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1、集成电路工艺基之集成电路工艺基之氧化氧化本讲稿第一页，共七十三页二氧化硅是上帝赐给二氧化硅是上帝赐给IC的材料。的材料。本讲稿第二页，共七十三页Introductionv 硅易氧化硅易氧化几个原子层厚，几个原子层厚，1nm左右左右氧化膜化学性质稳定，绝缘性好氧化膜化学性质稳定，绝缘性好v SiO2的存在形态的存在形态晶体：石英、水晶等晶体：石英、水晶等石英砂，主要成分为石英砂，主要成分为SiO2，为制备硅原料的核心材料，为制备硅原料的核心材料非晶体：玻璃等（热氧化方法制备的非晶体：玻璃等（热氧化方法制备的SiO2）本讲稿第三页，共七十三页v在在MOS电路中作为电路中作为MOS器件的绝缘栅介质，
2、作器件的绝缘栅介质，作为器件的组成部分为器件的组成部分v作为集成电路的隔离介质材料作为集成电路的隔离介质材料v作为电容器的绝缘介质材料作为电容器的绝缘介质材料v作为多层金属互连层之间的介质材料作为多层金属互连层之间的介质材料v作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料作为对器件和电路进行钝化的钝化层材料v扩散时的掩蔽层，离子注入的扩散时的掩蔽层，离子注入的(有时与光刻胶、有时与光刻胶、Si3N4层一起使用层一起使用)阻挡层阻挡层SiO2的作用SiO2的制备的制备+光刻光刻+扩散扩散 硅平面工艺硅平面工艺返回返回本讲稿第四页，共七十三页2.1.1 SiO2.1.1 SiO2 2的结构的结构v 无论是结
3、晶形还是无定形无论是结晶形还是无定形SiOSiO2 2，都是以，都是以SiSi为中心，为中心，Si-OSi-O原子组成的正四面体，其中原子组成的正四面体，其中O OSi Si O O键桥的键键桥的键角为角为109.5109.5，是固定的。，是固定的。2.1 SiO2的结构及性质的结构及性质本讲稿第五页，共七十三页结晶形结晶形SiOSiO2 2的结构的结构v 结晶形结晶形SiOSiO2 2是由是由Si-OSi-O四面体在空间规则排列所四面体在空间规则排列所构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个构成。每个顶角上的氧原子都与相邻的两个Si-Si-O O四面体中心的硅形成共价键，氧原子的化合价四面体中
4、心的硅形成共价键，氧原子的化合价也被满足。也被满足。本讲稿第六页，共七十三页无定形无定形SiOSiO2 2的结构的结构vAmorphous SiOAmorphous SiO2 2 中中Si-O-SiSi-O-Si键角为键角为110 180 110 180 桥桥键键氧氧：与与两两个个相相邻邻的的Si-OSi-O四四面面体体中中心心的的硅硅原原子子形形成成共共价键的氧价键的氧非非桥桥键键氧氧：只只与与一一个个Si-OSi-O四四面面体体中中心心的的硅硅原原子子形形成成共共价价键的氧键的氧v非非桥桥键键氧氧越越多多，无无定定型型的的程程度度越越大大，无无序序程程度度越越大大，密密度度越越小，折射率越
5、小小，折射率越小v无定形无定形SiOSiO2 2的强度：桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数的强度：桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数v结晶态和无定形态区分结晶态和无定形态区分非桥联氧是否存在非桥联氧是否存在本讲稿第七页，共七十三页SiO2结构在制备工艺中的应用v硅要运动，打破四个硅要运动，打破四个OSi OSi 键键v氧要运动，打破两个氧要运动，打破两个OSi OSi 键，对非桥键氧，只需打破一键，对非桥键氧，只需打破一个个OSi OSi 键键n故氧的运动同硅相比更容易，故氧的运动同硅相比更容易，氧的扩散系数比硅的大氧的扩散系数比硅的大几个数量级几个数量级v氧化时，是氧或水汽等氧化剂穿过氧化时
6、，是氧或水汽等氧化剂穿过SiOSiO2 2层，到达层，到达Si-Si-SiOSiO2 2界面，界面，与硅反应，而非硅向外表面运动，在表面与氧化剂反应生成与硅反应，而非硅向外表面运动，在表面与氧化剂反应生成SiOSiO2 2。本讲稿第八页，共七十三页2.1.2 SiO2.1.2 SiO2 2的主要性质（的主要性质（1 1）v密度：表征致密程度密度：表征致密程度结晶形：结晶形：2.65g/cm2.65g/cm3 3非结晶形：非结晶形：2.152.25g/cm2.152.25g/cm3 3v折射率：表征光学性质折射率：表征光学性质密度较大的密度较大的SiOSiO2 2具有较大的折射率具有较大的折射率
