氧化技术和薄膜制备技术
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氧化剂是氧和“水”的混合物，在给定的温度和时间下，携 带气体氧中水的含量是决定氧化层厚度的主要因素
一般湿氧氧化是由携带气体通过水浴后，含有水汽的氧气进入石英管对 硅片进行氧化，而水汽的多少由水浴的温度控制，同时水浴的质量也将 影响氧化层质量的好坏。
一种新的湿氧氧化方法，它是依靠高纯的氢气和氧气在石英管中按比例 混合燃烧成水，氢和氧的比例为2:1 时为水汽氧化，小于这比例为湿氧 氧化，当氢气为零时，为干氧氧化。
在SiO2网络中绝大多数氧原子为两个硅原子所共有， 称为桥联氧原子;为数较少的氧原子只和一个硅原 子相联结，称为非桥联氧原子。
SiO2 中的杂质绝大部分是被电离的，且多数以正离子的形 式存在。
电离的杂质按其在SiO2 网络中的位置和作用，一般分为网 络形成剂和网络改变剂两种，少数杂质(如铝)两种作用都 具备。
密度
折射率λ＝546nm 电阻率
介电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ数
（g/cm3）
（Ωcm）
2.24-2.27 1.46-1.466 2.18-2.27 1.435-1.458
3×1015- 3.4 2×1016
3.82
介电强度 （108V/c m）
9
水汽 高压氧化
2-2.2 2.32
1.452-1.462 1.45-1.48
2012 50 256G 0.5-0.6 <1 ±4-8 >5 <0.01 6 9 <1.5
未来趋势
• 为了控制杂志扩散将更多使用低温工艺。 • 低温下生长厚SiO2膜的途径：1，在氧化期间使
二氧化硅在高温下被活泼金属或非金属还原：
高温
SiO2 2Mg＝Si 2MgO
高温
＝ 3SiO2 2Al 3Si 2Al2O3
二氧化硅与碳放入电炉内加热到1800℃时，能生成碳化硅 ：
1800C
SiO 3C ＝ 2CO SiC 空气较少
不同方法制备的二氧化硅薄膜的物理参数
氧化方法
干氧 湿氧
热分解常用的烷氧基硅烷
材料名称 化学式
分子量 沸点（℃） 蒸汽分解温度 最佳分解温度
（℃）
（℃）
四乙氧基硅 Si(OC2H5)4 208
107
728-840
750
烷（正
硅酸乙
脂）
乙基三乙氧 (C2H5)Si(O 192
161
650-750
700
基硅烷
C2H5)3
戊基三乙氧 C5H11Si(OC 234
网络形成剂主要是指和硅原子大小相近或更小的那一类 杂质，如硼、磷、铝、砷等。
网络改变剂主要是指离子半径较大的那一类杂质，如钾、 钠、钙、钡和铅等
二氧化硅的性质
二氧化硅与HF的化学反应 ： SiO2 4HF SiF4 2H2O
SiF4 2HF H2 (SiF6 )
二氧化硅与碱反应：
SiO2 2NaOH Na2SiO3 H2O
与硅衬底取向及其掺杂浓度有关：
结果只在低温下观察到不同衬底氧化层厚度的差异
实现遮蔽的条件
1，所选用的扩散源在二氧化硅中的扩散系数 必须比在硅中的扩散系数小的多；
2，二氧化硅层必须具有足够的厚度，以确保 杂质在扩散区达到预定的结深时，二氧化 硅层还远没有被扩透。
一定杂质含量下，常用杂质在二氧化硅 层中的扩散系数
➢在干氧接触在高温下生成SiO2 ➢在水汽或湿氧中生成SiO2 ➢在液态介质中加电场进行阳极氧化 ➢利用热分解法在衬底上淀积二氧化硅 ➢可用蒸发法、溅射法获得二氧化硅薄膜
水汽氧化
利用水汽在高温下与硅形成二氧化硅
其反应方程式为：
