實驗-硅熱氧化工藝分析

試驗 硅熱氧化工藝在硅片外表生長一層優(yōu)質的氧化層對整個半導體集成電路制造過程具有極,而且路牢靠性是至關重要的。SiO2的技術有很多種:熱氧化生長，熱分解淀積〔VCD法，外延生長，真空蒸發(fā)，反響濺射及陽極氧化法等。其中熱生長氧化在集成,通過光刻易形成定域集中圖形等其它應用。一、試驗目的1SiO2的工藝方法〔干氧、濕氧、水汽。2SiO2層在半導體集成電路制造中的重要作用。3、了解影響氧化層質量有哪些因素。4dt的函數(shù)關系。法及它們之間的不同之處。二、 試驗原理.12分別給出了干氧和水汽氧扮裝置的示意圖。圖1、干氧氧扮裝置示意圖圖2、水汽氧扮裝置示意圖〔中時，SiO2層。硅的常壓干氧和水汽氧化的化學反響式分別為：Si+O2-→SiO2 〔2—1〕Si+2H2O—→SiO2+2H2↑ 〔2—2〕0(μmi知：i0.46 〔2—3〕0密度不同，故3示出了硅片氧化前后外表位置的變化。3、SiO2生長對應硅片外表位置的變化O2H2O直接與硅外表接觸,SiO2Si—SiO2界面才能與硅連續(xù)反響生SiO2。明顯，隨著氧化層厚度的增長,氧原子和水分子穿過氧化膜進一步氧化Deal-Grove的模型描述了硅氧化的1300℃,0.21〔或許〕,300?20230?的干氧和濕氧氧化證明是適宜的。通過多種試驗已經(jīng)證明，硅片在熱氧化過程中是氧化劑穿透氧化層向Si—SiO24:Deal—Grove熱氧化模型-—F1表示。SiO2-SiF2表示。Si外表發(fā)生反響生成SiO2，其流密度用F3表示。,SiO2—SiSi內的影響可以無視。在準靜態(tài)近似下，上述三個流密度應當相等，則有F1=F2=F3 〔2—4〕附面層中的流密度取線性近似,即從氣體內部到氣體——氧化物界面處的氧CgSiO2外表上的氧化劑濃度Cs的差，數(shù)學表達式為Fh(C1 g g

C) 〔2-5〕s其中hg

(轉移〕系數(shù)。下,SiO2CoSiO2外表的氧化劑分壓Ps，則有C HPO S

〔2—6〕H為亨利定律常數(shù).Si2中氧化劑的濃度C〔主氣流區(qū)Pg成正比，即有C*=HPg 〔2—7〕由抱負氣體定律可以得到PC gg KTP

〔2—8)C S (2—9)S KT把式〔2-6〕～〔2—9)代入式〔2—5〕中，則有Fh(C*COh

) 〔2—10〕h gHKT

〔2—11〕體中的濃度表示的附面層中的流密度。F2就是集中流密度，數(shù)學表達式為F DCOCi 〔2—12〕XOSiO2—Si界面處的氧化劑濃度，XOSiO2的厚度。Si反響的速率正比于界面處氧化劑Ci，于是有F KCS i

〔2—13〕Si反響的化學反響常數(shù)。1=2=3,CiCo的具體表達式C*iC K K Xi1 S S Oh D

〔2-14〕 K X 1 S OC*C D

(2-15)OKO1 S

K XS Oh D當上面兩式中集中系數(shù)D極大或微小時，硅的熱氧化存在兩種極限狀況.當DCi→0→C,Si—SiO2〔D小),因此氧化速率取決于界面處供給的氧。其次種極限狀況是D格外大時,C Ci o

C* K1

〔2—16〕hSi—SiO2界面處供給足夠的氧，氧化速率是由反響KSCi〔等于C0〕所掌握.N1為進入單位體積氧化層中氧化的分子數(shù),SiO22。2×1022個,每生成一個SiO2N12.2×1022/cm3，N14.4×1022/cm3。SiO2SiSiO2Si外表處的流密度也可表示為F N

dXO (2-17〕3 1 dt把(2-14〕式代入到(2-13〕式中，并與上式聯(lián)立，則得到SiO2層的生長厚度與生長時間的微分方程N dX

OF

S

〔2—18)31 dt3

K1

K XS Oh DX0(0〕=Xi，Xi代表氧化前硅片上原有的SiO2厚度。這樣的初始條件適合兩次或屢次連續(xù)氧化的實際狀況.微分方程〔2—18〕的解給SiO2的生長厚度與時間的普遍關系式。X2AXO O其中

B(t) 〔2—19〕A2D(1 KS

1) 〔2-20)hB2DC*N

(2-21〕1X2AX i B i

〔2—22〕AB都是速率常數(shù)。方程〔2-19)的解為 tt1A24B2X 2O

1

〔2—23).由于在汽〔轉移)速度的,SiO2生長的快慢將由氧化劑在SiO2種的集中速度以及與Si反響速度.從SiO2厚度與生長時間的普遍關系式〔2-23〕中也可以得到上述兩種極限狀況。當氧化時間很長，即t>〉和t〉A2時，則SiO2生長厚度與時間的關系式可簡化為X2B(t) (2-24〕O這種狀況下的氧化規(guī)律稱拋物型規(guī)律，B為拋物型速率常數(shù)。由〔2—21〕式可以看到，BD成正比，所以SiO2的生長速率主要由氧化劑在SiO2中的集中快慢所打算，即為集中掌握。當氧化時間很短即(t+〕<<A24B,則SiO2的厚度與時間的關系式可簡化為BXOA(t) 〔2—25〕這種極限狀況下的氧化規(guī)律稱線性規(guī)律，B/A為線性速率常數(shù),具體表達式為B KAK

h C*

〔2—26〕h NS 11：硅的濕氧氧化速率氧化溫度A拋物線型速率常數(shù)線性型速率常數(shù)(℃)1200(μm)0.05B〔μm2/h〕0。720B/A〔μmh〕14。40011000.110.5104。64010000。2260。2871.2709200。500。2030。40602:硅的干氧氧化速率氧化溫度A拋物線型速率常數(shù)線性型速率常數(shù)1200〔μm)0。040B〔μm2/h)0.045B/A〔μmh)1。120.02711000。0900.0270.300。07610000.1650.01170。0710。379200.2350。00490.02081.408000。3700。00110.00309.07000.0002681.056分別為干氧氧化層厚度與時間的關系和濕氧氧化層厚度與時間的關系。56可見,濕氧氧化速率比干氧氧化速率快得多.雖SiO2薄膜構造致密，枯燥，均勻性和重SiO2外表與光刻膠接觸良好，光刻時不易浮膠。而濕氧氧化速Si片外表存在較多的位錯和腐蝕坑，而且還存在著一SiO2外表與光刻膠接觸差的硅烷醇〔Si—OH),因此在生產(chǎn)實踐中，普遍承受干氧→濕氧→SiO2薄膜更好地滿足實際生產(chǎn)的要求。氧化層質量的檢測包括：測量膜厚、折射率、氧化層中可動正電荷密度、Si—SiO2界面態(tài)密度、氧化層的漏電及介質擊穿等.三、 試驗裝置1、集中氧化爐2、橢偏儀四、試驗步驟.1150℃,并通5分鐘、10分鐘、20分鐘、40分鐘、60SiO2層。SiO2進展氧化，水溫掌握在20分鐘。31150℃下干氧氧化速率常數(shù)