微电子工艺(3) - PRINT

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1、第四章第四章热氧化氧化1微微电子工子工艺（3）主要内容主要内容4.1二氧化硅薄膜概述二氧化硅薄膜概述4.2 硅的硅的热氧化氧化4.3 初始氧化初始氧化阶段及薄氧化段及薄氧化层制制备4.4 热氧化氧化过程中程中杂质再分布再分布4.5 氧化氧化层的的质量及量及检测4.6 其它氧化方法其它氧化方法24.14.1二氧化硅薄膜概述二氧化硅薄膜概述二氧化硅是微电子工艺中二氧化硅是微电子工艺中采用最多采用最多的介质薄膜。的介质薄膜。二氧化硅薄膜的主要制备方法有：热氧化，化学二氧化硅薄膜的主要制备方法有：热氧化，化学气相淀积气相淀积(CVD)(CVD)，物理气相淀积，物理气相淀积(PVD)(PVD)，阳极氧化

2、，阳极氧化4.1.1 二氧化硅结构4.1.2 二氧化硅的理化性质及用途4.1.3 二氧化硅薄膜中的杂质4.1.4 杂质在SiO2中的扩散4.1.5 SiO2的掩蔽作用34TEMTEM照片照片（Transmission electron microscopy，TEM）单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜SiO2与与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因4.1.14.1.1二氧化硅二氧化硅结构构SiO2基本结构单元56热氧化的热氧化的SiOSiO2 2是非晶态，是四面体网络状结构是非晶态，是四面体网络状结构两四面体之

3、间的氧原子称两四面体之间的氧原子称桥联（键）氧原子桥联（键）氧原子，只与一个四面体相联的氧原子称只与一个四面体相联的氧原子称非桥联氧原子非桥联氧原子石英的原子密度石英的原子密度2.2*1022/cm3 石英晶格结构石英晶格结构 非晶态二氧化硅结构非晶态二氧化硅结构 二氧化硅二氧化硅结构构4.14.1.2二氧化硅二氧化硅的理化性的理化性质及用途及用途密度密度 是是SiO2致密程度的致密程度的标志。密度大表示致密程度高，志。密度大表示致密程度高，约2-2.2g/cm3；熔点熔点 石英晶体石英晶体1732，而非晶，而非晶态的的SiO2无熔点，无熔点，软化点化点1500电阻率阻率 与制与制备方法及所含

4、方法及所含杂质有关，高温干氧可达有关，高温干氧可达1016cm，一般在，一般在107-1015 cm；介介电性性 介介电常数常数3.9；介介电强度度 100-1000V/m；折射率折射率 在在1.33-1.37之之间；腐腐蚀性性 只和只和HF酸反酸反应，与，与强碱反碱反应缓慢。慢。71、作为掩蔽膜、作为掩蔽膜二氧化硅膜用途二氧化硅膜用途82、作为芯片的钝化与保护膜、作为芯片的钝化与保护膜3、互连层间绝缘介质、互连层间绝缘介质P阱阱n阱阱也可用SiO29电隔离膜电隔离膜4、元器件的组成部分、元器件的组成部分4.14.1.3 二氧化硅薄膜中的二氧化硅薄膜中的杂质10PB网络改网络改变者变者网络形成

5、网络形成者者4.14.1.4 杂质在在SIO2中的中的扩散散杂质SiO2中在中在扩散系数：散系数：DSiO2=D0exp(-E/kT)是指当是指当浓度度为一个一个单位位时，单位位时间内通内通过单位面位面积的量的量,单位位m2/s利用相同情况下，硼、磷等常用利用相同情况下，硼、磷等常用杂质在在SiO2中的中的扩散速度散速度远小于在硅中小于在硅中扩散速度，散速度，SiO2层对这些些杂质起到起到“掩蔽掩蔽”作用。作用。镓和和钠等碱金属等碱金属扩散在散在SiO2扩散速度快，散速度快，SiO2层对这些些杂质起不到起不到“掩蔽掩蔽”作用。作用。114.14.1.5 SIO2的掩蔽作用的掩蔽作用12硅衬底上

