西電集成電路制造技術第二章 氧化

1、第二章第二章 氧氧 化化 主主 講：毛講：毛 維維 西安電子科技大學微電子學院西安電子科技大學微電子學院 第二章第二章 氧化氧化 nsio2作用作用： a.雜質(zhì)擴散掩蔽膜和離子雜質(zhì)擴散掩蔽膜和離子注入屏蔽膜注入屏蔽膜 b.器件表面保護或鈍化膜器件表面保護或鈍化膜 c. mos電容的介質(zhì)材料電容的介質(zhì)材料 d. mosfet的絕緣柵材料的絕緣柵材料 e. 電路隔離介質(zhì)或絕緣介質(zhì)電路隔離介質(zhì)或絕緣介質(zhì) nsio2制備：制備：熱氧化；熱氧化；熱分解淀積；熱分解淀積；cvd；陽極氧；陽極氧 化；蒸發(fā)法化；蒸發(fā)法(濺射法濺射法)。 n熱氧化：熱氧化：sio2質(zhì)量好，掩蔽能力強。質(zhì)量好，掩蔽能力強。 摻雜

2、阻擋氧化層摻雜阻擋氧化層 氧化層應用氧化層應用 柵氧化物介電層柵氧化物介電層 gate oxide p+ silicon substrate p- epitaxial layer n-wellp-well polysilicon gate 氧化層應用氧化層應用 氧化層應用氧化層應用 場氧化層場氧化層 p+ silicon substrate p- epitaxial layer n-wellp-well field oxide isolates active regions from each other. 氧化層應用氧化層應用 金屬層間金屬層間的的隔離阻擋層隔離阻擋層 保護層保護層 ild-

3、4ild-4 ild-5ild-5 m-3m-3 m-4m-4 層間氧化物層間氧化物 2.1 sio2的結構與性質(zhì)的結構與性質(zhì) sio2的原子結構的原子結構 2.1 sio2的結構與性質(zhì)的結構與性質(zhì) 2.1.1. 結構結構（結晶形和無定形）（結晶形和無定形） 結晶形結構：結晶形結構：si o 四面體在空間排列整齊四面體在空間排列整齊 如石英晶體（水晶），密度如石英晶體（水晶），密度 2.65g/cm3 無定形（非晶形）結構：無定形（非晶形）結構： 如如sio2薄膜，密度薄膜，密度2.15-2.25g/cm3 無定形結構特點無定形結構特點：（：（由無規(guī)則排列的由無規(guī)則排列的si-o四面體組四面體

4、組 成的三維網(wǎng)絡結構成的三維網(wǎng)絡結構),即即短程有序，長程無序短程有序，長程無序； nsi-o四面體四面體:在頂角處通過氧在頂角處通過氧(o)相互聯(lián)結相互聯(lián)結,構成三構成三 維網(wǎng)絡結構維網(wǎng)絡結構。 2.1 sio2的結構與性質(zhì)的結構與性質(zhì) nsi-o4四面體中氧原子：四面體中氧原子： 橋鍵氧橋鍵氧為兩個為兩個si原子共用，是多數(shù)；原子共用，是多數(shù)； 非橋鍵氧非橋鍵氧只與一個只與一個si原子聯(lián)結，是少數(shù)；原子聯(lián)結，是少數(shù)； n無定形無定形sio2網(wǎng)絡強度：網(wǎng)絡強度：與橋鍵氧數(shù)目成正比，與非與橋鍵氧數(shù)目成正比，與非 橋鍵氧數(shù)目成反比。橋鍵氧數(shù)目成反比。 n形成形成si空位相對（形成空位相對（形成o

5、空位）困難：空位）困難：si與與4個個o形成形成 4個共價鍵，個共價鍵，o最多形成最多形成2個共價鍵；個共價鍵；si在在sio2中擴散中擴散 系數(shù)比系數(shù)比o小幾個數(shù)量級。小幾個數(shù)量級。 no、h2o穿過穿過sio2擴散到達擴散到達si表面反應。表面反應。 2.1 sio2的結構與性質(zhì)的結構與性質(zhì) 2.1.2 主要性質(zhì)主要性質(zhì) 密度：表征致密度密度：表征致密度,與制備方法有關，無定形為與制備方法有關，無定形為2.2g/cm3。 折射率折射率:表征光學性質(zhì)的參數(shù)，與制備方法有關，表征光學性質(zhì)的參數(shù)，與制備方法有關， 一般密度越大則折射率越高。一般密度越大則折射率越高。5500下約為下約為1.46。

