第三章 热生长二氧化硅膜2009

4.4
影响氧化速率的因素
1. 温度：氧化速率随温度升高而增大。 温度：氧化速率随温度升高而增大。 2. 气氛：掺氯气氛增加氧化速率。 气氛：掺氯气氛增加氧化速率。 3. 气压：氧化速率与氧化剂分压成正比。 气压：氧化速率与氧化剂分压成正比。 4. 硅衬底掺杂 ： 一般情况下硅中的掺杂会增加氧 硅衬底掺杂： 化速率。 化速率。 5. 硅片晶向 ： 硅原子密度大的晶面上氧化速率大 ， 硅片晶向： 硅原子密度大的晶面上氧化速率大， R(111)>R(110)>R(100)。 。
温度的影响分析
1. 对于抛物线速率常数 ， 温度的影响 对于抛物线速率常数B， 是通过扩散系数D体现的 体现的。 是通过扩散系数 体现的 。 具体表现 在干氧和水汽氧化具有不同的激活能， 在干氧和水汽氧化具有不同的激活能， 这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激 A = 活能不一样。 活能不一样。 2. 对于线性速率常数 对于线性速率常数B/A， 温度的影响 ， 则主要是通过反应速率常数Ks体现的 B 体现的。 则主要是通过反应速率常数 体现的。 具体表现在干氧和湿氧具有相同的激 活能， 活能，这是因为干氧和水汽氧化本质 上都是硅－硅键的断裂， 上都是硅－硅键的断裂，具有相同的 激活能。 激活能。
1. 结构特点 ： 长程无序 ， 短程有 结构特点： 长程无序， 序。 2. 组成单元：硅氧四面体。 组成单元：硅氧四面体。 3. 二氧化硅中也可能存在各种杂 如氢氧根（ 替代氧） 质 ， 如氢氧根 （ 替代氧 ） ； 硼 、 替代硅） 磷 （ 替代硅 ） ； 钾 、 钠 、 钙 、 填隙杂质） 钡 、 铅 、 铝 （ 填隙杂质 ） ， 从 而对其物理性质产生重要的影 响。
1 1 A = 2 D( + ) k s hg B= 2 DHPg N1
氧化速率常数随温度和压强的关系
硅片晶向的影响分析
1. B与晶向无关， 因为分压一定的情况 与晶向无关， 与晶向无关 下，氧化速率与氧化剂在SiO2中的扩 氧化速率与氧化剂在 散系数D有关 ， 是无定形的， 散系数 有关， 而 SiO2 是无定形的 ， 有关 所以扩散具有各向同性。 所以扩散具有各向同性。 2. A与晶向有关， 因为反应速率常数严 与晶向有关， 与晶向有关 重依赖于 硅表面的 重依赖于硅表面的 键密度 。 显然 ， （ 111） 晶面的键密度大于 （ 100） ） 晶面的键密度大于（ ） 晶面， 所以（ 晶面 ， 所以 （ 111） 晶面上的氧化速 ） 率最大。 率最大。
tox + Atox = B(t + τ )
2
1 1 A = 2 D( + ) k s hg B= 2 DHPg N1
其中： 其中：
1、若氧化层厚度足够薄： 1、若氧化层厚度足够薄：
B tox = (t + τ ) A
2、若氧化层厚度足够厚： 、若氧化层厚度足够厚：
to 2 + At0 τ= B
tox = B(t + τ )
4.5
热氧化引起的缺陷
氧化诱生层错是热氧化产生的缺陷，它通常存在于 Si/SiO2界面附近硅衬底一侧。 界面附近硅衬底一侧。 产生原因：氧化过程中产生硅自填隙点缺陷， 产生原因：氧化过程中产生硅自填隙点缺陷，这些点缺 陷凝聚起来， 陷凝聚起来，在（111）面内形成层错。 ）面内形成层错。 减少层错的措施： 磷 减少层错的措施：a)磷、硼掺杂引入晶格失配缺陷作为 点缺陷的吸收源； 掺氯氧化可以吸收点缺陷 掺氯氧化可以吸收点缺陷， 点缺陷的吸收源；b)掺氯氧化可以吸收点缺陷，阻止点 缺陷凝聚长大； 采用高压氧化 采用高压氧化， 缺陷凝聚长大；c)采用高压氧化，从而减少氧化温度和 时间； 采用 采用（ ）硅片。 时间；d)采用（111）硅片。
4.3
自由气 体层 Cg
迪尔－ 迪尔－格罗夫氧化模型
Cs J1 C0 J2 J3 Ci
J1 = hg (Cg − Cs )
J 2 = Do ×
Co − Ci tox
J 3 = K s × Ci
Co = HPs = HkTCs
J1 = J 2 = J 3