6、的硅衬底上的SiO2作掩膜要求作掩膜要求 -杂质在杂质在SiO2层中的扩散深度层中的扩散深度 -SiO2本身的厚度本身的厚度不同温度下掩蔽不同温度下掩蔽P、B所需氧化层厚所需氧化层厚度与扩散时间关系图度与扩散时间关系图4.1.5 SIO2掩蔽作用掩蔽作用掩蔽条件掩蔽条件:DSiDSiO213所需氧化层的最小厚度所需氧化层的最小厚度若若 杂质的杂质的关系曲线关系曲线 4.2 硅硅的的热氧化氧化 以热氧化工艺制备以热氧化工艺制备SiO2就是在就是在高温高温和和氧化物质氧化物质（氧（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。

7、所需厚度的二氧化硅。4.2.1 热氧化工艺热氧化工艺4.2.2 热氧化机理热氧化机理4.2.3 硅的硅的DealGrove热氧化模型热氧化模型4.2.4 热氧化生长速率热氧化生长速率4.2.5 影响氧化速率的各种因素影响氧化速率的各种因素144.2.1 热氧化氧化工工艺热氧化氧化设备主要有主要有水平式水平式(6英寸以下的硅片英寸以下的硅片)和和直立式直立式(8英寸以上的硅片英寸以上的硅片)两种。两种。氧化系氧化系统由四部分由四部分组成：成：炉体柜炉体柜装片台装片台气源柜气源柜计算机控制系算机控制系统1516电阻加阻加热水平式氧化炉水平式氧化炉注意注意：在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温

8、度的：在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度的变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。三种三种热氧化氧化方法方法干氧氧化：干氧氧化：氧化膜致密性最好，氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干孔密度小，薄膜表面干燥，适合光刻，但是生燥，适合光刻，但是生长速率最慢；速率最慢；湿氧氧化：湿氧氧化：氧化膜氧化膜较干氧氧化膜疏松，干氧氧化膜疏松，针孔密度大，表面孔密度大，表面含水汽，光刻性能不如干氧，容易浮胶。湿氧与干氧比，含水汽，光刻性能不如干氧，容易浮胶。湿氧与干氧比，水温越高，水汽就越多，二氧化硅生水温越高，水汽就越多，二氧化硅

9、生长速率也就越快；速率也就越快；水蒸汽氧化：水蒸汽氧化：在三种在三种热氧化方法中氧化膜致密性最差，氧化方法中氧化膜致密性最差，针孔密度最大，薄膜表面潮湿，光刻孔密度最大，薄膜表面潮湿，光刻难，浮胶。但是，生，浮胶。但是，生长速率最快。速率最快。17氧化方式氧化温度（）生长速率常数（m2/min）生长0.5微米SiO2所需时间（min）SiO2的密度（g/mm）备注干氧10001.4810-418002.2712006.210-43602.15湿氧100038.510-4632.21水浴温度951200117.510-4222.12水汽100043.510-4582.08水汽发生器水温10212

10、0013310-4182.0518三种热生长方法及三种热生长方法及SiO2薄膜特性的比较薄膜特性的比较 不同氧化工艺制备的SIO2的主要物理性质19氧化方法密 度(g/cm2)折 射 率(=5460)电 阻 率(cm)相对介电常数介电 强度(106V/cm)干 氧2.242.271.4601.46631015210163.4(10kHz)9湿 氧2.182.211.4351.4583.82(1MHz)水 汽2.002.201.4521.462101510173.2(10kHz)6.89热分解淀积2.092.151.431.45107108CVD淀积2.31.461.477810143.54(1

11、MHz)56具体工具体工艺掩膜氧化（厚氧化层）掩膜氧化（厚氧化层）干氧干氧-湿氧湿氧-干氧干氧薄层氧化（薄层氧化（MOS栅）栅）干氧干氧 掺氯氧化掺氯氧化 热氧化工艺流程一般遵循热氧化工艺流程一般遵循:洗片洗片升温升温生长生长取片取片204.24.2.2 4.2.2 热氧化机理氧化机理21在热氧化的过程中，在热氧化的过程中，氧化反应将在氧化反应将在SiOSiO2 2-Si-Si界面界面处进行，而不发处进行，而不发生在生在SiOSiO2 2层的外表层层的外表层热氧化是通过热氧化是通过扩散扩散和和化学反应化学反应来完成的，来完成的，氧化反应是由硅片表氧化反应是由硅片表面向硅片纵深依次进面向硅片纵深

