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1、第四章热氧化第1页，本讲稿共53页目的目的:这种氧化硅是沾污并且通常是不需要的。有时这种氧化硅是沾污并且通常是不需要的。有时用于存储器存储或膜的钝化用于存储器存储或膜的钝化说明：在室温下生长速率是每小时说明：在室温下生长速率是每小时15到最大到最大40p+Siliconsubstrate二氧化硅二氧化硅自然氧化层自然氧化层第2页，本讲稿共53页目的：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层，使它目的：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层，使它们彼此隔离。们彼此隔离。Comments：通常场氧化膜厚度从：通常场氧化膜厚度从2500到到15000。湿氧氧化是优选的生长方法湿氧氧化是优选的生长方法.Fieldoxi
2、de晶体管位置晶体管位置p+Siliconsubstrate场氧化层场氧化层第3页，本讲稿共53页栅氧化层栅氧化层目的目的:用做用做MOS晶体管栅和源漏之间的介质。晶体管栅和源漏之间的介质。说明：通常栅氧化膜厚度从大约说明：通常栅氧化膜厚度从大约20到几百到几百。干热氧化是优选的生长方法干热氧化是优选的生长方法GateoxideTransistorsitep+SiliconsubstrateSourceDrainGate第4页，本讲稿共53页阻挡层氧化阻挡层氧化目的：保护有源器件和硅免受后续工艺的影响目的：保护有源器件和硅免受后续工艺的影响.说明：热生长几百埃的厚度说明：热生长几百埃的厚度阻挡
3、氧化层阻挡氧化层DiffusedresistorsMetalp+Siliconsubstrate第5页，本讲稿共53页掺杂阻挡层掺杂阻挡层目的：作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料目的：作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料说明：通过选择性扩散，掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区说明：通过选择性扩散，掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区域。域。Phosphorus implantp+Silicon substratep-Epitaxial layerBarrier Oxiden-well第6页，本讲稿共53页目的：减小氮化硅目的：减小氮化硅(Si3N4)应力。应力。垫氧化层垫氧化层说明：热生长并非常薄。说明：
4、热生长并非常薄。氮氧化硅，氮氧化硅，Siliconoxynitride氮化硅掩蔽氧化氮化硅掩蔽氧化Nitrideoxidationmask鸟嘴区，鸟嘴区，Birdsbeakregion选择性氧化选择性氧化Selectiveoxidation垫氧化层垫氧化层PadoxideSiliconsubstrateSilicondioxide第7页，本讲稿共53页注入屏蔽氧化层注入屏蔽氧化层目的：用于减小注入沟道和损伤目的：用于减小注入沟道和损伤.说明：热生长说明：热生长IonimplantationScreenoxide硅上表面大的损伤硅上表面大的损伤+更强的沟道效应更强的沟道效应p+Siliconsu