6、 電阻率：與制備方法及雜質(zhì)數(shù)量有關，如干氧在電阻率：與制備方法及雜質(zhì)數(shù)量有關，如干氧在 1016cm以上，是較好的絕緣體。以上，是較好的絕緣體。 介電強度：表征耐壓能力，一般在介電強度：表征耐壓能力，一般在106 -107 v/cm。 2 0 c sio s d 介電常數(shù)：表征電容性能，介電常數(shù)：表征電容性能， ，sio2=3.9 熔點：無固定熔點，熔點：無固定熔點， 1700。（不同制備方法，其。（不同制備方法，其 橋鍵橋鍵o數(shù)量與非橋鍵數(shù)量比不同）數(shù)量與非橋鍵數(shù)量比不同） 2.1 sio2的結構與性質(zhì)的結構與性質(zhì) 腐蝕：腐蝕：化學性質(zhì)非常穩(wěn)定化學性質(zhì)非常穩(wěn)定，室溫下，室溫下只與只與hf強烈

7、反應。強烈反應。 nsio2 + 4hf sif4 + 4h2o sif4進一步反應：進一步反應： nsif4 +2hfh2（sif6） （六氟硅酸，可溶于水）（六氟硅酸，可溶于水） n總反應式：總反應式： sio2 +6hf h2（sif6）+ 4h2o n腐蝕速率：與腐蝕速率：與hf的濃度、溫度、的濃度、溫度、 sio2的質(zhì)量（干的質(zhì)量（干 氧、濕氧）等有關。氧、濕氧）等有關。 2.2 sio2的掩蔽作用的掩蔽作用 2.2.1 雜質(zhì)在雜質(zhì)在sio2中的存在形式中的存在形式 按照是否含有雜質(zhì)，按照是否含有雜質(zhì)， sio2可分為：本征二氧化硅（無雜質(zhì)）可分為：本征二氧化硅（無雜質(zhì)） 和非本征二

8、氧化硅（有雜質(zhì)）兩類。而后者中的雜質(zhì)又可以分和非本征二氧化硅（有雜質(zhì)）兩類。而后者中的雜質(zhì)又可以分 為兩類：為兩類：網(wǎng)絡形成劑（者）和網(wǎng)絡調(diào)節(jié)劑（改變者）網(wǎng)絡形成劑（者）和網(wǎng)絡調(diào)節(jié)劑（改變者） 1.1.網(wǎng)絡形成者：網(wǎng)絡形成者：即替位式雜質(zhì)，取代即替位式雜質(zhì)，取代si，如，如b、p、sb等。其特等。其特 點是離子半徑與點是離子半徑與si接近。接近。 n族雜質(zhì)元素：價電子為族雜質(zhì)元素：價電子為3，只與，只與3個個o形成共價鍵，剩余形成共價鍵，剩余1 個個o 變成非橋鍵氧，導致網(wǎng)絡強度降低。變成非橋鍵氧，導致網(wǎng)絡強度降低。 n族雜質(zhì)元素：價電子為族雜質(zhì)元素：價電子為5，與，與4個個o形成共價鍵，多余

9、形成共價鍵，多余1個個 價電子與附近的非橋鍵氧形成橋鍵氧，網(wǎng)絡強度增加。價電子與附近的非橋鍵氧形成橋鍵氧，網(wǎng)絡強度增加。 2.2 sio2的掩蔽作用的掩蔽作用 2.網(wǎng)絡改變者：網(wǎng)絡改變者：即間隙式雜質(zhì)，如即間隙式雜質(zhì)，如na、k、pb、ca、 ba、al等。等。 其特點是離子半徑較大，多以氧化物形式摻其特點是離子半徑較大，多以氧化物形式摻 入；結果使非橋鍵氧增加，網(wǎng)絡強度減少。入；結果使非橋鍵氧增加，網(wǎng)絡強度減少。 n例如：例如： na2o + si-o-si si-o- +-o-si + na+ h2o + si-o-si si-oh + ho-si 2.2 sio2的掩蔽作用的掩蔽作用 2

