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1、第二章氧化本讲稿第一页，共五十五页第二章 氧化本讲稿第二页，共五十五页第二章 氧化nSiO2作用：a.杂质扩散掩蔽膜b.器件表面保护或钝化膜c.MOS电容的介质材料d.MOSFET的绝缘栅材料e.电路隔离介质或绝缘介质nSiO2制备：热氧化；外延；。n热氧化：SiO2质量好，掩蔽能力强。本讲稿第三页，共五十五页2.1 SiO2的结构与性质2.1.1.结构结晶形结构：如石英晶体（水晶），密度 2.65 g/cm3无定形（非晶形）结构：如SiO2薄膜，密度 2.15-2.25g/cm3n结构特点：（由无规则排列的Si-O4四面体组成的三 维网络结构),即短程有序，长程无序；nSi-O4四面体:在顶
2、角处通过氧（O)相互联结,构成三 维网络结构。本讲稿第四页，共五十五页2.1 SiO2的结构与性质nSi-O4四面体中氧原子：桥键氧为两个Si原子共用，是多数；非桥键氧只与一个Si原子联结，是少数；n无定形SiO2网络强度：与桥键氧数目成正比，与非桥键氧数目成反比。nSi空位相对（O空位）困难：Si与4个O形成4个共价键，O最多形成2个共价键；Si在SiO2中扩散系数比O小几个数量级。nO、H2O穿过SiO2扩散到达Si表面反应。本讲稿第五页，共五十五页2.1 SiO2的结构与性质2.1.2 主要性质密度：表征致密度，约2.2g/cm3，与制备方法有关。折射率:表征光学性质的参数，5500下约
3、为1.46，与制备方法有关。电阻率：与制备方法及杂质数量有关，如干氧在 1016cm。介电强度：表征耐压能力，106 107 V/cm。介电常数:表征电容性能，SiO2=3.9。熔点：无固定熔点，1700。（不同制备方法，其 桥键O数量与非桥键数量比不同）本讲稿第六页，共五十五页2.1 SiO2的结构与性质腐蚀：只与HF强烈反应。nSiO2+4HF SiF4+4H2OnSiF4+2HFH2（SiF6）n总反应式：SiO2+6HF H2（SiF6）+4H2On腐蚀速率：与HF的浓度、温度、SiO2的质量（干 氧、湿氧）等有关。本讲稿第七页，共五十五页2.2 SiO2的掩蔽作用n选择扩散：杂质在S
4、iO2的扩散速度远小于 在Si中的扩散速度。n扩散系数:DSiO2=D0exp(-E/kT)D0-表观扩散系数（kT0时的扩散系数）E-激活能nB、P、As的DSiO2比DSi小，Ga、Al、的DSiO2比DSi大得多，Na的DSiO2 和DSi都大.nNa的危害：造成器件性能不稳定。本讲稿第八页，共五十五页n不同温度下掩蔽B、P时，所需SiO2厚度与扩散时间的关系本讲稿第九页，共五十五页例：SiO2掩蔽P扩散 P2O5+SiO2 PSG（磷硅玻璃）本讲稿第十页，共五十五页2.3 硅的热氧化生长动力学2.3.1 Si的热氧化n热氧化：在高温下，硅片（膜）与氧气或水汽化学 反应生成SiO2。n特
5、点：质量最好、重复性和化学稳定性高、界面陷阱和固定电荷可控等。本讲稿第十一页，共五十五页2.3.1 硅的热氧化n热氧化的种类1）干氧氧化：900-1200高温下，硅片与氧气反应 Si+O2 SiO2n特点：速度慢；氧化层致密（掩蔽能力强）；均匀性和重复性好；表面结构是非极性的硅-氧烷（不易浮胶）。本讲稿第十二页，共五十五页2）水汽氧化：高温下，硅片与水蒸汽反应 2H2O+Si SiO2+2H2n特点：氧化速度快；氧化层疏松质量差；表面是极性的硅烷醇-易吸水、易浮胶。2.3.1 硅的热氧化本讲稿第十三页，共五十五页2.3.1 硅的热氧化3）湿氧氧化氧气中携带一定量的水汽（水汽加热到 95）n机理