12、依次进行的，硅被消耗，所行的，硅被消耗，所以以硅层变薄，氧化层硅层变薄，氧化层增厚，整个硅片增厚增厚，整个硅片增厚了。了。4.2.3 DEAL-GROVE4.2.3 DEAL-GROVE热氧化模型氧化模型22vDealGrove模型模型（线性抛物线模型，（线性抛物线模型，linear-parabolic model)可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。v适用于：适用于：氧化温度氧化温度7001300 oC；局部压强局部压强0.125个大气压；个大气压；氧化层厚度为氧化层厚度为0.032m的水汽和干法氧化的水汽和干法氧化23 气体中扩散气体

13、中扩散固体中扩散固体中扩散SiO2 形成形成SiO2Si衬底附面层或称滞流层附面层或称滞流层氧化剂流动方向氧化剂流动方向(如如 O2或或 H2O）（1）氧化剂输运）氧化剂输运（2）固相扩散）固相扩散 （3）化学反应）化学反应（4）反应的副产物离开界面）反应的副产物离开界面 基于基于DG模型模型热氧化可分解为热氧化可分解为热氧化氧化动力学力学（迪（迪尔-格格罗夫模型）夫模型）（1）氧化剂输运）氧化剂输运-气体输运流密度气体输运流密度用用F1表示表示：F1=hg(Cg-Cs)（2）气相扩散）气相扩散：（3）化学反应）化学反应：热氧化是在氧化剂气氛下进行：热氧化是在氧化剂气氛下进行：O2流密度不变，

14、即准平衡态流密度不变，即准平衡态稳定生稳定生长长：F1=F2=F324pgpsF1F2F3SiO2Si-0 xCgCsCoCi主流气体主流气体粘滞层粘滞层O2x0气相气相质量量输运系数运系数 化学反化学反应常数常数 求解求解:C0、CI25借助：亨利定律：借助：亨利定律：理想气体状理想气体状态方程：方程：SiOSiO2 2中的氧化中的氧化剂浓度度C C*，应与主气流区中氧化与主气流区中氧化剂分分压成正成正比：比：可得：可得：-气相气相质量量输运系数运系数 Co=C*/（1+ks/h）4.2由由F1=F2=F3可得：可得：4.2.4 热氧化生氧化生长速率速率26氧化层生长速率氧化层生长速率v为：

15、为：界面流量除以单位体积界面流量除以单位体积SiO2的氧分子数的氧分子数N1假设氧化前硅片表面上存在的初始氧化层厚度为假设氧化前硅片表面上存在的初始氧化层厚度为求解出氧化层生长厚度与生长时间之间的关系式为：求解出氧化层生长厚度与生长时间之间的关系式为：其中其中解为解为两种极限情况两种极限情况 27抛物线速率常数抛物线速率常数线性速率常数线性速率常数气体气体C0SiO2Siks0DSiO20CxCi氧化时间长，扩散控制阶段氧化时间长，扩散控制阶段:氧化时间很短，化学反应控制阶段氧化时间很短，化学反应控制阶段:扩散控制：扩散控制：DSiO2 0，Ci 0反应控制：反应控制：ks 0，Ci Co两种

16、极限情况两种极限情况 图为实测值与计算的图为实测值与计算的对比对比计算公式计算公式:在两种极限情况下：在两种极限情况下：长时间氧化长时间氧化或或氧化氧化时间很短，很短，实测值和计实测值和计算值吻合。算值吻合。284.2第七次第七次课主要主要问题：简述硅表面氧化层的结构特点？简述硅表面氧化层的结构特点？氧化层种杂质有哪几种类？氧化层种杂质有哪几种类？简述热氧化机理？简述热氧化机理？热氧化有几种方法其主要特点是什么？热氧化有几种方法其主要特点是什么？D-G模型将热氧化分为几个步骤？模型将热氧化分为几个步骤？294.2.5 影响氧化速率的各种因素影响氧化速率的各种因素温度温度 影响影响：很大，：很大