10、.2.2 雜質(zhì)在雜質(zhì)在sio2中的擴散系數(shù)（服從擴散規(guī)律）中的擴散系數(shù)（服從擴散規(guī)律） n選擇擴散：選擇擴散：雜質(zhì)在雜質(zhì)在sio2的擴散速度遠小于在的擴散速度遠小于在si中的擴中的擴 散速度。散速度。 n擴散系數(shù)擴散系數(shù):dsio2=d0exp(-e/kt) d0-表觀擴散系數(shù)（表觀擴散系數(shù)（e/kt 0時的擴散系數(shù)）時的擴散系數(shù)） e-雜質(zhì)在雜質(zhì)在sio2中的擴散激活能中的擴散激活能 nb、p、as的的dsio2比比dsi小，小，ga、al的的dsio2比比dsi大得大得 多，多，na的的dsio2 和和dsi都大。都大。 2.2 sio2的掩蔽作用的掩蔽作用 2.2.3 sio2掩蔽層厚度

11、的確定掩蔽層厚度的確定 1.摻雜雜質(zhì)的選擇：摻雜雜質(zhì)的選擇：dsi dox n雜質(zhì)在雜質(zhì)在si中的擴散深度中的擴散深度(結深結深)： dtax jj tdaz oxjojo nzjo:雜質(zhì)在窗口雜質(zhì)在窗口(si中中)擴散深度達到擴散深度達到xj的同時的同時,而在氧而在氧 化層內(nèi)距表面為化層內(nèi)距表面為zjo處的雜質(zhì)濃度達到某一人為指處的雜質(zhì)濃度達到某一人為指 定值定值nob。 aj =2erfc-1 (nb /ns） n雜質(zhì)在雜質(zhì)在sio2中的擴散深度：中的擴散深度： ajo =2erfc-1 (nob/ nos） 2.2 sio2的掩蔽作用的掩蔽作用 n設氧化層厚度為設氧化層厚度為zox，則，

12、則 sio2具有掩蔽擴散作用的條件：具有掩蔽擴散作用的條件： zox zjo，即，即 d d a a x z x z ox j jo j jo j ox 若若doxd，則，則zox較厚，難于制備、光刻，如較厚，難于制備、光刻，如ga,al； doxd，則，則zox較薄，如較薄，如b、p； d太大了，則結深太深，同時橫向擴散嚴重。太大了，則結深太深，同時橫向擴散嚴重。 對對d的要求：的要求：a. dox要小；要??； b. 在在si中的中的d要大，但不能太大。要大，但不能太大。? 2.2 sio2的掩蔽作用的掩蔽作用 2.最小掩膜厚度最小掩膜厚度zox,min的確定的確定 n （恒定源擴散（恒定源

13、擴散-再分布）再分布） n若取若取nob/nos=10-3，則，則 nob/nos=10-6，則，則 (雙極雙極) nob/nos=10-9，則，則 (mos) 1 ,min 2 ob oxjoox os n zzdterfc n ox z,min=6.8 ox dt ox z,min=4.6 ox dt ox z,min=8.6 ox dt 例：例：sio2掩蔽掩蔽p擴散擴散 p2o5+sio2 psg（磷硅玻璃）（磷硅玻璃） 2.3 硅的熱氧化生長動力學硅的熱氧化生長動力學 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 n定義：定義：在高溫下，硅片（膜）與氧氣或水汽等氧化在高溫下，硅片（膜）與氧氣或水

14、汽等氧化 劑化學反應生成劑化學反應生成sio2。 。 n熱氧化法熱氧化法sio2的特點：的特點：質(zhì)量好、重復性和化學穩(wěn)定質(zhì)量好、重復性和化學穩(wěn)定 性高、界面陷阱和固定電荷可控等。性高、界面陷阱和固定電荷可控等。 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 n熱氧化的種類熱氧化的種類 1.干氧氧化干氧氧化：高溫下，氧氣與硅片反應生成高溫下，氧氣與硅片反應生成sio2 n機理起始氧化：機理起始氧化： si+o2 sio2 后續(xù)氧化：后續(xù)氧化：a.o2先向先向si/sio2界面擴散；界面擴散； b.再在再在si/sio2界面附近繼續(xù)氧化。界面附近繼續(xù)氧化。 n特點特點速度慢；速度慢； 氧化層致密，氧化層致密，

15、掩蔽能力強；掩蔽能力強； 均勻性和重復性好；均勻性和重復性好； 表面與光刻膠的粘附性好，表面與光刻膠的粘附性好，不易浮膠不易浮膠。 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 si sio2 o2 氧硅界面氧硅界面 氧氧siosio2 2界面界面 供應氧氣至反應表面供應氧氣至反應表面 2.水汽氧化水汽氧化：高溫下，硅片與高純水蒸汽反應生成高溫下，硅片與高純水蒸汽反應生成sio2 機理機理 起始氧化：起始氧化：2h2o+si sio2+2h2 后續(xù)氧化后續(xù)氧化兩種機理兩種機理 n一種：一種：h2o先擴散到達先擴散到達si/sio2界面；再與界面；再與si氧化。氧化。 n另一種（包括三個步驟）：另一種（包括

