實(shí)驗(yàn)-硅熱氧化工藝

實(shí)驗(yàn)硅熱氧化工藝在硅片表面生長一層優(yōu)質(zhì)的氧化層對(duì)整個(gè)半導(dǎo)體集成電路制造過程具有極為重要的意義。它不僅作為離子注入或熱擴(kuò)散的掩蔽層，而且也是保證器件表面不受周圍氣氛影響的鈍化層，它不光是器件與器件之間電學(xué)隔離的絕緣層，而且也是MOS工藝以及多層金屬化系統(tǒng)中保證電隔離的主要組成部分。因此了解硅氧化層的生長機(jī)理，控制并重復(fù)生長優(yōu)質(zhì)的硅氧化層方法對(duì)保證高質(zhì)量的集成電路可靠性是至關(guān)重要的。在硅片表面形成SiO2的技術(shù)有很多種：熱氧化生長，熱分解淀積（即VCD法），外延生長，真空蒸發(fā)，反應(yīng)濺射及陽極氧化法等。其中熱生長氧化在集成電路工藝中用得最多，其操作簡便，且氧化層致密，足以用作為擴(kuò)散掩蔽層，通過光刻易形成定域擴(kuò)散圖形等其它應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆諢嵘LSiO2的工藝方法（干氧、濕氧、水汽）。熟悉SiO2層在半導(dǎo)體集成電路制造中的重要作用。了解影響氧化層質(zhì)量有哪些因素。能建立起厚度d和時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系。了解形成SiO2層的幾種方法及它們之間的不同之處。實(shí)驗(yàn)原理熱生長二氧化硅法是將硅片放在高溫爐內(nèi)，在以水汽、濕氧或干氧作為氧化劑的氧化氣氛中，使氧與硅反應(yīng)來形成一薄層二氧化硅。圖1和圖2分別給出了干氧和水汽氧化裝置的示意圖。圖1、干氧氧化裝置示意圖圖2、水汽氧化裝置示意圖將經(jīng)過嚴(yán)格清洗的硅片表面處于高溫的氧化氣氛（干氧、濕氧、水汽）中時(shí)，由于硅片表面對(duì)氧原子具有很高的親和力，所以硅表面與氧迅速形成SiO2層。硅的常壓干氧和水汽氧化的化學(xué)反應(yīng)式分別為：Si+O2—→SiO2（2—1）Si+2H2O—→SiO2+2H2↑（2—2）如果生長的二氧化硅厚度為χ0(μm)，所消耗的硅厚度為χi，則由定量分析可知：（2—3）即生長1μm的SiO2，要消耗掉0.46μm的Si。由于不同熱氧化法所得二氧化硅的密度不同，故值亦不同。圖3示出了硅片氧化前后表面位置的變化。圖3、SiO2生長對(duì)應(yīng)硅片表面位置的變化當(dāng)硅片表面生長一薄層SiO2以后，它阻擋了O2或H2O直接與硅表面接觸，此時(shí)氧原子和水分子必須穿過SiO2薄膜到達(dá)Si—SiO2界面才能與硅繼續(xù)反應(yīng)生長SiO2。顯然，隨著氧化層厚度的增長，氧原子和水分子穿過氧化膜進(jìn)一步氧化就越困難，所以氧化膜的增厚率將越來越小。Deal—Grove的模型描述了硅氧化的動(dòng)力學(xué)過程。他們的模型對(duì)氧化溫度700℃至1300℃，壓強(qiáng)0.2至1個(gè)大氣壓（也許更高些），生長厚度300?至通過多種實(shí)驗(yàn)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—SiO2界面運(yùn)動(dòng)并與硅進(jìn)行反應(yīng)，而不是硅向外運(yùn)動(dòng)到氧化膜的外表面進(jìn)行反應(yīng)，其氧化模型如圖4所示。氧化劑要到達(dá)硅表面并發(fā)生反應(yīng)，必須經(jīng)歷下列三個(gè)連續(xù)的步驟：（2—26）表1：硅的濕氧氧化速率氧化溫度（℃）A(μm)拋物線型速率常數(shù)B（μm2/h）線性型速率常數(shù)B/A（μmh）12000.050.72014.40011000.110.5104.64010000.2260.2871.2709200.500.2030.4060表2：硅的干氧氧化速率氧化溫度A(μm)拋物線型速率常數(shù)B（μm2/h）線性型速率常數(shù)B/A（μmh）12000.0400.0451.120.02711000.0900.0270.300.07610000.1650.01170.0710.379200.2350.00490.02081.408000.3700.00110.00309.07000.0002681.0表1和表2分別為硅濕氧氧化和干氧氧化的速率常數(shù)。圖5和圖6分別為干氧氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系和濕氧氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系。圖5、（111）硅干氧氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系圖6、（111）硅濕氧氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系由表1和表2以及圖5和圖6可見，濕氧氧化速率比干氧氧化速率快得多。雖然干氧方法的生長速度很慢，但生長的SiO2薄膜結(jié)構(gòu)致密，干燥，均勻性和重復(fù)性好，且由于SiO2表面與光刻膠接觸良好，光刻時(shí)不易浮膠。而濕氧氧化速率雖然快，但在氧化后的Si片表面存在較多的位錯(cuò)和腐蝕坑，而且還存在著一層使SiO2表面與光刻膠接觸差的硅烷醇（Si—OH)，因此在生產(chǎn)實(shí)踐中，普遍采用干氧→濕氧→干氧交替的氧化方式。這種干、濕氧的交替氧化方式解決了生長速率和質(zhì)量之間的矛盾，使生長的SiO2薄膜更好地滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。氧化層質(zhì)量的檢測包括：測量膜厚、折射率、氧化層中可動(dòng)正電荷密度、Si—SiO2界面態(tài)密度、氧化層的漏電及介質(zhì)擊穿等。實(shí)驗(yàn)裝置1、擴(kuò)散氧化爐2、橢偏儀3、高頻C—V測試儀四、實(shí)驗(yàn)步驟1、取5片清洗的Si樣片，用鑷子夾到石英舟上。將爐溫控制在1150℃，并通入干O2，流量為500ml/分鐘。將石英舟緩慢推入爐中恒溫區(qū)，分別以5分鐘、10分鐘、20分鐘、40分鐘、60分鐘五種不同時(shí)間生長厚度不同的SiO22、另外取一片清潔Si片，再同樣溫度下，通濕O2進(jìn)行氧化，水溫控制在95℃，時(shí)間為203、用橢偏儀并結(jié)合干涉法分別測量上述各氧化層的厚度，并作圖求出1150℃4、比較同樣時(shí)間，同樣溫度下干、濕氧化薄膜厚度的差別。5、用B—T、C—V法測量1150℃，60五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、