第四章熱氧化

第四章熱氧化第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日目的:這種氧化硅是沾污并且通常是不需要的。有時用于存儲器存儲或膜的鈍化說明：在室溫下生長速率是每小時15?到最大40?p+Siliconsubstrate二氧化硅自然氧化層第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日目的：用做單個晶體管之間的隔離阻擋層，使它們彼此隔離。

Comments：通常場氧化膜厚度從2500?到15000?。濕氧氧化是優(yōu)選的生長方法.Fieldoxide晶體管位置p+Siliconsubstrate場氧化層第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日柵氧化層目的:用做MOS晶體管柵和源漏之間的介質。說明：通常柵氧化膜厚度從大約20?到幾百?。

干熱氧化是優(yōu)選的生長方法GateoxideTransistorsitep+SiliconsubstrateSourceDrainGate第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日阻擋層氧化目的：保護有源器件和硅免受后續(xù)工藝的影響.說明：熱生長幾百埃的厚度阻擋氧化層DiffusedresistorsMetalp+Siliconsubstrate第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日摻雜阻擋層目的：作為摻雜或注入雜質到硅片中的掩蔽材料說明：通過選擇性擴散，摻雜物擴散到硅片未被掩蔽的區(qū)域。Phosphorusimplantp+Siliconsubstratep-EpitaxiallayerBarrierOxiden-well第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日目的：減小氮化硅(Si3N4)應力。

墊氧化層說明：熱生長并非常薄。氮氧化硅，Siliconoxynitride氮化硅掩蔽氧化Nitrideoxidationmask

鳥嘴區(qū)，Bird’sbeakregion選擇性氧化Selectiveoxidation墊氧化層PadoxideSiliconsubstrateSilicondioxide第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日注入屏蔽氧化層目的：用于減小注入溝道和損傷.說明：熱生長IonimplantationScreenoxide

硅上表面大的損傷+更強的溝道效應p+Siliconsubstrate

硅上表面小的損傷+更弱的溝道效應第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日金屬層間絕緣阻擋層目的：用做金屬連線間的保護層。說明：這種氧化硅不是熱生長的，而是淀積的。第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日11顏色氧化層厚度（?）~灰100

~黃褐300

~藍800

紫10002750465065008500深藍14003000490068008800綠18503300520072009300黃20003700560075009600橙22504000600079009900紅250043506250820010200SiO2層厚度與顏色的關系第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

制備

SiO2

薄膜的方法熱氧化、化學汽相淀積（CVD）、物理汽相淀積（PVD）、離子注入氧化、陽極氧化等。

熱氧化的基本原理：在

T=900~1200oC的高溫下，利用硅與氧化劑之間的氧化反應，在硅襯底上形成

SiO2

薄膜。氧化劑可以是純氧

O2（干氧氧化）、水蒸汽

H2O（水汽氧化）或氧和水蒸汽的混合物

O2+

H2O（濕氧氧化）。氧化類型速度均勻重復性結構掩蔽性水溫干氧慢好致密好濕氧快較好中基本滿足95℃水汽最快差疏松較差102℃第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.1迪爾和格羅夫氧化模型

滯流層（附面層）的概念將從襯底表面氣體流速

v=0處到v=0.99

v0

處之間的這一層氣體層稱為滯流層。式中

v0

為主氣流流速。主氣流，v0氧化劑基座滯流層xyL第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日CgCsCs/=CoCitox

1、氧化劑從主氣流穿過滯流層擴散到

SiO2

表面，

2、氧化劑從

SiO2

表面擴散到

SiO2/Si

界面上，

3、氧化劑到達

SiO2/Si

界面后同

Si

發(fā)生化學反應，tsl

熱氧化過程第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日上式中，hg

=

Dg/ts1

為

氣相質量輸運系數(shù)，ks

為氧化劑與硅反應的界面

化學反應速率常數(shù)

。

Co

與

Cs

的關系可由

Henry

定律

得到。Henry

定律說明，固體中某種物質的濃度正比于其周圍氣體中該種物質的分壓

，因此

SiO2

表面處的氧化劑濃度

Co

為在平衡狀態(tài)下，式中，H

為

Henry

定律常數(shù)，后一個等號是根據(jù)理想氣體定律。第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日將以上各方程聯(lián)立求解，可以得到

SiO2/Si

界面處的氧化劑濃度為式中，h

=

hg/HkT

。在常壓下

h

>>

ks，故分母中的第二項可以忽略。這說明在熱氧化時，氣流的影響極其微弱。于是可得到

SiO2/Si

界面處的氧化劑流密度為第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日

SiO2

膜的生長速率和厚度的計算將上式的

SiO2/Si

界面處氧化劑流密度

J3

除以單位體積的

SiO2所含的氧化劑分子數(shù)

N1，即可得到

SiO2

膜的生長速率當氧化劑為

O2

時，N1

為

2.21022/cm3；當氧化劑為

H2O

時，N1

為

4.41022/cm3。第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日利用tox(0)=t0

的初始條件，以上微分方程的解是式中或方程中的參數(shù)