16、三個步驟）： 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 （1）在）在sio2表面上，水分子同橋鍵氧離子反應而形成非表面上，水分子同橋鍵氧離子反應而形成非 橋鍵的羥基：橋鍵的羥基： 這就使得這就使得sio2網(wǎng)絡受到很大的削弱。這時在網(wǎng)絡受到很大的削弱。這時在sio2表面上生表面上生 成了硅烷醇（成了硅烷醇（si-oh）。）。 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 sioh sioh + sisi sisio sisio + h2 （2）硅烷醇擴散通過）硅烷醇擴散通過sio2層，并在層，并在sio2 -si界面上，羥基界面上，羥基 與硅反應而形成與硅反應而形成sio4四面體和氫：四面體和氫： （3）氫離開）氫

17、離開sio2，并進一步與，并進一步與sio2網(wǎng)絡中的橋鍵氧離子反網(wǎng)絡中的橋鍵氧離子反 應而形成非橋鍵的羥基：應而形成非橋鍵的羥基： 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 n特點：特點：氧化速度快氧化速度快； 氧化層疏松質(zhì)量差；氧化層疏松質(zhì)量差； 表面是極性的硅烷醇表面是極性的硅烷醇-易吸水、易吸水、易浮膠易浮膠。 3.濕氧氧化濕氧氧化氧氣中攜帶一定量的水汽氧氣中攜帶一定量的水汽 (兼有上述兩種氧化機理兼有上述兩種氧化機理) n機理：機理： o2+si sio2 h2o+si sio2+h2 n特點：特點：氧化速率介于干氧與水汽之間；氧化速率介于干氧與水汽之間； 氧化層質(zhì)量介于干氧與水汽之間；氧化層

18、質(zhì)量介于干氧與水汽之間； 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 4.摻氯氧化摻氯氧化在干氧中摻少量的在干氧中摻少量的cl2、hcl、c2hcl3 （tce）、）、 c2h3cl3 （tca） 摻氯的作用：摻氯的作用：吸收、提取大多數(shù)有害的重金屬雜質(zhì)及吸收、提取大多數(shù)有害的重金屬雜質(zhì)及 na+，減弱，減弱na+正電荷效應。正電荷效應。 注意安全：注意安全：tce可致癌；可致癌；tca高溫下可形成光氣高溫下可形成光氣 （cocl2），俗稱芥子氣，是高毒物質(zhì)，），俗稱芥子氣，是高毒物質(zhì)， 而且而且tca會對臭氧造成破壞。會對臭氧造成破壞。 5.實際生產(chǎn)實際生產(chǎn)干氧干氧-濕氧濕氧-干氧工藝干氧工藝 n好處

19、：好處：兼顧兼顧sio2生長速度、界面特性、氧化層質(zhì)量以生長速度、界面特性、氧化層質(zhì)量以 及與光刻膠的粘附性及與光刻膠的粘附性 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化 2.3.2 熱氧化生長動力學熱氧化生長動力學 sio2 cg cs f1f2 si ci f3 xx0 0 -xi 自由流體自由流體(氣體氣體) 附面層附面層 ps, pg, co 2.3.2 熱氧化生長動力學熱氧化生長動力學 1.氧化步驟氧化步驟 na.氧化劑（氧化劑（o2、h2o）從氣相經(jīng)附面層擴散到氣體）從氣相經(jīng)附面層擴散到氣體 si02界面，流密度為界面，流密度為f1； nb.氧化劑擴散穿過氧化劑擴散穿過si02層，到達層，到

20、達sisi02界面，流密界面，流密 度為度為f2； nc.在界面處與在界面處與si氧化反應，流密度為氧化反應，流密度為f3； nd.反應的副產(chǎn)物（反應的副產(chǎn)物（h2)擴散出擴散出si02層，逸出反應室。層，逸出反應室。 （附面層：速度及濃度分布受到擾動的區(qū)域，也稱滯留（附面層：速度及濃度分布受到擾動的區(qū)域，也稱滯留 層）層） 2.3.2 熱氧化生長動力學熱氧化生長動力學 2.熱氧化模型熱氧化模型-deal-grove模型（模型（迪爾迪爾-格羅夫格羅夫） 假定氧化是平衡過程假定氧化是平衡過程-準靜態(tài)近似，即準靜態(tài)近似，即 f1=f2=f3 n設附面層中的流密度為線性近似，即設附面層中的流密度為線