7、波长为波长为5500A5500A左右时，左右时，SiOSiO2 2的折射率约为的折射率约为1.461.46v电阻率：电阻率：与制备方法及所含杂质数量等因素有关，高温与制备方法及所含杂质数量等因素有关，高温干氧氧化制备的电阻率达干氧氧化制备的电阻率达10101616 cm cm 本讲稿第九页，共七十三页v介电强度：单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿介电强度：单位厚度的绝缘材料所能承受的击穿 电压电压大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关大小与致密程度、均匀性、杂质含量有关一般为一般为106107V/cm（1011V/nm）v介电常数介电常数:表征电容性能表征电容性能SiO2的相对介电常数为的相对介电
8、常数为3.9SiO2SiO2SiO2SiO2的主要性质（的主要性质（的主要性质（的主要性质（2 2 2 2）本讲稿第十页，共七十三页v 腐蚀：化学性质非常稳定，腐蚀：化学性质非常稳定，只与氢氟酸发生反只与氢氟酸发生反应应还可与强碱缓慢反应还可与强碱缓慢反应v 薄膜应力为压应力薄膜应力为压应力SiO2SiO2SiO2SiO2的主要性质（的主要性质（的主要性质（的主要性质（3 3 3 3）返回返回本讲稿第十一页，共七十三页2.2 SiO22.2 SiO2的掩蔽作用的掩蔽作用v 2.2.1 2.2.1 杂质在杂质在SiO2SiO2中的存在形式中的存在形式本讲稿第十二页，共七十三页杂质在杂质在SiO2
9、中的存在形式中的存在形式v 网络形成者：网络形成者：可以替代可以替代SiOSiO2 2网络中硅的杂质，即网络中硅的杂质，即能代替能代替SiSiOO四面体中心的硅、并能与氧形成网四面体中心的硅、并能与氧形成网络的杂质络的杂质特点是离子半径与特点是离子半径与SiSi原子相近或者更小原子相近或者更小三价网络形成者三价网络形成者(如如B)B)增加非桥键氧数目，降低增加非桥键氧数目，降低SiOSiO2 2强度强度五价网络形成者五价网络形成者(如如P)P)减少非桥键氧数目，增加减少非桥键氧数目，增加SiOSiO2 2强度强度本讲稿第十三页，共七十三页杂质在杂质在SiO2SiO2中的存在形式中的存在形式v
10、网络改变者：网络改变者：存在于存在于SiOSiO2 2网络间隙中的杂质网络间隙中的杂质特点：离子半径大，多以氧化物形式进入特点：离子半径大，多以氧化物形式进入SiOSiO2 2后离后离化，增加非桥键氧浓度，降低化，增加非桥键氧浓度，降低SiOSiO2 2强度，易运动，破坏强度，易运动，破坏电路的稳定性和可靠性。电路的稳定性和可靠性。NaNa、K K、PbPb、BaBa水汽的行为类似于网络改变者水汽的行为类似于网络改变者本讲稿第十四页，共七十三页2.2.2 杂质在杂质在SiO2中的扩散系数（中的扩散系数（1）E为杂质在为杂质在SiO2中的扩散激活能，中的扩散激活能，Do为表观扩散系为表观扩散系数
11、数v 选择扩散（在集成电路中的重要应用）选择扩散（在集成电路中的重要应用）在相同的条件下，一些杂质在在相同的条件下，一些杂质在SiO2中的扩散速度远中的扩散速度远小于在硅中的扩散速度，即小于在硅中的扩散速度，即SiO2对某些杂质起掩蔽作对某些杂质起掩蔽作用。用。掩蔽是相对的，掩蔽是相对的，杂质在杂质在SiO2的扩散系数：的扩散系数：本讲稿第十五页，共七十三页杂质在杂质在SiO2中的扩散系数（中的扩散系数（2）v杂质在杂质在SiO2中的扩散系数中的扩散系数B、P、As等常用杂质的扩散系数小等常用杂质的扩散系数小，SiO2对这类杂对这类杂质可以起掩蔽作用质可以起掩蔽作用Ga、某些碱金属（、某些碱金
12、属（Na）的扩散系数大）的扩散系数大，SiO2对这类对这类杂质就起不到掩蔽作用杂质就起不到掩蔽作用Na离子在离子在SiO2中的扩散系数和迁移率都非常大中的扩散系数和迁移率都非常大Na离子来源非常丰富离子来源非常丰富Na离子玷污是造成双极器件和离子玷污是造成双极器件和MOS器件性能不稳定的重要器件性能不稳定的重要原因之一原因之一本讲稿第十六页，共七十三页2.2.3 掩蔽层厚度的确定（掩蔽层厚度的确定（1）v 有效掩蔽条件有效掩蔽条件杂质的杂质的SiOSiO2 2有一定厚度有一定厚度v 掺杂杂质掺杂杂质B、P、As 等常用杂质在等常用杂质在SiO2中的扩散系数远小于在中的扩散系数远小于在硅中的扩散