17、，H、h、D、ks都与温度有关。都与温度有关。气体分气体分压影响影响：提高反：提高反应器内氧气或水汽的分器内氧气或水汽的分压能能提高提高线性氧化速率。有高性氧化速率。有高压氧化和低氧化和低压氧化技氧化技术。硅晶向影响：硅晶向影响：略有不同，（略有不同，（111）晶向速率最快，）晶向速率最快，（100）晶向速率最慢。）晶向速率最慢。杂质影响影响：掺杂 浓度越高氧化速率越快，将此度越高氧化速率越快，将此现象象称称为增增强氧化氧化。301、温度、温度对氧化速率的影响氧化速率的影响312、气体、气体分分压对氧化速率的影响氧化速率的影响氧化剂分压氧化剂分压Pg是通过是通过C*对对B产生影产生影响：响：B

18、PgPg323、硅、硅衬底的晶向底的晶向对氧化速率的影响氧化速率的影响 不同晶向的衬底单晶硅由于表面悬挂键密度不同，生长速率也呈现各向异性。空间位阻（Steric Hindrance）334、掺杂情况情况对氧化速率的影响氧化速率的影响线性和抛物型氧化速率常数性和抛物型氧化速率常数对存在于氧化存在于氧化剂中或存在于硅中或存在于硅衬底中的底中的杂质敏感。敏感。磷磷在在较低温度增低温度增强氧化明氧化明显，而，而硼硼在低温在低温时增增强氧化不明氧化不明显，高温明，高温明显。钠、水汽、水汽、氯都能都能显著提高氧化速率。著提高氧化速率。34351)衬底掺杂对氧化速率的影响衬底掺杂对氧化速率的影响900 C

19、时干氧氧化速率随表面磷浓度的变化N衬底：衬底：反应速率反应速率限制阶段限制阶段影响大，影响大，B/A起主要作用，氧起主要作用，氧化速率取决于硅表面的掺杂化速率取决于硅表面的掺杂浓度浓度4、掺杂情况情况对氧化速率的影响氧化速率的影响2）掺卤氧化在氧化气氛中加入适量的在氧化气氛中加入适量的卤族元素会改善氧化膜及族元素会改善氧化膜及其下面硅的特性。其下面硅的特性。氧化膜特性的改善包括氧化膜特性的改善包括钠离子离子浓度减少、介度减少、介质击穿穿强度增加、界面度增加、界面态密度减少。密度减少。实践中践中应用用较多的多的卤族元素是族元素是氯，在，在Si-SiO2界面上界面上或界面附近，或界面附近，氯能使能

20、使杂质转变成容易成容易挥发的的氯化物化物从而起到吸从而起到吸杂的效果，另外也能看到氧化的效果，另外也能看到氧化诱生缺陷生缺陷减少。减少。36掺氯对氧化速率的影响氧化速率的影响37 N型硅（型硅（100）和（）和（111）晶面氧化速率常数与）晶面氧化速率常数与HCl浓度之间关系浓度之间关系（900，1000，1100）3)水汽水汽的存在的存在对氧化速率的影响氧化速率的影响在干氧氧化的气氛中，只要存在极小量在干氧氧化的气氛中，只要存在极小量的水汽，就会的水汽，就会对氧化速率氧化速率产生重要影响。生重要影响。为了防止高温下水汽通了防止高温下水汽通过石英管壁石英管壁进入入氧化炉内，可用双氧化炉内，可用

21、双层石英管是，在两石英管是，在两层中中间通高通高纯氮或氮或氩，这样可以把通可以把通过外外层石英管石英管进入到入到夹层中的水汽及中的水汽及时排除。排除。384.3 初始氧化初始氧化阶段及薄氧化段及薄氧化层制制备D-G模型模型对30nm以下的干氧氧化不以下的干氧氧化不准。准。自然氧化物不是自然氧化物不是连续生生长而是而是阶段的段的生生长。轻掺杂0.8nm;重重掺杂1.3nm。初始氧化初始氧化阶段的氧段的氧化机制仍是日前研化机制仍是日前研究究热点。点。39用途：用途：薄薄层氧化主要作氧化主要作为MOS IC的的栅要求：要求：低缺陷密度；低缺陷密度；好的抗好的抗杂质扩散的散的势垒持性；持性；低的界面低