5、bstrate硅上表面小的损伤硅上表面小的损伤+更弱的沟道效应更弱的沟道效应第8页，本讲稿共53页金属层间绝缘阻挡层金属层间绝缘阻挡层目的：用做金属连线间的保护层。目的：用做金属连线间的保护层。说明：这种氧化硅不是热生长的，而是淀积的。说明：这种氧化硅不是热生长的，而是淀积的。第9页，本讲稿共53页第10页，本讲稿共53页11颜色颜色氧化层厚度（氧化层厚度（）灰灰100黄褐黄褐300蓝蓝800紫紫10002750465065008500深蓝深蓝14003000490068008800绿绿18503300520072009300黄黄20003700560075009600橙橙2250400060
6、0079009900红红250043506250820010200SiO2层厚度与颜色的关系层厚度与颜色的关系第11页，本讲稿共53页制备制备制备制备 SiOSiO2 2 薄膜的方法薄膜的方法薄膜的方法薄膜的方法热氧化、化学汽相淀积（热氧化、化学汽相淀积（CVD）、物理汽相淀积（）、物理汽相淀积（PVD）、离子注）、离子注入氧化、阳极氧化等。入氧化、阳极氧化等。热氧化的基本原理：热氧化的基本原理：热氧化的基本原理：热氧化的基本原理：在在T=9001200oC的高温下，利用硅与氧化的高温下，利用硅与氧化剂之间的氧化反应，在硅衬底上形成剂之间的氧化反应，在硅衬底上形成SiO2薄膜。薄膜。氧化剂可以
7、是纯氧氧化剂可以是纯氧O2（干氧氧化干氧氧化干氧氧化干氧氧化）、水蒸汽）、水蒸汽H2O（水汽氧化水汽氧化水汽氧化水汽氧化）或氧）或氧和水蒸汽的混合物和水蒸汽的混合物O2+H2O（湿氧氧化湿氧氧化湿氧氧化湿氧氧化）。）。氧化类型氧化类型速度速度均匀重复性均匀重复性结构结构掩蔽性掩蔽性水温水温干氧干氧慢慢好好致密致密好好湿氧湿氧快快较好较好中中基本满足基本满足95水汽水汽最快最快差差疏松疏松较差较差102第12页，本讲稿共53页4.14.1迪尔和格罗夫氧化模型迪尔和格罗夫氧化模型迪尔和格罗夫氧化模型迪尔和格罗夫氧化模型滞流层（附面层）滞流层（附面层）滞流层（附面层）滞流层（附面层）的概念的概念将从
8、衬底表面气体流速将从衬底表面气体流速 v=0处到处到v=0.99v0处之间的这一层气体层称处之间的这一层气体层称为滞流层。式中为滞流层。式中 v0为主气流流速。为主气流流速。主气流，主气流，v0氧化剂氧化剂基座基座滞流层滞流层xyL第13页，本讲稿共53页CgCsCs/=CoCitox1、氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到、氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到SiO2表面，表面，2、氧化剂从、氧化剂从SiO2表面扩散到表面扩散到SiO2/Si界面上，界面上，3、氧化剂到达、氧化剂到达SiO2/Si界面后同界面后同Si发生化学反应，发生化学反应，tsl热氧化过程热氧化过程热氧化过程热氧化过程第14页，本讲
9、稿共53页上上式式中中，hg=Dg/ts1为为气气气气相相相相质质质质量量量量输输输输运运运运系系系系数数数数，ks为为氧氧化化剂剂与与硅硅反反应应的的界界面面化学反应速率常数化学反应速率常数化学反应速率常数化学反应速率常数。Co与与Cs的的关关系系可可由由HenryHenry 定定定定律律律律 得得到到。Henry定定律律说说明明，固固固固体体体体中中中中某某某某种种种种物物物物质质质质的的的的浓浓浓浓度度度度正正正正比比比比于于于于其其其其周周周周围围围围气气气气体体体体中中中中该该该该种种种种物物物物质质质质的的的的分分分分压压压压，因因此此SiO2表面处的氧化剂浓度表面处的氧化剂浓度C
10、o为为在平衡状态下，在平衡状态下，式中，式中，H 为为Henry定律常数，后一个等号是根据理想气体定律。定律常数，后一个等号是根据理想气体定律。第15页，本讲稿共53页将以上各方程联立求解，可以得到将以上各方程联立求解，可以得到SiO2/Si界面处的氧化剂浓度为界面处的氧化剂浓度为式式中中，h=hg/HkT。在在常常压压下下hks，故故分分母母中中的的第第二二项项可可以以忽忽略略。这这说说明明在在热热氧氧化化时时，气气流流的的影影响响极极其其微微弱弱。于于是是可可得得到到SiO2/Si界界面面处处的的氧氧化化剂流密度为剂流密度为第16页，本讲稿共53页SiOSiO2 2 膜的生长速率和厚度的计
