第二章 氧化工艺

总的反应： SiO2 + 6HF=> H2 [SiF6 ] +2H2O 生产中这一性质对二氧化硅膜进行腐蚀
在一定温度下，能和强碱（如氢氧化钠、氢氧化钾）反应，
也有可能被铝、氢等还原。
2、二氧化硅的用途
对杂质扩散的掩蔽作用
对器件的表面保护和钝化作用
用于器件的绝缘隔离层
用作电容器的介质材料 用作MOS器件的绝缘栅材料 用于其它半导体器件
气流滞流层 SiO2 Si衬底
D-G模型描述的氧化过程
1) 氧化剂由气相传输到二氧化硅的表面，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：
J1 hG (CG CS )
hG—气相质量运输系数，单位cm/sec CG－－气相氧化剂浓度（离硅片较远） CS—SiO2表面外侧氧化剂浓度
2.1
对杂质扩散的掩蔽作用
器件制造过程中的掺杂是选择（定域）掺杂，那么 不需要掺杂的区域就必须进行保护而不被掺杂。
由于某些元素（如硼、磷、砷、锑等）在二氧化硅 中的扩散速度比在硅中慢很多，可以利用二氧化硅作为 扩散掩蔽层，如图所示。
但是也有一些情况相反，如铝、镓和铟等，镓和钠等碱金属扩散 在SiO2扩散速度快， SiO2层对这些杂质起不到“掩蔽”作用。
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：
J3= KsCi
Ks－－氧化剂在SiO2-Si界面处的表面化学反应常数， 单位：cm/sec Ci－－SiO2-Si界面处氧化剂浓度
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表示

J1=hg(Cg-Cs)
Tsi
初始硅表面
Tox
SiO2 Si
Si
如图所示。厚度为 Tox ，面积为一平方厘米的二氧
化硅体内含有SiO2分子数为CSiO2Tox ，而这个数字应该等于消 耗掉的硅原子数CSiO TSi ，即CSiO2 Tox ＝CSiO TSi
得
C SiO2 TSi T0 x 0.44T0 x CS i
200～500
2000～5000 3000～10000
氧化
掩膜氧化、表面钝化 场氧化
3 热氧化机理
半导体工艺中的二氧化硅大多数是通过热生长氧化法 得到的，也就是让硅片（晶园）在高温下，与氧化剂发 生反应而生长一层SiO2膜的方法，其化学反应式如 Si(s)+O2(g) => SiO2(s) Si(s)+2H2O(g) => SiO2(s)+2H2(g) 化学反应非常简单，但氧化机理并非如此，因为一旦在 硅表面有二氧化硅生成，它将阻挡O 2 原子或 H2 O 与Si 原 子直接接触，所以其后的继续氧化是 O 2 原子或 H 2 O通过 扩散穿过已生成的二氧化硅层，向Si一侧运动到达界面 进行反应而增厚的。那么不同的阶段阶段，氧化层厚度 (X)与时间(t)是何种关系呢？
2
其中
2D0 2D0C * To ATo 1 1 A 2D0 ( ) ,B , Ks H Ks N1 B
2
氧化层厚度和时间的关系式为：
讨论：
Tox ATox B(t )
2
1. 氧化层很薄时（氧化时间很短时，可忽略二次项，此时Tox 和t为线型关系 ）
A2 Tox B(t ) / A, (t )（B/A为线性速率常数） 4B
2) 位于二氧化硅表面的氧化剂穿过已生成的二氧化 硅层扩散到SiO2-Si界面，其扩散流密度J2为：
dN J 2 D0 dTox
线型近似后得到：
C0 Ci J 2 D0 Tox
Do—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 Tox--SiO2厚度
3.1硅的Deal－Grove热氧化模型
Deal－Grove模型 （线性－抛物线模型，linear-parabolic model)
—可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。
适用于：
氧化温度700～1300 oC； 局部压强0.1~25个大气压； 氧化层厚度为20～2000 nm的水汽和干法氧化
2.6场氧化层field oxide
目的:用做单个晶体管间相互隔离的阻挡层。 场氧化层 晶体管位置 p+硅衬底
说明:一般场氧化层厚度在2,500到15,000Å间。 （厚氧） 湿氧氧化法是较佳的生长方法。
2.7 器件氧化物的厚度
应用在硅材料器件中的二氧化硅随着作用的不同其厚度 差别是很大的，薄的氧化层主要是MOS器件里的栅极，厚 的氧化层主要用于场氧化层，下面的表列出了不同厚度 范围及其相对应的主要用途。 二氧化硅厚度（Å） 60～100 150～500 应用 隧道栅极 栅极氧化、电容绝缘层
NkT 得到： N PGS Cs CS—SiO2表面外侧氧化剂浓度 V kT C0--SiO2表面内侧氧化剂浓度
C0＝ H PGS
C0＝ H (kT Cs)
C0 Cs HkT
定义
hG C* CG ( HkT ), h HkT
则有
J 1 hG (CG C S ) hG (C * C 0 ) h(C * C 0 ) HkT
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第二章
氧
化