6、：O2+Si SiO2 H2O+Si SiO2+H2n特点：氧化速率介于干氧与水汽之间；氧化层质量介于干氧与水汽之间；本讲稿第十四页，共五十五页2.3.1 硅的热氧化4）掺氯氧化在干氧中掺少量的Cl2、HCl、C2HCl3 （TCE）、C2H3Cl3（TCA）掺氯的作用：吸收、提取有害大多数重金属杂质及 Na+，减弱Na+正电荷效应。注意安全：TCE可致癌；TCA高温下可形成光气 （COCl2），俗称芥子气。5）实际生产干氧-湿氧-干氧工艺n好处：既保证了SiO2的质量，又提高了氧化速度。本讲稿第十五页，共五十五页2.3.2 热氧化生长动力学1.1.热氧化步骤热氧化步骤na.氧化剂（O2、H2
7、O）从气相经 附面层扩散到气体Si02界面，流密度为F1；nb.氧化剂扩散穿过Si02层，到达 SiSi02界面，流密度为F2；nc.在界面处与Si氧化反应，流密度为F3；nd.反应的副产物（H2)扩散出Si02层 ，逸出反应室。（附面层：速度及浓度分布受到扰动的区域，也称滞留层）本讲稿第十六页，共五十五页2.3.2 热氧化生长动力学2.热氧化模型：Deal-Grove模型 假定氧化是平衡过程-准静态近似，即 F1=F2=F3n设附面层中的流密度为线性近似，即 F1=hg(Cg-Cs)hg-气相质量转移系数，Cg-气体内部氧化剂浓度，Cs-SiO2表面的氧化剂浓度；本讲稿第十七页，共五十五页2
8、.3.2 热氧化生长动力学n流过SiO2层的流密度就是扩散流密度，即 F2=-DOXdC/dx =DOX(CO-Ci)/xO（线性近似）DOX-氧化剂在SiO2中的扩散系数,C0-SiO2中表面的氧化剂浓度，Ci-SiO2/Si界面处的氧化剂浓度,x0-SiO2的厚度；n氧化剂在Si表面的反应流密度与Ci成正比，即 F3=kSCi=N1dx0/dt kS-氧化剂与Si的化学反应常数，N1-生长一个单位体积SiO2所需的氧化剂的分子个数；本讲稿第十八页，共五十五页2.3.2 热氧化生长动力学n热氧化的两种极限情况：A.当DOXkS时，为反应控制。本讲稿第十九页，共五十五页2.3.2 热氧化生长速
9、率氧化层厚度与氧化时间的关系 3.氧化层厚度与氧化时间关系n平衡时，F1=F2=F3,解得nA=2DOX(ks-1+h-1)；B=2DOX C*/N1，N1(干氧：2.2X1022/cm3；水汽：4.4X1022/cm3）；n 时间常数；-初始氧化层厚度。n详细推导参见p28-29,式2.26-2.32本讲稿第二十页，共五十五页2.3.2 热氧化生长动力学n两种氧化极限a.当氧化时间很短，即A2/4Bt+t*，则 ZOX=B/A(t+t*)-线性氧化规律（表面反应控制）B/A=ksC*/N1-线性速度常数b.当氧化时间很长，即A2/4Bt+t*，则 -抛物线型氧化规律（扩散控制）B-抛物型速度
10、常数；本讲稿第二十一页，共五十五页本讲稿第二十二页，共五十五页本讲稿第二十三页，共五十五页2.4 影响氧化速率的因素2.4.1 决定氧化速率常数的因素1.氧化剂分压n设C*为平衡时SiO2中 氧化剂浓度。nC*=Hpg,亨利定律 B=2DOX C*/N1，A=2DOX(ks-1+h-1)，nA与pg 无关；Bpg，B/Apg；（线性关系）本讲稿第二十四页，共五十五页2.4 影响氧化速率的因素2.4.1 决定氧化速率常数的因素 2.氧化温度n与抛物型速率常数B的关系：B=2DOX C*/N1 Dox=D0 exp(-E/kT)B与氧化温度是指数关系干氧氧化：Ea=1.24eV（接近02在 熔融硅
11、石中的扩散系数活化能）湿氧氧化：Ea=1.17eV（接近水汽在 熔融硅石中的扩散系数活化能）结论：B有扩散系数Dox支配。本讲稿第二十五页，共五十五页2.4 影响氧化速率的因素 2.4.1 决定氧化速率常数的因素2.氧化温度n与线性速率常数B/A的关系 B/A=ksC*/N1 而 ks=ks0exp(-Ea/kT)无论干氧、湿氧，氧化 温度与B/A都是指数关系干氧：Ea=2.0eV；湿氧：Ea=1.96eV；Si-Si键键能：1.83eV。结论：B/A由ks支配。本讲稿第二十六页，共五十五页2.4 影响氧化速率的因素1.硅表面晶向 DOX与Si片晶向无关，ks与Si表面的原子密度 (键密度）成