11、算膜的生长速率和厚度的计算膜的生长速率和厚度的计算膜的生长速率和厚度的计算将将上上式式的的SiO2/Si界界面面处处氧氧化化剂剂流流密密度度J3除除以以单单位位体体积积的的SiO2所所含含的氧化剂分子数的氧化剂分子数N1，即可得到，即可得到SiO2膜的生长速率膜的生长速率当当氧氧化化剂剂为为O2时时，N1为为 2.2 1022/cm3；当当氧氧化化剂剂为为H2O时时，N1为为4.4 1022/cm3。第17页，本讲稿共53页利用利用tox(0)=t0的初始条件，以上微分方程的解是的初始条件，以上微分方程的解是式中式中或或方程中的参数方程中的参数A、B 可利用图可利用图4.2、图、图4.3直接查
12、到。直接查到。第18页，本讲稿共53页第19页，本讲稿共53页第20页，本讲稿共53页要要注注意意的的是是，当当氧氧化化层层比比较较厚厚时时，氧氧化化速速率率将将随随氧氧化化层层厚厚度度的的变变化化而而改改变变。因因此此，如如果果在在氧氧化化开开始始时时已已存存在在初初始始氧氧化化层层厚厚度度t0，则则氧氧化化完完成成后后的的氧氧化化层层厚厚度度并并不不是是无无t0时时氧氧化化得得到到的的氧氧化化层层厚厚度度与与t0之和，而必须先用之和，而必须先用t0确定确定，再将，再将与与t 相加得到有效氧化时间。相加得到有效氧化时间。第21页，本讲稿共53页4.2线性和抛物线速率系数线性和抛物线速率系数当
13、当tox较薄时，较薄时，DSiO2/toxks，t+A2/4B，此时此时SiO2的生长由化学反应速率常数的生长由化学反应速率常数ks控制，膜厚与时间成正控制，膜厚与时间成正比，称为线性生长阶段，比，称为线性生长阶段，B B/A A称为称为线性速率系数线性速率系数线性速率系数线性速率系数。一、线性速率系数一、线性速率系数一、线性速率系数一、线性速率系数第22页，本讲稿共53页此时此时SiO2的生长由扩散系数的生长由扩散系数DSiO2控制，膜厚与控制，膜厚与成正比，称为成正比，称为抛物线生长阶段。抛物线生长阶段。B 称为称为抛物线速率系数抛物线速率系数抛物线速率系数抛物线速率系数。当当tox较厚时
14、，较厚时，DSiO2/toxA2/4B，二、抛物线速率系数二、抛物线速率系数二、抛物线速率系数二、抛物线速率系数第23页，本讲稿共53页还有一个问题要注意，还有一个问题要注意，氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅氧化过程中要消耗掉一部分衬底中的硅。氧化层厚度氧化层厚度tox与消耗掉的硅厚度与消耗掉的硅厚度tsi的关系是的关系是 tsi=0.44tox tox=2.27 tsi对一个平整的硅片表面进行氧化和光刻后，若再进行一次氧化，对一个平整的硅片表面进行氧化和光刻后，若再进行一次氧化，则下面的则下面的SiO2/Si面将不再是平整
15、的。面将不再是平整的。第24页，本讲稿共53页三、影响氧化速率的各种因素三、影响氧化速率的各种因素三、影响氧化速率的各种因素三、影响氧化速率的各种因素1.Thicker at higher than at lower temperature.2.Thicker with wet(H2O)than with dry(O2)oxidation.3.Thicker on(111)than on(100)oriented surface.第25页，本讲稿共53页不同的氧化剂有不同的氧化速率系数，氧化速率的大小顺序为，水不同的氧化剂有不同的氧化速率系数，氧化速率的大小顺序为，水汽汽湿氧湿氧干氧。而氧化膜