13、系数硅中的扩散系数B、P、As的杂质源制备容易、纯度高，操作方便的杂质源制备容易、纯度高，操作方便本讲稿第十七页，共七十三页掩蔽层厚度的确定（掩蔽层厚度的确定（2）v 掩蔽层厚度的确定掩蔽层厚度的确定杂质在杂质在SiO2表面的浓度为在表面的浓度为在Si-SiO2界面浓度的界面浓度的1000倍倍时的时的SiO2的厚度为最小厚度的厚度为最小厚度对恒定源对恒定源(余误差），浓度为余误差），浓度为C(x)所对应的深度表达式为：所对应的深度表达式为：对有限源（高斯分布），对有限源（高斯分布），A随时间变化随时间变化其中：其中：得到：得到：本讲稿第十八页，共七十三页图图2.5 各种温度下能掩蔽磷和硼所需各
14、种温度下能掩蔽磷和硼所需SiO2厚度与杂质在硅中达到厚度与杂质在硅中达到扩散深度所需时间的关系扩散深度所需时间的关系本讲稿第十九页，共七十三页SiOSiO2 2掩蔽掩蔽P P的扩散过程的扩散过程返回返回本讲稿第二十页，共七十三页2.3 2.3 硅的热氧化生长动力学硅的热氧化生长动力学vCVD（化学气相淀积）（化学气相淀积）vPVD（物理气相淀积）（物理气相淀积）v热氧化：热氧化：硅与氧或水汽等氧化剂，在高温下经化学反应生成硅与氧或水汽等氧化剂，在高温下经化学反应生成SiO2有什么特点？有什么特点？热氧化生成的热氧化生成的SiO2掩蔽能力最强掩蔽能力最强质量最好，重复性和稳定性好质量最好，重复性
15、和稳定性好降低表面悬挂键从而使表面态密度减小，且能很好的控制降低表面悬挂键从而使表面态密度减小，且能很好的控制界面陷阱和固定电荷界面陷阱和固定电荷2.3.1 2.3.1 硅的热氧化硅的热氧化本讲稿第二十一页，共七十三页v 每生长一单位厚度的每生长一单位厚度的 SiO2，将消耗约，将消耗约0.44单位厚度单位厚度的硅的硅（台阶覆盖性）（台阶覆盖性）SiO2 中所含中所含Si的原子密度的原子密度 CSiO2=2.21022/cm3 Si 晶体中的原子密度晶体中的原子密度 CSi=5.01022/cm3硅的热氧化生长（硅的热氧化生长（1 1）本讲稿第二十二页，共七十三页v 厚度为厚度为 ，面积为一平
16、方厘米的，面积为一平方厘米的SiOSiO2 2体内所含的体内所含的SiSi原子数为原子数为 ，而这个数值应该与转变为，而这个数值应该与转变为SiOSiO2 2中的硅原子数中的硅原子数 相等，即相等，即得到：得到：硅的热氧化生长（硅的热氧化生长（2 2）本讲稿第二十三页，共七十三页热氧化法热氧化法v干氧氧化干氧氧化v水汽氧化水汽氧化v湿氧氧化湿氧氧化v 氢氧合成氧化（氢氧合成氧化（LSILSI和和VLSIVLSI的理想氧化技术）的理想氧化技术）v掺氯氧化（为减小掺氯氧化（为减小SiO2SiO2中的中的NaNa+玷污）玷污）本讲稿第二十四页，共七十三页干氧氧化干氧氧化v干氧氧化干氧氧化v氧化剂：干
17、燥氧气氧化剂：干燥氧气v反应温度：反应温度：90012009001200v干氧氧化制备的干氧氧化制备的SiOSiO2 2的特点的特点v结构致密、干燥、均匀性和重复性好结构致密、干燥、均匀性和重复性好v与光刻胶粘附性好，掩蔽能力强。与光刻胶粘附性好，掩蔽能力强。v生长速度非常慢生长速度非常慢v干氧氧化的应用干氧氧化的应用vMOSMOS晶体管的栅氧化层晶体管的栅氧化层本讲稿第二十五页，共七十三页干氧氧化干氧氧化本讲稿第二十六页，共七十三页vSiSi表面无表面无SiOSiO2 2，则氧化剂与，则氧化剂与SiSi反应，生成反应，生成SiOSiO2 2 ，生长速率由生长速率由表面化学反应的快慢决定表面化
18、学反应的快慢决定。v生成一定厚度的生成一定厚度的SiOSiO2 2 层，氧化剂必须以扩散方式层，氧化剂必须以扩散方式运动到运动到Si-SiOSi-SiO2 2 界面，再与硅反应生成界面，再与硅反应生成SiOSiO2 2 ，即，即生长速率为生长速率为扩散控制扩散控制。干氧氧化时，厚度超过干氧氧化时，厚度超过40 40 湿氧氧化时，厚度超过湿氧氧化时，厚度超过1000 1000 v则生长过程由表面化学反应控制转为扩散控制则生长过程由表面化学反应控制转为扩散控制本讲稿第二十七页，共七十三页水汽氧化水汽氧化本讲稿第二十八页，共七十三页湿氧氧化湿氧氧化v 反应条件反应条件v氧化剂：高纯水（氧化剂：高纯水
19、（95 95 左右）左右）+氧气氧气v 特点：特点：v生长速率较高生长速率较高vSiOSiO2 2结构略粗糙结构略粗糙本讲稿第二十九页，共七十三页进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图进行干氧和湿氧氧化的氧化炉示意图本讲稿第三十页，共七十三页热氧化法热氧化法v三种氧化法比较三种氧化法比较干氧氧化干氧氧化 结构致密但氧化速率极低结构致密但氧化速率极低湿氧氧化湿氧氧化 氧化速率高但结构略粗糙，氧化速率高但结构略粗糙，制备厚二氧化硅薄膜制备厚二氧化硅薄膜 水汽氧化水汽氧化 结构粗糙结构粗糙-不可取不可取v实际生产：实际生产：干氧氧化干氧氧化+湿氧氧化湿氧氧化 +干氧氧化干氧氧化 5 5 分钟分钟+（视厚度
