第二章氧化工艺
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在1150℃下磷在SiO2中扩散系数为7×1015cm2/sec(Si中为2.2×10-12)
可见其扩散系数很小，但杂质Ga在SiO2扩散 系数很大，杂质Na在SiO2扩散系数也很大。
因此,用作预扩散和主扩散炉管必须保持清洁, 当硅片推进炉中以后,不论氧化层是否开了窗口, 都应避免与其他工序产生交叉感染.
.
在集成电路制作中的主要作用
在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质， 器件的组成部分
扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻 胶、Si3N4层一起使用)阻挡层
作为集成电路的隔离介质材料 作为电容器的绝缘介质材料 作为多层金属互连层之间的介质材料 作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料
.
氧化膜(层)应用
生成SiO2,而不是硅向SiO2表面运动. 备注：在硅集成电路中，经常采用热氧化方法制备SiO2，是 无定形的。
.
2.1.2 SiO2的性质
SiO2密度：密度大，即致密度高，约2.20g/cm3(无定形)，
计算密度方法：称出氧化前后硅的质量，测 出SiO2的厚度和样品的 面积。
折射率:表征SiO2薄膜光学性质的一个重要参数,约1.46(λ=5500埃)，
SiO2的这些特性是造成硅集成电路迅速发展的重 要条件，相反Ge,GaAs正是缺少这样特性的保护膜。
.
PMOS
D
G S
P
PN
NMOS
G
D
S
N
NP
Gox Fox
N-well
S
G
B
G
D
D B
S
P－SUB
SiO2
Poly Si Fox-场区氧化层 Gox-栅氧化层
由图可以看出，SiO2在CMOS电路中用于栅绝缘层 （Gox），及绝缘隔离作用的场氧化层（Fox）。场氧化层 较厚，而栅氧化层很薄。
名称
应用
厚度
说明
自然氧化层
不希望的
15-20Å
屏蔽氧化层
注入隔离，减小损伤 ~200Å
热生长
掺杂阻挡层
掺杂掩蔽
400-1200Å 选择性扩散
场氧化层和LOCOS 器件隔离
3000-5000Å 湿氧氧化
衬垫氧化层
为Si3N4提供应力减小 100-200Å 热生长很薄
牺牲氧化层 栅氧化层 阻挡氧化层
去除缺陷
.
2 网络改变者
在网络间隙中
掺入杂质，称 为网络改变者。
这些杂质往往 以氧化物的形 式进入杂质。
Na2O+≡Si-O-Si→ Si-O-+O--Si ≡+2Na+ 由于网络中氧的增加，使得非桥键氧增加，使得网络得 强度降低。
.
2.2.2 杂质在SiO2中的扩散系数
SiO2在集成电路制造中的重要用途之一就是为选择扩散的掩 蔽膜。说SiO2能掩蔽杂质扩散只是把某些杂质在SiO2中的扩散远 小于在Si中扩散而忽略而已。实际上，杂质在Si中扩散的同时， 在SiO2中也有扩散。
杂质在SiO2中的扩散与在硅中一样，服从扩散规律，即
DSiO2=D0exp(-△E/KT)
D0为该杂质的表观扩散系数；
DSiO2为该杂质在SiO2中的扩散系数。
△E为杂质在SiO2中的扩散激活能。
T为温度
K为玻兹曼常数
.
在1180℃下硼在SiO2中扩散系数为4×1015cm2/sec(Si中为1.2×10-12)
概念： 本征二氧化硅：不含杂质的二氧化硅。 非本征二氧化硅：含杂质的二氧化硅。 根据杂质在网络中（晶体中）所处的位置， 可以分为：网络形成者和网络改变者
.
1 网络形成者
掺入三 价的硼
掺入的杂质替 代硅的位置， 就构成网络形 成者杂质。
来自百度文库
掺入五 价的磷 结论：掺三价元素杂质，由于增加非桥键氧，所以强度降低； 掺五价元素杂质，由于增加桥键氧，所以增加强度。
与密度有关,密度大的 折射率大
电阻率：1016Ω·cm，与制备方法、所含杂质数量有关。 介电强度：击穿电压，即薄膜的耐压能力 介电常数：表征电容性能参数，εSiO2=3.9
抗腐蚀性：只与氢氟酸发生化学反应
SiO2 + 6HF=H2(SiF6) + 2H2O
.
2.2 SiO2的掩蔽作用
2.2 .1 杂质在SiO2中的存在形式 SiO2的性质与所含杂质的种类,数量,缺陷等多种因素有关.
<1000Å
用作MOS管栅介质 30-120Å
防止STI工艺中的污染 100-200Å
热氧化 干氧氧化
.
