm3 分子量： 分子量：60.09 热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构 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) 硅的密度：～ ：～2.33g／ (硅的原子量：28.09) 硅的原子量：
（二）SiO2的性质 1、二氧化硅的绝缘特性
■ 电阻率高： 1 ×1014 Ω·cm ~ 1 × 1016 Ω·cm 电阻率高：
禁带宽度大： ~ 9 eV 禁带宽度大：
■ 介电强度高：> 10 MV/cm 介电强度高：
最小击穿电场(非本征击穿)：由缺陷、杂质引起 最小击穿电场(非本征击穿) 由缺陷、 最大击穿电场(本征击穿)：由SiO2厚度、导热性、 最大击穿电场(本征击穿) 厚度、导热性、
方法 2
利用氧化厚度 氧化时间图 利用氧化厚度-氧化时间图 氧化厚度-
(1) 在氧化厚度-氧化时间图上可直接查找1100℃下，湿氧 氧化厚度-氧化时间图上可直接查找1100℃ 上可直接查找 氧化T =4000Å所需的氧化时间是24分钟； 氧化Toxi=4000Å所需的氧化时间是24分钟； 分钟 (2) 因此例题中总的有效氧化 时间为(24+33)=57分钟 时间为(24+33)=57分钟
边界条件
上述方程式的解可以写为： 上述方程式的解可以写为：
其中， 其中，
2、主要结论 （1）氧化层厚度与氧化时间的关系式： 氧化层厚度与氧化时间的关系式：
氧化层足够薄(氧化时间短) 可忽略二次项，此时T t为线性关系 关系： ■ 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 其中B/A为线性氧化速率常数
■
耐多种强酸腐蚀，但极易与氢氟酸反应。 多种强酸腐蚀 但极易与氢氟酸反应 强酸腐蚀， 易与氢氟酸反应。
■
在一定温度下，能和强碱(如NaOH，KOH等)反 在一定温度下，能和强碱( NaOH，KOH等 应，也有可能被铝、氢等还原。 也有可能被铝、氢等还原。
（三）二氧化硅在IC中的主要用途 二氧化硅在IC中的 中的主要用途 ■ 用做杂质选择扩散的掩蔽膜 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IC的隔离介质和 ■ 用做电容器的介质材料 用做电容器的介质材料 ■ 用做MOS器件的绝缘栅材料 用做MOS器件的 器件的绝缘栅材料
(2) 位于SiO2表面的氧化剂穿过已生成的SiO2层扩散到 位于SiO 表面的氧化剂穿过已生成的SiO SiO2-Si界面，其扩散流密度J2为： Si界面 界面， 扩散流密度J
线性近似， 线性近似，得到
D0 — 氧化剂在SiO2中的扩散系数，单位：cm2/sec 氧化剂在SiO 扩散系数，单位： C0 — SiO2表面内侧氧化剂浓度 表面内侧 内侧氧化剂浓度 Ci — SiO2-Si界面处氧化剂浓度 Si界面处 界面处氧化剂浓度 T0x — SiO2厚度
干氧氧化
问题：生长厚度 问题： 为Tox的二氧化硅， ox的二氧化硅， 的二氧化硅 估算需要消耗多 少厚度的硅? 少厚度的硅?
（二）热氧化生长动力学 (物理过程) 物理过程)
（三）热氧化工艺的Deal-Grove 模型 热氧化工艺的Deal-
C：氧化剂浓度
J1：粒子流密度： J1：粒子流密度：
J2： J2：扩散流密度
补充 I 氧化速率常数的实验获取方法 氧化速率常数的实验获取方法
氧化层厚度~ 氧化层厚度~氧化时 间关系图