高温
Si 2H2O SiO2 2H2
当氧化温度在1000℃以上时，水或硅烷醇在二氧化硅层中的 扩散速率起主要作用，呈抛物线关系。
氧化层质量检测
氧化层的膜厚测量
比色法：
不同厚度的氧化层，呈现出不同的颜色，随厚度的增加，颜色从灰色逐步 变到红色，当厚度继续增加时，氧化层颜色从紫色到红色周期性变化
这种方法仅适用于100-700纳米之间的氧化层。
注意二点：
1，观察时也应成垂直角度； 2，首先要确定要测的氧化层是属于第几周期，然后再观察氧化层的颜色。
干氧氧化速度慢，氧化层结构致密，表面是非极性的硅-氧烷结构。所 以与光刻胶粘附性好，不易产生浮胶现象。
水汽氧化的速度快，但氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化的好，特 别是氧化层表面是硅烷醇，存在的羟基极易吸附水，极性的水不易粘 润非极性的光刻胶，所以氧化层表面与光刻胶粘附性差。
生产中经常采用干氧-湿氧-干氧结合的方法，综合了干氧氧化 二氧化硅干燥致密，湿氧氧化速率快的优点，并能在规定时 间内使二氧化硅层的厚度，质量合乎要求。
✓而当温度较高或时间较长时，由于化学反应速率更迅速 地增加，使得化学反应速率比扩散速率大得多，氧化处于 扩散控制。
压力对氧化机理的影响：
➢在高压下，由于氧化剂的扩散流密度大大增加，所以界 面反应常常成为控制因素，氧化层厚度与时间成正比;
➢在低压下，则处于扩散控制。
氧化气氛：
一定的温度下，水汽氧化速率常数仍比干氧的 在掺氯氧化时，其氧化速率会比普通干氧氧化要快
高压水汽氧化
高压氧化方法主要的优点是可以比常压时用更低的温度，更 少的时间得到相同的厚度
高压水汽氧化时，以氮化硅为氧化掩蔽层。这是超大规模集 成电路制造中进行等平面工艺的理想方法
同时高压氧化也同样与衬底Si 材料的晶向有关
硅氧化所需的水汽是由氢气与氧气燃烧产生的
热分解淀积二氧化硅
• 热分解淀积是利用硅的化合物热分解，在衬底上淀积一层
二氧化硅，衬底本身不参加反应，因此淀积温度比热生长 二氧化硅要低得多。
• 作为淀积二氧化硅的主要化合物是烷氧基硅烷和硅烷。
正硅酸乙脂，其热分解式如下
正硅酸乙脂 720-7500C气态有机原子团＋SiO2 (SiO C)
硅烷SiH4 在氧气中热分解反应如下： SiH4 +2O2 —→ SiO2 +2H2O, 反应温度一般选在300℃左右
不同氧化层厚度的干涉色彩
颜色
灰色 黄褐色 蓝色 紫色 深蓝色 绿色 黄色 橙色 红色
氧化层厚度（×10-8cm） 第一周期 第二周期 第三周期
100
300
800
1000 1500 1850 2100 2250
2750 3000 3300 3700 4000
4650 4900 5200 5600 6000
氧化层针孔的产生：
1，硅片表面质量不好，有一定的位错和层错，而位错和层错 处又集聚了快扩散杂质
2，硅片不干净，有残留的杂质，或者光刻胶沾有杂质，光刻 腐蚀后在二氧化硅层上产生针孔
显示针孔的方法
1，电学写真法－利用联苯胺的盐酸溶液在电化学作用后有 无色液体变为蓝色产物
2，化学腐蚀法－利用对硅和二氧化硅腐蚀不同的腐蚀液进 行选择腐蚀
当氧化温度低于1000℃或时间很短时，呈线性关系。
生长SiO2的重量 ＝ PSiO2 X 0 A 消耗掉的Si重量 PSi X Si A
X SiO 层的厚度; X 消耗掉Si的厚度
0
2
Si
P SiO 的密度; P Si的密度
SiO
2
Si
2
生长1μm的氧化层要消耗掉0.46μm厚的Si层，二氧 化硅的体积比消耗掉的硅膨胀一倍