A、B

可利用圖

4.2

、圖

4.3

直接查到。第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日要注意的是，當氧化層比較厚時，氧化速率將隨氧化層厚度的變化而改變。因此，如果在氧化開始時已存在初始氧化層厚度

t0

，則氧化完成后的氧化層厚度并不是無t0

時氧化得到的氧化層厚度與

t0之和，而必須先用

t0確定τ，再將τ與t

相加得到有效氧化時間。第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.2線性和拋物線速率系數(shù)當tox

較薄時，DSiO2/tox>>ks

，t+<<

A2/4B，此時

SiO2

的生長由化學反應速率常數(shù)ks控制，膜厚與時間成正比，稱為線性生長階段，B/A

稱為

線性速率系數(shù)

。

一、線性速率系數(shù)第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日此時

SiO2

的生長由擴散系數(shù)

DSiO2

控制，膜厚與成正比，稱為拋物線生長階段。B

稱為

拋物線速率系數(shù)

。當tox

較厚時，DSiO2/tox<<

ks，t+

>>

A2/4B，

二、拋物線速率系數(shù)第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日還有一個問題要注意，氧化過程中要消耗掉一部分襯底中的硅

。氧化層厚度tox

與消耗掉的硅厚度tsi

的關系是

tsi

=0.44tox

tox

=2.27tsi

對一個平整的硅片表面進行氧化和光刻后，若再進行一次氧化，則下面的

SiO2/Si

面將不再是平整的。第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

三、影響氧化速率的各種因素1.Thickerathigherthanatlowertemperature.2.Thickerwithwet(H2O)thanwithdry(O2)oxidation.3.Thickeron(111)thanon(100)orientedsurface.第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日不同的氧化劑有不同的氧化速率系數(shù)，氧化速率的大小順序為，水汽>濕氧>>干氧。而氧化膜質量的好壞順序則為，干氧>濕氧>水汽，所以很多情況下采用“干氧-濕氧-干氧”的順序來進行氧化。例如，由于

MOSFET

對柵氧化膜質量的要求特別高，而柵氧化膜的厚度較薄，所以

MOSFET

的柵氧化通常采用干氧氧化。

1、氧化劑種類的影響第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日在拋物線生長階段

，氧化速率隨著氧化膜的變厚而變慢

，因此要獲得較厚氧化膜就需要很高的溫度和很長的時間。這時可采用

高壓水汽氧化

技術，即在幾到幾十個大氣壓下通過增大氧化劑分壓

Pg

來提高氧化速率。

2、氧化劑分壓的影響無論在氧化的哪一個階段，氧化速率系數(shù)均與氧化劑的分壓

Pg

成正比。第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日1.BothBandB/AdependedonPg.2.PressureincreasePg

Fasteroxidation第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日反過來，當需要極薄氧化膜的時候，例如

MOSFET

的柵氧化，可以采用

分壓熱氧化

技術。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

3、氧化溫度的影響結論第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日

4、硅表面晶向的影響

線性速率系數(shù)B/A

與硅原子晶向有關，即

拋物線速率系數(shù)B

與硅晶向無關。

5、雜質的影響

(1)氧化層中高濃度的

Na+將增大

B

和

B/A

；

(2)氧化劑中若含

Cl2、HCl、DCE、TCE、TCA等，將有利于改善

SiO2

質量和

SiO2/Si

界面性質，并會增大

B

和

B/A；

(3)重摻雜硅比輕摻雜氧化快。硅中硼濃度增大，B

增大，B/A

的變化不大；硅中磷濃度增大，B/A

增大，B

的變化不大。第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.3初始階段的氧化實驗發(fā)現(xiàn)，在氧化膜厚度

tox

<

30

nm

的氧化初始階段，氧化速率比由迪爾-格羅夫模型預測的快了

4

倍多?？梢酝ㄟ^對τ

值進行校正來提高模型的精度，但是這會使在氧化膜極薄時預測的氧化膜厚度比實際的偏厚。解釋氧化初始階段氧化速率增強機理的模型主要有三種：

模型1，氧化劑擴散穿過

SiO2層的速率加快；

模型2，氧化劑在

SiO2層中的溶解度增加；

模型3，氧化反應在

SiO2層的一定厚度內發(fā)生，第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.4SiO2的結構

SiO2

分為

結晶形

和

無定形

兩類。結晶形

SiO2

由Si-O

四面體

在空間規(guī)則排列而成，如水晶；無定形SiO2是Si-O四面體在空間無規(guī)則排列而成，為透明的玻璃體、非晶體，其密度低于前者，如熱氧化的

SiO2、CVD

淀積的

SiO2等。

Si-O

四面體的結構是，4

個氧原子位于四面體的

4

個角上，1個硅原子位于四面體的中心。每個氧原子為兩個相鄰四面體所共有。第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日