22、的界面态密度和固定密度和固定电荷，高荷，高质量的量的Si-SiO2界界面；面；在在热载流子流子应力和力和辐射条件下的射条件下的稳定性好；定性好；工工艺过程中具有程中具有较低的低的热开开销。404.3 初始氧化初始氧化阶段及薄氧化段及薄氧化层制制备工工艺条件：条件：对氧化氧化层质量有重大影响量有重大影响生生长必必须足足够慢，才能保慢，才能保证获得均匀性和重复性得均匀性和重复性好好与清洗工与清洗工艺有着密切的关系有着密切的关系所用所用试剂的的纯度有着密切的关系度有着密切的关系工工艺方法：方法：干氧氧化、含有干氧氧化、含有HCl的干氧氧化的干氧氧化减减压氧化氧化低温高低温高压氧化等。氧化等。414.

23、3 初始氧化初始氧化阶段及薄氧化段及薄氧化层制制备4.4 4.4 热氧化氧化过程中程中杂质的再的再分布分布由四方面因素决定：由四方面因素决定：杂质的分凝的分凝现象；象；杂质在在SiO2表面逸出；表面逸出；杂质在在SiO2、Si中的中的扩散系数；散系数；界面移界面移动（氧化速率）（氧化速率）42分凝分凝逸出逸出扩散扩散界面界面移动移动4.4.1 杂质的分凝效的分凝效应k1，在，在SiO2/Si界面界面杂质向向Si内内扩散，散，Si面面杂质浓度高，度高，堆堆积。P,kp=10，As,kAs=10，Ga,kGa=20。43SiO2/Si界面界面分凝现象分凝现象-指杂质在指杂质在SiO2和和Si中平衡

24、中平衡浓度不同的现象。浓度不同的现象。分凝系数分凝系数-指衡量分凝效应强弱的参数：指衡量分凝效应强弱的参数：杂质在在SIO2/SI界面分布界面分布44SiO2/SiSiO2/SiSiO2/SiSiO2/Sik1杂质在硅杂质在硅一侧堆积一侧堆积4.4.2 再再分布分布对硅表面硅表面杂质浓度的影响度的影响45热氧化后硅中磷的表面浓度热氧化后硅中磷的表面浓度热氧化后硅中硼的表面浓度热氧化后硅中硼的表面浓度46计算得到的在不同温度下氧化后硅中硼的分布曲线 高温氧化对杂质浓度分布的影响 4.5 4.5 氧化氧化层的的质量及量及检测质量要求：量要求：厚度及均匀性厚度及均匀性应满足要求足要求成膜成膜质量：表

25、面无斑点，裂量：表面无斑点，裂纹，白，白雾，发花；花；内部内部针孔密度等。孔密度等。检测：厚度厚度测量量成膜成膜质量量测量：表面缺陷；量：表面缺陷；结构缺陷；氧化构缺陷；氧化层中的中的电荷；荷；热应力力474.5.1 氧化氧化层厚度厚度测量量比色法：估算厚度比色法：估算厚度光学方法：干涉条光学方法：干涉条纹法；法；椭圆偏振法偏振法探探针轮廓廓仪481、比色法、比色法49可根据氧化层表面颜色和表中所列颜色进行比较，来确定氧化层的厚度可根据氧化层表面颜色和表中所列颜色进行比较，来确定氧化层的厚度2、干涉条、干涉条纹法法原理原理：测定氧化定氧化层台台阶上的干涉条上的干涉条纹数目求数目求氧化氧化层厚度

