半导体氧化工艺
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Si (S) + H2 O9(0V0-)1—200>oCSiO2 (S) + H2 (V)
干氧氧化 优点：结构致密、均匀性和重复性好、与光 刻胶
黏附好且应力小。 缺点：生长温度高、生长速度慢。
干氧 < 湿氧(发泡、干法) < Cl参入氧化
氧化率的影响
2、高压氧化
在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化 速率，或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率 都是经常采用方法。
氧离子和空穴同时向SiO2一Si界面扩散，由于空穴扩散速率快，
就会在SiO2层内产生一内建电场，此电场又加速了O2-1的扩散， 如此就解释了实际与模型曲线的差异。不过这种加速作用只存
在于SiO2表面一个很薄的范围内，因此实际实验数据只是在氧 化初始阶段与理论模型存在偏差。
6、掺杂物 氧化率：高掺杂 > 低掺杂 n型掺杂物：P、As、Sb p型掺杂物：B 7、多晶硅 与单晶硅相比氧化率更快
11120000
? ?
C C
900 ? C 800 ? C 700 ? C
102
103
104
时间（ min ）
?4 温度
?温度对氧化速率的影响可以从抛物线速度 常数B和线性常数B/A与温度的关系米看， 如表1所示给出了不同氧化气氛和不同温度 下的A, B, B/A值。
表1 不同氧化气氛和不同温度下的A,B,B/A值
?干氧氧化
?干氧氧化就是在氧化过程中，直接通入O2 进行氧化的方法。通过干氧氧化生成的 SiO2膜其有结构致密;干燥、均匀性和重复 性好;对杂质掩蔽能力强;钝化效果好;与光
实际工艺中由于各个部分材料不同，造成氧化层厚度不 均匀，出现台阶。
氧化方法
?制备SiO2的方法很多，在集成电路工艺中 最常用的方法为热氧化法和化学气相沉积 法两种。下面主要介绍热氧化法。根据氧 化气氛的不同，热氧化法又可分为干氧氧 化、水汽氧化、湿氧氧化八掺氯氧化和氢 氧合成氧化等。下面逐一进行介绍。
? 在平导体器件生产中常用的SiO2膜的生长方法有:热生长法、化学气 相沉积法、阴极溅射法,HF一HNO3气相钝化法、真空蒸发法、外延生 长法、阳极氧化法等。在深亚微米IC制造中，还发展了快速加热工艺 技术。选择何种方法来生SiO2层与器件的性能有很大关系。
二氧化硅层的用途
1、表面钝化 2、掺杂阻挡层 3、表面绝缘体 4、器件绝缘体 5、 缓冲层 6、隔离层
氧化工艺
内容
1、列出硅器件中，二氧化硅膜层的基本用途。 2、描述热氧化的机制。 3、氧化方法及工艺设备。 4、解释氧化条件及基底条件对氧化的影响。 5、氧化膜的质量评估。
? 在集成电路工艺中，氧化是必不可少的一项工艺技术。自从早期人们 发现硼、磷、砷、锑等杂质元素在SiO2的扩散速度比在Si中的扩散速 度慢得多， SiO2膜就被大量用在器件生产中作为选择扩散的掩模， 并促进了硅平面工艺的出现。同时在Si表面生长的SiO2膜不但能与Si 有很好的附着性，而且具有非常稳定的化学性质和电绝缘性。因此 SiO2在集成电路中起着极其重要的作用。
图1 MOS场效应晶体管结构
图2 场氧化层作为缓冲层
热氧化的机制
Si (S) + O2 (V) —> SiO2 (S)
O2
Si
Original
O2
<100nm Tox=(B/A)t 线性阶段
O2
受限反应，受限扩散反应 >100nm Tox=(Bt)1/2 抛物线阶段
?Si的氧化过程是一个表面过程，即氧化剂 是在硅片表面处与Si原子起反应，当表面
5 氧化的初始阶段和模型的修正
?从实验数据中可以发现氧化的初始阶段(20 一30nm)有一个快速的偏离线性关系的氧 化过程。这意味着有与上述氧化不同的氧 化机理。上述氧化模型是建立在中性氧气 分子穿过氧化膜与Si反应的假设基础上的 ，而在氧化初始阶段，实际上氧在SiO2中 的扩散是以离子形式进行的。
优点：有利于降低材料中的位错缺陷。
缺点：在利用高压氧化时要注意安全问题和高压 系统带来的污染问题。
常压 < 高压
氧化率的影响
3Leabharlann Baidu晶向
因为不同晶向其原
子密度不同，所以
在相同的温度、氧
化气压等条件下，
原子密度大的晶面，
氧化生长速率要大， 而且在低温时的线 1000
?
