第三章氧化及热处理

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1 二氧化硅的结构、性质和用途 二氧化硅的结构、
二氧化硅又名硅石，主要以石英砂形式存在。 二氧化硅又名硅石，主要以石英砂形式存在。 硅石
石英,水晶 结晶型Crystallized (石英 水晶 石英 水晶)
存 石英砂 硅石 石英砂)
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Amorphous SiO2 film
缺点
生长速率慢
干氧 O2 氧化 水汽 H2O 氧化 湿氧 通过高纯 氧化 水的氧气
SiO2质量差， SiO2质量差， 质量差 掩蔽能力不强
实际生成中，可以根据要求选择干氧、 实际生成中，可以根据要求选择干氧、湿氧或水 汽氧化。为了既保证氧化质量又提高氧化速率， 汽氧化。为了既保证氧化质量又提高氧化速率， 通常采用：干氧+湿氧+ 通常采用：干氧+湿氧+干氧 的氧化工艺
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2.1 2.1热氧化方法
1.干氧氧化： 1.干氧氧化：氧分子与硅直接反应生成二氧化硅 干氧氧化
Si （固态） + O（气态） → SiO （固态） 2 2
∆
温度：900-1200℃， 温度：900-1200℃，氧化速度慢 2.水汽氧化： 2.水汽氧化：高温下水汽与硅生成二氧化硅 水汽氧化
Si（固态） H 2O（气态） SiO2 + + 2 → （固态） 2H（气态）
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无论是干氧或者湿氧工艺，二氧化硅的生长都要消 无论是干氧或者湿氧工艺， 耗硅，如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的0.44， 耗硅，如图所示。硅消耗的厚度占氧化总厚度的 ， 这就意味着每生长 每生长1µm的氧化物，就有 的氧化物， 这就意味着每生长 的氧化物 就有0.44µm的硅 的硅 消耗（ 湿氧化略有差别）。 消耗（干、湿氧化略有差别）。
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二氧化硅晶体结构示意图
Si O
109º28´ 180º
结晶 SiO2
Si-O 四 面 体
共价键
SiO2 SiO2 Si-O Si-O 体 体 —
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二氧化硅的性质
a、物理性质： 、物理性质：
坚硬难熔 坚硬难熔（溶）的固体，熔点（1723℃）沸点（2230℃）高， 的固体，熔点（ ℃ 沸点（ ℃ 不导电
1.密度 表征SiO2的致密程度，密度大，致密度高 密度 表征SiO2的致密程度，密度大， SiO2的致密程度 2. 折射率表示SiO2光学性质的参数，密度越大，折射率越大 表示SiO2光学性质的参数，密度越大， SiO2光学性质的参数 3.电阻率表征电学性质的物理量；温度越高，电阻率越小 电阻率表征电学性质的物理量；温度越高， 4.介电强度衡量材料耐压能力大小的，单位是V/cm 介电强度衡量材料耐压能力大小的，单位是V/cm
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影响氧化速率的因素
1.氧化速率与时间的关系 1.氧化速率与时间的关系
通过一定的理论分析可知，在初始阶段氧化层厚度(X)与时间(t) 通过一定的理论分析可知，在初始阶段氧化层厚度(X)与时间(t) (X)与时间 是线性关系，而后变成抛物线关系。 是线性关系，而后变成抛物线关系。 通常来说， 小于1000 埃的氧化受控于线性机理。 这是大多数MOS 1000埃的氧化受控于线性机理 通常来说 ， 小于 1000 埃的氧化受控于线性机理 。 这是大多数 MOS 栅极氧化的范围。 栅极氧化的范围。
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4.电容介质 电容介质
二氧化硅介电常数大， 二氧化硅介电常数大，为3～4，击穿耐压教 ～ ， 高，电容温度系数小
5.器件隔离 器件隔离
集成电路的隔离有PN结隔离和介质隔离两种 结隔离和 两种,SiO2用于 集成电路的隔离有 结隔离 介质隔离两种 隔离 用于 介质隔离. 介质隔离 漏电流小,岛与岛之间的隔离电压大 岛与岛之间的隔离电压大,寄生电容小 漏电流小 岛与岛之间的隔离电压大 寄生电容小
良好的电绝缘介质 (Gate Oxide, Field Oxide) Resistivity > 1020 ohm·cm Energy Gap ~ 9eV 高的击穿场强 (>10MV/cm) 稳定的可重复的Si/SiO2界面特性 稳定的可重复的 表面的均匀的SiO2生长 在Si表面的均匀的 表面的均匀的
∆
3.湿氧氧化：既有干氧氧化， 3.湿氧氧化：既有干氧氧化，又有水汽氧化 湿氧氧化
Si+ 2 H 2 O → SiO 2 + 2 H 2 ↑ Si+ O 2 → SiO 2
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三种方法比较
种 类 氧化剂 优点
SiO2结构致密， SiO2结构致密，均匀性和 结构致密 重复性好， 重复性好，掩蔽能力强 氧化速度快 生长速率介于上述两者间 比干氧氧化快10 10倍左右 比干氧氧化快10倍左右
第三章 氧化介质薄膜生长
1 氧化硅介质薄膜的基本结构 2 硅的热氧化 3热处理 热处理 补充专题： 补充专题：绝缘层隔离工艺
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问题1： 问题 ：为什么硅是目前所有半导体材料中应 用最为成功的材料？ 用最为成功的材料？
Si有一系列的硅基材料： 有一系列的硅基材料： 有一系列的硅基材料 生长容易，稳定， SiO2生长容易，稳定， SiO2，绝缘材料； Si具有理想的界面 绝缘材料； 具有理想的界面 和 Si3N4：介质材料特性。这点对硅工艺 介质材料； ； 特性。 多晶硅：可以掺杂，导电； 多晶硅：可以掺杂，导电； 贡献最大! 贡献最大 硅化物：导电，作为接触和互连…… 硅化物：导电，作为接触和互连