1015-1017 3.2
6.8-9 7-9
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
7×1014- 3.54
5-6
8×1014
二氧化硅与硅的界面性质
+：离子陷阱； ×：界面态； 田：固定电荷； Na+外加圈：可动正离子。
二氧化硅的制备
硅表面形成二氧化硅的方法很多：
• 测量精度高，可达几个纳米，是一种非破坏性的
测量方法，不仅可以同时测量出膜厚和折射率， 还可以测量非硅衬底上的各种透明膜和半透明膜 的厚度与折射率。另外，还可以用来检验膜层厚 度的均匀性。
高频C-V测试
利用金属－氧化物－半导体结构，测量其电 容－电压关系曲线 ，由于C-V曲线与氧化层 的厚度及膜中含有的杂质，电荷和能级状 态有关。
• 当氧化层的厚度与氧化时间成正比时，氧化层的生长主要取决于在硅
表面上的氧化反应的快慢，称为表面反应控制。
• 当氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比时，氧化层的生长主要取决
于氧化剂在SiO2 层扩散的快慢，称为扩散控制。
氧化温度和时间对氧化机理的影响：
✓氧化温度较低或时间较短时，常常化学反应速率远远低 于扩散速率，氧化处于表面反应控制;
3，自愈合击穿技术－涂极薄的金属铝，在MOS结构上加电 压，使电容击穿
4，染色法－利用电解液，以铜做阳极，硅片做阴极 5，液晶探测真空－通过真空引起液晶分子的扰动 6，铝的氧化－只能显示有无针孔，对小针孔无能为力
硅工艺技术的未来发展路线
第一个DRAM上市年份
1997
最小特征尺寸（nm）
250
DRAM位/芯片
198
600-740
650
基硅烷
2H5)3
苯基三乙氧 C6H5Si(OC2 240
234
610-750
700
基硅烷
H5)3
二甲基二乙 (CH3)2Si(O 148
111
氧基硅
C2H5)2
烷
760-900
800
氧化层机理
根据热力学计算，氧化只取决于氧化剂在SiO2 中的 扩散及在硅表面上的氧化反应两个过程，其中较 慢者控制着氧化层的生长。
水汽氧化的示意图
较高的水温只增大通过硅片附近的蒸汽流量，并不改变 水汽的浓度大小。
干氧氧化
干氧氧化是在高温下，氧分子与硅直接反应生成二氧化硅
反应方程式为：
高温
Si O2 SiO2
干氧氧化速率小于水汽氧化速率，这是由于O2 在SiO2中扩 散系数通常小于H2O 在SiO2 中的扩散系数
湿氧氧化
2500
4300
6500
第四周期
6500 6800 7200 7500
双光干涉法
利用氧化层台阶上干涉条纹数目来求氧化层 的厚度
劈尖干涉法 光干涉显微镜测量
椭圆偏振光法
• 是以光的波动性为理论基础的，当一束椭圆偏振
光投射到薄膜上，并从薄膜上反射时，它的偏振 状态就要发生变化，其变化的程度与薄膜的厚度 和薄膜的折射率有关，通过测定椭圆偏振光在薄 膜上反射后偏振状态的变化确定薄膜的厚度和折 射率。
金属－半导体功函数 MS
V 平带电压 FB
二氧化硅层的宏观缺陷
包括：氧化层厚度不均匀，表面有斑点，氧 化层有针孔。
氧化层厚度不均匀：
氧化石英管中氧气或水汽的蒸汽压不均匀，氧化炉温度不稳 定，恒温区太短，水温变化不均匀等。
表面有斑点：
1，硅片表面处理不净，残留一些沾污的杂质微粒。
2，石英管长期使用，处在高温区域的石英管产生白色薄膜，大 气流吹动或操作时振动会造成微粒掉下来。
• 半导体器件生产中制备的SiO2 薄膜属于无定