20、而定）（视厚度而定）+5+5 分钟分钟常常规规三三步步热热氧氧化化模模式式既既保保证证了了SiOSiO2 2表表面面和和界界面面的的质质量量，又又解解决了生长速率问题决了生长速率问题本讲稿第三十一页，共七十三页2.3.2 热氧化生长动力学（热氧化生长动力学（1）生长过程：生长过程：本讲稿第三十二页，共七十三页vD-GD-G模型的使用范围模型的使用范围D-GD-G模型对温度在模型对温度在700-1300700-1300范围内，压力范围内，压力从从2102104 4PaPa到到1.01101.01105 5PaPa，氧化层厚度在，氧化层厚度在300-20000A300-20000A之间的氧气氧化和
21、水汽氧化都是之间的氧气氧化和水汽氧化都是适用的。适用的。薄氧化层的生长模型？薄氧化层的生长模型？本讲稿第三十三页，共七十三页菲克第一定律菲克第一定律根据稳态条件：根据稳态条件：h hg g是质量输运系数是质量输运系数ks为氧化剂与为氧化剂与Si反应的化学反应常数反应的化学反应常数热氧化生长动力学（热氧化生长动力学（2）本讲稿第三十四页，共七十三页v当当氧氧化化剂剂在在SiOSiO2 2中中的的扩扩散散系系数数D DSiO2SiO2 k ks sx xo o则则C Ci i00，C Co o C C*，氧化为扩散控制，氧化为扩散控制v当当氧氧化化剂剂在在SiOSiO2 2中中的的扩扩散散系系数数
22、D DSiO2SiO2很很大大，则则C Ci i=C Co o=C C*/（1+k1+ks s/h/h），），氧化为反应控制氧化为反应控制热氧化生长动力学（热氧化生长动力学（3）本讲稿第三十五页，共七十三页vSiOSiO2 2不断生长，界面处的不断生长，界面处的SiSi也就不断转化为也就不断转化为SiOSiO2 2中的成份，中的成份，因此表面处的流密度：因此表面处的流密度：热氧化生长速率（热氧化生长速率（1 1）其中：其中：N1为每生长一个单位体积为每生长一个单位体积SiO2所需要氧化剂的分子个数。所需要氧化剂的分子个数。在氧化膜中有在氧化膜中有2.21022个个SiO2分子分子/cm3，在进
23、行氧化时，要获得，在进行氧化时，要获得一个一个SiO2分子，在干氧环境中需要一个氧分子，在水汽环境中需分子，在干氧环境中需要一个氧分子，在水汽环境中需要两个水分子）要两个水分子）本讲稿第三十六页，共七十三页热氧化生长速率（热氧化生长速率（2）解关系式（解关系式（6）得：）得：微分方程（微分方程（5）的解给出了）的解给出了SiO2的生长厚度与时间的普的生长厚度与时间的普遍关系式（遍关系式（6）：）：（6）其中：其中：本讲稿第三十七页，共七十三页vSiOSiO2 2生长快慢将由氧化剂在生长快慢将由氧化剂在SiOSiO2 2中的扩散速度以及与中的扩散速度以及与SiSi反应速度中较慢的一个因素所决定：
24、反应速度中较慢的一个因素所决定：当氧化时间很长当氧化时间很长(Thick oxide)(Thick oxide)，即，即t t和和t t A A2 2/4B/4B时，则时，则SiOSiO2 2的厚度和时间的关系简化为：的厚度和时间的关系简化为：（抛物型规律，扩散控制）（抛物型规律，扩散控制）热氧化生长速率（热氧化生长速率（3 3）本讲稿第三十八页，共七十三页当氧化时间很短当氧化时间很短(thin oxide)(thin oxide)，即（，即（t+t+）A A2 2/4B/4B时，则时，则SiOSiO2 2的厚度和时间的关系简化为的厚度和时间的关系简化为 （线性规律，反应控制）（线性规律，反应
25、控制）B/AB/A为线性速率常数；为线性速率常数；B B为抛物型速率常数为抛物型速率常数热氧化生长速率（热氧化生长速率（4 4）返回返回本讲稿第三十九页，共七十三页2.4 决定决定氧化速率常数的因素氧化速率常数的因素v氧化剂分压氧化剂分压v氧化温度氧化温度本讲稿第四十页，共七十三页v氧化剂分压氧化剂分压p pg g通过通过C*C*对对B B 产生影响，产生影响，B B与与p pg g成正比关系成正比关系出现高压氧化和低压氧化来控制氧化速率出现高压氧化和低压氧化来控制氧化速率决定氧化速率常数的因素（决定氧化速率常数的因素（1 1）本讲稿第四十一页，共七十三页决定氧化速率常数的因素（决定氧化速率常
