介电强度大
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器件制造过程中的掺杂是定域（有选择的 区域）掺杂，那么不需要掺杂的区域就必 须进行保护而不被掺杂
阻挡掺杂物进入非掺杂区域
❖ 原因：利用硼和磷在二氧化硅中的扩散 速率都要远低于其在硅单晶中的扩散速 率。 二氧化硅的厚度足够厚
12
Masking against implantation and diffusion
问题1：为什么硅是目前所有半导体材料中应 用最为成功的材料？
Si有S一iO系2，列绝的缘硅材基料材S；料和iO：S2i生具长有容理易想，的稳界定面， Si3N4：介质材料特；性。这点对硅工艺 多晶硅：可以掺杂，导贡电献；最大! 硅化物：导电，作为接触和互连……
1
1 二氧化硅的结构、性质和用途
❖ 二氧化硅又名硅石，主要以石英砂形式存在。
存在形式
结晶型Crystallized (石英,水晶) 无定形amorphous (硅石,石英砂)
2
SiO2的结构
❖由Si－O四面体组成
四面体中心是硅原子，四 个顶角上是氧原子
四面体之间由Si-O-Si桥连 接，该O原子称为桥联氧
桥联氧 非桥联氧
3
二氧化硅晶体结构示意图
Si-O
四 面
Si O
体
180º 109º28´
SiO2质量差， 掩蔽能力不强
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，
通常采用：干氧+湿氧+干氧 的氧化工艺
25
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， 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O原子通过扩 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。
6
（3）高温与活泼金属或非金属作用
SiO2+2Mg Si+2MgO SiO2+3AL3Si＋AL2O3 SiO2+3C1800℃2CO＋SiC
碳化硅强度仅次于金刚砂，是优质的磨料，可 在硅片加工的研磨过程中使用
7
Fra Baidu bibliotek
总结：SiO2的基本性质
❖ 良好的电绝缘介质 (Gate Oxide, Field Oxide)
16
Shallow Trench Isolation (STI)
STI
17
绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来 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。
金属层
氧化层
晶片
18
19
20
21
22
2 硅的热氧化
❖ 硅的热氧化是指在1000℃以上的高温下,硅 经过氧化生成二氧化硅的过程.
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 ❖ 在Si表面的均匀的SiO2生长
8
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
SiO2
13
2. 表面钝化
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。
Si
14
3.MOSFET的绝缘栅极
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
15
4.电容介质
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
集成电路的隔离有PN结隔离和介质隔离两种,SiO2用于 介质隔离. 漏电流小,岛与岛之间的隔离电压大,寄生电容小
（1）常温与氢氟酸反应 4HF+SiO2==SiF4↑+2H2O SiF4 +2HF == H2[SiF6]----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，不用玻璃仪器保存
（2）二氧化硅与碱作用 SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O
表示单位厚度的SiO2所能承受的最大击穿电压 热生长的SiO2介电强度为106～107V/cm
5.介电常数表示SiO2电容性能的参数 平行板电容公式？？
MOS器件中电介质要求具有较大的介电常数，以便减小电容
器的体积和重量。热生长SiO2介电常数为3.2～3.8
5
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 不与其它任何酸作用）
10
SiO2在集成电路制造中的用途
1.扩散，离子注入的(有时与光刻胶、 Si3N4层一起使用) 掩蔽层（阻挡，屏蔽 层不准确） 2.器件表面保护和钝化层 3.MOS器件的组成部分－－栅介质 4.电容介质 5.器件隔离用的绝缘层 6.多层布线间的绝缘层
热氧化是形成SiO2最重要方法
11
1.SiO2作为掺杂阻挡层
3.湿氧氧化：既有干氧氧化，又有水汽氧化
Si+ 2 H2 O SiO2 2 H2 Si+ O2 SiO2
24
三种方法比较
种 氧化剂 类
干氧 O2 氧化
优点
缺点
SiO2结构致密，均匀性和 生长速率慢 重复性好，掩蔽能力强
水汽 氧化
湿氧 氧化
H2O
通过高纯 水的氧气
氧化速度快
生长速率介于上述两者间 比干氧氧化快10倍左右
❖ 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。
23
2.1热氧化方法
1.干氧氧化：氧分子与硅直接反应生成二氧化硅
Si（固态） O（ 2 气态）SiO（ 2 固态）
温度：900-1200℃，氧化速度慢 2.水汽氧化：高温下水汽与硅生成二氧化硅
Si（固态） H2O（气态）SiO（2 固态） 2H（2 气态）
共价键
结晶型SiO2是Si-O四面体在空间规则排列
无定型SiO2是Si-O四面体在空间没有规则排列
4
二氧化硅的性质
a、物理性质：
坚硬难熔（溶）的固体，熔点（1723℃）沸点（2230℃）高， 不导电
1.密度 表征SiO2的致密程度，密度大，致密度高
2. 折射率表示SiO2光学性质的参数，密度越大，折射率越大 3.电阻率表征电学性质的物理量；温度越高，电阻率越小 4.介电强度衡量材料耐压能力大小的，单位是V/cm
HF Dip
Si
Si
9
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
阻挡掺杂物进入非掺杂区域
❖ 原因：利用硼和磷在二氧化硅中的扩散 速率都要远低于其在硅单晶中的扩散速 率。 二氧化硅的厚度足够厚
