1、1,第5章 氧化工艺,第5章 氧化工艺,本章（4学时）目标：,1、掌握硅器件中二氧化硅层的用途,2、熟悉热氧化的机制,3、熟悉干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点,4、掺氯氧化的作用,5、氧化膜质量的检测方法,第5章 氧化工艺,一、旧事重提 1、氧化工艺的定义（*） 2、二氧化硅的结构（*） 3、二氧化硅膜的作用（*） 4、二氧化硅膜的厚度（*） 5、氧化膜的获得方法（*）二、氧化膜的生长方法 1、热氧化生长机制（*） 2、热氧化生长方法（*） 3、热氧化系统和工艺（*）三、氧化膜检验方法,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,1、氧化工艺的定义,在硅或其它衬底上生长一层二氧化硅膜。,2、二氧化硅的结构,
2、（1） 概述,B 长程无序但短程有序。,A 微电子工艺中采用的二氧化硅薄膜是非晶态， 是四面体网状结构。,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,2、二氧化硅的结构（2） 几个概念,位于四面体之间，为两个硅原子所共有的氧原子称桥键氧原子。, 桥键氧原子,只与一个四面体（硅原子）相连的氧原子称非桥键氧原子。它还能接受一个电子以维持八电子稳定结构。, 非桥键氧原子,桥键氧越少，非桥键氧越多，二氧化硅网络就越疏松。通常的二氧化硅膜的密度约为2.20g/cm3,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,2、二氧化硅的结构,（2） 几个概念, 网络调节剂,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,2、二氧化硅的结构,（2） 几个概
3、念, 网络形成剂,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,2、二氧化硅的结构,（2） 几个概念,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,2、二氧化硅的结构,（2） 几个概念, 本征二氧化硅,无杂质的二氧化硅,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,3、二氧化硅膜的用途,（1） 表面钝化,A 保护器件的表面及内部二氧化硅密度非常高，非常硬，保护器件免于沾污、损伤和化学腐蚀。,B 禁锢污染物落在晶圆上的污染物（主要是移动的离 子污染物）在二氧化硅的生长过程中被禁锢在二氧化硅膜中，在那里对器件的伤害最小。（教材P105）,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,3、二氧化硅膜的用途,（2） 掺杂阻挡层（作为杂质扩散的掩蔽膜）,A
4、杂质在二氧化硅中的运行速度低于在硅中的运行速度（P105）,B 二氧化硅的热膨胀系数与硅接近（P105）,选择二氧化硅的理由：,第5章 氧化工艺 一、旧事重提,3、二氧化硅膜的用途,（2） 掺杂阻挡层（作为杂质扩散的掩蔽膜）,二氧化硅起掩蔽作用的条件：,A：D二氧化硅D硅,B：二氧化硅膜有足够的厚度,对于B、P、As等元素，D二氧化硅1000 ）,生长1m厚SiO2约消耗0.45m厚的硅 dSi =0.45dSiO2,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,NG 气体内部氧化剂浓度NGS SiO2表面外侧氧化剂浓度NOS SiO2表面内侧氧化剂浓度NS SiO2/Si界面
5、处氧化剂浓度tox SiO2薄膜的厚度,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,hG: 气相质量转移系数F1：氧化剂由气体内部传输到气体和氧化物界面的粒子流密度，即单位时间通过单位面积的原子数或分子数。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,D0：氧化剂在SiO2中的扩散系数。F2：氧化剂扩散通过已生成的二氧化硅到达SiO2/Si界面的扩散流密度。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,Ks：表面化学反应速
6、率常数F3：SiO2/Si界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiO2层的反应流密度。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,假设氧化过程为平衡过程，且氧化气体为理想气体，则平衡态下应有： F1 = F2 = F3,于是有氧化层厚度与时间的关系：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（2） 热氧化生长动力学（迪尔-格罗夫模型）,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（3） 热氧化生长的两个阶段（*）, 线性阶段（参见教材P107）, 抛物线阶段（生长逐渐变慢，直至不可忍受）,简记为： tox=B/A
7、t,简记为：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（4）影响氧化速率的因素（*）, 晶向, 氧化剂,对氧化速率略有不同，（111）晶向氧化速率最快，（100）晶向氧化速率最慢，低温时的线性阶段尤为突出。（参阅教材P109）,与氧化剂本身的关系最为密切：溶解度、扩散速率、化学反应速率,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,1、热氧化机制,（4）影响氧化速率的因素（*）, 掺杂类型和浓度,掺杂浓度越高氧化速率越快，将此现象称为增强氧化。磷在较低温度增强氧化明显，而硼在低温时增强氧化不明显，高温明显。（参阅教材P110中间一段话）,提高反应器内氧气或水汽的分压也能提高热氧化速率