形结构(俗称为SiO2 玻璃)。
结晶型的二氧化硅网络结构致密，密度高，为2.65g/cm3
而无定形二氧化硅的密度为2.20g/cm3 左右，视结构的致密程 度而不同
二氧化硅的基本结构单元都是由硅氧组成的硅氧四 面体，硅在硅氧四面体的中心，四个氧在四面体 的顶角上，为两个硅原子所共用，四面体只在顶 角上相互连接，不共面不共边。
256M
最小电源电压（V）
1.8-2.5
等效的栅氧化层厚度 Tox(nm)
厚度控制3σ（％）
4-5 ±4
4-5 等效的最大电场强度（MV cm-1）
<0.01 栅氧化层漏电流（DRAM） （pAμm-2）
隧穿氧化层厚度（nm） 8.5
最多的布线层数
6
用于层间绝缘层的介电常 数K
3-4.1
1999 180 1G 1.5-1.8 3-4 ±4 5 <0.01 8 6-7 2.5-3
2003 130 4G 1.2-1.5 2-3 ±4-6 5 <0.01 7.5 7 1.5-2
2006 100 16G 0.9-1.2 1.5-2 ±4-8 >5 <0.01 7 7-8 1.5-2
2009 70 64G 0.6-0.9 <1.5 ±4-8 >5 <0.01 6.5 8-9 <1.5
氧化技术和薄膜制备技术
氧化层的用途
• 二氧化硅对杂质有掩蔽扩散作用，能实现
定域扩散掺杂
• 器件表面的保护和钝化膜 • 器件的电隔离（绝缘）作用 • 电容的介电材料 • 作MOS 管的绝缘栅材料
氧化层的结构
• 二氧化硅有两种结构：结晶型和非结晶型。 • 结晶型的二氧化硅如各种石英；非结晶型的
如石英玻璃、无定形二氧化硅。
确定氧化层中可动电荷密度N Na+
N Na
C0 q
[(VFB
) BT
(VFB )BT ]
确定氧化层厚度
d= 0A
Cmax
真空的介电常数， 二氧化硅的介电常数， 0
d-氧化层厚度，C 单位面积电容 0
确定等效的界面电荷密度Qss
Qss
/
q
C0 q
[VFB
MS
]
q
电子电荷1.6
19
10
库仑
一般湿氧氧化是由携带气体通过水浴后，含有水汽的氧气进入石英管对 硅片进行氧化，而水汽的多少由水浴的温度控制，同时水浴的质量也将 影响氧化层质量的好坏。
一种新的湿氧氧化方法，它是依靠高纯的氢气和氧气在石英管中按比例 混合燃烧成水，氢和氧的比例为2:1 时为水汽氧化，小于这比例为湿氧 氧化，当氢气为零时，为干氧氧化。
在SiO2网络中绝大多数氧原子为两个硅原子所共有， 称为桥联氧原子;为数较少的氧原子只和一个硅原 子相联结，称为非桥联氧原子。
SiO2 中的杂质绝大部分是被电离的，且多数以正离子的形 式存在。
电离的杂质按其在SiO2 网络中的位置和作用，一般分为网 络形成剂和网络改变剂两种，少数杂质(如铝)两种作用都 具备。
密度
折射率λ＝546nm 电阻率
介电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ数
（g/cm3）
（Ωcm）
2.24-2.27 1.46-1.466 2.18-2.27 1.435-1.458
3×1015- 3.4 2×1016
3.82
介电强度 （108V/c m）
9
水汽 高压氧化
2-2.2 2.32
1.452-1.462 1.45-1.48
2012 50 256G 0.5-0.6 <1 ±4-8 >5 <0.01 6 9 <1.5
未来趋势
• 为了控制杂志扩散将更多使用低温工艺。 • 低温下生长厚SiO2膜的途径：1，在氧化期间使
二氧化硅在高温下被活泼金属或非金属还原：
高温
