半導(dǎo)體制造工藝_03硅的氧化

1、通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v緒論緒論vSiOSiO2 2的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)vSiO2SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用v硅的熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)硅的熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)v決定氧化速度常數(shù)和影響氧化速率的各種因素決定氧化速度常數(shù)和影響氧化速率的各種因素v熱氧化過(guò)程中的雜質(zhì)再分布熱氧化過(guò)程中的雜質(zhì)再分布v初始氧化階段以及薄氧化層的生長(zhǎng)初始氧化階段以及薄氧化層的生長(zhǎng)vSi- SiOSi- SiO2 2 界面特性界面特性下一頁(yè)下一頁(yè)通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v 硅易氧化硅易氧化 幾個(gè)原子層厚，幾個(gè)原子層厚，1nm左右左右 氧化膜化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，絕緣性好氧化

2、膜化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，絕緣性好v SiO2的存在形態(tài)的存在形態(tài) 晶體：石英、水晶等晶體：石英、水晶等 石英砂，主要成分為石英砂，主要成分為SiO2 ，為制備硅原料的核心材料，為制備硅原料的核心材料 非晶體：玻璃等（熱氧化方法制備的非晶體：玻璃等（熱氧化方法制備的SiO2）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v在在MOS電路中作為電路中作為MOS器件的絕緣柵介質(zhì)，作器件的絕緣柵介質(zhì)，作為器件的組成部分為器件的組成部分v作為集成電路的隔離介質(zhì)材料作為集成電路的隔離介質(zhì)材料v作為電容器的絕緣介質(zhì)材料作為電容器的絕緣介質(zhì)材料v作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料作為多層金屬互連層之間的介質(zhì)材料v作為對(duì)器件和電路

3、進(jìn)行鈍化的鈍化層材料作為對(duì)器件和電路進(jìn)行鈍化的鈍化層材料v擴(kuò)散時(shí)的掩蔽層，離子注入的擴(kuò)散時(shí)的掩蔽層，離子注入的(有時(shí)與光刻膠、有時(shí)與光刻膠、Si3N4層一起使用層一起使用)阻擋層阻擋層SiO2的制備的制備+光刻光刻 +擴(kuò)散擴(kuò)散 硅平面工藝硅平面工藝返回返回通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院2.1.1 SiO2.1.1 SiO2 2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 無(wú)論是結(jié)晶形還是無(wú)定形無(wú)論是結(jié)晶形還是無(wú)定形SiOSiO2 2，都是以，都是以SiSi為中為中心，心，Si-OSi-O原子組成的正四面體，其中原子組成的正四面體，其中OOSi Si O O鍵鍵橋的鍵角為橋的鍵角為109.5109.5，是固定的。，是固

4、定的。2.1 SiO2的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院結(jié)晶形結(jié)晶形SiOSiO2 2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v 結(jié)晶形結(jié)晶形SiOSiO2 2是由是由Si-OSi-O四面體在空間規(guī)則排列所四面體在空間規(guī)則排列所構(gòu)成。每個(gè)頂角上的氧原子都與相鄰的兩個(gè)構(gòu)成。每個(gè)頂角上的氧原子都與相鄰的兩個(gè)Si-Si-OO四面體中心的硅形成共價(jià)鍵，氧原子的化合價(jià)四面體中心的硅形成共價(jià)鍵，氧原子的化合價(jià)也被滿足。也被滿足。通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院無(wú)定形無(wú)定形SiOSiO2 2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)v Amorphous SiOAmorphous SiO2 2 中中Si-O-SiSi-O-Si鍵角為鍵

5、角為110 180 110 180 橋鍵氧：與兩個(gè)相鄰的橋鍵氧：與兩個(gè)相鄰的Si-OSi-O四面體中心的硅原子形成共四面體中心的硅原子形成共價(jià)鍵的氧價(jià)鍵的氧 非橋鍵氧：只與一個(gè)非橋鍵氧：只與一個(gè)Si-OSi-O四面體中心的硅原子形成共價(jià)四面體中心的硅原子形成共價(jià)鍵的氧鍵的氧v 非橋鍵氧越多，無(wú)定型的程度越大，無(wú)序程度越大，密度越非橋鍵氧越多，無(wú)定型的程度越大，無(wú)序程度越大，密度越小，折射率越小小，折射率越小v 無(wú)定形無(wú)定形SiOSiO2 2的強(qiáng)度：橋鍵氧數(shù)目與非橋鍵氧數(shù)目之比的函的強(qiáng)度：橋鍵氧數(shù)目與非橋鍵氧數(shù)目之比的函數(shù)數(shù)v 結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)區(qū)分結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)區(qū)分非橋聯(lián)氧是否存在非橋聯(lián)氧是否