16、质量的好坏顺序则为，干氧干氧。而氧化膜质量的好坏顺序则为，干氧湿氧湿氧水汽，水汽，所以很多情况下采用所以很多情况下采用“干氧干氧干氧干氧-湿氧湿氧湿氧湿氧-干氧干氧干氧干氧”的顺序来进行氧化。例如，的顺序来进行氧化。例如，由于由于MOSFET对栅氧化膜质量的要求特别高，而栅氧化膜的对栅氧化膜质量的要求特别高，而栅氧化膜的厚度较薄，所以厚度较薄，所以MOSFET的栅氧化通常采用干氧氧化。的栅氧化通常采用干氧氧化。1 1、氧化剂种类的影响、氧化剂种类的影响、氧化剂种类的影响、氧化剂种类的影响第26页，本讲稿共53页第27页，本讲稿共53页第28页，本讲稿共53页在抛物线生长阶段在抛物线生长阶段，氧
17、化速率随着氧化膜的变厚而变慢，氧化速率随着氧化膜的变厚而变慢，因此要，因此要获得较厚氧化膜就需要很高的温度和很长的时间。这时可采用获得较厚氧化膜就需要很高的温度和很长的时间。这时可采用高压高压高压高压水汽氧化水汽氧化水汽氧化水汽氧化 技术技术，即在几到几十个大气压下通过增大氧化剂分压，即在几到几十个大气压下通过增大氧化剂分压Pg来提高来提高氧化速率。氧化速率。2 2、氧化剂分压的影响、氧化剂分压的影响、氧化剂分压的影响、氧化剂分压的影响无论在氧化的哪一个阶段，无论在氧化的哪一个阶段，氧化速率系数均与氧化剂的分压氧化速率系数均与氧化剂的分压氧化速率系数均与氧化剂的分压氧化速率系数均与氧化剂的分压
18、 P Pg g 成正比成正比成正比成正比。第29页，本讲稿共53页1.Both B and B/A depended on Pg.2.Pressure increase Pg Faster oxidation第30页，本讲稿共53页反过来，当需要极薄氧化膜的时候，例如反过来，当需要极薄氧化膜的时候，例如MOSFET的栅氧化，可以的栅氧化，可以采用采用分压热氧化分压热氧化分压热氧化分压热氧化 技术技术。第31页，本讲稿共53页3 3、氧化温度的影响、氧化温度的影响、氧化温度的影响、氧化温度的影响结论结论第32页，本讲稿共53页4 4、硅表面晶向的影响、硅表面晶向的影响、硅表面晶向的影响、硅表面晶
19、向的影响线性速率系数线性速率系数B/A与硅原子晶向有关，即与硅原子晶向有关，即抛物线速率系数抛物线速率系数B 与硅晶向无关。与硅晶向无关。5 5、杂质的影响、杂质的影响、杂质的影响、杂质的影响(1)氧化层中高浓度的氧化层中高浓度的Na+将增大将增大B和和B/A；(2)氧氧化化剂剂中中若若含含Cl2、HCl、DCE、TCE、TCA等等，将将有有利利于于改改善善SiO2质量和质量和SiO2/Si界面性质，并会增大界面性质，并会增大B 和和B/A；(3)重掺杂硅比轻掺杂氧化快。硅中硼浓度增大，重掺杂硅比轻掺杂氧化快。硅中硼浓度增大，B 增大，增大，B/A 的变化的变化不大；硅中磷浓度增大，不大；硅中
20、磷浓度增大，B/A 增大，增大，B 的变化不大。的变化不大。第33页，本讲稿共53页4.3初始阶段的氧化初始阶段的氧化实实验验发发现现，在在氧氧化化膜膜厚厚度度tox30nm的的氧氧化化初初始始阶阶段段，氧氧化化速速率率比比由迪尔由迪尔-格罗夫模型预测的快了格罗夫模型预测的快了4倍多。倍多。可可以以通通过过对对 值值进进行行校校正正来来提提高高模模型型的的精精度度，但但是是这这会会使使在在氧氧化化膜极薄时预测的氧化膜厚度比实际的偏厚。膜极薄时预测的氧化膜厚度比实际的偏厚。解释氧化初始阶段氧化速率增强机理的模型主要有三种：解释氧化初始阶段氧化速率增强机理的模型主要有三种：模型模型模型模型 1 1