MOS器件中电介质要求具有较大的介电常数，以便减小电容器 MOS器件中电介质要求具有较大的介电常数， 器件中电介质要求具有较大的介电常数 的体积和重量。热生长SiO2介电常数为3.2 SiO2介电常数为3.2～ 的体积和重量。热生长SiO2介电常数为3.2～3.8
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b、二氧化硅的化学性质
（不与水作用、常温下只与氢氟酸和强碱反应 不与水作用、 不与其它任何酸作用） 不与其它任何酸作用）
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对大多数杂质来说， 对大多数杂质来说，SiO2是非常好的扩散掩膜
Si和SiO2之间有非常好的选择腐蚀比率 和
SiO2 Si HF Dip Si
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SiO2在集成电路制造中的应用
• Gate oxide and capacitor dielectric in MOS devices • Isolation of individual devices (STI) • Masking against implantation and diffusion • Passivation of silicon surface
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Shallow Trench Isolation (STI)
STI
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绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来 绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来 一层足够厚的氧化层 防止从金属层产生的感应，这时的SiO 称为场氧化 防止从金属层产生的感应 ， 这时的 SiO2 称为 场氧化 物。 如图所示。 如图所示。
金属层 氧化层 晶片
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2 硅的热氧化
硅的热氧化是指在 硅的热氧化是指在1000℃以上的高温下 硅经 指在 ℃以上的高温下,硅经 过氧化生成二氧化硅的过程. 过氧化生成二氧化硅的过程 热氧化分为干氧氧化 湿氧氧化、水气氧化以 干氧氧化、 热氧化分为干氧氧化、湿氧氧化、水气氧化以 及掺氯氧化、氢氧合成等。 及掺氯氧化、氢氧合成等。
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热氧化过程中消耗的硅
热氧化化学反应虽然非常简单，但氧化机理并非如此， 热氧化化学反应虽然非常简单，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 因为一旦在硅表面有二氧化硅生成，它将阻挡O原子与 Si原子直接接触 所以其后的继续氧化是 原子直接接触， 继续氧化是O Si原子直接接触，所以其后的继续氧化是O原子通过扩 散穿过已生成的二氧化硅层， Si一侧运动到达界面进 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。 行反应而增厚的。
二氧化硅的厚度足够厚
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Masking against implantation and diffusion
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2. 表面钝化
作用： 作用： 防止器件的表面和内部受到机械损失 和杂质污染，起到了保护作用。 和杂质污染，起到了保护作用。
Si
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3.MOSFET的绝缘栅极 的绝缘栅极
二氧化硅绝缘层的电阻率高，介电强度大， 二氧化硅绝缘层的电阻率高，介电强度大，几 乎不存在漏电流
表示单位厚度的SiO2所能承受的最大击穿电压 表示单位厚度的SiO2所能承受的最大击穿电压 SiO2 热生长的SiO2介电强度为10 热生长的SiO2介电强度为106～107V/cm SiO2介电强度为
5.介电常数表示SiO2电容性能的参数 平行板电容公式？？ 介电常数表示SiO2电容性能的参数 平行板电容公式？？ SiO2电容性能
（1）常温与氢氟酸反应 ） 4HF+SiO2==SiF4↑+2H2O SiF4 +2HF == H2[SiF6]----六氟硅酸 六氟硅酸 SiO2 +6HF == H2[SiF6] +2H2O
氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃的雕刻， 氢氟酸能腐蚀玻璃，可用于玻璃的雕刻，不用玻璃仪器保存
（2）二氧化硅与碱作用 ） SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O
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掺氯作用
氯可以减少氧化层里的移动离子（Na）电荷， 氯可以减少氧化层里的移动离子（Na）电荷， 减少氧化层里的移动离子 SiO2-Si界面可同硅的悬挂健结合， 界面可同硅的悬挂健结合 在SiO2-Si界面可同硅的悬挂健结合，减少界面 与重金属杂质生成氯化物气体排出， 态。可与重金属杂质生成氯化物气体排出，从 而减少硅表面及氧化层的结构缺陷 薄的MOS栅极氧化层质量要求很高 MOS栅极氧化层质量要求很高， 薄的MOS栅极氧化层质量要求很高，为了满足这 一要求， 一要求，通常采用加氯氧化法