21、性近似，即 f1=hg(cg-cs) hg-氣相質(zhì)量轉移系數(shù)，氣相質(zhì)量轉移系數(shù)， cg-氣體內(nèi)部氧化劑濃度，氣體內(nèi)部氧化劑濃度， cs-sio2表面的氧化劑濃度；表面的氧化劑濃度； 2.3.2 熱氧化生長動力學熱氧化生長動力學 n流過流過sio2層的流密度就是層的流密度就是擴散流擴散流密度，即密度，即 f2=-doxdc/dx= dox(co-ci)/xo（線性近似）（線性近似） dox氧化劑在氧化劑在sio2中的擴散系數(shù)中的擴散系數(shù) c0sio2表面的氧化劑濃度，表面的氧化劑濃度， cisio2-si界面處的氧化劑濃度；界面處的氧化劑濃度； x0sio2的厚度。的厚度。 n氧化劑在氧化劑在s

22、i表面的表面的反應流反應流密度與密度與ci成正比，即成正比，即 f3=ksci， ks氧化劑與氧化劑與si反應的化學反應常數(shù)；反應的化學反應常數(shù)； 2 siooss * i dxkhk1 c c *cc, 0c 0 i ossio2 xkd 根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件f1=f2=f3可以得到：可以得到： 2 2 siooss * sioos o dxkhk1 )cdxk(1 c 以上兩式中以上兩式中c*表示平衡情況下的表示平衡情況下的sio2中氧化劑濃度。中氧化劑濃度。 根據(jù)以上兩式可得硅熱氧化的兩種極限情況：根據(jù)以上兩式可得硅熱氧化的兩種極限情況： 氧化劑在氧化劑在sio2中的擴散系數(shù)很?。褐?/p>

23、的擴散系數(shù)很小： 氧化劑在氧化劑在sio2中的擴散系數(shù)很大：中的擴散系數(shù)很大： ossio2 xkd )hk1 (*ccc s0 i 可得：可得： 可得：可得： 擴散控制擴散控制 反應控制反應控制 2.3.2 熱氧化生長動力學熱氧化生長動力學 熱氧化生長速率熱氧化生長速率 氧化層厚度與氧化時間的關系氧化層厚度與氧化時間的關系 平衡時，得到氧化層厚度平衡時，得到氧化層厚度z zox ox與氧化時間的一般方程為： 與氧化時間的一般方程為： )t (bazox 2 ox z 式中：式中： )n*c2db 1 2 sio b)az(z * ox 2 * ox 時間常數(shù)，反映了初始氧化層對后繼熱時間常數(shù)

24、，反映了初始氧化層對后繼熱 氧化的影響（初始氧化層修正系數(shù)）。氧化的影響（初始氧化層修正系數(shù)）。 n1(干氧：干氧：2.21022 /cm3；水汽：；水汽：4.41022 /cm3 ） ox z初始氧化層厚度。初始氧化層厚度。 解上述方程得：解上述方程得： 1 4/ 1 2 2 ba ta zox 2 s a2d(1 k1 h) sio 2.3.2 熱氧化生長動力學熱氧化生長動力學 兩種氧化極限：兩種氧化極限： a.當氧化時間很短，即當氧化時間很短，即 則則 4ba)t ( 2 -線性氧化規(guī)律線性氧化規(guī)律 其中：其中： ox b z=(t) a 1 * s s k hbc akh n -線性速

25、度常數(shù)；反應控制線性速度常數(shù)；反應控制 則則 -拋物線型氧化規(guī)律拋物線型氧化規(guī)律 其中：其中： 2 ox z=b(t) -拋物型速度常數(shù)；擴散控制拋物型速度常數(shù)；擴散控制 b.b.當氧化時間很長，即當氧化時間很長，即 2 (t)a 4b )n*c2db 1 2 sio 練習：練習： 計算在計算在120分鐘內(nèi)，分鐘內(nèi)，973 水汽氧化過程中生長水汽氧化過程中生長 的二氧化硅厚度，假定硅片在初始狀態(tài)時已有的二氧化硅厚度，假定硅片在初始狀態(tài)時已有1000 的氧化層。的氧化層。 2.3.2 熱氧化生長動力學熱氧化生長動力學 3.硅的消耗問題硅的消耗問題 問題：生長厚度為問題：生長厚度為zox的二氧化硅