21、，氧化剂扩散穿过氧化剂扩散穿过SiO2层的速率加快；层的速率加快；模型模型模型模型 2 2，氧化剂在氧化剂在SiO2层中的溶解度增加；层中的溶解度增加；模型模型模型模型 3 3，氧化反应在氧化反应在SiO2层的一定厚度内发生，层的一定厚度内发生，第34页，本讲稿共53页4.4SiO2的结构的结构SiO2分为分为结晶形结晶形结晶形结晶形 和和无定形无定形无定形无定形 两类。结晶形两类。结晶形SiO2由由Si-O四面体四面体在空在空间规则排列而成，如水晶间规则排列而成，如水晶；无定形；无定形SiO2是是Si-O四面体在空间无规则四面体在空间无规则排列而成，为透明的玻璃体、非晶体，其密度低于前者，如
22、热氧排列而成，为透明的玻璃体、非晶体，其密度低于前者，如热氧化的化的SiO2、CVD淀积的淀积的SiO2等。等。Si-O四面体的结构是，四面体的结构是，4个氧原子位于四面体的个氧原子位于四面体的4个角上，个角上，1个硅个硅原子位于四面体的中心。每个氧原子为两个相邻四面体所共有。原子位于四面体的中心。每个氧原子为两个相邻四面体所共有。第35页，本讲稿共53页SiO2中硅原子要运动须打断四个中硅原子要运动须打断四个Si-O键，而氧原子的运动最多打键，而氧原子的运动最多打断两个键，因此断两个键，因此硅空位的出现比氧空位要困难得多硅空位的出现比氧空位要困难得多硅空位的出现比氧空位要困难得多硅空位的出现
23、比氧空位要困难得多。第36页，本讲稿共53页4.5SiO2 2 的特性的特性的特性的特性物理性质物理性质物理性质物理性质SiSiO2比重（比重（g/cm3）2.232.20禁禁 带带 宽宽 度度（eV）1.128相对介电常数相对介电常数11.73.9熔点（熔点（）14171700热导率热导率（W/cm.k）1.50.01击穿电场击穿电场（V/cm）31056106一、一、一、一、第37页，本讲稿共53页二、化学性质二、化学性质二、化学性质二、化学性质SiO2的化学性质非常稳定，仅被的化学性质非常稳定，仅被HF酸腐蚀酸腐蚀第38页，本讲稿共53页三、三、三、三、SiOSiO2 2 的掩蔽作用的掩
24、蔽作用的掩蔽作用的掩蔽作用杂质在杂质在SiO2中有两种存在形式。中有两种存在形式。B、P、As、Sb等等、族族杂杂质质是是替替替替位位位位式式式式杂杂杂杂质质质质，在在SiO2中中替替代代硅硅原原子子，在在SiO2中中的的扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数很很很很小小小小。其其中中族族杂杂质质形形成成负负电电中中心心，使使非非桥桥联联氧氧转转变变成成桥桥联联氧氧，增增强强SiO2网网络络的的强强度度；族族杂杂质质形形成成正正电电中中心，使桥联氧转变成非桥联氧，减弱心，使桥联氧转变成非桥联氧，减弱SiO2网络的强度。网络的强度。Na、K、Pb、Ca等等的的氧氧化化物物以以离离子子形形式式存存在在于
25、于SiO2网网络络的的间间隙隙中中，是是填填填填隙隙隙隙式式式式杂杂杂杂质质质质，在在SiO2中中的的扩扩扩扩散散散散系系系系数数数数很很很很大大大大。网网络络中中氧氧离离子子增增加加使使非非桥桥联联氧氧增增多多，网网络络强强度度减减弱弱，熔熔点点降降低低；间间隙隙式式杂杂质质的的运运动动会会影响器件的稳定性和可靠性。水汽中的羟基起类似的作用。影响器件的稳定性和可靠性。水汽中的羟基起类似的作用。第39页，本讲稿共53页第40页，本讲稿共53页第41页，本讲稿共53页四、氧化膜的质量检测四、氧化膜的质量检测四、氧化膜的质量检测四、氧化膜的质量检测1 1、氧化膜厚度的测量方法、氧化膜厚度的测量方法