6、存在通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v硅要運(yùn)動(dòng)，打破四個(gè)硅要運(yùn)動(dòng)，打破四個(gè)OSi OSi 鍵鍵v氧要運(yùn)動(dòng)，打破兩個(gè)氧要運(yùn)動(dòng)，打破兩個(gè)OSi OSi 鍵，對(duì)非橋鍵氧，只需打破鍵，對(duì)非橋鍵氧，只需打破一個(gè)一個(gè)OSi OSi 鍵鍵n故氧的運(yùn)動(dòng)同硅相比更容易，故氧的運(yùn)動(dòng)同硅相比更容易，氧的擴(kuò)散系數(shù)氧的擴(kuò)散系數(shù)比硅的大幾個(gè)數(shù)量級(jí)比硅的大幾個(gè)數(shù)量級(jí)v氧化時(shí)，是氧或水汽等氧化劑穿過(guò)氧化時(shí)，是氧或水汽等氧化劑穿過(guò)SiOSiO2 2層，到達(dá)層，到達(dá)Si-Si- SiOSiO2 2界面，與硅反應(yīng)，而非硅向外表面運(yùn)動(dòng)，在表面與界面，與硅反應(yīng)，而非硅向外表面運(yùn)動(dòng)，在表面與氧化劑反應(yīng)生成氧化劑反應(yīng)生成SiOSiO2

7、 2。通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院2.1.2 SiO2.1.2 SiO2 2的主要性質(zhì)（的主要性質(zhì)（1 1）v密度：表征致密程度密度：表征致密程度 結(jié)晶形：結(jié)晶形：2.65g/cm2.65g/cm3 3 非結(jié)晶形：非結(jié)晶形：2.152.25g/cm2.152.25g/cm3 3v折射率：表征光學(xué)性質(zhì)折射率：表征光學(xué)性質(zhì) 密度較大的密度較大的SiOSiO2 2具有較大的折射率具有較大的折射率 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為5500A5500A左右時(shí)，左右時(shí)， SiOSiO2 2的折射率約為的折射率約為1.461.46v電阻率：電阻率： 與制備方法及所含雜質(zhì)數(shù)量等因素有關(guān)，高溫與制備方法及所含雜質(zhì)數(shù)量等因素

8、有關(guān)，高溫干氧氧化制備的電阻率達(dá)干氧氧化制備的電阻率達(dá)10101616 cm cm 通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v介電強(qiáng)度：?jiǎn)挝缓穸鹊慕^緣材料所能承受的擊穿介電強(qiáng)度：?jiǎn)挝缓穸鹊慕^緣材料所能承受的擊穿 電壓電壓 大小與致密程度、均勻性、雜質(zhì)含量有關(guān)大小與致密程度、均勻性、雜質(zhì)含量有關(guān) 一般為一般為106107V/cm（1011V/nm）v介電常數(shù)介電常數(shù):表征電容性能表征電容性能 SiO2的相對(duì)介電常數(shù)為的相對(duì)介電常數(shù)為3.9dSC2SiOoSiO2SiO2的主要性質(zhì)（的主要性質(zhì)（2 2）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v 腐蝕：化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，腐蝕：化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，只與氫氟酸發(fā)

9、只與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)生反應(yīng) 還可與強(qiáng)堿緩慢反應(yīng)還可與強(qiáng)堿緩慢反應(yīng)v 薄膜應(yīng)力為壓應(yīng)力薄膜應(yīng)力為壓應(yīng)力OHSiFHHFSiOSiFHHFSiFOHSiFHFSiO26226242422)(6(224六氟硅酸） SiO2SiO2的主要性質(zhì)（的主要性質(zhì)（3 3）返回返回通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院2.2 SiO22.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用v 2.2.1 2.2.1 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2SiO2中的存在形式中的存在形式通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2中的存在形式中的存在形式v 網(wǎng)絡(luò)形成者：網(wǎng)絡(luò)形成者：可以替代可以替代SiOSiO2 2網(wǎng)絡(luò)中硅的雜質(zhì)，即網(wǎng)絡(luò)中硅的

10、雜質(zhì)，即能代替能代替SiSiOO四面體中心的硅、并能與氧形成網(wǎng)四面體中心的硅、并能與氧形成網(wǎng)絡(luò)的雜質(zhì)絡(luò)的雜質(zhì) 特點(diǎn)是離子半徑與特點(diǎn)是離子半徑與SiSi原子相近或者更小原子相近或者更小 三價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成者三價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成者( (如如B)B)增加非橋鍵氧數(shù)目，降低增加非橋鍵氧數(shù)目，降低SiOSiO2 2強(qiáng)度強(qiáng)度 五價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成者五價(jià)網(wǎng)絡(luò)形成者( (如如P)P)減少非橋鍵氧數(shù)目，增加減少非橋鍵氧數(shù)目，增加SiOSiO2 2強(qiáng)度強(qiáng)度通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2SiO2中的存在形式中的存在形式v 網(wǎng)絡(luò)改變者：網(wǎng)絡(luò)改變者：存在于存在于SiOSiO2 2網(wǎng)絡(luò)間隙中的雜質(zhì)網(wǎng)絡(luò)間隙中的雜質(zhì) 特

11、點(diǎn)：離子半徑大，多以氧化物形式進(jìn)入特點(diǎn)：離子半徑大，多以氧化物形式進(jìn)入SiOSiO2 2后后離化，增加非橋鍵氧濃度，降低離化，增加非橋鍵氧濃度，降低SiOSiO2 2強(qiáng)度，易運(yùn)強(qiáng)度，易運(yùn)動(dòng)，破壞電路的穩(wěn)定性和可靠性。動(dòng)，破壞電路的穩(wěn)定性和可靠性。 NaNa、K K、PbPb、BaBa 水汽的行為類似于網(wǎng)絡(luò)改變者水汽的行為類似于網(wǎng)絡(luò)改變者SiHOOHSiSiOSiOH2Na2SiOOSiSiOSiONa2通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院2.2.2 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)（中的擴(kuò)散系數(shù)（1） E為雜質(zhì)在為雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散激活能，中的擴(kuò)散激活能，Do為表觀為表觀擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)N