26、的方法。当用厚度的方法。当用单色光垂直照射氧色光垂直照射氧化化层表面表面时，由于是透明介，由于是透明介质，所以入射光，所以入射光将分将分别在表面和硅界面在表面和硅界面处反射。反射。测量方法量方法：试片表面涂一小滴黑胶，然后在片表面涂一小滴黑胶，然后在HF中未被保中未被保护的腐的腐蚀掉，丙掉，丙酮除去黑胶，除去黑胶，这样在硅片表面出在硅片表面出现一个台一个台阶。用干涉。用干涉显微微镜观察表面察表面时，在台，在台阶处就出就出现的明暗相同的干涉条的明暗相同的干涉条纹，根据干涉条，根据干涉条纹数数目，可目，可计算出的氧化算出的氧化层厚度厚度 5051n：二氧化膜的折射率，约为：二氧化膜的折射率，约为1

27、.5；x：干条纹的条数。：干条纹的条数。从一个最亮到相邻的从一个最亮到相邻的一个最亮条（或最暗条一个最亮条（或最暗条到相邻的另一个最暗条）到相邻的另一个最暗条）就算一个干涉条纹。而就算一个干涉条纹。而从最暗到相邻最亮条则从最暗到相邻最亮条则可算为半根。可算为半根。2、干涉条、干涉条纹法法4.5.2 SIO2层成膜成膜质量的量的测量量52表面无斑点，裂纹，白雾，发花和针孔等毛病；表面无斑点，裂纹，白雾，发花和针孔等毛病；针孔密度检测方法针孔密度检测方法腐蚀法：腐蚀液为邻苯二酚，胺，水腐蚀法：腐蚀液为邻苯二酚，胺，水(PAW)，通过针，通过针孔化学腐蚀衬底硅。孔化学腐蚀衬底硅。氯气腐蚀法：氯气腐蚀

28、法：900以上，氯气对针孔部位的以上，氯气对针孔部位的Si腐蚀。腐蚀。铜缀法：含铜电解液，电流通过针孔流通，电化学反铜缀法：含铜电解液，电流通过针孔流通，电化学反应在针孔析出铜。应在针孔析出铜。1、一般要求、一般要求2、结构缺陷构缺陷53界面硅侧有大量界面硅侧有大量自填隙硅自填隙硅原子，这原子，这些点缺陷些点缺陷结团结团形成堆垛层错，一般形成堆垛层错，一般位于位于111面中。面中。Si腐蚀后，显露的腐蚀后，显露的OSF，继续，继续腐蚀将显露更多缺陷腐蚀将显露更多缺陷氧化氧化诱生堆生堆垛层错（OSF）第八次第八次课主要主要问题：若氧化若氧化时间极短，氧化速率服从什么极短，氧化速率服从什么规律；律

29、；而氧化而氧化时间很很长呢？呢？影响氧化速率的主要因素有哪几个？哪个影影响氧化速率的主要因素有哪几个？哪个影响最大？响最大？热氧化氧化过程中程中杂质再分布由几方面因素引起再分布由几方面因素引起?薄薄层氧化与氧化与D-G模型是否吻合？模型是否吻合？热氧化后在界面硅一氧化后在界面硅一侧会出会出现什么什么结构构问题？543、氧化、氧化层中的中的电荷荷55*界面陷阱电荷界面陷阱电荷 QitSiO2Si+氧化层固定电荷氧化层固定电荷 Qf氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电荷 Qot+-可动离子电荷可动离子电荷 QmK+Na+1）可）可动离子离子电荷（荷（QM）可可动离子离子电荷（荷（Qm）-在二氧化硅中都是网在

30、二氧化硅中都是网络改改变者存在、荷正者存在、荷正电的碱金属离子的碱金属离子杂质，主，主要是要是Na+、K+、H+等。等。其中主要是其中主要是Na+。在人体与。在人体与环境中大量存在境中大量存在Na+，热氧化氧化时容易容易发生生Na+沾沾污。降低方法降低方法 加加强工工艺卫生，避免生，避免Na+沾沾污；也；也可采用可采用掺氯氧化，固定氧化，固定Na+离子；高离子；高纯试剂。56偏温偏温实验（BT）对MOS电容容进行行C-V测试；在在栅极上加极上加约1MV/cm的正向（反向）偏的正向（反向）偏压，同同时加加热到到200-300，l0-30min，确保可，确保可动离子都到达离子都到达SiO2/Si界