26、，估算需要消的二氧化硅，估算需要消 耗多少厚度耗多少厚度z的硅？的硅？ 式中式中 223 5.0 10/ si ncm硅晶體的原子密度硅晶體的原子密度 由由zoxzox與與z z的關系得到：的關系得到： 說明：要生長一個單位厚度的二氧化硅，就需要說明：要生長一個單位厚度的二氧化硅，就需要 消耗消耗0.440.44個單位厚度的硅。個單位厚度的硅。 2 ox z sisio n zn 所以所以 2 oxox z0.44z sio si n z n 無定形無定形sio2sio2的分子密度的分子密度 2 223 2.2 10/ sio ncm 硅襯底硅襯底 sio2表面表面 sio2 x0 x2 原先

27、的硅界面原先的硅界面 2.4 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素 2.4.1 決定氧化速率常數(shù)的因素決定氧化速率常數(shù)的因素 1.1.氧化劑分壓氧化劑分壓 n設設c* 和和pg分別為平衡分別為平衡 時時sio2中氧化劑濃度和中氧化劑濃度和 氣體中的氧化劑分壓。氣體中的氧化劑分壓。 nc* =hpg(亨利定律亨利定律) b=2dox c*/n1 ， a=2dox(ks-1+h-1)， na與與pg 無關；無關； bpg ， b/apg ； （線性關系）（線性關系） 2.4 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素 2.4.1 決定氧化速率常數(shù)的因素決定氧化速率常數(shù)的因素 2.氧化溫度氧化溫度 n與拋

28、物型速率常數(shù)與拋物型速率常數(shù)b的關系：的關系： b=2dox c*/n1 dox =d0 exp(-e/kt) b與氧化溫度是指數(shù)關系與氧化溫度是指數(shù)關系 2.4 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素 2.4.1 決定氧化速率常數(shù)的因素決定氧化速率常數(shù)的因素 2.氧化溫度氧化溫度 n與線性速率常數(shù)與線性速率常數(shù)b/a的關系的關系 b/a=c*ksh/(ks+h) n1-1 ksc*/n1 而而 ks=ks0exp(-ea/kt) 無論干氧、濕氧，氧化無論干氧、濕氧，氧化 溫度與溫度與b/a是指數(shù)關系是指數(shù)關系 2.4 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素 2.4.2 影響氧化速率的其它因素影響

29、氧化速率的其它因素 1.1.硅表面晶向硅表面晶向 dox與與si片晶向無關，片晶向無關，ks與與si表面的原子密度表面的原子密度 (鍵密度）成正比；鍵密度）成正比； 拋物型速率常數(shù)拋物型速率常數(shù)b=2dox c*/n1，與，與si晶向無關；晶向無關； 線性速率常數(shù)線性速率常數(shù)b/a ksc*/n1，與，與si晶向有關：晶向有關： 因此因此（111）面的）面的b/a比比 （100）面大。）面大。 2.4 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素 2.4.2 影響氧化速率的其它因素影響氧化速率的其它因素 2.雜質(zhì)雜質(zhì) 硼：硼：在在sio2中是慢擴散，且分凝系數(shù)中是慢擴散，且分凝系數(shù)m1 氧化再分布后：

30、少量的氧化再分布后：少量的p分凝到分凝到sio2中，使氧化劑中，使氧化劑 在在sio2中的擴散能力增加不多，因而拋物型速率常數(shù)中的擴散能力增加不多，因而拋物型速率常數(shù)b 變化不大；大部分變化不大；大部分p集中在集中在si表面，使線性速率常數(shù)表面，使線性速率常數(shù) b/a明顯增大。明顯增大。 2.4 影響氧化速率的因素影響氧化速率的因素 2.4.2 影響氧化速率的其它因素影響氧化速率的其它因素 2.4.2 影響氧化速率的其它因素影響氧化速率的其它因素 水汽水汽 n干氧中，極少量的水汽就會影響氧化速率；干氧中，極少量的水汽就會影響氧化速率； n水汽會增加陷阱密度。水汽會增加陷阱密度。 鈉鈉 n鈉以鈉

31、以na2o的形式進入的形式進入sio2中，使非橋鍵氧增加，氧中，使非橋鍵氧增加，氧 化劑的擴散能力增加，但化劑的擴散能力增加，但sio2強度下降了。強度下降了。 氯氯 n氯的作用：固定重金屬、氯的作用：固定重金屬、na+等雜質(zhì)；增加等雜質(zhì)；增加si中的少中的少 子壽命；減少子壽命；減少sio2中的缺陷；降低界面態(tài)和固定電中的缺陷；降低界面態(tài)和固定電 荷密度；減少堆積層錯。荷密度；減少堆積層錯。 2.5 熱氧化的雜質(zhì)再分布熱氧化的雜質(zhì)再分布 2.5.1 雜質(zhì)的分凝與再分布雜質(zhì)的分凝與再分布 n分凝系數(shù)分凝系數(shù) m=雜質(zhì)在雜質(zhì)在si中的平衡濃度中的平衡濃度/雜質(zhì)在雜質(zhì)在sio2中的平衡濃度中的平衡