8、。, 氧化剂的分压,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,热氧化生长方法是最常用的得到二氧化硅薄膜的方法。,分类：,（1）干氧氧化（2）水汽氧化（3）湿氧氧化（4）掺氯氧化,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（1）干氧氧化,气源：干燥氧气，不能有水分。（参见P115最下）,适用：较薄的氧化层的生长，例如MOS器件的栅极。（参见P115最下）,原理：,氧化剂扩散到SiO2/Si界面与硅反应。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（1）干氧氧化,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（1）干氧氧化,随着氧
9、化层的增厚，氧气扩散时间延长，生长速率减慢。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（2）水汽氧化,气源：气泡发生器或氢氧合成气源（参见P116页）, 气泡发生器, 氢氧合成氧化,缺点：（见P116页）,A：水温易波动B：气泡发生器可能成为污染源,优点：（见P116页）,A：容易得到干净和干燥的气体B：气体流量精确可控因此是LSI和VLSI中比较理想的氧化技术,缺点：（见P116页）,易爆炸性（解决办法：氧气过量）,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（2）水汽氧化,原理：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（2）水汽氧化
10、,补充说明：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（2）水汽氧化,干氧氧化和水汽氧化的比较：（*）,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（3）湿氧氧化,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, 作用：,A：减弱二氧化硅中的移动离子（主要是钠离子）的沾污影响B：减少硅表面及氧化层的结构缺陷（参见教材P116下部分）, 诱因：,薄的MOS栅极氧化要求非常洁净的膜层，如果在氧化中加入氯，器件的性能和洁净度都会得到改善。（参见教材P116下部分）,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧
11、化, 气源：,气态气源: Cl2 HCl液态气源: 三氯乙烯C2HCl3（TCE） 氯仿CHCl3（TCA） 都为剧毒物；半导体工业常用HCl，液态也用氯仿。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, Cl-Si-O复合体：,SiO2/Si界面过渡区存在大量过剩的Si，其中硅键并未饱和，所以可以通过反应生成Cl-Si-O复合体。,Si-O键能（870kJ/mol） Si-Cl键能（627kJ/mol），所以在高温下，有氧和水汽存在时，会使Cl-Si键离解。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, Cl-Si-O复合体：,
12、第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, Na+的中性化：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,2、热氧化生长方法,（4）掺氯氧化, Na+的中性化：,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,45,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,46,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,47,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,3、热氧化系统和工艺,（1）热氧化系统,氧化系统由四部分组成：, 气源柜 炉体柜 装片台 计算机控制系统,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,3、热氧化系统和工艺,（1）热氧化系统,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,3、
13、热氧化系统和工艺,（2）热氧化方法,热氧化方法见P111，图7.15所示。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,3、热氧化系统和工艺,（3）热氧化工艺,氧化工艺流程见图7.31所示。,氧化发生在炉管反应炉中，在不同的气体循环中进行。气体的循环方式参照7.32所示。,第5章 氧化工艺 二、氧化膜的生长方法,第5章 氧化工艺,一、旧事重提 1、氧化工艺的定义（*） 2、二氧化硅的结构（*） 3、二氧化硅膜的作用（*） 4、二氧化硅膜的厚度（*） 5、氧化膜的获得方法（*）二、氧化膜的生长方法 1、热氧化生长机制（*） 2、热氧化生长方法（*） 3、热氧化系统和工艺（*）三、氧化膜检验方法,第5