12、正比；抛物型速率常数B=2DOX C*/N1，与Si晶向无关；线性速率常数B/A ksC*/N1，与Si晶向有关：（111）比（100）大。（见表2-1）2.4.2 影响氧化速率的其它因素本讲稿第二十七页，共五十五页本讲稿第二十八页，共五十五页2.4 影响氧化速率的因素 2.4.2 影响氧化速率的其它因素2.杂质硼：在SiO2中是慢扩散，且分凝系数m1 氧化再分布后：少量的P分凝到SiO2中，使氧化剂在SiO2中的扩散能力增加不多，因而抛物型速率常数B变化不大；大部分P集中在Si表面，使线性速率常数B/A明显增大。掺P对B/A影响的解释：Si表面的高浓度P使EF移动，造成Si表面空位浓度增加；
13、空位浓度的增加为氧化剂与Si的反应提供了额外的位置，从而增加了反应速率。本讲稿第三十一页，共五十五页本讲稿第三十二页，共五十五页2.4.2 影响氧化速率的其它因素水汽n干氧中，极少量的水汽就会影响氧化速率；n水汽会增加陷阱密度。n水汽来源：Si片吸附；O2；外界扩散；含氯氧化中氢与氧反应。钠n钠以NaO的形式进入SiO2中，非桥键氧增加，氧化剂的扩散能力增加。nNa来源：管道、容器等；化学药品；人体；氯n氯的作用：固定重金属、Na+等杂质；增加Si中的少子寿命；减少SiO2中的缺陷；降低界面态和固定电荷密度；减少堆积层错。本讲稿第三十三页，共五十五页n掺Cl对B的影响：使B明显增大；掺Cl对B
14、/A的影响：低浓度时增加明显，高浓度时饱和n机理：4HCl+O2 2H2O+2Cl2本讲稿第三十四页，共五十五页2.5 热氧化的杂质再分布2.5.1 杂质的分凝与再分布n分凝系数m=杂质在Si中的平衡浓度/杂质在SiO2中的平衡浓度 P、As、Sb:10；Ga：20；B：0.1-1；n四种分凝现象：根据m1和快、慢扩散 （a)m1、SiO2中慢扩散：B (b)m1、SiO2中慢扩散：P (d)m1、SiO2中快扩散：Ga本讲稿第三十五页，共五十五页本讲稿第三十六页，共五十五页2.5 热氧化的杂质再分布2.5.2 再分布对Si表面杂质浓度的影响n影响Si表面杂质浓度的因素：分凝系数m DSiO2
15、/DSi 氧化速率/杂质扩散速率1.P的再分布（m=10）nCS/CB：水汽干氧 原因：氧化速率越快，加入分凝的P越多，且P是慢扩散；nCS/CB随温度升高而下降:P向Si内 扩散的速度加快。本讲稿第三十七页，共五十五页2.5 热氧化的杂质再分布2.B的再分布（m=0.3）nCS/CB：水汽900）快速氧化n界面态、固定电荷、氧化层陷阱随温度升高而减少；n提高了载流子迁移率、抗辐射、抗热载流子效应的能力，改进了可靠性。本讲稿第四十一页，共五十五页2.6 薄氧化层3.化学改善氧化工艺：引入Cl、F、N2、NH3、N2O N2、NH3、N2O的作用：N2（NH3、N2O）+SiO2 Si2N2On
16、Si-N键比Si-H键强度大 可抑制热载流子和电离辐射缺陷；nN2O基工艺的优点：工艺简单；无H。F的作用：填补Si-SiO2界面的悬挂键，抑制热载流子和电离辐射产生的缺陷；可使界面应力弛豫。本讲稿第四十二页，共五十五页2.6 薄氧化层4.多层氧化硅：SiO2/SiO2，SiO2/Si3N4，SiO2/HfO2，SiO2/Si3N4/SiO2；采用CVD法淀积SiO2、Si3N4、HfO2n优点：不受Si衬底缺陷影响；低温；缺陷密度明显减少n原因：各层缺陷不重合Si-SiO2界面的应力接近零n原因：各层间的应力补偿增加了薄膜的，提高了抗B透入能力。本讲稿第四十三页，共五十五页2.7 Si-Si
17、O2界面特性（参考史宝华著微电子器件可靠性，西电出版社）nSiO2内和Si-SiO2界面处，存在四种界面电荷可动离子电荷：Qm(C/cm2),正电荷，如Na+、K+；氧化层固定电荷：Qf(C/cm2)，正电荷，如Si+、荷正 电的氧空位；界面陷阱电荷：Qit(C/cm2)，正或负电荷，如Si的悬 挂键；氧化层陷阱电荷：Qot(C/cm2),正或负电荷。n界面电荷的危害：在Si表面感应出极性相反的电荷，影响MOS器件的理想特性，造成成品率和可靠性的下降。本讲稿第四十四页，共五十五页本讲稿第四十五页，共五十五页2.7 Si-SiO2界面特性2.7.1 可动离子电荷Qmn主要来源：大量存在于环境中的