12、oImage)kT/E(expDDoSiO2v 選擇擴(kuò)散（在集成電路中的重要應(yīng)用）選擇擴(kuò)散（在集成電路中的重要應(yīng)用） 在相同的條件下，一些雜質(zhì)在在相同的條件下，一些雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散速度中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散速度，即遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散速度，即SiO2對(duì)某些雜質(zhì)起對(duì)某些雜質(zhì)起掩蔽作用。掩蔽作用。 掩蔽是相對(duì)的，掩蔽是相對(duì)的， 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2的擴(kuò)散系數(shù)：的擴(kuò)散系數(shù)：通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)（中的擴(kuò)散系數(shù)（2）v雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)中的擴(kuò)散系數(shù) B、P、As等常用雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)小等常用雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)小， SiO2對(duì)這類雜對(duì)這類

13、雜質(zhì)可以起掩蔽作用質(zhì)可以起掩蔽作用 Ga、某些堿金屬（、某些堿金屬（Na）的擴(kuò)散系數(shù)大）的擴(kuò)散系數(shù)大， SiO2對(duì)這類對(duì)這類雜質(zhì)就起不到掩蔽作用雜質(zhì)就起不到掩蔽作用 Na離子在離子在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)和遷移率都非常大中的擴(kuò)散系數(shù)和遷移率都非常大 Na離子來(lái)源非常豐富離子來(lái)源非常豐富 Na離子玷污是造成雙極器件和離子玷污是造成雙極器件和MOS器件性能不穩(wěn)定的重要器件性能不穩(wěn)定的重要原因之一原因之一NoImage通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院2.2.3 掩蔽層厚度的確定（掩蔽層厚度的確定（1）v 有效掩蔽條件有效掩蔽條件 雜質(zhì)的雜質(zhì)的 SiOSiO2 2有一定厚度有一定厚度v 摻雜雜質(zhì)摻雜

14、雜質(zhì) B、P、As 等常用雜質(zhì)在等常用雜質(zhì)在SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)小于在硅中的擴(kuò)散系數(shù)硅中的擴(kuò)散系數(shù) B、P、As的雜質(zhì)源制備容易、純度高，操作方便的雜質(zhì)源制備容易、純度高，操作方便2SiOSiDD通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院掩蔽層厚度的確定（掩蔽層厚度的確定（2）v 掩蔽層厚度的確定掩蔽層厚度的確定 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2表面的濃度為在表面的濃度為在Si- SiO2界面濃度的界面濃度的1000倍倍時(shí)的時(shí)的SiO2的厚度為最小厚度的厚度為最小厚度 對(duì)恒定源對(duì)恒定源(余誤差），濃度為余誤差），濃度為C(x)所對(duì)應(yīng)的深度表達(dá)所對(duì)應(yīng)的深度表達(dá)式為：式為： 對(duì)有限源（高斯分布

15、），對(duì)有限源（高斯分布），A隨時(shí)間變化隨時(shí)間變化tDxSiO26 . 4mintDAxSiO2sCxCerfcA)(21其中：其中：得到：得到：)2(),(DtxerfcCtxCstDAxSiO2min圖圖2.5 各種溫度下能掩蔽磷和硼所需各種溫度下能掩蔽磷和硼所需SiO2厚度與雜質(zhì)在硅厚度與雜質(zhì)在硅中達(dá)到擴(kuò)散深度所需時(shí)間的關(guān)系中達(dá)到擴(kuò)散深度所需時(shí)間的關(guān)系通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院SiOSiO2 2掩蔽掩蔽P P的擴(kuò)散過(guò)程的擴(kuò)散過(guò)程返回返回通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院2.3 2.3 硅的熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)硅的熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)v CVD（化學(xué)氣相淀積）（化學(xué)氣相淀積）v PVD

16、（物理氣相淀積）（物理氣相淀積）v 熱氧化：熱氧化：硅與氧或水汽等氧化劑，在高溫下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成硅與氧或水汽等氧化劑，在高溫下經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成SiO2有什么特點(diǎn)？有什么特點(diǎn)？ 熱氧化生成的熱氧化生成的SiO2掩蔽能力最強(qiáng)掩蔽能力最強(qiáng) 質(zhì)量最好，重復(fù)性和穩(wěn)定性好質(zhì)量最好，重復(fù)性和穩(wěn)定性好 降低表面懸掛鍵從而使表面態(tài)密度減小，且能很好降低表面懸掛鍵從而使表面態(tài)密度減小，且能很好的控制界面陷阱和固定電荷的控制界面陷阱和固定電荷2.3.1 2.3.1 硅的熱氧化硅的熱氧化通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v 每生長(zhǎng)一單位厚度的每生長(zhǎng)一單位厚度的 SiO2，將消耗約，將消耗約0.45單位單位厚度的硅厚度