26、数的因素（2 2）v氧化温度氧化温度温度对抛物型速率常数温度对抛物型速率常数B B的影响是通过影响的影响是通过影响氧化剂在氧化剂在SiO2SiO2中的扩散系数中的扩散系数D DSiO2SiO2 产生的产生的温度对线性速率常数温度对线性速率常数B/B/A A的影响是通过影响的影响是通过影响化学化学反应常数反应常数k ks s产生的产生的本讲稿第四十二页，共七十三页温度对温度对B B及及B/AB/A的影响的影响图图2.13温度对温度对B的影响的影响 图图2.14温度对温度对B/A的影响的影响本讲稿第四十三页，共七十三页影响影响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杂质杂质本讲稿第四十
27、四页，共七十三页影响氧化速率的因素（影响氧化速率的因素（1 1）v硅表面晶向对氧化速率的影响硅表面晶向对氧化速率的影响线性速率常数线性速率常数B/AB/A受硅的晶向影响受硅的晶向影响表达式：表达式：不同晶向所对应的晶面硅原子的密度不同，表面化学反应不同晶向所对应的晶面硅原子的密度不同，表面化学反应速率（速率（k ks s)是与硅表面的原子密度，即表面的价键密度有关是与硅表面的原子密度，即表面的价键密度有关(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)面上的面上的线性速率常数大于线性速率常数大于(100)(100)面上
28、的线性速率常数面上的线性速率常数本讲稿第四十五页，共七十三页影响氧化速率的因素（影响氧化速率的因素（1 1）v硅表面晶向对氧化速率的影响硅表面晶向对氧化速率的影响抛物型速率常数抛物型速率常数B B与硅的与硅的晶向无关晶向无关B B的关系式的关系式氧化剂压力氧化剂压力p pg g一定时，一定时，B B的大小只与氧化剂在的大小只与氧化剂在SiO2SiO2中的扩中的扩散能力有关散能力有关参考参考P37 P37 表表2-1 2-1 水汽压力为水汽压力为85KPa85KPa时的氧化速率常数时的氧化速率常数 图图2.15 2.15 氧化层厚度与氧化时间的关系氧化层厚度与氧化时间的关系本讲稿第四十六页，共七
29、十三页影响氧化速率的因素（影响氧化速率的因素（2 2）v杂质对氧化速度的影响掺有高浓度杂质的硅，其氧化速率明显变大B B 增大抛物型速率常数，对线性速率常数无明显增大抛物型速率常数，对线性速率常数无明显影响影响m1,m1,m1,慢扩散，分凝到慢扩散，分凝到SiOSiO2 2中的杂质量少，对抛物型中的杂质量少，对抛物型速率常数影响不大，因大部分杂质集中在靠近硅表面的速率常数影响不大，因大部分杂质集中在靠近硅表面的硅中，因而使线性氧化速率常数明显变大。硅中，因而使线性氧化速率常数明显变大。本讲稿第四十七页，共七十三页v杂质对氧化速度的影响水汽（极少量的水汽就会极大增大氧化速率）水汽（极少量的水汽就
30、会极大增大氧化速率）水汽含量水汽含量110110-6-6时，氧化时，氧化700700分钟，分钟，SiOSiO2 2约为约为300 300 水汽含量水汽含量 2510 2510-6-6时，氧化时，氧化700700分钟，分钟，SiOSiO2 2约为约为370 370 钠钠以氧化物形式进入，离化后增加非桥键氧数，线性以氧化物形式进入，离化后增加非桥键氧数，线性和抛物型氧化速率明显增大和抛物型氧化速率明显增大影响氧化速率的因素（影响氧化速率的因素（2 2）本讲稿第四十八页，共七十三页v杂质对氧化速度的影响氯（氯（O2TCA/HCL/TCE）钝化可动离子，尤其是钠离子，生成可挥发的金属氯化物改善Si-S
31、iO2 界面特性氯进入Si-SiO2 界面，界面态密度减小，表面固定电荷密度减小提高氧化速率 1015抑制层错TCA（三氯乙烷）在高温下形成光气（COCl2），是一种剧毒物质；TCE（三氯乙烯）可能致癌；HCL腐蚀性极强影响氧化速率的因素（影响氧化速率的因素（2 2）返回返回本讲稿第四十九页，共七十三页2.5 2.5 热氧化过程中的杂质再分布（热氧化过程中的杂质再分布（1 1）v分凝系数分凝系数 定义：定义：掺有杂质的硅掺有杂质的硅在在热氧化过程热氧化过程中，在中，在Si-SiOSi-SiO2 2界界面上的平衡杂质浓度之比面上的平衡杂质浓度之比公式：公式：常用杂质的分凝系数常用杂质的分凝系数P
