热生长二氧化硅膜

而对其物理性质产生重要的影
响。
1. 硅暴露在空气中，则在室温下即可产生二 氧化硅层，厚度约为250埃。
2. 如果需要得到更厚的氧化层，必须在氧气 气氛中加热。
3. 硅的氧化反应是发生在Si/SiO2界面，这是 因为：Si在SiO2中的扩散系数比O的扩散 系数小几个数量级。
4.2 二氧化硅膜的制备方法
Pg－氧化炉内氧气的分压。
氧化层生长速率为：
R J dtox
Hks Pg
N1
dt
N1
1
Ks h
K s tox Do
其中N1是SiO2中氧原子浓度（4.4×1022 cm-3 ）除以 氧源中氧原子数量。（比如以O2为氧源，则除以2； 以H2O为氧源，则除以1）
边界条件：T＝0时刻氧化层厚度假设为t0，则有：
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， 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； ➢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； ➢降低界面态密度和固定电荷密度； ➢减少硅中的堆积层错。
氯对氧化速率的影响
氧化剂分压的影响分析
4.4 影响氧化速率的因素
tox
B (t A
)
tox B(t )
1. 温度：氧化速率随温度升高而增大。
A 2D( 1 1 ) ks hg
B 2DHPg N1
2. 气氛：适量掺氯气氛可以增加氧化速率。
3. 氧化剂分压：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化速率。
A
C etox 1
/
L1
C etox / L2 2
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。
硅的氧化系数
温度(℃) A(μm)
800
0.37
920 0.235
1000 0.165
1100 0.09
1200 0.04
干氧 B(μm2/h)
0.0011 0.0049 0.0117 0.027 0.045
湿氧
τ(h) A(μm) B(μm2/h)
9
—
—
1.4 0.5
0.203
0.37 0.226 0.287
0.076 0.11
0.51
0.027 0.05
0.72
其中：τ是考虑到自然氧化层的因素，250Å左右。
计算在120分钟内，920℃水汽氧化（640Torr）过 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。
5. 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B，温度的影响
是通过扩散系数D体现的。具体表现
在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，
11
这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激 活能不一样。
A 2D( ) ks hg
2.
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。 具体表现在干氧和湿氧具有相同的激
B
2DHPg N1
活能，这是因为干氧和水汽氧化本质
上都是硅－硅键的断裂，具有相同的
激活能。
抛物线速率常数B随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）
线性速率常数B/A随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）
1. 迪尔－格罗夫模型在薄氧化层范围内不适用。 2. 在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理
至今仍然存在争议，但可以用经验公式来表示。 3. 由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔－格罗夫模
型需要用τ来修正。
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 dt
B 2tox
1. A与氧化剂分压无关，而B与氧化 剂分压成正比。
2. 通过改变氧化剂分压可以达到调整 SiO2生长速率的目的，因此出现了 高压氧化和低压氧化技术。
A 2D( 1 1 ) ks hg
B 2DHPg 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 下，氧化速率与氧化剂在SiO2中的扩 散系数D有关，而SiO2是无定形的， 所以扩散具有各向同性。
tox2 Atox B(t )
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其中：
1、若氧化层厚度足够薄：
tox
B A
(t
)
反应速率控制
A 2D( 1 1 ) ks hg
B 2DHPg N1
to2 At0
B
2、若氧化层厚度足够厚：
tox B(t ) 扩散控制
B/A被称为线性速率系数；而B被称为抛物线速率系数
自然氧化层
二氧化硅膜的用途：
1.作为掺杂的掩蔽膜；
SiO2 Si
2.MIS栅介质膜；
3.介质隔离；
4.保护层或缓冲层。
4.1 二氧化硅膜的结构和性质
1. 结构特点：长程无序，短程有
序。
O
2. 组成单元：硅氧四面体。
3. 二氧化硅中也可能存在各种杂
质，如氢氧根（替代氧）；硼、
磷（替代硅）；钾、钠、钙、
Si
钡、铅、铝（填隙杂质），从
3. 湿氧法：硅同时和氧分子及水汽反应生成SiO2 特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。
4.3 迪尔－格罗夫氧化模型
自由气 体层
Cg
Cs
J1
C0
Ci
J2
J3
J1 hg (Cg Cs )
J2
Do
Co Ci tox
Co HPs HkTCs
J3 Ks Ci J1 J2 J3
Cg－离硅片表面较远处氧浓度； Cs－硅片表面处的氧浓度； Co－硅片表面氧化层中的氧浓度； Ci－在Si/SiO2界面处的氧浓度； hg－质量输运系数； D－是氧在SiO2中的扩散系数； Ks－是硅与氧反应生成SiO2的化学反应速率常数； H－是亨利气体常数；
查表得知，920 o C时，A=0.50m，B=0.203m2 /h
to2
At0 B
=
(0.1m)2 +0.5m 0.1m 0.203m2 /h
=0.295h
据公式tox2 Atox B(t )有：
A tox
A2 4B(t ) =0.48m
2
注意：A tox，这种情况下不能用近似法。
• 制备二氧化硅膜的方法有：热生长氧化法、 化学气相沉积等。但目前主要使用的还是 热生长氧化法。
• 热生长氧化法优点：致密、纯度高、膜厚 均匀等；
• 缺点：需要暴露的硅表面、生长速率低、 需要高温。
热生长二氧化硅的方法
1. 干氧法：硅和分子氧反应生成SiO2 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 特点：氧化速度快，但氧化层疏松。