17、的硅（臺(tái)階覆蓋性）（臺(tái)階覆蓋性） SiO2 中所含中所含Si的原子密度的原子密度 CSiO2=2.21022/cm3 Si 晶體中的原子密度晶體中的原子密度 CSi =5.01022/cm3硅的熱氧化生長(zhǎng)（硅的熱氧化生長(zhǎng)（1 1）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v 厚度為厚度為 ，面積為一平方厘米的，面積為一平方厘米的SiOSiO2 2體內(nèi)所含體內(nèi)所含的的SiSi原子數(shù)為原子數(shù)為 ，而這個(gè)數(shù)值應(yīng)該與轉(zhuǎn)變，而這個(gè)數(shù)值應(yīng)該與轉(zhuǎn)變?yōu)闉镾iOSiO2 2中的硅原子數(shù)中的硅原子數(shù) 相等，即相等，即0 xxCxCSiSiO0202xCSiOxCSi044.0 xx 得到：得到：硅的熱氧化生長(zhǎng)（硅的熱氧

18、化生長(zhǎng)（2 2）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院熱氧化法熱氧化法v干氧氧化干氧氧化v水汽氧化水汽氧化v濕氧氧化濕氧氧化v 氫氧合成氧化（氫氧合成氧化（LSILSI和和VLSIVLSI的理想氧化技術(shù)）的理想氧化技術(shù)）v摻氯氧化（為減小摻氯氧化（為減小SiO2SiO2中的中的NaNa+ +玷污）玷污）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院干氧氧化干氧氧化v干氧氧化干氧氧化v氧化劑：干燥氧氣氧化劑：干燥氧氣v反應(yīng)溫度：反應(yīng)溫度：90012009001200v干氧氧化制備的干氧氧化制備的SiOSiO2 2的特點(diǎn)的特點(diǎn)v結(jié)構(gòu)致密、干燥、均勻性和重復(fù)性好結(jié)構(gòu)致密、干燥、均勻性和重復(fù)性好v與光刻膠粘附性好

19、，掩蔽能力強(qiáng)。與光刻膠粘附性好，掩蔽能力強(qiáng)。v生長(zhǎng)速度非常慢生長(zhǎng)速度非常慢v干氧氧化的應(yīng)用干氧氧化的應(yīng)用vMOSMOS晶體管的柵氧化層晶體管的柵氧化層通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院干氧氧化干氧氧化通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院vSiSi表面無(wú)表面無(wú)SiOSiO2 2，則氧化劑與，則氧化劑與SiSi反應(yīng)，生成反應(yīng)，生成SiOSiO2 2 ，生長(zhǎng)速率由生長(zhǎng)速率由表面化學(xué)反應(yīng)的快慢決定表面化學(xué)反應(yīng)的快慢決定。v生成一定厚度的生成一定厚度的SiOSiO2 2 層，氧化劑必須以擴(kuò)散方式層，氧化劑必須以擴(kuò)散方式運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng)到Si-SiOSi-SiO2 2 界面，再與硅反應(yīng)生成界面，再與硅反應(yīng)生成

20、SiOSiO2 2 ，即，即生長(zhǎng)速率為生長(zhǎng)速率為擴(kuò)散控制擴(kuò)散控制。 干氧氧化時(shí)，厚度超過(guò)干氧氧化時(shí)，厚度超過(guò)40 40 濕氧氧化時(shí)，厚度超過(guò)濕氧氧化時(shí)，厚度超過(guò)1000 1000 v則生長(zhǎng)過(guò)程由表面化學(xué)反應(yīng)控制轉(zhuǎn)為擴(kuò)散控制則生長(zhǎng)過(guò)程由表面化學(xué)反應(yīng)控制轉(zhuǎn)為擴(kuò)散控制通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院水汽氧化水汽氧化通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院濕氧氧化濕氧氧化v 反應(yīng)條件反應(yīng)條件v氧化劑：高純水（氧化劑：高純水（95 95 左右）左右）+ +氧氣氧氣v 特點(diǎn)：特點(diǎn)：v生長(zhǎng)速率較高生長(zhǎng)速率較高vSiOSiO2 2結(jié)構(gòu)略粗糙結(jié)構(gòu)略粗糙NoImage通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院進(jìn)行干氧和

21、濕氧氧化的氧化爐示意圖進(jìn)行干氧和濕氧氧化的氧化爐示意圖通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院熱氧化法熱氧化法v 三種氧化法比較三種氧化法比較 干氧氧化干氧氧化 結(jié)構(gòu)致密但氧化速率極低結(jié)構(gòu)致密但氧化速率極低 濕氧氧化濕氧氧化 氧化速率高但結(jié)構(gòu)略粗糙，氧化速率高但結(jié)構(gòu)略粗糙，制備厚二氧化硅薄制備厚二氧化硅薄膜膜 水汽氧化水汽氧化 結(jié)構(gòu)粗糙結(jié)構(gòu)粗糙-不可取不可取v 實(shí)際生產(chǎn)：實(shí)際生產(chǎn)： 干氧氧化干氧氧化 + + 濕氧氧化濕氧氧化 + + 干氧氧化干氧氧化 5 5 分鐘分鐘 + + （視厚度而定）（視厚度而定）+ 5 + 5 分鐘分鐘 常規(guī)三步熱氧化模式既保證了常規(guī)三步熱氧化模式既保證了SiOSiO2