SiO2 2Mg＝Si 2MgO
高温
＝ 3SiO2 2Al 3Si 2Al2O3
二氧化硅与碳放入电炉内加热到1800℃时，能生成碳化硅 ：
1800C
SiO 3C ＝ 2CO SiC 空气较少
不同方法制备的二氧化硅薄膜的物理参数
氧化方法
干氧 湿氧
热分解常用的烷氧基硅烷
材料名称 化学式
分子量 沸点（℃） 蒸汽分解温度 最佳分解温度
（℃）
（℃）
四乙氧基硅 Si(OC2H5)4 208
107
728-840
750
烷（正
硅酸乙
脂）
乙基三乙氧 (C2H5)Si(O 192
161
650-750
700
基硅烷
C2H5)3
戊基三乙氧 C5H11Si(OC 234
网络形成剂主要是指和硅原子大小相近或更小的那一类 杂质，如硼、磷、铝、砷等。
网络改变剂主要是指离子半径较大的那一类杂质，如钾、 钠、钙、钡和铅等
二氧化硅的性质
二氧化硅与HF的化学反应 ： SiO2 4HF SiF4 2H2O
SiF4 2HF H2 (SiF6 )
二氧化硅与碱反应：
SiO2 2NaOH Na2SiO3 H2O
与硅衬底取向及其掺杂浓度有关：
结果只在低温下观察到不同衬底氧化层厚度的差异
实现遮蔽的条件
1，所选用的扩散源在二氧化硅中的扩散系数 必须比在硅中的扩散系数小的多；
2，二氧化硅层必须具有足够的厚度，以确保 杂质在扩散区达到预定的结深时，二氧化 硅层还远没有被扩透。
一定杂质含量下，常用杂质在二氧化硅 层中的扩散系数
➢在干氧接触在高温下生成SiO2 ➢在水汽或湿氧中生成SiO2 ➢在液态介质中加电场进行阳极氧化 ➢利用热分解法在衬底上淀积二氧化硅 ➢可用蒸发法、溅射法获得二氧化硅薄膜
水汽氧化
利用水汽在高温下与硅形成二氧化硅
其反应方程式为：
高温
Si 2H2O SiO2 2H2
当氧化温度在1000℃以上时，水或硅烷醇在二氧化硅层中的 扩散速率起主要作用，呈抛物线关系。
氧化层质量检测
氧化层的膜厚测量
比色法：
不同厚度的氧化层，呈现出不同的颜色，随厚度的增加，颜色从灰色逐步 变到红色，当厚度继续增加时，氧化层颜色从紫色到红色周期性变化
这种方法仅适用于100-700纳米之间的氧化层。
注意二点：
1，观察时也应成垂直角度； 2，首先要确定要测的氧化层是属于第几周期，然后再观察氧化层的颜色。
干氧氧化速度慢，氧化层结构致密，表面是非极性的硅-氧烷结构。所 以与光刻胶粘附性好，不易产生浮胶现象。
水汽氧化的速度快，但氧化层结构疏松，质量不如干氧氧化的好，特 别是氧化层表面是硅烷醇，存在的羟基极易吸附水，极性的水不易粘 润非极性的光刻胶，所以氧化层表面与光刻胶粘附性差。
生产中经常采用干氧-湿氧-干氧结合的方法，综合了干氧氧化 二氧化硅干燥致密，湿氧氧化速率快的优点，并能在规定时 间内使二氧化硅层的厚度，质量合乎要求。
✓而当温度较高或时间较长时，由于化学反应速率更迅速 地增加，使得化学反应速率比扩散速率大得多，氧化处于 扩散控制。
压力对氧化机理的影响：
➢在高压下，由于氧化剂的扩散流密度大大增加，所以界 面反应常常成为控制因素，氧化层厚度与时间成正比;
➢在低压下，则处于扩散控制。
氧化气氛：
一定的温度下，水汽氧化速率常数仍比干氧的 在掺氯氧化时，其氧化速率会比普通干氧氧化要快
高压水汽氧化
高压氧化方法主要的优点是可以比常压时用更低的温度，更 少的时间得到相同的厚度
高压水汽氧化时，以氮化硅为氧化掩蔽层。这是超大规模集 成电路制造中进行等平面工艺的理想方法
同时高压氧化也同样与衬底Si 材料的晶向有关
硅氧化所需的水汽是由氢气与氧气燃烧产生的