26、、氧化膜厚度的测量方法、氧化膜厚度的测量方法(1)光干涉法光干涉法第42页，本讲稿共53页43颜色颜色氧化层厚度（氧化层厚度（）灰灰100黄褐黄褐300蓝蓝800紫紫10002750465065008500深蓝深蓝14003000490068008800绿绿18503300520072009300黄黄20003700560075009600橙橙22504000600079009900红红250043506250820010200SiO2层厚度与颜色的关系层厚度与颜色的关系第43页，本讲稿共53页(2)椭圆偏振光法椭圆偏振光法(4)击穿电压法击穿电压法(5)电容法电容法(6)比色法比色法(3)台
27、阶仪法台阶仪法第44页，本讲稿共53页2 2、氧化膜缺陷的检测、氧化膜缺陷的检测、氧化膜缺陷的检测、氧化膜缺陷的检测包括氧化膜针孔、氧化诱生层错的检测包括氧化膜针孔、氧化诱生层错的检测5 5、氧化膜应力的测量、氧化膜应力的测量、氧化膜应力的测量、氧化膜应力的测量圆盘弯曲法、基片弯曲法、圆盘弯曲法、基片弯曲法、X射线法和电子衍射技术。射线法和电子衍射技术。3 3、氧化膜介电系数的测量、氧化膜介电系数的测量、氧化膜介电系数的测量、氧化膜介电系数的测量4 4、氧化膜击穿特性的测量、氧化膜击穿特性的测量、氧化膜击穿特性的测量、氧化膜击穿特性的测量第45页，本讲稿共53页4.6掺杂杂质对氧化过程的影响掺
28、杂杂质对氧化过程的影响在在热热氧氧化化过过程程中中，硅硅衬衬底底中中的的杂杂质质分分布布会会发发生生改改变变，这这称称为为衬底杂质的再分布衬底杂质的再分布衬底杂质的再分布衬底杂质的再分布。引起衬底杂质再分布的原因有。引起衬底杂质再分布的原因有1、杂质在、杂质在Si、SiO2中平衡浓度不同中平衡浓度不同2、杂质在、杂质在Si、SiO2中扩散速度不同中扩散速度不同3、氧化速度与氧化层厚度、氧化速度与氧化层厚度第46页，本讲稿共53页热氧化时杂质在热氧化时杂质在SiO2/Si界面再分布的界面再分布的4种情况种情况(a)氧化层中慢扩散（硼）；氧化层中慢扩散（硼）；(b)氧化层中快扩散（硼，氧化层中快扩
29、散（硼，H2气氛下）；气氛下）；(c)氧化层中慢扩散（磷）；氧化层中慢扩散（磷）；(d)氧化层中快扩散（镓）氧化层中快扩散（镓）第47页，本讲稿共53页热氧化过程中硅中杂质再分布的规律热氧化过程中硅中杂质再分布的规律热氧化过程中硅中杂质再分布的规律热氧化过程中硅中杂质再分布的规律1 1、硅中掺硼、硅中掺硼、硅中掺硼、硅中掺硼(1)温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布程程度增大，其度增大，其NS/NB小于干氧氧化；小于干氧氧化；(2)相同氧化气氛下，氧化温度越高，硼向硅表面扩散速度加快，相同氧化气氛下，氧化温度越高，硼向硅表面扩散速度加快，
30、补偿了杂质的损耗，补偿了杂质的损耗，NS/NB趋于趋于1。2 2、硅中掺磷、硅中掺磷、硅中掺磷、硅中掺磷(1)温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布程度温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布程度增大，其增大，其NS/NB大于干氧氧化；大于干氧氧化；(2)相同氧化气氛下，氧化温度越高，磷向硅内扩散的速度越快，相同氧化气氛下，氧化温度越高，磷向硅内扩散的速度越快，表面堆积现象减小，表面堆积现象减小，NS/NB趋于趋于1。第48页，本讲稿共53页4.7氧化诱生堆垛层错氧化诱生堆垛层错热热氧氧化化有有一一种种副副效效应应，即即释释放放出出高高密密度度的的自自填填隙隙硅硅原原子子。这这些
31、些过过剩剩的的填填隙隙原原子子构构成成了了点点缺缺陷陷，并并延延伸伸成成氧氧化化诱诱生生堆堆垛垛层层错错（OSF）。OSF是是一一种种二二维维缺缺陷陷，是是插插入入到到晶晶格格中中有有限限范范围围的的额额外外原原子子面面，并并终终止止于于位位错错，通通常常存存在在于于（111）面面。当当原原来来存存在在如如离离子子注注入入引引起起的的缺缺陷时，很容易诱生出陷时，很容易诱生出OSF。降降低低氧氧化化温温度度，采采用用高高压压氧氧化化，在在氧氧气气中中加加入入少少量量HCl等等措措施施，可以抑制氧化诱生堆垛层错的产生。可以抑制氧化诱生堆垛层错的产生。第49页，本讲稿共53页3.8栅绝缘层的替代物栅