22、2表面表面和和界面的質(zhì)量界面的質(zhì)量，又解決了生長(zhǎng)速率問(wèn)題又解決了生長(zhǎng)速率問(wèn)題通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院SsSoCkFxCCDF21熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)（熱氧化生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)（1）得到FFF21根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件：根據(jù)穩(wěn)態(tài)條件：ks為氧化劑與為氧化劑與Si反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)常數(shù)反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)常數(shù)CS COF1F2菲克第一定律菲克第一定律)/(0skDxDCF 通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v令令C C1 1為氧化層單位體積所含氧化劑分子數(shù)為氧化層單位體積所含氧化劑分子數(shù)）（421FdtdxC）（5)/(/101skDxCDCCFdtdx熱氧化生長(zhǎng)速率（熱氧化生長(zhǎng)速率（1 1）在氧化膜中有在氧化膜中

23、有2.21022個(gè)個(gè)SiO2分子分子/cm3，在進(jìn)行氧化時(shí)，要，在進(jìn)行氧化時(shí)，要獲得一個(gè)獲得一個(gè)SiO2分子，在干氧環(huán)境中需要一個(gè)氧分子，在水汽分子，在干氧環(huán)境中需要一個(gè)氧分子，在水汽環(huán)境中需要兩個(gè)水分子）環(huán)境中需要兩個(gè)水分子）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院熱氧化生長(zhǎng)速率（熱氧化生長(zhǎng)速率（2）010202/)/2(DCCkDdds）（7) 121(120DCtkCkDxss)(22102tCDCxkDxs解關(guān)系式（解關(guān)系式（6）得：）得：微分方程（微分方程（5）的解給出了）的解給出了SiO2的生長(zhǎng)厚度與時(shí)間的生長(zhǎng)厚度與時(shí)間的普遍關(guān)系式（的普遍關(guān)系式（6）：）：（6）0)0(dx)(2tB

24、Axx通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v SiOSiO2 2生長(zhǎng)快慢將由氧化劑在生長(zhǎng)快慢將由氧化劑在SiOSiO2 2中的擴(kuò)散速度以及與中的擴(kuò)散速度以及與SiSi反應(yīng)速度中較慢的一個(gè)因素所決定：反應(yīng)速度中較慢的一個(gè)因素所決定： 當(dāng)氧化時(shí)間很長(zhǎng)當(dāng)氧化時(shí)間很長(zhǎng)(Thick oxide)(Thick oxide)，即，即t t和和t t A A2 2/4B/4B時(shí)，則時(shí)，則SiOSiO2 2的厚度和時(shí)間的關(guān)系簡(jiǎn)化為：的厚度和時(shí)間的關(guān)系簡(jiǎn)化為： （拋物型規(guī)律，擴(kuò)散控制）（拋物型規(guī)律，擴(kuò)散控制）)(2tBx）（7) 14/1(22BAtAx熱氧化生長(zhǎng)速率（熱氧化生長(zhǎng)速率（3 3）通信與電子工程學(xué)院通

25、信與電子工程學(xué)院 當(dāng)氧化時(shí)間很短當(dāng)氧化時(shí)間很短(thin oxide)(thin oxide)，即（，即（t +t + ） A A2 2/4B/4B時(shí)，則時(shí)，則SiOSiO2 2的厚度和時(shí)間的關(guān)系簡(jiǎn)化為的厚度和時(shí)間的關(guān)系簡(jiǎn)化為 （線性規(guī)律，反應(yīng)控制）（線性規(guī)律，反應(yīng)控制）)(tABxoB/AB/A為線性速率常數(shù)；為線性速率常數(shù)；B B為拋物型速率常數(shù)為拋物型速率常數(shù)）（7) 14/1(22BAtAxo熱氧化生長(zhǎng)速率（熱氧化生長(zhǎng)速率（4 4）返回返回通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院決定氧化速率常數(shù)的因素（決定氧化速率常數(shù)的因素（2 2）v氧化溫度氧化溫度 溫度對(duì)拋物型速率常數(shù)溫度對(duì)拋物型速率

26、常數(shù)B B的影響是通過(guò)影響的影響是通過(guò)影響氧化氧化劑在劑在SiO2SiO2中的擴(kuò)散系數(shù)中的擴(kuò)散系數(shù)DDSiO2SiO2 產(chǎn)生的產(chǎn)生的 溫度對(duì)線性速率常數(shù)溫度對(duì)線性速率常數(shù)B/B/A A的影響是通過(guò)影響的影響是通過(guò)影響化化學(xué)反應(yīng)常數(shù)學(xué)反應(yīng)常數(shù)k ks s產(chǎn)生的產(chǎn)生的1*/22NCDBSiO通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院溫度對(duì)溫度對(duì)B B及及B/AB/A的影響的影響圖圖2.13溫度對(duì)溫度對(duì)B的影響的影響 圖圖2.14溫度對(duì)溫度對(duì)B/A的影響的影響通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院影響影響氧化速率的因素氧化速率的因素v硅表面晶向硅表面晶向v雜質(zhì)雜質(zhì)通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院影響氧化