2.1 SIO2的结构及性质
2.1.1 结构
结构分析：
桥键氧 非桥键氧
SIO2是由Si-O四面体组成， 中心是硅原子，四个顶角是
氧原子。
O
从顶角上的氧到中心的
Si 硅，再到另一个顶角的氧， 称为O-Si-O键桥。
首先，硅表面生成的SiO2膜相当致密，与硅紧密附 着，具有良好的化学稳定性及电绝缘性，因此可制作 MOS器件的栅氧化层，MOS电容的介质层。
其次， SiO2对某些杂质能起到掩蔽作用，即对某些 杂质来说，在SiO2扩散系数与Si中扩散系数之比非常小， 从而可以实现选择扩散。
.
最后，虽然SiO2是坚固的，但是它容易被氢氟 酸所分解，这样只要用抗氢氟酸的掩膜把SiO2掩蔽 起来，就只有在暴露出SiO2的窗口区把SiO2去掉， 而掩蔽起来的SiO2不被氢氟酸腐蚀，仍然保持坚固 的特性。
.
桥键氧 非桥键氧
连接两个Si-O四面体的氧，称 为桥键氧。
只与一个Si-O四面体连接的氧， 称为非桥键氧。 O
如果SIO2晶体中所有的氧都是 Si 桥键氧，那么这就是结晶形SIO2。
如果SIO2晶体中大部分氧是桥 键氧，一部分是非桥键氧，那么这 就是无定形SIO2。
.
规则排列
无规则连接
结晶形
无定形
网络是疏 松的,不均 匀的,存在 孔洞
.
无定形与结晶形比较：
1 桥键氧与非桥键氧的连接。
2 有无规则的排列连接。无定形晶体的网络是疏松 的.不均匀的,存在孔洞.
3 硅要运动必须打破四个Si-O键，而氧只需打破两 个Si-O键。因此氧的运动比硅容易，所以硅在SiO2中的 扩散系数比氧的扩散系数小几个数量级。因此,在热氧化 法制备SiO2的过程中,是氧化剂穿过SiO2层,到达硅表面与硅反应
.
本章主要内容: 1) 氧化工艺的概念、目的 2) SiO2的性质及主要作用 3) SiO2 的结构 4) SiO2的制备方法__热氧化法(氧化机理)▲ 5) 氧化工艺及氧化设备 6) 氧化层质量评估与C-V测试 7) 重点、难点 8) 硅的热氧化生长动力学
.
引言
氧化工艺在硅集成电路制作中有重要作用，这是由 于它形成的SiO2有特殊的性质。
可见其扩散系数很小，但杂质Ga在SiO2扩散 系数很大，杂质Na在SiO2扩散系数也很大。
因此,用作预扩散和主扩散炉管必须保持清洁, 当硅片推进炉中以后,不论氧化层是否开了窗口, 都应避免与其他工序产生交叉感染.
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在集成电路制作中的主要作用
在MOS电路中作为MOS器件的绝缘栅介质， 器件的组成部分
扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻 胶、Si3N4层一起使用)阻挡层
作为集成电路的隔离介质材料 作为电容器的绝缘介质材料 作为多层金属互连层之间的介质材料 作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料
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氧化膜(层)应用
生成SiO2,而不是硅向SiO2表面运动. 备注：在硅集成电路中，经常采用热氧化方法制备SiO2，是 无定形的。
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2.1.2 SiO2的性质
SiO2密度：密度大，即致密度高，约2.20g/cm3(无定形)，
计算密度方法：称出氧化前后硅的质量，测 出SiO2的厚度和样品的 面积。
折射率:表征SiO2薄膜光学性质的一个重要参数,约1.46(λ=5500埃)，
SiO2的这些特性是造成硅集成电路迅速发展的重 要条件，相反Ge,GaAs正是缺少这样特性的保护膜。
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PMOS
D
G S
P
PN
NMOS
G
D
S
N
NP
Gox Fox
N-well
S
G
B
G
D
D B
S
P－SUB
SiO2
Poly Si Fox-场区氧化层 Gox-栅氧化层
由图可以看出，SiO2在CMOS电路中用于栅绝缘层 （Gox），及绝缘隔离作用的场氧化层（Fox）。场氧化层 较厚，而栅氧化层很薄。
名称
应用
厚度
说明
自然氧化层
不希望的
15-20Å
屏蔽氧化层
注入隔离，减小损伤 ~200Å
热生长
掺杂阻挡层
掺杂掩蔽
400-1200Å 选择性扩散
场氧化层和LOCOS 器件隔离
3000-5000Å 湿氧氧化
衬垫氧化层
为Si3N4提供应力减小 100-200Å 热生长很薄
牺牲氧化层 栅氧化层 阻挡氧化层
去除缺陷
.