Cg－离硅片表面较远处氧浓度； 离硅片表面较远处氧浓度； Cs－硅片表面处的氧浓度； 硅片表面处的氧浓度； Co－硅片表面氧化层中的氧浓度； 硅片表面氧化层中的氧浓度； 界面处的氧浓度； Ci－在Si/SiO2界面处的氧浓度； hg－质量输运系数； 质量输运系数； D－是氧在SiO2中的扩散系数； －是氧在 中的扩散系数； Ks－是硅与氧反应生成 是硅与氧反应生成SiO2的化学反应速率常数； 的化学反应速率常数； H－是亨利气体常数； －是亨利气体常数； Pg－氧化炉内氧气的分压。 氧化炉内氧气的分压。
氧化层生长速率为： 氧化层生长速率为：
dtox J = = R= N1 dt
Hks Pg K s K s tox N1 1 + + h Do
其中N 中氧原子浓度。 其中 1是SiO2中氧原子浓度。
边界条件： ＝ 时刻氧化层厚度假设为 时刻氧化层厚度假设为t 则有： 边界条件：T＝0时刻氧化层厚度假设为 0，则有：
硅的氧化系数
温度(℃) A(µm) 800 920 1000 1100 1200 0.37 0.235 0.165 0.09 0.04 干氧 B(µm2/h) 0.0011 0.0049 0.0117 0.027 0.045 τ(h) 9 1.4 0.37 0.076 0.027 A(µm) — 0.5 0.226 0.11 0.05 湿氧 B(µm2/h) — 0.203 0.287 0.51 0.72
B/A被称为线性速率系数；而B被称为抛物线 Fra Baidu bibliotek称为线性速率系数； 被称为线性速率系数 被称为抛物线 速率系数
自然氧化层
1. 迪尔－格罗夫模型在薄氧化层范围内不适 迪尔－格罗夫模型在薄氧化层范围内 薄氧化层范围内不适 用。 2. 在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化 在薄氧化阶段，氧化速率非常快， 机理至今仍然存在争议， 机理至今仍然存在争议，但可以用经验公 式来表示。 式来表示。 3. 由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔－格罗 由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔－ 夫模型需要用τ来修正。 夫模型需要用τ来修正。
氯对氧化速率的影响
氧化剂分压的影响分析
1. A与氧化剂分压无关 ， 而 B与氧 与氧化剂分压无关， 与氧 与氧化剂分压无关 化剂分压成正比。 化剂分压成正比。 2. 通过改变氧化剂分压可以达到 调整SiO 生长速率的目的， 调整 SiO2 生长速率的目的 ， 因 此出现了高压氧化和低压氧化 技术。 技术。
硅 （ 100） 晶面干氧氧化速率与氧化层 ） 厚度的关系
薄氧阶段的经验公式
dtox B − tox / L1 − tox / L2 = + C1e + C2 e dt 2tox + A
其中： 为氧化层厚度； 是特征距离， 其中 ： tox 为氧化层厚度 ； L1 和 L2 是特征距离 ， C1和C2是比例常数。 是比例常数。
1 1 A = 2 D( + ) k s hg B= 2 DHPg N1
掺杂的影响分析
硅中常见杂质如硼、 硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。 都倾向于使氧化速率增大。 1. 对于硼来说，氧化过程中大量的硼进入到SiO2中 ， 对于硼来说 ， 氧化过程中大量的硼进入到 破坏了SiO2的结构，从而使氧化剂在 的结构，从而使氧化剂在SiO2中的扩散 破坏了 能力增强，因此增加氧化速率。 能力增强，因此增加氧化速率。 2. 对于磷来说，虽然进入SiO2的磷不多 ，但在高浓度 的磷不多， 对于磷来说 ， 虽然进入 时 ， 高浓度磷掺杂会改变硅的费米能级，使硅表面 高浓度磷掺杂会改变硅的费米能级， 空位增多，从而提供了额外的氧化点， 空位增多， 从而提供了额外的氧化点， 增加了氧化 速率。 速率。
O
Si
1. 硅暴露在空气中，则在室温下即可产生二 硅暴露在空气中， 氧化硅层，厚度约为 氧化硅层，厚度约为250埃。 埃 2. 如果需要得到更厚的氧化层，必须在氧气 如果需要得到更厚的氧化层， 气氛中加热。 气氛中加热。 3. 硅的氧化反应是发生在 硅的氧化反应是发生在Si/SiO2界面，这是 界面， 因为： 在 中的扩散系数比O的扩散 因为 ： Si在 SiO2 中的扩散系数比 的扩散 系数小几个数量级。 系数小几个数量级。