27、速率的因素（影響氧化速率的因素（1 1）v硅表面晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懝璞砻婢驅(qū)ρ趸俾实挠绊?線性速率常數(shù)線性速率常數(shù)B/AB/A受硅的晶向影響受硅的晶向影響 表達(dá)式：表達(dá)式： 不同晶向所對(duì)應(yīng)的晶面硅原子的密度不同，表面化不同晶向所對(duì)應(yīng)的晶面硅原子的密度不同，表面化學(xué)反應(yīng)速率（學(xué)反應(yīng)速率（k ks s) )是與硅表面的原子密度，即表面是與硅表面的原子密度，即表面的價(jià)鍵密度有關(guān)的價(jià)鍵密度有關(guān) (111)(111)面上的硅原子密度比面上的硅原子密度比(100)(100)面上大，因此，面上大，因此，(111)(111)面上的線性速率常數(shù)大于面上的線性速率常數(shù)大于(100)(100)面上的線性速面上

28、的線性速率常數(shù)率常數(shù)10/A/BCCks通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v硅表面晶向?qū)ρ趸俾实挠绊懝璞砻婢驅(qū)ρ趸俾实挠绊?拋物型速率常數(shù)拋物型速率常數(shù)B B與硅的與硅的晶向無(wú)關(guān)晶向無(wú)關(guān) B B的關(guān)系式的關(guān)系式 氧化劑壓力氧化劑壓力p pg g一定時(shí)，一定時(shí)，B B的大小只與氧化劑在的大小只與氧化劑在SiO2SiO2中的擴(kuò)散能力有關(guān)中的擴(kuò)散能力有關(guān)10/22CCDBSiO通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院影響氧化速率的因素（影響氧化速率的因素（2 2）v雜質(zhì)對(duì)氧化速度的影響 摻有高濃度雜質(zhì)的硅，其氧化速率明顯變大 B B 增大拋物型速率常數(shù)，對(duì)線性速率常數(shù)無(wú)明顯增大拋物型速率常數(shù)，對(duì)

29、線性速率常數(shù)無(wú)明顯影響影響k1, k1, k1, 慢擴(kuò)散，分凝到慢擴(kuò)散，分凝到SiOSiO2 2中的雜質(zhì)量少，對(duì)中的雜質(zhì)量少，對(duì)拋物型速率常數(shù)影響不大，因大部分雜質(zhì)集中拋物型速率常數(shù)影響不大，因大部分雜質(zhì)集中在靠近硅表面的硅中，因而使線性氧化速率常在靠近硅表面的硅中，因而使線性氧化速率常數(shù)明顯變大。數(shù)明顯變大。通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v雜質(zhì)對(duì)氧化速度的影響 水汽（極少量的水汽就會(huì)極大增大氧化速率）水汽（極少量的水汽就會(huì)極大增大氧化速率） 水汽含量水汽含量111010-6-6時(shí)，氧化時(shí)，氧化700700分鐘，分鐘，SiOSiO2 2約為約為300 300 水汽含量水汽含量 25251

30、010-6-6時(shí)，氧化時(shí)，氧化700700分鐘，分鐘， SiOSiO2 2約為約為370 370 鈉鈉 以氧化物形式進(jìn)入，離化后增加非橋鍵氧數(shù)，線性以氧化物形式進(jìn)入，離化后增加非橋鍵氧數(shù)，線性和拋物型氧化速率明顯增大和拋物型氧化速率明顯增大影響氧化速率的因素（影響氧化速率的因素（2 2）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v雜質(zhì)對(duì)氧化速度的影響 氯（氯（O2TCA/HCL/TCE） 鈍化可動(dòng)離子，尤其是鈉離子，生成可揮發(fā)的金屬氯化物 改善Si- SiO2 界面特性氯進(jìn)入Si- SiO2 界面，界面態(tài)密度減小，表面固定電荷密度減小 提高氧化速率 1015 抑制層錯(cuò) TCA（三氯乙烷）在高溫下形成

31、光氣（COCl2），是一種劇毒物質(zhì)；TCE （三氯乙烯）可能致癌；HCL腐蝕性極強(qiáng)影響氧化速率的因素（影響氧化速率的因素（2 2）返回返回通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院 摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過(guò)程中，靠近界面的硅中雜質(zhì)，摻有雜質(zhì)的硅在熱氧化過(guò)程中，靠近界面的硅中雜質(zhì)，將在界面兩邊的硅和二氧化硅中發(fā)生再分布。其決定因?qū)⒃诮缑鎯蛇叺墓韬投趸柚邪l(fā)生再分布。其決定因素有：素有：v雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象雜質(zhì)的分凝現(xiàn)象v雜質(zhì)通過(guò)雜質(zhì)通過(guò)SiOSiO2 2表面逸散表面逸散v氧化速率的快慢氧化速率的快慢v雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiOSiO2 2中的擴(kuò)散速度中的擴(kuò)散速度熱氧化時(shí)雜質(zhì)在界面上的再分布通信與電子工程學(xué)院通信與