32、 P、As As 约为约为1010B 0.1-1B 0.1-12.5.1 杂质的再分布杂质的再分布本讲稿第五十页，共七十三页当当mm 1 1，在，在SiOSiO2 2中是慢扩散的杂质，即在分凝过程中杂质通过中是慢扩散的杂质，即在分凝过程中杂质通过SiOSiO2 2表面损表面损失的很少，再分布之后靠近界面处的失的很少，再分布之后靠近界面处的SiOSiO2 2中杂质浓度比硅中高。硅表面附近的浓度中杂质浓度比硅中高。硅表面附近的浓度下降。（中性和氧化气氛中的下降。（中性和氧化气氛中的B B）当当mm 1 1，在，在SiOSiO2 2中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质通过中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质
33、通过SiOSiO2 2表面损失的厉表面损失的厉害，使害，使SiOSiO2 2中杂质浓度比较低，硅表面的杂质浓度几乎降到零。（中杂质浓度比较低，硅表面的杂质浓度几乎降到零。（H2H2气氛中的气氛中的B B）热氧化过程中的杂质再分布（热氧化过程中的杂质再分布（2 2）氧化层提取氧化层提取杂质（杂质（m1)m 1 1，在，在SiOSiO2 2中是慢扩散的杂质，再分布之后硅表面的浓度升中是慢扩散的杂质，再分布之后硅表面的浓度升高。（高。（P P、AsAs）当当mm 1 1，在，在SiOSiO2 2中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质通过中是快扩散的杂质，分凝过程中杂质通过SiOSiO2 2表面损失的厉害，
34、最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要表面损失的厉害，最终使硅表面附近的杂质浓度比体内还要低。（低。（GaGa）热氧化过程中的杂质再分布（热氧化过程中的杂质再分布（3 3）氧化层排出氧化层排出杂质（杂质（m1)m1)本讲稿第五十二页，共七十三页n M=1 M=1，而且也没有杂质从，而且也没有杂质从SiOSiO2 2表面逸散的情况？表面逸散的情况？vSiSi表面杂质浓度同样降低。表面杂质浓度同样降低。这是因为一个体积的这是因为一个体积的SiSi氧化之后变成两个体积的氧化之后变成两个体积的SiOSiO2 2而而界面两边具有相等的杂质浓度，故杂质必定从高浓度硅界面两边具有相等的杂质浓度，故杂质必定从高
35、浓度硅中向低浓度中向低浓度SiOSiO2 2中扩散。即硅中消耗杂质，以补偿中扩散。即硅中消耗杂质，以补偿SiOSiO2 2体体积增加所需要的杂质积增加所需要的杂质 热氧化过程中的杂质再分布（热氧化过程中的杂质再分布（4 4）本讲稿第五十三页，共七十三页v磷磷 m=10在相同温度下在相同温度下，快速的水汽氧化，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再分布比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度增大，即水汽氧化程度增大，即水汽氧化Cs/CB值比值比干氧氧化大干氧氧化大在同一氧化气氛中在同一氧化气氛中，温度越高，磷，温度越高，磷向硅内扩散速度就越快，减小了在向硅内扩散速度就越快，减小了在表面的堆积。即表面
36、的堆积。即Cs/CB下降。下降。2.5.2 再分布对硅表面杂质浓度的影响（再分布对硅表面杂质浓度的影响（1）本讲稿第五十四页，共七十三页v硼硼m=0.3在相同温度下在相同温度下，快速的水汽氧，快速的水汽氧化比慢速的干氧氧化所引起的再化比慢速的干氧氧化所引起的再分布程度增大，即水汽氧化分布程度增大，即水汽氧化Cs/CB值比干氧氧化小值比干氧氧化小在同一氧化气氛中在同一氧化气氛中，Cs/CB 随温度的升高而变大。因为随温度的升高而变大。因为温度升高扩散速度升高，从温度升高扩散速度升高，从而加快补偿硅表面杂质的损而加快补偿硅表面杂质的损耗。耗。再分布对硅表面杂质浓度的影响（再分布对硅表面杂质浓度的影
37、响（2 2）本讲稿第五十五页，共七十三页2.6 初始氧化阶段以及薄氧化层的生长（初始氧化阶段以及薄氧化层的生长（1）v快速初始氧化阶段快速初始氧化阶段700700，干氧氧化，干氧氧化本讲稿第五十六页，共七十三页v 初始氧化阶段的氧化机制初始氧化阶段的氧化机制机制不清，但有经验公式；机制不清，但有经验公式；实际生产时，可以生长出厚度为实际生产时，可以生长出厚度为3nm3nm的高质量的高质量的栅氧化层的栅氧化层猜想模型猜想模型2.6 初始氧化阶段以及薄氧化层的生长（初始氧化阶段以及薄氧化层的生长（2）本讲稿第五十七页，共七十三页MassoudMassoud的实验结果：的实验结果：图图2.27 硅的