14、章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（1）概述,热氧化薄膜是由硅表面生长得到的二氧化硅薄膜。高温生长工艺将使SiO2/Si界面杂质发生再分布，与二氧化硅接触的硅界面的电学特性也将发生变化。,（2）杂质再分布,有三个因素： 分凝效应 扩散速率 界面移动,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 SiO2/Si界面杂质的分凝效应,在一定温度下，杂质在SiO2与Si中平衡浓度不同的现象；分凝系数是衡量分凝效应强弱的参数：,其中：nSi、nSiO2分别表示杂质在Si与SiO2中的浓度,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,
15、1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 SiO2/Si界面杂质的分凝效应,A：当K1，在SiO2/Si界面杂质向Si内扩散，即氧化层排出杂质，Si面杂质浓度高，堆积，P Kp= 10， As KAs=10，Ga KGa=20。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 扩散速率,A：杂质在二氧化硅和硅中扩散速率不同，热氧化时，将引起SiO2/Si界面杂质再分布。扩散系数D是描述杂质扩散快慢的一个参数。,B：如果有：DSi DSiO2，nSi nSiO2硅（即K1）则杂质在Si中耗竭更严重。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、S
16、iO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 扩散速率,杂质在SiO2/Si界面分布,SiO2/ Si,SiO2/ Si,K1,P, As在SiO2中扩散慢,Ga在SiO2中扩散快,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（2）杂质再分布 界面移动,热氧化时SiO2/Si界面向Si内部移动，界面移动的速率对SiO2/Si界面杂质再分布也有影响，移动速率决定于氧化速度。,水汽氧化速率远大于干氧氧化速率，水汽氧化SiO2/Si界面杂质的再分布就远小于干氧氧化； 湿氧氧化速率介于水汽、干氧之间，SiO2/Si界面杂质的再分布也介于水汽、干氧之间。,第5章 氧化工艺 三
17、、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（3）电学特性 概述,二氧化硅层中存在着与制备工艺有关的正电荷，这种正电荷将引起SiO2/Si界面P-Si的反型层，以及MOS器件阈值电压不稳定等现象。,正电荷有两种：可动离子；固定离子。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（3）电学特性 可动离子或可动电荷,主要是Na+、K+、H+ 等，这些离子在二氧化硅中都是网络修正杂质，为快扩散杂质。其中主要是Na+。在人体与环境中大量存在Na+，热氧化时容易发生Na+沾污。加强工艺卫生方可以避免Na+沾污；也可采用掺氯氧化，固定Na+离子。,第5章 氧化工艺 三、
18、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（3）电学特性 固定离子或固定电荷,主要是氧空位。一般认为：固定电荷与界面一个很薄的（约30）过渡区有关，过渡区有过剩的硅离子，过剩的硅在氧化过程中与晶格脱开，但未与氧完全反应。干氧氧化空位最少，水汽氧化氧空位最多。热氧化时，首先采用干氧氧化方法可以减小这一现象。氧化后，高温惰性气体中退火也能降低固定电荷。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,（3）电学特性 固定离子或固定电荷,带有可动电荷固定电荷和界面态的SiO2/Si界面,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,1、SiO2/Si界面特性（*）,2、氧化膜
19、厚度的检测（*）,（1）劈尖干涉和双光干涉,劈尖干涉和双光干涉利用干涉条纹进行测量，因为要制造台阶，所以为破坏性测量。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,（2）比色法,以一定角度观察SiO2膜，SiO2膜呈现干涉色彩，颜色与厚度存在相应关系。比色法方便迅速，但只是粗略估计。,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,2、氧化膜厚度的检测（*）,（3）椭圆仪法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,2、氧化膜厚度的检测（*）,（4）高频MOS结构C-V法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,2、氧化膜厚度的检测（*）,3、氧化膜针孔的检测（*）,（1）PAW法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,（2）铜缀法,第5章 氧化工艺 三、氧化膜检验方法,3、氧化膜针孔的检测（*）,第5章 氧化工艺 四、作业题,（1）硅器件中二氧化硅膜的作用？（2）二氧化硅膜的获得方法有哪些？（3）描述热氧化的基本机理和两个阶段。（4）影响氧化速率的因素？（5）常见的热氧化生长二氧化硅的方法有哪些？（6）比较干氧化、湿氧化和水汽氧化的特点。（7）为什么要采用掺氯氧化，作用如何？,72,谢谢！,