2 网络改变者
在网络间隙中
掺入杂质，称 为网络改变者。
这些杂质往往 以氧化物的形 式进入杂质。
Na2O+≡Si-O-Si→ Si-O-+O--Si ≡+2Na+ 由于网络中氧的增加，使得非桥键氧增加，使得网络得 强度降低。
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2.2.2 杂质在SiO2中的扩散系数
SiO2在集成电路制造中的重要用途之一就是为选择扩散的掩 蔽膜。说SiO2能掩蔽杂质扩散只是把某些杂质在SiO2中的扩散远 小于在Si中扩散而忽略而已。实际上，杂质在Si中扩散的同时， 在SiO2中也有扩散。
杂质在SiO2中的扩散与在硅中一样，服从扩散规律，即
DSiO2=D0exp(-△E/KT)
D0为该杂质的表观扩散系数；
DSiO2为该杂质在SiO2中的扩散系数。
△E为杂质在SiO2中的扩散激活能。
T为温度
K为玻兹曼常数
.
在1180℃下硼在SiO2中扩散系数为4×1015cm2/sec(Si中为1.2×10-12)
概念： 本征二氧化硅：不含杂质的二氧化硅。 非本征二氧化硅：含杂质的二氧化硅。 根据杂质在网络中（晶体中）所处的位置， 可以分为：网络形成者和网络改变者
.
1 网络形成者
掺入三 价的硼
掺入的杂质替 代硅的位置， 就构成网络形 成者杂质。
来自百度文库
掺入五 价的磷 结论：掺三价元素杂质，由于增加非桥键氧，所以强度降低； 掺五价元素杂质，由于增加桥键氧，所以增加强度。
与密度有关,密度大的 折射率大
电阻率：1016Ω·cm，与制备方法、所含杂质数量有关。 介电强度：击穿电压，即薄膜的耐压能力 介电常数：表征电容性能参数，εSiO2=3.9
抗腐蚀性：只与氢氟酸发生化学反应
SiO2 + 6HF=H2(SiF6) + 2H2O
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2.2 SiO2的掩蔽作用
2.2 .1 杂质在SiO2中的存在形式 SiO2的性质与所含杂质的种类,数量,缺陷等多种因素有关.
<1000Å
用作MOS管栅介质 30-120Å
防止STI工艺中的污染 100-200Å
热氧化 干氧氧化
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2.1 SIO2的结构及性质
2.1.1 结构
结构分析：
桥键氧 非桥键氧
SIO2是由Si-O四面体组成， 中心是硅原子，四个顶角是
氧原子。
O
从顶角上的氧到中心的
Si 硅，再到另一个顶角的氧， 称为O-Si-O键桥。
首先，硅表面生成的SiO2膜相当致密，与硅紧密附 着，具有良好的化学稳定性及电绝缘性，因此可制作 MOS器件的栅氧化层，MOS电容的介质层。
其次， SiO2对某些杂质能起到掩蔽作用，即对某些 杂质来说，在SiO2扩散系数与Si中扩散系数之比非常小， 从而可以实现选择扩散。
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最后，虽然SiO2是坚固的，但是它容易被氢氟 酸所分解，这样只要用抗氢氟酸的掩膜把SiO2掩蔽 起来，就只有在暴露出SiO2的窗口区把SiO2去掉， 而掩蔽起来的SiO2不被氢氟酸腐蚀，仍然保持坚固 的特性。
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桥键氧 非桥键氧
连接两个Si-O四面体的氧，称 为桥键氧。
只与一个Si-O四面体连接的氧， 称为非桥键氧。 O
如果SIO2晶体中所有的氧都是 Si 桥键氧，那么这就是结晶形SIO2。
如果SIO2晶体中大部分氧是桥 键氧，一部分是非桥键氧，那么这 就是无定形SIO2。
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规则排列
无规则连接
结晶形
无定形
网络是疏 松的,不均 匀的,存在 孔洞
.
无定形与结晶形比较：
1 桥键氧与非桥键氧的连接。
2 有无规则的排列连接。无定形晶体的网络是疏松 的.不均匀的,存在孔洞.
3 硅要运动必须打破四个Si-O键，而氧只需打破两 个Si-O键。因此氧的运动比硅容易，所以硅在SiO2中的 扩散系数比氧的扩散系数小几个数量级。因此,在热氧化 法制备SiO2的过程中,是氧化剂穿过SiO2层,到达硅表面与硅反应
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本章主要内容: 1) 氧化工艺的概念、目的 2) SiO2的性质及主要作用 3) SiO2 的结构 4) SiO2的制备方法__热氧化法(氧化机理)▲ 5) 氧化工艺及氧化设备 6) 氧化层质量评估与C-V测试 7) 重点、难点 8) 硅的热氧化生长动力学
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引言
氧化工艺在硅集成电路制作中有重要作用，这是由 于它形成的SiO2有特殊的性质。