38、（硅的（100）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系本讲稿第五十八页，共七十三页2.6.2 2.6.2 薄氧化层的制备薄氧化层的制备v 1 1、预氧化清洗、预氧化清洗v 2 2、工艺与栅氧化硅质量的关系、工艺与栅氧化硅质量的关系v 3 3、用化学方法改进栅氧化层、用化学方法改进栅氧化层v 4 4、CVDCVD和叠层氧化硅和叠层氧化硅本讲稿第五十九页，共七十三页2.7 Si-SiO2 界面特性界面特性vSi-SiOSi-SiO2 2 界面电荷类型：界面电荷类型：可动离子电荷可动离子电荷界面陷阱电荷界面陷阱电荷氧化层固定电荷氧化层固定电荷氧化层陷阱电荷氧化层陷阱电
39、荷 Si-SiO2界面不是绝对的断然的分开，而是存在一个界面不是绝对的断然的分开，而是存在一个10A左右的过渡层，在过渡层中左右的过渡层，在过渡层中x的配比在的配比在1-2之间，之间，是非理想的。是非理想的。本讲稿第六十页，共七十三页可动离子电荷Qm（1）v存在形式存在形式网络改变者网络改变者(荷正电的碱金属离子，主要是钠荷正电的碱金属离子，主要是钠)主要来源于化学试剂、玻璃器皿、炉管、主要来源于化学试剂、玻璃器皿、炉管、石英舟、人体玷污等。石英舟、人体玷污等。v危害：危害：在电场作用下显著漂移，引起在电场作用下显著漂移，引起MOS晶体晶体管的阈值电压不稳定管的阈值电压不稳定分布的不均匀性引起
40、局部电场的加速，分布的不均匀性引起局部电场的加速，从而引起从而引起MOS晶体管栅极的局部低击穿。晶体管栅极的局部低击穿。本讲稿第六十一页，共七十三页v预防措施预防措施含氯的氧化工艺含氯的氧化工艺用氯周期性的清洗管道、炉管和相关容器用氯周期性的清洗管道、炉管和相关容器使用超纯净的化学物质使用超纯净的化学物质保证气体及气体传输过程的清洁保证气体及气体传输过程的清洁用用BPSG和和PSG玻璃钝化可动离子玻璃钝化可动离子用等离子淀积用等离子淀积Si3N4来封闭已经完成的器件来封闭已经完成的器件可动离子电荷Qm（2）本讲稿第六十二页，共七十三页界面陷阱电荷Qit（1）v定义定义存在于存在于Si-SiOS
41、i-SiO2 2 界面（距硅界面（距硅界面界面3-5A3-5A以内），能量处于以内），能量处于硅禁带中的电子态。硅禁带中的电子态。v类型类型高于禁带中心能级的界面态，高于禁带中心能级的界面态，可以得到电子，起受主作用可以得到电子，起受主作用低于能带中间能级的界面态低于能带中间能级的界面态可以失去电子，起施主作用可以失去电子，起施主作用本讲稿第六十三页，共七十三页v危害：危害：使阈值电压漂移使阈值电压漂移大量的界面态电荷会显著降低晶体管沟道迁移率（金属化后大量的界面态电荷会显著降低晶体管沟道迁移率（金属化后退火（退火（PMAPMA），减少界面态），减少界面态）使使MOSMOS电容的电容的C-VC
42、-V曲线发生畸变曲线发生畸变成为有效的复合中心，导致漏电流的增加成为有效的复合中心，导致漏电流的增加v界面态密度与衬底晶向、氧化层生长条件、和退界面态密度与衬底晶向、氧化层生长条件、和退火条件有关。火条件有关。(111)(111)晶向界面态密度最大晶向界面态密度最大 (100)(100)晶向晶向低温惰性气体退火（低温惰性气体退火（90%N90%N2 2+10%H+10%H2 2），用），用HH2 2来饱和悬挂键，来饱和悬挂键，可降低界面态密度可降低界面态密度界面陷阱电荷Qit（2）本讲稿第六十四页，共七十三页v解释界面态的物理机制解释界面态的物理机制悬挂键悬挂键硅原子周期排列中断，存在悬挂键，
43、当硅氧化为硅原子周期排列中断，存在悬挂键，当硅氧化为SiOSiO2 2时，悬挂键大部分与氧结合，使时，悬挂键大部分与氧结合，使Si-SiOSi-SiO2 2界界面悬挂键密度减小。但仍存在少量的悬挂键，这面悬挂键密度减小。但仍存在少量的悬挂键，这些悬挂键上有一个未配对的电子，可以得失电子些悬挂键上有一个未配对的电子，可以得失电子而表现为界面态。而表现为界面态。在过渡区中，硅原子的氧化状态很不相同，没有在过渡区中，硅原子的氧化状态很不相同，没有完全氧化的硅原子，即所谓的三价硅也是界面态完全氧化的硅原子，即所谓的三价硅也是界面态的主要来源的主要来源荷电中心荷电中心存在界面附近的化学杂质存在界面附近的
44、化学杂质界面陷阱电荷Qit（3）本讲稿第六十五页，共七十三页氧化层固定电荷Qf（1）v简介简介通常由通常由Si-SiOSi-SiO2 2之间过渡区的之间过渡区的结构改变引起结构改变引起一般为正电荷，在外电场的作一般为正电荷，在外电场的作用下，不会移动用下，不会移动v机理机理过剩硅离子模型过剩硅离子模型v危害危害影响阈值电压影响阈值电压 （对（对NMOSNMOS、PMOSPMOS的影响？）的影响？）减小沟道载流子迁移率（固定正电荷对载流子的散射）减小沟道载流子迁移率（固定正电荷对载流子的散射）本讲稿第六十六页，共七十三页v特征：特征：固定正电荷密度与氧化层厚度、硅衬底掺杂类型和浓度关系固定正电荷