热分解淀积二氧化硅
• 热分解淀积是利用硅的化合物热分解，在衬底上淀积一层
二氧化硅，衬底本身不参加反应，因此淀积温度比热生长 二氧化硅要低得多。
• 作为淀积二氧化硅的主要化合物是烷氧基硅烷和硅烷。
正硅酸乙脂，其热分解式如下
正硅酸乙脂 720-7500C气态有机原子团＋SiO2 (SiO C)
硅烷SiH4 在氧气中热分解反应如下： SiH4 +2O2 —→ SiO2 +2H2O, 反应温度一般选在300℃左右
不同氧化层厚度的干涉色彩
颜色
灰色 黄褐色 蓝色 紫色 深蓝色 绿色 黄色 橙色 红色
氧化层厚度（×10-8cm） 第一周期 第二周期 第三周期
100
300
800
1000 1500 1850 2100 2250
2750 3000 3300 3700 4000
4650 4900 5200 5600 6000
氧化层针孔的产生：
1，硅片表面质量不好，有一定的位错和层错，而位错和层错 处又集聚了快扩散杂质
2，硅片不干净，有残留的杂质，或者光刻胶沾有杂质，光刻 腐蚀后在二氧化硅层上产生针孔
显示针孔的方法
1，电学写真法－利用联苯胺的盐酸溶液在电化学作用后有 无色液体变为蓝色产物
2，化学腐蚀法－利用对硅和二氧化硅腐蚀不同的腐蚀液进 行选择腐蚀
当氧化温度低于1000℃或时间很短时，呈线性关系。
生长SiO2的重量 ＝ PSiO2 X 0 A 消耗掉的Si重量 PSi X Si A
X SiO 层的厚度; X 消耗掉Si的厚度
0
2
Si
P SiO 的密度; P Si的密度
SiO
2
Si
2
生长1μm的氧化层要消耗掉0.46μm厚的Si层，二氧 化硅的体积比消耗掉的硅膨胀一倍
1015-1017 3.2
6.8-9 7-9
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
7×1014- 3.54
5-6
8×1014
二氧化硅与硅的界面性质
+：离子陷阱； ×：界面态； 田：固定电荷； Na+外加圈：可动正离子。
二氧化硅的制备
硅表面形成二氧化硅的方法很多：
• 测量精度高，可达几个纳米，是一种非破坏性的
测量方法，不仅可以同时测量出膜厚和折射率， 还可以测量非硅衬底上的各种透明膜和半透明膜 的厚度与折射率。另外，还可以用来检验膜层厚 度的均匀性。
高频C-V测试
利用金属－氧化物－半导体结构，测量其电 容－电压关系曲线 ，由于C-V曲线与氧化层 的厚度及膜中含有的杂质，电荷和能级状 态有关。
• 当氧化层的厚度与氧化时间成正比时，氧化层的生长主要取决于在硅
表面上的氧化反应的快慢，称为表面反应控制。
• 当氧化层厚度与氧化时间的平方根成正比时，氧化层的生长主要取决
于氧化剂在SiO2 层扩散的快慢，称为扩散控制。
氧化温度和时间对氧化机理的影响：
✓氧化温度较低或时间较短时，常常化学反应速率远远低 于扩散速率，氧化处于表面反应控制;
3，自愈合击穿技术－涂极薄的金属铝，在MOS结构上加电 压，使电容击穿
4，染色法－利用电解液，以铜做阳极，硅片做阴极 5，液晶探测真空－通过真空引起液晶分子的扰动 6，铝的氧化－只能显示有无针孔，对小针孔无能为力
硅工艺技术的未来发展路线
第一个DRAM上市年份
1997
最小特征尺寸（nm）
250
DRAM位/芯片
198
600-740
650
基硅烷
2H5)3
苯基三乙氧 C6H5Si(OC2 240
234
610-750
700
基硅烷
H5)3
二甲基二乙 (CH3)2Si(O 148
111
氧基硅
C2H5)2
烷
760-900