32、電子工程學(xué)院熱氧化時(shí)雜質(zhì)在界面上的再分布的誘因雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiSi和和SiOSiO2 2中的溶解度不同，擴(kuò)散系數(shù)不同，熱氧化時(shí)，中的溶解度不同，擴(kuò)散系數(shù)不同，熱氧化時(shí)，雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiOSiO2 2SiSi兩邊要重新分布，這種規(guī)律由兩邊要重新分布，這種規(guī)律由來(lái)描述來(lái)描述雜質(zhì)在硅中的平衡濃度雜質(zhì)在二氧化硅中的平衡濃度 k = C1C2通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院k1，并且雜質(zhì)在氧化物中擴(kuò)散很慢慢。例如B，k=0.3 雜質(zhì)在雜質(zhì)在SiO2界面處濃度很界面處濃度很高高 k1，并且雜質(zhì)在氧化物中擴(kuò)散慢慢。例如 P，As，Sb雜質(zhì)在硅界面處堆積雜質(zhì)在硅界面處堆積 k1，并且雜質(zhì)在氧化雜質(zhì)在氧化物

33、中擴(kuò)散快。例如物中擴(kuò)散快。例如Ga，硅界面處的雜質(zhì)濃度低硅界面處的雜質(zhì)濃度低于體濃度。于體濃度。氧化層排斥雜質(zhì)通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院2.7 Si- SiO2 界面特性界面特性v Si- SiOSi- SiO2 2 界面電荷類型：界面電荷類型： 可動(dòng)離子電荷（可動(dòng)離子電荷（Q Qmm） 界面陷阱電荷界面陷阱電荷（Q Qit it） 氧化層固定電荷（氧化層固定電荷（QQf f） 氧化層陷阱電荷（氧化層陷阱電荷（QQotot） Si-SiO2界面不是絕對(duì)的斷然的分開(kāi)，而是存在一個(gè)界面不是絕對(duì)的斷然的分開(kāi)，而是存在一個(gè)10A左右的過(guò)渡層，在過(guò)渡層中左右的過(guò)渡層，在過(guò)渡層中x的配比在的配比

34、在1-2之間，之間，是非理想的。是非理想的。通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院可動(dòng)離子電荷Qm（1）v 存在形式存在形式 網(wǎng)絡(luò)改變者網(wǎng)絡(luò)改變者(荷正電的堿金屬離子，主荷正電的堿金屬離子，主要是鈉要是鈉) 主要來(lái)源于化學(xué)試劑、玻璃器皿、爐主要來(lái)源于化學(xué)試劑、玻璃器皿、爐管、石英舟、人體玷污等。管、石英舟、人體玷污等。v 危害：危害： 在電場(chǎng)作用下顯著漂移，引起在電場(chǎng)作用下顯著漂移，引起MOS晶晶體管的閾值電壓不穩(wěn)定體管的閾值電壓不穩(wěn)定 分布的不均勻性引起局部電場(chǎng)的加速，分布的不均勻性引起局部電場(chǎng)的加速，從而引起從而引起MOS晶體管柵極的局部低擊晶體管柵極的局部低擊穿。穿。通信與電子工程學(xué)院通信

35、與電子工程學(xué)院v預(yù)防措施預(yù)防措施 含氯的氧化工藝含氯的氧化工藝 用氯周期性的清洗管道、爐管和相關(guān)容器用氯周期性的清洗管道、爐管和相關(guān)容器 使用超純凈的化學(xué)物質(zhì)使用超純凈的化學(xué)物質(zhì) 保證氣體及氣體傳輸過(guò)程的清潔保證氣體及氣體傳輸過(guò)程的清潔 用用BPSG和和PSG玻璃鈍化可動(dòng)離子玻璃鈍化可動(dòng)離子 用等離子淀積用等離子淀積Si3N4來(lái)封閉已經(jīng)完成的器件來(lái)封閉已經(jīng)完成的器件可動(dòng)離子電荷Qm（2）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院界面陷阱電荷Qit（1）v定義定義 存在于存在于Si- SiOSi- SiO2 2 界面（距硅界面（距硅界面界面3-5A3-5A以內(nèi)），能量處于以內(nèi)），能量處于硅禁帶中的電子

36、態(tài)。硅禁帶中的電子態(tài)。v類型類型 高于禁帶中心能級(jí)的界面態(tài)，高于禁帶中心能級(jí)的界面態(tài)，可以得到電子，起受主作用可以得到電子，起受主作用 低于能帶中間能級(jí)的界面態(tài)低于能帶中間能級(jí)的界面態(tài)可以失去電子，起施主作用可以失去電子，起施主作用通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v危害：危害： 使閾值電壓漂移使閾值電壓漂移 大量的界面態(tài)電荷會(huì)顯著降低晶體管溝道遷移率（金大量的界面態(tài)電荷會(huì)顯著降低晶體管溝道遷移率（金屬化后退火（屬化后退火（PMAPMA），減少界面態(tài)），減少界面態(tài)） 使使MOSMOS電容的電容的C-VC-V曲線發(fā)生畸變曲線發(fā)生畸變 成為有效的復(fù)合中心，導(dǎo)致漏電流的增加成為有效的復(fù)合中心，導(dǎo)致

37、漏電流的增加v界面態(tài)密度與襯底晶向、氧化層生長(zhǎng)條件、和退界面態(tài)密度與襯底晶向、氧化層生長(zhǎng)條件、和退火條件有關(guān)?；饤l件有關(guān)。 (111)(111)晶向界面態(tài)密度最大晶向界面態(tài)密度最大 (100)(100)晶向晶向 低溫惰性氣體退火（低溫惰性氣體退火（90%N90%N2 2+10%H+10%H2 2），用），用HH2 2來(lái)飽和來(lái)飽和懸掛鍵，可降低界面態(tài)密度懸掛鍵，可降低界面態(tài)密度界面陷阱電荷Qit（2）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v解釋界面態(tài)的物理機(jī)制解釋界面態(tài)的物理機(jī)制 懸掛鍵懸掛鍵 硅原子周期排列中斷，存在懸掛鍵，當(dāng)硅氧化為硅原子周期排列中斷，存在懸掛鍵，當(dāng)硅氧化為SiOSiO2 2時(shí)