45、密度与氧化层厚度、硅衬底掺杂类型和浓度关系不大，但与氧化层生长条件关系密切。不大，但与氧化层生长条件关系密切。不同晶向硅材料的不同晶向硅材料的Q Qf f密度有如下关系密度有如下关系QQf f （111111）Q Qf f （110110）Q Qf f （100100）v解决措施：解决措施：适当选择氧化、退火条件和衬底晶向，降低氧化时氧气的分压，适当选择氧化、退火条件和衬底晶向，降低氧化时氧气的分压，采用含氯氧化工艺采用含氯氧化工艺氧化层固定电荷Qf（2）本讲稿第六十七页，共七十三页氧化层陷阱电荷Qot（1）v氧化层中的缺陷：氧化层中的缺陷：在在SiOSiO2 2层中，存在一些层中，存在一些电
46、子和空穴陷阱电子和空穴陷阱，它们，它们与杂质和缺陷有关。与杂质和缺陷有关。v危害：危害：严重影响器件的可靠性严重影响器件的可靠性本讲稿第六十八页，共七十三页v产生方式：产生方式：由于由于x x射线或射线或 射线的辐射、或是在氧化层中发生了雪崩击射线的辐射、或是在氧化层中发生了雪崩击穿，将打破穿，将打破Si-O-SiSi-O-Si键，在键，在SiOSiO2 2层中产生电子层中产生电子-空穴对，如空穴对，如果氧化层中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净果氧化层中没有电场，电子和空穴将复合掉，不会产生净电荷，氧化层中存在电场时，由于电子可以在电荷，氧化层中存在电场时，由于电子可以在SiOSiO2
47、 2中移动，中移动，可以移动到电极上，而空穴在可以移动到电极上，而空穴在SiOSiO2 2 中很难移动，可能陷于中很难移动，可能陷于这些陷阱中，成为正的陷阱电荷。这些陷阱中，成为正的陷阱电荷。v解决措施解决措施选择适当的氧化条件，使选择适当的氧化条件，使Si-O-SiSi-O-Si键不易打破。键不易打破。在惰性气体中进行低温退火。在惰性气体中进行低温退火。氧化层陷阱电荷Qot（2）本讲稿第六十九页，共七十三页作业：作业：v1 1、假设经热氧化方式生长厚度为、假设经热氧化方式生长厚度为x x的二氧化硅，将要消的二氧化硅，将要消耗多少硅？每摩硅的质量是耗多少硅？每摩硅的质量是28.9g28.9g，
48、密度为，密度为2.33g/cm2.33g/cm3 3；每摩二氧化硅的质量是每摩二氧化硅的质量是60.08g60.08g，密度为，密度为2.25g/cm2.25g/cm3 3。v2 2、试举例说明二氧化硅在集成电路中的应用，并指出哪、试举例说明二氧化硅在集成电路中的应用，并指出哪些应用不可以用热氧化的方法制备，为什么？些应用不可以用热氧化的方法制备，为什么？v3 3、某一硅片上面已覆盖有、某一硅片上面已覆盖有0.2um0.2um厚的厚的SiO2SiO2层，现需要层，现需要在在12001200下用干氧氧化法再生长下用干氧氧化法再生长0.1um0.1um厚的氧化层，问厚的氧化层，问干氧氧化的时间是（
49、干氧氧化的时间是（）min.min.已知：干氧已知：干氧A=0.04um,B=7.510A=0.04um,B=7.510-4-4umum2 2/min,/min,=1.62min=1.62min。本讲稿第七十页，共七十三页选择题：选择题：1、在温度相同的情况下，制备相同厚度的氧化层，分别用干氧，湿氧和水汽氧化，、在温度相同的情况下，制备相同厚度的氧化层，分别用干氧，湿氧和水汽氧化，哪个需要的时间最长？（哪个需要的时间最长？（）A.干氧干氧 B.湿氧湿氧 C.水汽氧化水汽氧化2、二氧化硅膜能有效的对扩散杂质起掩蔽作用的基本条件有哪些、二氧化硅膜能有效的对扩散杂质起掩蔽作用的基本条件有哪些_ 1杂
50、质在硅中的扩散系数大于在二氧化硅中的扩散系数杂质在硅中的扩散系数大于在二氧化硅中的扩散系数 2杂质在硅中的扩散系数小于在二氧化硅中的扩散系数杂质在硅中的扩散系数小于在二氧化硅中的扩散系数 3二氧化硅的厚度大于杂质在二氧化硅中的扩散深度二氧化硅的厚度大于杂质在二氧化硅中的扩散深度 4二氧化硅的厚度小于杂质在二氧化硅中的扩散深度二氧化硅的厚度小于杂质在二氧化硅中的扩散深度 A2,4 B.1,3 C.1,4 D.2,33、半导体器件生产中所制备的二氧化硅薄膜属于（半导体器件生产中所制备的二氧化硅薄膜属于（）A结晶形二氧化硅结晶形二氧化硅 B.无定形二氧化硅无定形二氧化硅本讲稿第七十一页，共七十三页本