热氧化剖析

Ni
X0
hG为气相质量转移系数；
D SiO
2
为氧化剂在SiO2中的扩散系数;
F3=KSNi
KS为氧化剂与Si反应的界面化学反应常数。
根据Henry定律，在平衡条件下，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中的分压，则SiO2 表面处的氧化剂浓度NS′：
NS′=HPS H为 Henry定律常数。平衡条件下，SiO2中氧化剂的平衡浓度N*与气体中氧化剂分压PG关系：
热氧化工艺（方法）和系统 四.氧化结果如何？ 氧化膜质量的检测 五.文献调研
热氧化工艺
1、干氧氧化: Si(s) O2 (g) SiO2 (s) 2、水汽氧化: Si(s) 2H2O(g) SiO2 (s) 2H2 (g)
3、湿氧氧化: 通过高纯水的氧气携带一定水蒸气
干氧氧化系统
水汽氧化系统
2.3 二氧化硅的化学稳定性
■ 二氧化硅是硅的最稳定化合物，属于酸性氧化物， 不溶于水。
■ 耐多种强酸腐蚀，但极易与氢氟酸反应。
热氧化(Thermal Oxidation)
一.什么是热氧化？ 热氧化定义及SiO2的结构 二.为什么要热氧化？ 氧化膜（SiO2）的性质和用途 三.怎么热氧化呢？ 热氧化机理(Deal-Grove 模型)
氧化的两种极限下，氧化层中氧化剂的分布示意图
二、SiO2的生长厚度计算
Si表面处的流密度也可表示为
F
N
dX 0
3
1 dt
N1为生长单位体积的SiO2所需的氧化剂分子个数。氧化剂为O2时，N1为2.21022/cm3； 氧化剂为H2O时，N1为4.41022/cm3。 (无定形二氧化硅的分子密度NSiO2=2.2×1022/cm3)
二.为什么要热氧化？
1.氧化膜作用
①.作为杂质扩散或离子注入的掩蔽层 ②.表面钝化层 ③.器件隔离用的绝缘层 ④.mos器件的组成部分—栅介质 ⑤.电容器的介质材料 ⑥.多层布线间的绝缘层
2.SiO2的性质
2.1二氧化硅的绝缘特性
■ 电阻率高： 1 1014 ·cm ~ 1 1016 ·cm 禁带宽度大： ~ 9 eV
常压下干氧、水汽、湿氧氧化法的特点及适用范围
氧化种类 干 氧 氧 化
水 汽 氧 化
湿 氧 氧 化
优点
缺点
结构致密，表面平整光 生长速率在三种氧
亮；对杂质掩蔽能力强； 化法中最慢，例如
钝化效果好；生长均匀
1200℃下生长
性、重复性好；表面对
0.5m厚需6h
光刻胶的粘附好
生长速率快于干氧氧化 及湿氧氧化,这是因为水 比氧在二氧化硅中更高 的扩散系数与大得多的 溶解度 ；在固定水汽压
冲氧化层
与干氧氧化法结合 生长厚氧化层
厚层氧化； 干O2（10min）-湿
氧-干O2(10min)
在实际生产中，对于制备较厚的二氧化硅层来说往往
采用干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式，既保证了二
氧化硅层表面和Si-SiO2界面的质量,又解决了生长效 率的问题。
热氧化生长动力学
一、热氧化过程
1、 氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2- 气体界 面，其流密度为F1。
桥键氧
非桥键氧
热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构(长程无序但短程有序)。
热氧化(Thermal Oxidation)
一.什么是热氧化？ 热氧化定义及SiO2的结构 二.为什么要热氧化？ 氧化膜（SiO2）的性质和用途 三.怎么热氧化呢？ 热氧化机理(Deal-Grove 模型)
热氧化工艺（方法）和系统 四.氧化结果如何？ 氧化膜质量的检测 五.文献调研
S
S0
SiO2
1）DSiO2<<KSX0
N
1
KX S0 D SiO2
N
*
S 1 K /h K X / D
S
S0
SiO 2
N 0, N N *
i
S
SiO2的生长速度主要由氧化剂的扩散速度决定， 称为扩散控制。
2）DSiO2 >>KSX0
N N N*
i
S 1 K /h
S
SiO2的生长速度由Si表面的化学反应速度决定， 称为反应控制。
２、氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2-Si界面，流 密度为F2。
３、氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度 为F3。
Deal-Grove.热氧化模型
采用准静态近似（即所有反应物立即达到稳态条件），则：
F1= F2= F3
F1=hG（NG-NS）
F2
DSiO2
dN dx
DSiO2
N
' s
一.什么是热氧化？
1.热氧化定义：
• 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。
2.二氧化硅(Si02)的结构
2.1基本架构单元：
4个O原子位于四面体的顶点，Si位于四面体中心。
SiO2有结晶形和无定形两类。
结晶形和非结晶形（无定形）二 氧化硅都是Si－O正四面体结构组 成的。这些四面体通过不同的桥 键氧原子连接，形成不同状态和 结构的二氧化硅。
■ 介电强度高：> 10 MV/cm
■ 介电常数：3.9 (热氧化二氧化硅膜)
2.2 二氧化硅的掩蔽性质
■ B、P、As 等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其 在Si中的扩散系数。DSi > DSiO2
■ SiO2做掩蔽膜要有足够的厚度：对特定的杂质、扩散时间、扩散温度 等，有一最小掩蔽厚度。
热氧化(Thermal Oxidation)
热氧化(Thermal Oxidation)
一.什么是热氧化？ 热氧化定义及SiO2的结构 二.为什么要热氧化？ 氧化膜（SiO2）的性质和用途 三.怎么热氧化呢？ 热氧化机理(Deal-Grove 模型)
热氧化工艺（方法）和系统 四.氧化结果如何？ 氧化膜质量的检测 五.文献调研
下，水温的少许变化不 影响氧化速率
结构疏松；对杂质 的掩蔽能力差；表 面上H2O量过多时 会出现斑点与其他
缺陷
生长速率介来自百度文库干O2与水 表面存在羟基使其
汽氧化之间；可由水温、 对光刻胶的粘附不
炉温调节生长速率，工
好
艺灵活性大；对杂质的
掩蔽能力、钝化效果能
满足工艺要求
适用场合 薄层高质量氧化； 厚层氧化时用于起 始和终止氧化；缓
N*=HPG
由理想气体定律：
N
P G
G kT
N
P S
S kT
将上述四式代入: F1=hG（NG-NS）
得: F1=h(N*-NS′)
其中:
h
h G
HkT
再由 F1= F2= F3
得: h(N*-NS′)
DSiO2
Ns' Ni X0
=KSNi
图4.1 硅的热氧化模型
得
N
N*
i 1 K /h K X / D