18、Na+。nNa+的分布：遍布整个SiO2层。nNa+的特性：其DSiO2很大（D0=5.0cm2/s,而P的D0=1.0 x10-8cm2/s，B的D0=1.0 x10-6 cm2/s）；在电场作用下，有显著的漂移（迁移率与成D正比）。本讲稿第四十六页，共五十五页2.7 Si-SiO2界面特性2.7.1 可动离子电荷QmnNa+对器件性能的影响：引起MOS管VT的漂移：VT=-（Qf+Qm+Qot)/C0+ms,C0-SiO2层电容，ms-金-半接触电位差；引起MOS管栅极的局部低击穿：由Na+在Si-SiO2界面分布不均匀引起局部电场的加强所致；降低了PN结的击穿电压：由Na+在Si-SiO
19、2界面的堆积使P沟道表面反型，形成沟道漏电所致；本讲稿第四十七页，共五十五页2.7 Si-SiO2界面特性nNa+数目的测量 偏温测试（B-T）测不同温度下 的高频C-V曲线Na+数目Nm=VFBqCOX（cm-2)本讲稿第四十八页，共五十五页2.7 Si-SiO2界面特性2.7.2 界面陷阱电荷（界面态）Qitn来源：Si-SiO2界面缺陷、金属杂质及辐射n能量：在Si的禁带中；高于禁带中心能级，具有受主特性；低于禁带中心能级，具有施主特性；n界面态密度Dit：单位能量 的界面陷阱密度。（/cm2eV）（图2.30）本讲稿第四十九页，共五十五页2.7 Si-SiO2界面特性n解释Qit的三种
20、物理机理（模型）少量Si悬挂键；在Si-SiO2 过渡区（SiOx层),未完全氧化的三价Si。SiO2中的电离杂质（荷电中心）俘获电子或空穴。化学杂质，如Cu、Fe等。本讲稿第五十页，共五十五页2.7 Si-SiO2界面特性2.7.3 氧化层固定电荷Qfn机理：氧化停止时，在Si-SiO2附近（SiOx）存在大量 过剩Si离子或氧空位。n特性：通常带正电；极性不随表面势和时间变化；电荷密度不随表面势变化。本讲稿第五十一页，共五十五页2.7 Si-SiO2界面特性n能级：在Si禁带外，但在SiO2 禁带内。n对器件的影响：n-MOS的阈值降低，p-MOS的阈值增加；其散射作用减小了 沟道载流子的
21、迁移率，影响了跨导。本讲稿第五十二页，共五十五页2.7 Si-SiO2界面特性n2.7.4 氧化层陷阱电荷Qotn机理：悬挂键界面陷阱氧的悬挂键 弱的Si-Si键 扭曲的Si-O键 Si-H键Si-OH键。n产生方式：电离辐射；热电子注入。n减少电离辐射陷阱的方法减少电离辐射陷阱的方法 高温干氧氧化：高温干氧氧化：10001000；惰性气氛低温退火：惰性气氛低温退火：150-400150-400；采用抗辐射的采用抗辐射的AlAl2 2O O3 3、SiSi3 3N N4 4等钝化层。等钝化层。本讲稿第五十三页，共五十五页第2次作业（第2组交）n3.证明硅热氧化时，生成厚度为zox的二氧化硅膜，
22、约需消耗0.45zox厚的硅层（二氧化硅的密度为2.24g/cm3；硅的密度为2.33g/cm3）。n4.某npn硅晶体管在1200下进行基区氧化，氧化过程为：15min干氧加45min湿氧（TH2O=95）再加15min干氧，试求所生成的氧化层厚度。nE-mail: 本讲稿第五十四页，共五十五页第3次作业（第3组，下次上课交）n5.现有若干硅片，分别用干氧、湿氧（TH2O=95）和水汽进行氧化，氧化温度为1200。如果它们所要求的氧化层厚度是50nm，试求它们各自需要的氧化时间（精确到分）。n6.某一硅片上面已覆盖有0.2m厚的二氧化硅，现需要在1200 下用干氧再生长0.1m厚的氧化层，问干氧氧化的时间需要多少？本讲稿第五十五页，共五十五页