C
性阶段更为明显。 10
<111> 硅 <100> 硅
?作为MQS器件的绝缘栅介质:在集成电路的 特征尺寸越来越小的情况下，作为MQS结
构中的栅介质的厚度也越来越小。此时 SiO2作为器件的一个重要组成部分(如图1所 示)，它的质量直接决定器件的多个电学参 数。同样SiO2也可作为电容的介质材料。
?作为选择性掺杂的掩模: SiO2的掩蔽作用是 指SiO2膜能阻挡杂质(例如硼、磷、砷等)向 半导体中扩散的能力。利用这一性质，在
硅片表面就可以进行有选择的扩散。同样
对于离子注人，SiO2也可作为注人离子的 阻挡层。
?作为隔离层:集成电路中，器件与器件之间
的隔离可以有PN结隔离和SiO2介质隔离。 SiO2介质隔离比PN结隔离的效果好，它采 用一个厚的场氧化层来完成。
? 作为缓冲层:当Si3N4。直接沉积在Si衬底 上时，界面存在极大的应力与极高的界面
已形成的SiO2层阻止了氧化剂与Si的直接 接触，氧化剂就必须以扩散的方式穿过 SiO2层、到达SiO2一Si界面与Si原子反应 ，生成新的SiO2层，使SiO2膜不断增厚， 同时SiO2一Si界面向Si内部推进.
SiO2的生长示意图
氧化率的影响
1、氧化源：
?Dry Oxidation
Si (S) + O2 (V9)0—0-12>00oCSiO2 (S) ?Wet Oxidation （stream Oxidation）
态密度，因此多采用Si3N4/ SiO2/ Si结构， 如图2所示。当进行场氧化时，SiO2会有软 化现象。可以清除Si3N4和衬底Si之间的应 力。
?作为绝缘层:在芯片集成度越来越高的情况 下就需要多层金属布线。它们之间需要用 绝缘性能良好的介电材料加以隔离，SiO2 就能充当这种隔离材料。
?作为保护器件和电路的钝化层:在集成电路 芯片制作完成后，为了防止机械性的损伤 ，或接触含有水汽的环境太久而造成器件 失效，通常在IC制造工艺结束后在表面沉 积一层钝化层，掺磷的SiO2薄膜常用作这 一用途。
干氧氧化 优点：结构致密、均匀性和重复性好、与光 刻胶
黏附好且应力小。 缺点：生长温度高、生长速度慢。
干氧 < 湿氧(发泡、干法) < Cl参入氧化
氧化率的影响
2、高压氧化
在实际的工艺过程中增加氧化剂分压来提高氧化 速率，或者降低氧化温度而保持同样的氧化速率 都是经常采用方法。
氧离子和空穴同时向SiO2一Si界面扩散，由于空穴扩散速率快，
就会在SiO2层内产生一内建电场，此电场又加速了O2-1的扩散， 如此就解释了实际与模型曲线的差异。不过这种加速作用只存
在于SiO2表面一个很薄的范围内，因此实际实验数据只是在氧 化初始阶段与理论模型存在偏差。
6、掺杂物 氧化率：高掺杂 > 低掺杂 n型掺杂物：P、As、Sb p型掺杂物：B 7、多晶硅 与单晶硅相比氧化率更快
11120000
? ?