31、面；界面；保持偏保持偏压冷却至室温，冷却至室温，再再测C-V 。V=Nm/qCox57+V2）固定）固定离子离子QF（电荷）荷）固定离子固定离子电荷荷Qf-主要是氧空位，不随表面主要是氧空位，不随表面势和和时间的的变化而化而变化化存在机理存在机理-一般一般认为固定固定电荷与界面一个很薄的荷与界面一个很薄的（约30）过渡区有关，渡区有关，过渡区有渡区有过剩的硅离子，剩的硅离子，过剩的硅在氧化剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但未与氧完程中与晶格脱开，但未与氧完全反全反应。降低方法：降低方法：干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。热氧化氧化时，首先采用干氧氧化方法

32、可以减小首先采用干氧氧化方法可以减小这一一现象。象。氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定电荷。荷。583）界面陷阱）界面陷阱电荷荷QIT界面界面态（界面陷阱（界面陷阱电荷）荷）Qit是能量是能量处于硅禁于硅禁带中、中、可以与价可以与价带或或导带交交换电荷的陷阱能荷的陷阱能级或或电荷荷状状态。与与衬底晶向、氧化条件底晶向、氧化条件和退火条件密切有关。和退火条件密切有关。(111)最高，最高，(100)最低。最低。降低方法降低方法-在金属化后在金属化后退火（退火（PMA）；低温、）；低温、惰性气体退火可降低惰性气体退火可降低。594）氧化）氧化层陷阱陷阱电荷

33、荷QOT存在于存在于SiO2中和中和Si-SiO2界面附近，陷阱界面附近，陷阱俘俘获电子或空穴后分子或空穴后分别荷荷负电或正或正电。产生方式主要有生方式主要有电离离辐射和射和热电子注入。子注入。降低方法降低方法-选择适当的氧化工适当的氧化工艺条件；条件；在惰性气体中在惰性气体中进行低温退火；采用行低温退火；采用对辐照不灵敏的照不灵敏的钝化化层可降低。可降低。604、热应力力SiO2与与Si的的热膨膨胀系数不同，在系数不同，在结束氧化退束氧化退出高温出高温过程后，会程后，会产生很大的生很大的热应力力 Si：2.610-6 K-1，SiO2：510-7 K-1 在加在加热或冷却或冷却过程中要使硅片

34、受程中要使硅片受热均匀，同均匀，同时，升温和降温速率不能太大。，升温和降温速率不能太大。614.6 其它其它热氧化氧化方法方法 IC进步步对热氧氧化化工工艺不不断断提提出出新新要要求求：降降低低工工艺温温度度；提提高高氧氧化化层质量量。因因此此热氧氧化化技技术不断不断发展展4.6.1 掺氯氧化氧化4.6.2 高高压氧化氧化624.6.1 掺氯氧化氧化钝化可化可动离子，尤其是离子，尤其是钠离子；离子；减少减少SiO2中缺陷，提高了氧化中缺陷，提高了氧化层的抗的抗击穿能力；穿能力；降低了界面降低了界面态密度和表面固定密度和表面固定电荷密度；荷密度；减少了氧化减少了氧化导致的致的堆堆垛层错，增加了氧

35、化，增加了氧化层下面下面硅中少数硅中少数载流子的寿命。流子的寿命。氯气有毒，气有毒，对管路有腐管路有腐蚀，HCl对硅有腐硅有腐蚀。63氯的掺入可改善氯的掺入可改善SiO2 层和层和 SiO2/Si界面的性质界面的性质4.6.2 高高压氧化氧化 氧化氧化剂的的压力在几个到几百个大气力在几个到几百个大气压之之间的的热氧化称高氧化称高压热氧化。氧化。高高压热氧化的主要特点是氧化速率快，反氧化的主要特点是氧化速率快，反应温度低（常用温度温度低（常用温度为650950，仍可保持，仍可保持高的氧化速率），减小了高的氧化速率），减小了杂质的再分布和的再分布和pn结的位移，又可抑制氧化的位移，又可抑制氧化过程