32、濃度 對同一雜質(zhì)、同一溫度條件，在平衡狀態(tài)下，對同一雜質(zhì)、同一溫度條件，在平衡狀態(tài)下，m是一是一 個常數(shù)。由個常數(shù)。由m可判斷在界面處雜質(zhì)分布的情況?？膳袛嘣诮缑嫣庪s質(zhì)分布的情況。 p、as、sb: 10； ga：20 ； b：0.1-1； n四種分凝現(xiàn)象：四種分凝現(xiàn)象：根據(jù)根據(jù)m1和快、慢擴散和快、慢擴散 m1、 sio2中慢擴散：中慢擴散：b m1、 sio2中慢擴散：中慢擴散：p m1、 sio2中快擴散：中快擴散：ga 2.5 熱氧化的雜質(zhì)再分布熱氧化的雜質(zhì)再分布 2.5.2 再分布對再分布對si表面雜質(zhì)濃度的影響表面雜質(zhì)濃度的影響 n影響影響si表面雜質(zhì)濃度的因素：表面雜質(zhì)濃度的因素

33、： 分凝系數(shù)分凝系數(shù)m dsio2/dsi 氧化速率氧化速率/雜質(zhì)擴散速率雜質(zhì)擴散速率 1. p的再分布（的再分布（m=10） ncs/cb：水汽：水汽干氧干氧 原因：氧化速率越快，加入原因：氧化速率越快，加入 分凝的雜質(zhì)越多；分凝的雜質(zhì)越多； ncs/cb隨溫度升高而下降。隨溫度升高而下降。 2.5 熱氧化的雜質(zhì)再分布熱氧化的雜質(zhì)再分布 2. b的再分布（的再分布（m=0.3） ncs/cb：水汽：水汽900）快速氧化）快速氧化 n界面態(tài)、固定電荷、氧化層陷阱隨溫度升高而減少；界面態(tài)、固定電荷、氧化層陷阱隨溫度升高而減少； n提高了載流子遷移率、抗輻射、抗熱載流子效應的能力，提高了載流子遷移

34、率、抗輻射、抗熱載流子效應的能力， 改進了可靠性。改進了可靠性。 3.化學改善氧化層工藝：引入化學改善氧化層工藝：引入cl、f、n2、nh3、n2o n2、nh3、n2o的作用：的作用： n2（nh3、n2o）+ sio2 si2n2o nsi-n鍵比鍵比si-h鍵強度大鍵強度大 可抑制熱載流子和電離輻射缺陷；可抑制熱載流子和電離輻射缺陷； nn2o基工藝的優(yōu)點：工藝簡單；無基工藝的優(yōu)點：工藝簡單；無h。 f的作用：的作用：填補填補si-sio2界面的懸掛鍵，抑制熱載流子界面的懸掛鍵，抑制熱載流子 和電離輻射產(chǎn)生的缺陷；可使界面應力弛豫。和電離輻射產(chǎn)生的缺陷；可使界面應力弛豫。 2.6 薄氧化

35、層薄氧化層 4. cvd和疊層氧化硅：和疊層氧化硅： sio2/sio2， sio2/si3n4， sio2/hfo2 ，sio2/si3n4/sio2； 采用采用cvd法淀積法淀積sio2、si3n4、hfo2 n優(yōu)點：不受優(yōu)點：不受si襯底缺陷影響；低溫；襯底缺陷影響；低溫； 疊層氧化硅疊層氧化硅 n優(yōu)點：缺陷密度明顯減少、優(yōu)點：缺陷密度明顯減少、 si-sio2界面的應力接近界面的應力接近 零零 n原因：各層缺陷不重合、各層之間的應力原因：各層缺陷不重合、各層之間的應力 相互補償相互補償; 增加了薄膜的增加了薄膜的，提高了抗，提高了抗b透入能力。透入能力。 2.7 si-sio2界面特性