C C
900 ? C 800 ? C 700 ? C
102
103
104
时间（ min ）
?4 温度
?温度对氧化速率的影响可以从抛物线速度 常数B和线性常数B/A与温度的关系米看， 如表1所示给出了不同氧化气氛和不同温度 下的A, B, B/A值。
表1 不同氧化气氛和不同温度下的A,B,B/A值
?干氧氧化
?干氧氧化就是在氧化过程中，直接通入O2 进行氧化的方法。通过干氧氧化生成的 SiO2膜其有结构致密;干燥、均匀性和重复 性好;对杂质掩蔽能力强;钝化效果好;与光
实际工艺中由于各个部分材料不同，造成氧化层厚度不 均匀，出现台阶。
氧化方法
?制备SiO2的方法很多，在集成电路工艺中 最常用的方法为热氧化法和化学气相沉积 法两种。下面主要介绍热氧化法。根据氧 化气氛的不同，热氧化法又可分为干氧氧 化、水汽氧化、湿氧氧化八掺氯氧化和氢 氧合成氧化等。下面逐一进行介绍。
? 在平导体器件生产中常用的SiO2膜的生长方法有:热生长法、化学气 相沉积法、阴极溅射法,HF一HNO3气相钝化法、真空蒸发法、外延生 长法、阳极氧化法等。在深亚微米IC制造中，还发展了快速加热工艺 技术。选择何种方法来生SiO2层与器件的性能有很大关系。
二氧化硅层的用途
1、表面钝化 2、掺杂阻挡层 3、表面绝缘体 4、器件绝缘体 5、 缓冲层 6、隔离层
氧化工艺
内容
1、列出硅器件中，二氧化硅膜层的基本用途。 2、描述热氧化的机制。 3、氧化方法及工艺设备。 4、解释氧化条件及基底条件对氧化的影响。 5、氧化膜的质量评估。
? 在集成电路工艺中，氧化是必不可少的一项工艺技术。自从早期人们 发现硼、磷、砷、锑等杂质元素在SiO2的扩散速度比在Si中的扩散速 度慢得多， SiO2膜就被大量用在器件生产中作为选择扩散的掩模， 并促进了硅平面工艺的出现。同时在Si表面生长的SiO2膜不但能与Si 有很好的附着性，而且具有非常稳定的化学性质和电绝缘性。因此 SiO2在集成电路中起着极其重要的作用。
图1 MOS场效应晶体管结构
图2 场氧化层作为缓冲层
热氧化的机制
Si (S) + O2 (V) —> SiO2 (S)
O2
Si
Original
O2
<100nm Tox=(B/A)t 线性阶段
O2
受限反应，受限扩散反应 >100nm Tox=(Bt)1/2 抛物线阶段
?Si的氧化过程是一个表面过程，即氧化剂 是在硅片表面处与Si原子起反应，当表面
5 氧化的初始阶段和模型的修正
?从实验数据中可以发现氧化的初始阶段(20 一30nm)有一个快速的偏离线性关系的氧 化过程。这意味着有与上述氧化不同的氧 化机理。上述氧化模型是建立在中性氧气 分子穿过氧化膜与Si反应的假设基础上的 ，而在氧化初始阶段，实际上氧在SiO2中 的扩散是以离子形式进行的。
优点：有利于降低材料中的位错缺陷。
缺点：在利用高压氧化时要注意安全问题和高压 系统带来的污染问题。
常压 < 高压
氧化率的影响
3Leabharlann Baidu晶向
因为不同晶向其原
子密度不同，所以
在相同的温度、氧
化气压等条件下，
原子密度大的晶面，
氧化生长速率要大， 而且在低温时的线 1000
?
C
性阶段更为明显。 10
<111> 硅 <100> 硅
?作为MQS器件的绝缘栅介质:在集成电路的 特征尺寸越来越小的情况下，作为MQS结
构中的栅介质的厚度也越来越小。此时 SiO2作为器件的一个重要组成部分(如图1所 示)，它的质量直接决定器件的多个电学参 数。同样SiO2也可作为电容的介质材料。
?作为选择性掺杂的掩模: SiO2的掩蔽作用是 指SiO2膜能阻挡杂质(例如硼、磷、砷等)向 半导体中扩散的能力。利用这一性质，在
硅片表面就可以进行有选择的扩散。同样
对于离子注人，SiO2也可作为注人离子的 阻挡层。
?作为隔离层:集成电路中，器件与器件之间
的隔离可以有PN结隔离和SiO2介质隔离。 SiO2介质隔离比PN结隔离的效果好，它采 用一个厚的场氧化层来完成。
? 作为缓冲层:当Si3N4。直接沉积在Si衬底 上时，界面存在极大的应力与极高的界面
已形成的SiO2层阻止了氧化剂与Si的直接 接触，氧化剂就必须以扩散的方式穿过 SiO2层、到达SiO2一Si界面与Si原子反应 ，生成新的SiO2层，使SiO2膜不断增厚， 同时SiO2一Si界面向Si内部推进.
SiO2的生长示意图
氧化率的影响
1、氧化源：
?Dry Oxidation
Si (S) + O2 (V9)0—0-12>00oCSiO2 (S) ?Wet Oxidation （stream Oxidation）
态密度，因此多采用Si3N4/ SiO2/ Si结构， 如图2所示。当进行场氧化时，SiO2会有软 化现象。可以清除Si3N4和衬底Si之间的应 力。
?作为绝缘层:在芯片集成度越来越高的情况 下就需要多层金属布线。它们之间需要用 绝缘性能良好的介电材料加以隔离，SiO2 就能充当这种隔离材料。
?作为保护器件和电路的钝化层:在集成电路 芯片制作完成后，为了防止机械性的损伤 ，或接触含有水汽的环境太久而造成器件 失效，通常在IC制造工艺结束后在表面沉 积一层钝化层，掺磷的SiO2薄膜常用作这 一用途。