32、绝缘层的替代物MOSFET的栅氧化层厚度一直在不断减薄，但是进一步的减的栅氧化层厚度一直在不断减薄，但是进一步的减薄将受到下面几个因素的限制。薄将受到下面几个因素的限制。首先，当栅氧化层非常薄时，栅极与沟道之间的首先，当栅氧化层非常薄时，栅极与沟道之间的电子直接隧穿电子直接隧穿电子直接隧穿电子直接隧穿电流电流电流电流将显著增大，导致栅电流的增大和输入阻抗的下降。将显著增大，导致栅电流的增大和输入阻抗的下降。其次，太薄的栅氧化层难以掩蔽杂质向沟道区的扩散。其次，太薄的栅氧化层难以掩蔽杂质向沟道区的扩散。采用采用高高高高介电常数介电常数介电常数介电常数 的材料代替的材料代替SiO2作为作为栅绝缘层
33、，可以在不降低栅绝栅绝缘层，可以在不降低栅绝缘层厚度的情况下，获得足够大的缘层厚度的情况下，获得足够大的栅电容。栅电容。SiOxNy或或HfO2是这类替代是这类替代材料。材料。第50页，本讲稿共53页 4.9氧化系统氧化系统氧化系统氧化系统根据集成电路的要求确定氧化工艺根据集成电路的要求确定氧化工艺1、高质量氧化：干氧氧化或分压氧化；、高质量氧化：干氧氧化或分压氧化；2、厚厚层层的的局局部部氧氧化化或或场场氧氧化化：干干氧氧+湿湿氧氧+干干氧氧，或或高高压压水水汽汽氧化；氧化；3、低界面态氧化：掺氯氧化、湿氧氧化加掺氯气氛退火或分压氧化、低界面态氧化：掺氯氧化、湿氧氧化加掺氯气氛退火或分压氧化
34、（H2O或或O2+N2或或Ar或或He等）。等）。主主要要采采用用卧卧式式氧氧化化炉炉，要要求求温温度度可可在在4001200oC的的范范围围内内设设定定，并并在足够长的区域（称为恒温区）内达到小于在足够长的区域（称为恒温区）内达到小于0.5oC的均匀性。的均匀性。第51页，本讲稿共53页4.10小结小结本本章章首首先先介介绍绍了了热热氧氧化化的的迪迪尔尔-格格罗罗夫夫模模型型，它它能能精精确确预预测测各各种种氧氧化化条条件件下下的的氧氧化化层层厚厚度度。对对于于薄薄氧氧化化层层，观观察察到到生生长长速速率率增增强强现现象象，给给出出了了解解释释这这个个现现象象的的几几种种模模型型。介介绍绍了
35、了SiO2的的结结构构和和特特性性。讨讨论论了了氧氧化化过过程程对对硅硅中中杂杂质质浓浓度度及及其其分分布布的的影影响响。氧氧化化会会在在硅硅内内产产生生氧氧化化诱诱生生堆堆垛垛层层错错，其其原原因因是是工工艺艺过过程程中中产产生生的的高高密密度度自填隙硅原子。最后介绍了氧化系统。自填隙硅原子。最后介绍了氧化系统。第52页，本讲稿共53页习习习习 题题题题1 1、在、在、在、在1000oC下对硅片进行两次干氧氧化，第下对硅片进行两次干氧氧化，第1次氧化要得到次氧化要得到50nm的氧化层，第的氧化层，第2次氧化将氧化层加厚到次氧化将氧化层加厚到100nm，试计算每次氧化所需，试计算每次氧化所需要的时间。要的时间。2、在在在在1050oC下对硅片进行湿氧氧化，试计算为得到下对硅片进行湿氧氧化，试计算为得到1 m厚的氧厚的氧化层所需要的氧化时间。然后再计算在化层所需要的氧化时间。然后再计算在5个和个和20个大气压下进行湿氧个大气压下进行湿氧氧化所需要的时间氧化所需要的时间3、在平整的硅片表面用热氧化形成、在平整的硅片表面用热氧化形成1 m厚的厚的SiO2膜后，光刻膜后，光刻出一个窗口。再次进行热氧化，使窗口内又形成出一个窗口。再次进行热氧化，使窗口内又形成1 m厚的厚的SiO2，这时这时SiO2表面和硅表面的台阶高度分别是多少？表面和硅表面的台阶高度分别是多少？第53页，本讲稿共53页