12
Masking against implantation and diffusion
问题1：为什么硅是目前所有半导体材料中应 用最为成功的材料？
Si有S一iO系2，列绝的缘硅材基料材S；料和iO：S2i生具长有容理易想，的稳界定面， Si3N4：介质材料特；性。这点对硅工艺 多晶硅：可以掺杂，导贡电献；最大! 硅化物：导电，作为接触和互连……
1
1 二氧化硅的结构、性质和用途
❖ 二氧化硅又名硅石，主要以石英砂形式存在。
存在形式
结晶型Crystallized (石英,水晶) 无定形amorphous (硅石,石英砂)
2
SiO2的结构
❖由Si－O四面体组成
四面体中心是硅原子，四 个顶角上是氧原子
四面体之间由Si-O-Si桥连 接，该O原子称为桥联氧
桥联氧 非桥联氧
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二氧化硅晶体结构示意图
Si-O
四 面
Si O
体
180º 109º28´
SiO2质量差， 掩蔽能力不强
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，
通常采用：干氧+湿氧+干氧 的氧化工艺
25
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， 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O原子通过扩 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。
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（3）高温与活泼金属或非金属作用
SiO2+2Mg Si+2MgO SiO2+3AL3Si＋AL2O3 SiO2+3C1800℃2CO＋SiC
碳化硅强度仅次于金刚砂，是优质的磨料，可 在硅片加工的研磨过程中使用
7
Fra Baidu bibliotek
总结：SiO2的基本性质
❖ 良好的电绝缘介质 (Gate Oxide, Field Oxide)
16
Shallow Trench Isolation (STI)
STI
17
绝大多数晶园表面被覆盖了一层足够厚的氧化层来 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。
金属层
氧化层
晶片
18
19
20
21
22
2 硅的热氧化
❖ 硅的热氧化是指在1000℃以上的高温下,硅 经过氧化生成二氧化硅的过程.
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 ❖ 在Si表面的均匀的SiO2生长
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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
SiO2
13
2. 表面钝化
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。
Si
14
3.MOSFET的绝缘栅极
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
15
4.电容介质
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
集成电路的隔离有PN结隔离和介质隔离两种,SiO2用于 介质隔离. 漏电流小,岛与岛之间的隔离电压大,寄生电容小
（1）常温与氢氟酸反应 4HF+SiO2==SiF4↑+2H2O SiF4 +2HF == H2[SiF6]----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，不用玻璃仪器保存
（2）二氧化硅与碱作用 SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O
表示单位厚度的SiO2所能承受的最大击穿电压 热生长的SiO2介电强度为106～107V/cm
5.介电常数表示SiO2电容性能的参数 平行板电容公式？？
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 不与其它任何酸作用）
10
SiO2在集成电路制造中的用途
1.扩散，离子注入的(有时与光刻胶、 Si3N4层一起使用) 掩蔽层（阻挡，屏蔽 层不准确） 2.器件表面保护和钝化层 3.MOS器件的组成部分－－栅介质 4.电容介质 5.器件隔离用的绝缘层 6.多层布线间的绝缘层
热氧化是形成SiO2最重要方法
11
1.SiO2作为掺杂阻挡层
3.湿氧氧化：既有干氧氧化，又有水汽氧化
Si+ 2 H2 O SiO2 2 H2 Si+ O2 SiO2
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三种方法比较
种 氧化剂 类
干氧 O2 氧化
优点
缺点
SiO2结构致密，均匀性和 生长速率慢 重复性好，掩蔽能力强
水汽 氧化
湿氧 氧化
H2O
通过高纯 水的氧气
氧化速度快
生长速率介于上述两者间 比干氧氧化快10倍左右
❖ 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。
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2.1热氧化方法
1.干氧氧化：氧分子与硅直接反应生成二氧化硅
Si（固态） O（ 2 气态）SiO（ 2 固态）
温度：900-1200℃，氧化速度慢 2.水汽氧化：高温下水汽与硅生成二氧化硅
Si（固态） H2O（气态）SiO（2 固态） 2H（2 气态）
共价键
结晶型SiO2是Si-O四面体在空间规则排列
无定型SiO2是Si-O四面体在空间没有规则排列
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二氧化硅的性质
a、物理性质：
坚硬难熔（溶）的固体，熔点（1723℃）沸点（2230℃）高， 不导电
1.密度 表征SiO2的致密程度，密度大，致密度高
2. 折射率表示SiO2光学性质的参数，密度越大，折射率越大 3.电阻率表征电学性质的物理量；温度越高，电阻率越小 4.介电强度衡量材料耐压能力大小的，单位是V/cm
HF Dip
Si
Si
9
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