38、，懸掛鍵大部分與氧結(jié)合，使時(shí)，懸掛鍵大部分與氧結(jié)合，使Si-SiOSi-SiO2 2界界面懸掛鍵密度減小。但仍存在少量的懸掛鍵，這面懸掛鍵密度減小。但仍存在少量的懸掛鍵，這些懸掛鍵上有一個(gè)未配對(duì)的電子，可以得失電子些懸掛鍵上有一個(gè)未配對(duì)的電子，可以得失電子而表現(xiàn)為界面態(tài)。而表現(xiàn)為界面態(tài)。 在過(guò)渡區(qū)中，硅原子的氧化狀態(tài)很不相同，沒(méi)有在過(guò)渡區(qū)中，硅原子的氧化狀態(tài)很不相同，沒(méi)有完全氧化的硅原子，即所謂的三價(jià)硅也是界面態(tài)完全氧化的硅原子，即所謂的三價(jià)硅也是界面態(tài)的主要來(lái)源的主要來(lái)源 荷電中心荷電中心 存在界面附近的化學(xué)雜質(zhì)存在界面附近的化學(xué)雜質(zhì)界面陷阱電荷Qit（3）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)

39、院氧化層固定電荷Qf（1）v簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 通常由通常由Si- SiOSi- SiO2 2之間過(guò)渡區(qū)的之間過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)改變引起結(jié)構(gòu)改變引起 一般為正電荷，在外電場(chǎng)的作一般為正電荷，在外電場(chǎng)的作用下，不會(huì)移動(dòng)用下，不會(huì)移動(dòng)v機(jī)理機(jī)理 過(guò)剩硅離子模型過(guò)剩硅離子模型v危害危害 影響閾值電壓影響閾值電壓 （對(duì)（對(duì)NMOSNMOS、PMOSPMOS的影響？）的影響？） 減小溝道載流子遷移率（固定正電荷對(duì)載流子的散射）減小溝道載流子遷移率（固定正電荷對(duì)載流子的散射）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v特征：特征： 固定正電荷密度與氧化層厚度、硅襯底摻雜類型和濃度固定正電荷密度與氧化層厚度、硅襯底摻雜類型和濃度

40、關(guān)系不大，但與氧化層生長(zhǎng)條件關(guān)系密切。關(guān)系不大，但與氧化層生長(zhǎng)條件關(guān)系密切。 不同晶向硅材料的不同晶向硅材料的QQf f密度有如下關(guān)系密度有如下關(guān)系QQf f （111111） QQf f （110110） Q Qf f （100100）v解決措施：解決措施： 適當(dāng)選擇氧化、退火條件和襯底晶向，降低氧化時(shí)氧氣適當(dāng)選擇氧化、退火條件和襯底晶向，降低氧化時(shí)氧氣的分壓，采用含氯氧化工藝的分壓，采用含氯氧化工藝氧化層固定電荷Qf（2）通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院氧化層陷阱電荷Qot（1）v氧化層中的缺陷：氧化層中的缺陷： 在在SiOSiO2 2層中，存在一些層中，存在一些電子和空穴陷阱電子和空

41、穴陷阱，它們，它們與雜質(zhì)和缺陷有關(guān)。與雜質(zhì)和缺陷有關(guān)。v危害：危害： 嚴(yán)重影響器件的可靠性嚴(yán)重影響器件的可靠性通信與電子工程學(xué)院通信與電子工程學(xué)院v產(chǎn)生方式：產(chǎn)生方式： 由于由于x x射線或射線或 射線的輻射、或是在氧化層中發(fā)生了雪崩擊射線的輻射、或是在氧化層中發(fā)生了雪崩擊穿，將打破穿，將打破Si-O-SiSi-O-Si鍵，在鍵，在SiOSiO2 2層中產(chǎn)生電子層中產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，如空穴對(duì)，如果氧化層中沒(méi)有電場(chǎng)，電子和空穴將復(fù)合掉，不會(huì)產(chǎn)生凈果氧化層中沒(méi)有電場(chǎng)，電子和空穴將復(fù)合掉，不會(huì)產(chǎn)生凈電荷，氧化層中存在電場(chǎng)時(shí)，由于電子可以在電荷，氧化層中存在電場(chǎng)時(shí)，由于電子可以在SiOSiO2 2中移動(dòng)，中移動(dòng)，可以移動(dòng)到電極上，而空穴在可以移動(dòng)到電極上，而空穴在SiOSiO2 2 中很難移動(dòng)，可能陷于中很難移動(dòng)，可能陷于這些陷阱中，成為正的陷阱電荷。這些陷阱中，成為正的陷阱電荷。v解決措施解決措施 選擇適當(dāng)?shù)难趸瘲l件，使選擇適當(dāng)?shù)难趸瘲l件，使Si-O-SiSi-O-Si鍵不易打破。鍵不易打破。 在惰