36、界面特性 2.7 si-sio2界面特性界面特性 sio2內(nèi)和內(nèi)和si-sio2界面處，存在四種界面電荷界面處，存在四種界面電荷: 可動離子電荷：可動離子電荷：qm(c/cm2),正電荷，如正電荷，如na+、k+； 氧化層固定電荷：氧化層固定電荷：qf(c/cm2)，正電荷，如，正電荷，如si+、荷正、荷正 電的氧空位；電的氧空位； 界面陷阱電荷：界面陷阱電荷：qit(c/cm2)，正或負電荷，如，正或負電荷，如si的懸的懸 掛鍵；掛鍵； 氧化層陷阱電荷：氧化層陷阱電荷：qot(c/cm2),正或負電荷。正或負電荷。 n界面電荷的危害：界面電荷的危害：在在si表面感應出極性相反的電荷，表面感應

37、出極性相反的電荷， 影響影響mos器件的理想特性，造成成器件的理想特性，造成成 品率和可靠性的下降。品率和可靠性的下降。 2.7 si-sio2界面特性界面特性 2.7.1 可動離子電荷可動離子電荷qm n主要來源：大量存在于環(huán)境中的主要來源：大量存在于環(huán)境中的na+ 。 nna+的分布：遍布整個的分布：遍布整個sio2層。層。 nna+的特性：的特性： 其其dsio2很大（很大（d0=5.0cm2/s,而而p的的d0=1.010-8cm2/s， b的的d0=3.010-6 cm2/s ）；）； 在電場作用下，有顯著的漂移（遷移率與在電場作用下，有顯著的漂移（遷移率與d成正比）成正比） 2.7

38、 si-sio2界面特性界面特性 2.7.1 可動離子電荷可動離子電荷qm nna+對器件性能的影響：對器件性能的影響： 引起引起mos管管vt的漂移：的漂移： vt = -（qf+qm+qot)/c0+ms, c0-sio2層電容，層電容，ms- 金金-半接觸功函數(shù)差；半接觸功函數(shù)差； 引起引起mos管柵極的局部低擊穿：由管柵極的局部低擊穿：由na+在在si-sio2 界面分布不均勻引起局部電場的加強所引起；界面分布不均勻引起局部電場的加強所引起； 降低了降低了pn結的擊穿電壓：由結的擊穿電壓：由na+ 在在si-sio2界面的界面的 堆積使堆積使p溝道表面反型，形成溝道漏電所致；溝道表面反

39、型，形成溝道漏電所致； 2.7 si-sio2界面特性界面特性 nna+數(shù)目的測量數(shù)目的測量 偏溫測試（偏溫測試（b-t） 測不同溫度下測不同溫度下 的高頻的高頻c-v曲線曲線 na+數(shù)目數(shù)目 nm=vfbqcox（cm-2) 2.7 si-sio2界面特性界面特性 2.7.2 界面陷阱電荷（界面態(tài)）界面陷阱電荷（界面態(tài)）qit n來源：來源： si-sio2界面缺陷、金屬雜質(zhì)及輻射界面缺陷、金屬雜質(zhì)及輻射 n能量：能量：在在si的禁帶中；的禁帶中； 高于禁帶中心能級，具有受主特性；高于禁帶中心能級，具有受主特性； 低于禁帶中心能級，具有施主特性；低于禁帶中心能級，具有施主特性； n界面態(tài)密度

40、界面態(tài)密度dit：單位能量的界面陷阱密度：單位能量的界面陷阱密度 （/cm2ev）（圖）（圖2.30） 2.7 si-sio2界面特性界面特性 2.7.2 界面陷阱電荷（界面態(tài)）界面陷阱電荷（界面態(tài)）qit qit的三種物理模型的三種物理模型 少量少量si懸掛鍵：硅表面少量剩余的懸掛鍵，以及在懸掛鍵：硅表面少量剩余的懸掛鍵，以及在 si-sio2 過渡區(qū)（過渡區(qū)（siox層層),未完全氧化的三價未完全氧化的三價si。 sio2中的電離雜質(zhì)（荷電中心）俘獲電子或空穴。中的電離雜質(zhì)（荷電中心）俘獲電子或空穴。 化學雜質(zhì)，如化學雜質(zhì)，如cu、fe等。等。 2.7 si-sio2界面特性界面特性 nqit對器件性能的影響對器件性能的影響 閾值電壓閾值電壓vt漂移：漂移：vt=-qitsurfcox mos電容的電容的c-v曲線畸變；曲線畸變； 漏電流增加漏電流增加(復合中心）；復合中心）； 溝道電導率減?。系肋w移率減少）。溝道電導率減?。系肋w移率減少）。 1/f噪聲增加，電流增益下降；噪聲增加，電流增益下降；