ch4热氧化分解.ppt

微电子制造工艺概论;本章主要内容;4.1二氧化硅薄膜概述 ;4.1.1二氧化硅结构;石英晶体是结晶的二氧化硅，氧原子是桥联氧原子； 非晶态的二氧化硅的氧原子是非桥联氧原子，是长程无序结构；但在较小范围内有一定规则，即短程有序。 SiO2玻璃具有“长程无序、短程有序”结构，称为无定型体； 热氧化的SiO2是非晶态，是四面体网络状结构；;TEM照片——单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜 透射电子显微镜 （Transmission electron microscopy，缩写TEM ）;4.1.2二氧化硅的理化性质及用途;氧化膜的用途;SiO2用于器件的电绝缘与隔离 SiO2具有很高的电阻率，是良好的绝缘体，所以：①硅器件中作金属引线与薄膜下面元件之间的电绝缘层；②大规模集成电路中多层布线间的绝缘层；③集成电路中各元件之间的电隔离。 SiO2对器件表面的保护和钝化作用 SiO2层将硅片表面以及硅内器件与???界气氛隔离开来，提高了器件的稳定性和可靠性，并可保护硅片免受制作工艺中可能发生的划伤和损害。;0.8 nm栅氧化层;;4.1.3二氧化硅薄膜中的杂质;4.1.4杂质在SiO2中的扩散 ;4.1.5二氧化硅的掩蔽作用;;SiO2掩蔽层厚度的确定 掩蔽条件: DSiDSiO2； SiO2表面浓度Cs与Si/SiO2界面杂质浓度CI之比达到一定数值； SiO2膜的最小厚度：;4.2硅的热氧化;4.2.1热氧化工艺;按所用氧化气氛分为三种： 干氧氧化：干燥纯净的氧气。氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干燥，适合光刻，但是生长速率最慢； 水汽氧化：高纯水蒸气或氢气与氧气。氧化速度快；但氧化质量较差，结构疏松，薄膜致密性最差，针孔密度最大；表面是硅烷醇，易吸附水，表面潮湿，光刻难，易浮胶。 湿氧氧化：氧气携带水蒸气。湿氧氧化兼有干氧氧化和水汽氧化两种氧化作用，氧化速率和氧化层质量介于两者之间。 ;氧化方式;不同氧化工艺制作的SiO2的主要物理性质 ;4.2.2 热氧化机理;生长厚度为x的二氧化硅层要消耗掉硅的厚度是多少？硅的分子量29g/mol，硅密度为2.3g/cm3；SiO2的分子量为60g/mol，硅密度为2.2g/cm3。;4.2.3硅的Deal－Grove热氧化模型; ;热氧化动力学（迪尔-格罗夫模型） （1）氧化剂输运：固相硅表面存在一个气相附面层，气相氧化剂在固相硅片衬底与主气流区之间存在一个浓度差异。氧化剂从气体内部以扩散的形式穿过附面层运动到气体/SiO2界面，气体输运流密度用F1表示F1=hg(Cg-Cs) ，hg气相质量输运系数。 （2）固相扩散：氧化剂以扩散的形式穿过SiO2界面层，到达Si/SiO2界面。 ;（3）化学反应：氧化剂通过Si/SiO2界面处与Si反应，生成新的SiO2，反应速率取决于化学反应动力学，氧化剂的扩散流密度F3为 ks为氧化剂与Si反应的化学反应常数。 （4）反应副产物离开界面：发生化学反应的副产物（H2等）扩散出氧化层，并向主气流区转移。 热氧化是在氧化剂气氛下进行，在准平衡态稳定生长条件下，氧化剂流密度不变，： F1=F2=F3;求解;4.2.4 热氧化生长速率;;氧化层的生长包括两个阶段： 硅与氧直接反应的化学反应过程： 氧化时间较短，SiO2层厚度较薄时，氧化剂在SiO2 中的扩散系数足够大，此时氧化速率由氧化剂在中的氧分子浓度及氧化反应常数ks主导，SiO2层厚度随时间线性增加，即反应控制情况。 氧通过氧化层到达硅-二氧化硅界面的扩散过程 氧化时间较长，SiO2层厚度较厚时，氧化剂在SiO2内的扩散常数相对变低，Si-SiO2界面氧分子浓度将减小，此时的氧化速率将由氧化剂在SiO2中的扩散速率主导，SiO2层厚度随时间呈抛物线式增加，即扩散控制情况。 ;解：由氧化厚度与时间的函数：;4.2.5影响氧化速率的各种因素 ;温度 影响很大， H，h，D，ks都与温度有关。 气体分压 提高反应器内氧气或水汽的分压能提高线性氧化速率。有高压氧化和低压氧化技术。 硅晶向 对氧化速率略有不同，（111）晶向速率最快，（100）晶向速率最慢。 掺杂 掺杂浓度越高氧化速率越快，将此现象称为增强氧化。;1、温度对氧化速率的影响;2、气体分压对氧化速率的影响;3、硅衬底的晶向对氧化速率的影响 ;4、掺杂情况对氧化速率的影响 线性和抛物型氧化速率常数对存在于氧化剂中或存在于硅衬底中的杂质敏感。 硼在较低温度增强氧化明显，而磷在低温时增强氧化不明显，高温明显。钠、水汽、氯都能显著提高氧化速率。;（1）掺杂对氧化速率的影响;（2）钠等杂质;（3）卤族元素掺入对氧化速率影响;掺氯对氧化速率的影