SiO2

中硅原子要運動須打斷四個

Si-O

鍵，而氧原子的運動最多打斷兩個鍵，因此

硅空位的出現(xiàn)比氧空位要困難得多。第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.5SiO2

的特性物理性質SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁帶寬度（eV）1.12~8相對介電常數(shù)11.73.9熔點（℃）14171700熱導率（W/cm.k）1.50.01擊穿電場（V/cm）3×1056×106

一、第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日

二、化學性質

SiO2的化學性質非常穩(wěn)定，僅被

HF

酸腐蝕第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日

三、SiO2

的掩蔽作用雜質在

SiO2

中有兩種存在形式。

B、P、As、Sb

等

Ⅲ、Ⅴ族雜質是替位式雜質，在

SiO2

中替代硅原子，在

SiO2

中的

擴散系數(shù)很小。其中

Ⅲ

族雜質形成負電中心，使非橋聯(lián)氧轉變成橋聯(lián)氧，增強

SiO2

網(wǎng)絡的強度；Ⅴ族雜質形成正電中心，使橋聯(lián)氧轉變成非橋聯(lián)氧，減弱

SiO2

網(wǎng)絡的強度。

Na、K、Pb、Ca

等的氧化物以離子形式存在于

SiO2

網(wǎng)絡的間隙中，是填隙式雜質，在

SiO2

中的

擴散系數(shù)很大。網(wǎng)絡中氧離子增加使非橋聯(lián)氧增多，網(wǎng)絡強度減弱，熔點降低；間隙式雜質的運動會影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。水汽中的羥基起類似的作用。第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日

四、氧化膜的質量檢測

1、氧化膜厚度的測量方法

(1)光干涉法第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日43顏色氧化層厚度（?）~灰100

~黃褐300

~藍800

紫10002750465065008500深藍14003000490068008800綠18503300520072009300黃20003700560075009600橙22504000600079009900紅250043506250820010200SiO2層厚度與顏色的關系第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日

(2)橢圓偏振光法

(4)擊穿電壓法

(5)電容法

(6)比色法

(3)臺階儀法第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日

2、氧化膜缺陷的檢測包括氧化膜針孔、氧化誘生層錯的檢測

5、氧化膜應力的測量圓盤彎曲法、基片彎曲法、X射線法和電子衍射技術。

3、氧化膜介電系數(shù)的測量

4、氧化膜擊穿特性的測量第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.6摻雜雜質對氧化過程的影響在熱氧化過程中，硅襯底中的雜質分布會發(fā)生改變，這稱為

襯底雜質的再分布。引起襯底雜質再分布的原因有

1、雜質在

Si、SiO2

中平衡濃度不同

2、雜質在

Si、SiO2

中擴散速度不同

3、氧化速度與氧化層厚度第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日

熱氧化時雜質在

SiO2/Si

界面再分布的

4

種情況(a)氧化層中慢擴散（硼）；(b)氧化層中快擴散（硼，

H2

氣氛下）；(c)氧化層中慢擴散（磷）；(d)氧化層中快擴散（鎵）第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日

熱氧化過程中硅中雜質再分布的規(guī)律

1、硅中摻硼

(1)溫度一定時，水汽氧化（濕氧氧化）導致雜質再分布程度增大，其NS/NB

小于干氧氧化；

(2)相同氧化氣氛下，氧化溫度越高，硼向硅表面擴散速度加快，補償了雜質的損耗，NS/NB

趨于1。

2、硅中摻磷

(1)溫度一定時，水汽氧化（濕氧氧化）導致雜質再分布程度增大，其NS/NB

大于干氧氧化；

(2)相同氧化氣氛下，氧化溫度越高，磷向硅內擴散的速度越快，表面堆積現(xiàn)象減小，NS/NB

趨于1。第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日4.7氧化誘生堆垛層錯熱氧化有一種副效應，即釋放出高密度的自填隙硅原子。這些過剩的填隙原子構成了點缺陷，并延伸成氧化誘生堆垛層錯（OSF）。OSF

是一種二維缺陷

，是插入到晶格中有限范圍的額外原子面，并終止于位錯，通常存在于（111）面。當原來存在如離子注入引起的缺陷時，很容易誘生出

OSF。降低氧化溫度，采用高壓氧化，在氧氣中加入少量

HCl

等措施，可以抑制氧化誘生堆垛層錯的產(chǎn)生。第四十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日3.8柵絕緣層的替代物

MOSFET

的柵氧化層厚度一直在不斷減薄，但是進一步的減薄將受到下面幾個因素的限制。

首先，當柵氧化層非常薄時，柵極與溝道之間的

電子直接隧穿電流

將顯著增大，導致柵電流的增大和輸入阻抗的下降。其次，太薄的柵氧化層難以掩蔽雜質向溝道區(qū)的擴散。采用

高介電常數(shù)

的材料代替

SiO2

作為柵絕緣層，可以在不降低