二氧化硅是微电子工艺中采用最多的介质薄膜。 二氧化硅薄膜的制备方法有： 热氧化 化学气相淀积 物理法淀积 阳极氧化等 热氧化是最常用的氧化方法，需要消耗硅衬底， 是一种本征氧化法。
本章内容
二氧化硅的性质
二氧化硅的用途
介电强度：单位厚度的SiO2所承受的最小击穿电压106～ 107V/cm 介电常数：相对介电常数为3.9
2) 、化学性质
酸性氧化物，是硅最稳定的氧化物，不溶于水
耐多种强酸，但能与氢氟酸反应：
第一步： 第二步： SiO2 + 4HF=> SiF4+2H2O SiF4 +6HF=> H2 [SiF6 ]
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
1、二氧化硅的性质
1.1 二氧化硅的结构
热氧化二氧化硅网络：一个硅原 子和4个氧原子组成四面体单元。
——一种无定型的玻璃状结构
软化温度 (1700℃以上)。 分子数密度CSiO2=2.2×1022/cm3
非晶态二氧化硅结构
2. 氧化层很厚的时候（氧化时间足够长，可忽略一次项此时Tox 和t为抛物线 型关系）
固相扩散： 化学反应：
J 2 DSiO 2
C C C DSiO 2 0 i xo xo
主流 气体 O2
粘滞层 SiO2
J1
Si
J 3 ksCi
pg Cg
ps Cs
J2
J3
热氧化是在氧化剂气氛下进行：O2流密度不 变，即准平衡态稳定生长： J1=J2=J3
J1：粒子流密度 J2：扩散流密度 J3：反应流密
也可以利用其作为各元件间的电隔离(即介质隔离)。
如图所示。
金属层 氧化层 晶片
2.5用作MOS器件的绝缘栅材料
二氧化硅膜用于MOS场效 应管的绝缘栅介质，在一 个MOS三极管中，栅极区 会长一层薄的二氧化硅 （见图）。这时的SiO2的 厚度和质量决定着场效应 管的多个电参数，所以对 绝缘栅的厚度和质量要求 非常严格。
无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都 要消耗硅，那么硅表面生长的二氧化硅厚度和消耗 掉的硅厚度有什么关系呢？
设硅厚度减少 Tsi,生长的二氧化硅厚度为 Tox ， （可以确定：无定型SiO2原子密度 CSiO2=2.2×1022/cm3，硅晶体的原子密度 Csi=5.0×1022/cm3） 求 Tox 和 TSi 的关系

——网络改变者：存在于二氧化硅网络间隙中的 杂质，又称间隙式杂质。其特点是离子半径较大， 多以氧化物形式掺入，如钠、钾、钙等；
二氧化硅中杂质和缺陷示意图
氧 硅 网络形成者 氢 网络改变者
2.2 对器件的表面保护和钝化作用
SiO2层在防止硅器件被污染方面起到了一个非常重要的 作用。原因是SiO2密度非常高、非常硬，因此硅表面的SiO2 层可以扮演一个污染阻挡层的角色。 另一方面， SiO2对器件的保护是源于其化学特性。因 为在制造过程中，无论工作室多么洁净，总有一些电特性活 跃的污染物最终会进入或落在硅片表面，在氧化过程中， 污染物在表面形成新的氧化层，使得污染物远离了电子活性 的硅表面。也就是说污染物被禁锢在二氧化硅膜中，从而减 小了污染物对器件的影响。
Deal－Grove模型
（1）氧化剂输运 （2）固相扩散 （3）化学反应 （4）反应的副产物离开界面 氧化剂流动方向 (如 O2或 H2O）
气体中扩散 固体中扩散 SiO2 形成
1）氧化剂由气相内部输运到气体-氧化层界面 2）扩散穿过已经生成的氧化层，抵达SiO2-Si界面； 3）在界面处与硅发生氧化反应； 4）反应的副产物扩散出氧化层，并向主气流转移；
C0 Ci J 2 D0 Tox
J3= KsCi
J=J1＝J2＝J3
通过解方程，可以得到
K s Tox C* Ci , C0 Ci (1 ) K s K s Tox D0 1 h D0 K sC * 因此有, J J J J K C 1 2 3 s i K s K s Tox 1 h D0 将J 与氧化速率联系起来有：
2.3 用作电容器的介质材料 SiO2也可用来做硅表面和导电表面之间形成的电 容所需的介电质（见图）。二氧化硅的介电常数 在10kHZ频率下工作时为3-4，击穿电压高，温度 系数小，是制作电容器的良好材料。