800
氧化层机理
根据热力学计算，氧化只取决于氧化剂在SiO2 中的 扩散及在硅表面上的氧化反应两个过程，其中较 慢者控制着氧化层的生长。
水汽氧化的示意图
较高的水温只增大通过硅片附近的蒸汽流量，并不改变 水汽的浓度大小。
干氧氧化
干氧氧化是在高温下，氧分子与硅直接反应生成二氧化硅
反应方程式为：
高温
Si O2 SiO2
干氧氧化速率小于水汽氧化速率，这是由于O2 在SiO2中扩 散系数通常小于H2O 在SiO2 中的扩散系数
湿氧氧化
2500
4300
6500
第四周期
6500 6800 7200 7500
双光干涉法
利用氧化层台阶上干涉条纹数目来求氧化层 的厚度
劈尖干涉法 光干涉显微镜测量
椭圆偏振光法
• 是以光的波动性为理论基础的，当一束椭圆偏振
光投射到薄膜上，并从薄膜上反射时，它的偏振 状态就要发生变化，其变化的程度与薄膜的厚度 和薄膜的折射率有关，通过测定椭圆偏振光在薄 膜上反射后偏振状态的变化确定薄膜的厚度和折 射率。
金属－半导体功函数 MS
V 平带电压 FB
二氧化硅层的宏观缺陷
包括：氧化层厚度不均匀，表面有斑点，氧 化层有针孔。
氧化层厚度不均匀：
氧化石英管中氧气或水汽的蒸汽压不均匀，氧化炉温度不稳 定，恒温区太短，水温变化不均匀等。
表面有斑点：
1，硅片表面处理不净，残留一些沾污的杂质微粒。
2，石英管长期使用，处在高温区域的石英管产生白色薄膜，大 气流吹动或操作时振动会造成微粒掉下来。
• 半导体器件生产中制备的SiO2 薄膜属于无定
形结构(俗称为SiO2 玻璃)。
结晶型的二氧化硅网络结构致密，密度高，为2.65g/cm3
而无定形二氧化硅的密度为2.20g/cm3 左右，视结构的致密程 度而不同
二氧化硅的基本结构单元都是由硅氧组成的硅氧四 面体，硅在硅氧四面体的中心，四个氧在四面体 的顶角上，为两个硅原子所共用，四面体只在顶 角上相互连接，不共面不共边。
256M
最小电源电压（V）
1.8-2.5
等效的栅氧化层厚度 Tox(nm)
厚度控制3σ（％）
4-5 ±4
4-5 等效的最大电场强度（MV cm-1）
<0.01 栅氧化层漏电流（DRAM） （pAμm-2）
隧穿氧化层厚度（nm） 8.5
最多的布线层数
6
用于层间绝缘层的介电常 数K
3-4.1
1999 180 1G 1.5-1.8 3-4 ±4 5 <0.01 8 6-7 2.5-3
2003 130 4G 1.2-1.5 2-3 ±4-6 5 <0.01 7.5 7 1.5-2
2006 100 16G 0.9-1.2 1.5-2 ±4-8 >5 <0.01 7 7-8 1.5-2
2009 70 64G 0.6-0.9 <1.5 ±4-8 >5 <0.01 6.5 8-9 <1.5
氧化技术和薄膜制备技术
氧化层的用途
• 二氧化硅对杂质有掩蔽扩散作用，能实现
定域扩散掺杂
• 器件表面的保护和钝化膜 • 器件的电隔离（绝缘）作用 • 电容的介电材料 • 作MOS 管的绝缘栅材料
氧化层的结构
• 二氧化硅有两种结构：结晶型和非结晶型。 • 结晶型的二氧化硅如各种石英；非结晶型的
如石英玻璃、无定形二氧化硅。
确定氧化层中可动电荷密度N Na+
N Na
C0 q
[(VFB
) BT
(VFB )BT ]
确定氧化层厚度
d= 0A
Cmax
真空的介电常数， 二氧化硅的介电常数， 0
d-氧化层厚度，C 单位面积电容 0
确定等效的界面电荷密度Qss
Qss
/
q
C0 q
[VFB
MS
]
q
电子电荷1.6
19
10
库仑