查表得知， o C时，A=0.50µ m，B=0.203µ m 2 /h 920 to 2 + At0 (0.1µ m) 2 +0.5µ m × 0.1µ m τ= = =0.295h 2 B 0.203µ m /h 据公式tox 2 + Atox = B(t + τ )有： −A + A 2 + 4 B(t + τ ) tox = =0.48µ m 2 注意：A ≈ tox，这种情况下不能用近似法。
4.2 二氧化硅膜的制备方法
• 制备二氧化硅膜的方法有 ： 热生长氧化法 、 制备二氧化硅膜的方法有： 热生长氧化法、 化学气相沉积等。 化学气相沉积等 。 但目前主要使用的还是 热生长氧化法。 热生长氧化法。 • 热生长氧化法优点 ： 致密 、 纯度高 、 膜厚 热生长氧化法优点： 致密、 纯度高、 均匀等； 均匀等； • 缺点 ： 需要暴露的硅表面 、 生长速率低 、 缺点： 需要暴露的硅表面、 生长速率低、 需要高温。 需要高温。
4.6
氧化层厚度测量方法
1. 台阶法 ： 腐蚀部分 台阶法： 腐蚀部分SiO2 膜得到台阶 ， 然后用电镜 膜得到台阶， 或显微镜观测得到膜厚。 或显微镜观测得到膜厚。 2. 光学法：包括椭偏光法和干涉法。 光学法：包括椭偏光法和干涉法。 3. 电学测量：包括电压击穿法和电容－电压法等。 电学测量：包括电压击穿法和电容－电压法等。
其中：τ是考虑到自然氧化层的因素，200Å左右。 其中： 是考虑到自然氧化层的因素， 左右。 是考虑到自然氧化层的因素 左右
计算在120分钟内 ， 920℃ 水汽氧化 （ 640Torr）过 分钟内， 计算在 分钟内 ℃ 水汽氧化（ ） 程中生长的二氧化硅层的厚度。 程中生长的二氧化硅层的厚度 。 假定硅片在初始状 态时已有1000埃的氧化层。 埃的氧化层。 态时已有 埃的氧化层
微电子工艺学
第三章 热生长二氧化硅膜
二氧化硅膜的用途： 二氧化硅膜的用途：
1.作为掺杂的掩蔽膜； 作为掺杂的掩蔽膜； 作为掺杂的掩蔽膜
SiO2 Si
2.MIS栅介质膜； 栅介质膜； 栅介质膜
3.绝缘膜； 绝缘膜； 绝缘膜
4.保护层或缓冲层。 保护层或缓冲层。 保护层或缓冲层
4.1 二氧化硅膜的结构和性质
热生长二氧化硅的方法
1. 干氧法：硅和分子氧反应生成SiO2 干氧法：硅和分子氧反应生成 特点：氧化速度慢，但氧化层致密。 特点：氧化速度慢，但氧化层致密。 2. 水汽氧化：硅和水汽反应生成SiO2 水汽氧化：硅和水汽反应生成 特点：氧化速度快，但氧化层疏松。 特点：氧化速度快，但氧化层疏松。 3. 湿氧法：硅同时和氧分子及水汽反应生成SiO2 湿氧法：硅同时和氧分子及水汽反应生成 特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。 特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。
1 1 2 D( + ) ks hg 2 DHPg N1
=
抛物线速率常数B随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 抛物线速率常数 随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 随温度的变化
线性速率常数B/A随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 随温度的变化（阿列尼乌斯曲线） 线性速率常数 随温度的变化
氯气氛的影响分析
在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的改善， 的质量得到很大的改善， 在氧化气氛中加入氯可以使 并可以增大氧化速率，主要有以下方面： 并可以增大氧化速率，主要有以下方面： 钝化可动离子，特别是钠离子； 钝化可动离子，特别是钠离子； 增加硅中少数载流子的寿命； 增加硅中少数载流子的寿命； 减少中的缺陷，提高了抗击穿能力； 减少中的缺陷，提高了抗击穿能力； 降低界面态密度和固定电荷密度； 降低界面态密度和固定电荷密度； 减少硅中的堆积层错。 减少硅中的堆积层错。