36、的程的诱生缺陷、生缺陷、应力和力和杂质再分布效再分布效应。64SiO2 生长方法特点主要用途1热生长设备简单，操作方便，SiO2 薄膜较致密。采用湿氧干氧交替方法，可获得既厚又较致密的层。缺点：氧化需在高温（10001200下进行，容易引起P-N结特性退化。广泛用于硅外延平面晶体管、双极型集成电路、MOS集成电路生产，作为选择扩散的掩蔽膜，作为器件表面和P-N结的钝化膜以及集成电路的隔离介质，绝缘介质等。2热分解淀积SiO2 直接淀积在Si衬底表面，不与硅片本身反应。淀积温度（700800）较低，对P-N结特性影响不大，可对任意衬底进行淀积。设备也较简单。容易得到厚的SiO2层。缺点：形成的S

37、iO2层质地不如热生长的致密。用于大功率晶体管和半导体集成电路的辅助氧化，避免针孔的不良影响，作为半导体微波器件等的表面钝化膜。3阴极溅射Si衬底温度低（一般在200左右），可对任意衬底淀积。缺点：生长速率慢周期长，例如生长3000埃SiO2膜一般要812小时。生成SiO2不如热生长的致密。用于不宜进行高温处理的器件淀积表面钝化膜，如硅整流器和可控硅等。用作某些半导体器件的电绝缘介质。4HF-HNO3气相钝化反应温度低（室温），工艺和设备简单，生成膜比阴极溅射的完整、致密。缺点：生产周期长。用于不宜进行高温处理的器件生长钝化膜。如硅整流器和可控硅，高反压硅台面管等面结型器件。5真空蒸发Si衬底

38、所处温度较低（在400恒温10min后降至200蒸发）。可对任意衬底蒸发。SiO2膜较均匀，生长速度快。缺点：SiO2质地不够完整，设备较复杂。用于制作半导体器件的电绝缘介质。6外延淀积Si衬底不参加反应。膜的质量较好。淀积速度较低快：连续生长，可得到厚的膜。缺点：生长温度高（11201150），设备较复杂。用于高频线性集成电路和超高速数字集成电路中制作介质隔离槽。7阳极氧化反应温度低（室温），在外加电压和时间不变时，或以猁厚度比较一致的SiO2薄层。缺点：SiO2结构疏松，多孔，不完整。用于扩散杂质分布的测定。用于采用浅扩散的硅器件的结深测定。65各各种种氧氧化化方方法法比比较较重点重点氧化

39、机理：氧化机理：D-G模型；两种极限情况氧化模型；两种极限情况氧化速率（速率（B/A，B）氧化工氧化工艺：掩模工：掩模工艺，薄，薄层工工艺（MOS栅）Si/SiO2界面特性：可界面特性：可动电荷和固定荷和固定电荷，荷，氧化氧化诱生堆生堆垛层错。6667本节课主要内容本节课主要内容压强、晶向、掺杂浓度、掺氯压强、晶向、掺杂浓度、掺氯压强越高，氧化速率越快。水汽氧化压强越高，氧化速率越快。水汽氧化线形关系，干氧化指数关系。线形关系，干氧化指数关系。（111）晶向氧化最快，（）晶向氧化最快，（100）最慢。）最慢。ks与硅价键密度有关。与硅价键密度有关。B不受晶向影响，不受晶向影响，厚氧化层，晶向作

40、用下降。厚氧化层，晶向作用下降。20 nm以下的干氧化，以下的干氧化，D-G模型计算模型计算厚度远小于实际厚度。修正方法：附厚度远小于实际厚度。修正方法：附加一个随厚度增加而指数衰减项。加一个随厚度增加而指数衰减项。可以增加反应速度，减少界面固定电可以增加反应速度，减少界面固定电荷和界面态（电荷中和作用），可以荷和界面态（电荷中和作用），可以实现对碱金属离子的吸杂作用实现对碱金属离子的吸杂作用3.哪一种晶向的硅氧化速率最快，哪种最慢？为什么？1.影响氧化速率的因素有那些？2.氧化速率和压强有什么样的关系？4.对于非常薄的氧化层，应用Deal-Grove模型计算厚度和实际厚度有何不同？如何修正？5.掺氯氧化工艺对提高氧化膜质量有哪些作用？