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1、热氧化工艺 第1页，共62页，编辑于2022年，星期一微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术第第第第4 4章章章章 热氧化热氧化热氧化热氧化(电子讲稿中出现的图号是该书中的图号电子讲稿中出现的图号是该书中的图号电子讲稿中出现的图号是该书中的图号电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)硅的热氧化工艺硅的热氧化工艺(Thermal Oxidation)二氧化硅的性质和用途二氧化硅的性质和用途二氧化硅的性质和用途二氧化硅的性质和用途 热氧化原理热氧化原理(Deal-Grove 模型模型)热氧化工艺（方法）和系统热氧化工艺（方法）和
2、系统热氧化工艺（方法）和系统热氧化工艺（方法）和系统 热氧化工艺的质量检测热氧化工艺的质量检测热氧化工艺的质量检测热氧化工艺的质量检测参考资料：参考资料：参考资料：参考资料：第2页，共62页，编辑于2022年，星期一分子数密度：分子数密度：分子数密度：分子数密度：2.2 2.2 101022 22 cmcm3 3一、二氧化硅一、二氧化硅(Si02)的性质和用途的性质和用途热氧化方法制备的二氧化硅是热氧化方法制备的二氧化硅是热氧化方法制备的二氧化硅是热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构无定形结构无定形结构无定形结构(硅的密度：硅的密度：硅的密度：硅的密度：2.33g2.33gcmcm3 3)密度
3、：密度：密度：密度：2.27g2.27gcmcm3 3分子量：分子量：分子量：分子量：60.0960.09(硅的原子量：硅的原子量：硅的原子量：硅的原子量：28.09)28.09)(硅的原子数密度：硅的原子数密度：硅的原子数密度：硅的原子数密度：5 5 101022 22 cmcm3 3)（一）（一）（一）（一）SiOSiO2的结构的结构4 4个个个个OO原子位于四面体的原子位于四面体的原子位于四面体的原子位于四面体的顶点顶点顶点顶点，SiSi位于四面体位于四面体位于四面体位于四面体中心。中心。中心。中心。桥位桥位桥位桥位OO原子原子原子原子与与与与2 2个个个个SiSi原子原子原子原子键合；
4、键合；键合；键合；其它其它其它其它OO原子原子原子原子只与只与只与只与1 1个个个个SiSi键合键合键合键合第3页，共62页，编辑于2022年，星期一 介电强度高介电强度高介电强度高介电强度高：10 MV/cm 10 MV/cm 最小击穿电场最小击穿电场最小击穿电场最小击穿电场(非本征击穿非本征击穿非本征击穿非本征击穿)：由缺陷、杂质引起：由缺陷、杂质引起：由缺陷、杂质引起：由缺陷、杂质引起 最大击穿电场最大击穿电场最大击穿电场最大击穿电场(本征击穿本征击穿本征击穿本征击穿)：由：由：由：由SiOSiO2 2厚度、导热性、厚度、导热性、厚度、导热性、厚度、导热性、界面态电荷等决定；界面态电荷等
5、决定；界面态电荷等决定；界面态电荷等决定；氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低1 1、二氧化硅的绝缘特性、二氧化硅的绝缘特性、二氧化硅的绝缘特性、二氧化硅的绝缘特性 电阻率高电阻率高电阻率高电阻率高：1 1 101014 14 cm 1 cm 1 10 101616 cmcm 禁带宽度大：禁带宽度大：禁带宽度大：禁带宽度大：9 eV 9 eV 介电常数介电常数介电常数介电常数：3.93.9 (热氧化二氧化硅膜热氧化二氧化硅膜热氧化二氧化硅膜热氧化二氧化硅膜)（二）（二）SiO2的
6、性质的性质的性质的性质第4页，共62页，编辑于2022年，星期一 B B、P P、As As 等等等等常见杂质常见杂质常见杂质常见杂质在在在在SiOSiO2 2中的中的中的中的扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数远小于其远小于其远小于其远小于其 在在在在SiSi中的扩散系数。中的扩散系数。中的扩散系数。中的扩散系数。D DSiSi D DSiOSiO2 2 SiO SiO2 2做掩蔽膜要有做掩蔽膜要有做掩蔽膜要有做掩蔽膜要有足够的厚度足够的厚度足够的厚度足够的厚度：对特定的杂质、扩散：对特定的杂质、扩散：对特定的杂质、扩散：对特定的杂质、扩散 时间、扩散温度等条件，有一时间、扩散温度等条件，有一时
7、间、扩散温度等条件，有一时间、扩散温度等条件，有一最小掩蔽厚度最小掩蔽厚度最小掩蔽厚度最小掩蔽厚度。某些杂质，如某些杂质，如某些杂质，如某些杂质，如GaGa，NaNa，OO，CuCu，AuAu等，是等，是等，是等，是SiOSiO2 2中的中的中的中的快速扩散杂质快速扩散杂质快速扩散杂质快速扩散杂质。2、二氧化硅的掩蔽性质、二氧化硅的掩蔽性质第5页，共62页，编辑于2022年，星期一 在一定温度下，在一定温度下，在一定温度下，在一定温度下，能和强碱能和强碱(如如NaOH，KOH等等)反反反反 应应，也有可能被铝、氢等还原。，也有可能被铝、氢等还原。，也有可能被铝、氢等还原。，也有可能被铝、氢等还
8、原。3、二氧化硅的化学稳定性、二氧化硅的化学稳定性 二氧化硅是硅的二氧化硅是硅的二氧化硅是硅的二氧化硅是硅的最稳定最稳定最稳定最稳定化合物，属于酸性氧化物，化合物，属于酸性氧化物，化合物，属于酸性氧化物，化合物，属于酸性氧化物，不溶于水不溶于水。耐耐多种多种强酸腐蚀强酸腐蚀强酸腐蚀强酸腐蚀，但极，但极，但极，但极易与易与氢氟酸氢氟酸反应反应反应反应。第6页，共62页，编辑于2022年，星期一（三）二氧化硅在（三）二氧化硅在IC中的中的主要用途主要用途 用做杂质选择扩散的用做杂质选择扩散的掩蔽膜掩蔽膜 用做用做IC的的隔离介质隔离介质和和绝缘介质绝缘介质 用做电容器的用做电容器的介质材料介质材料
9、 用做用做MOS器件的器件的绝缘栅材料绝缘栅材料第7页，共62页，编辑于2022年，星期一SiOSiO2 2在一个在一个在一个在一个PMOSFETPMOSFET结构中的应用结构中的应用结构中的应用结构中的应用 (剖面示意图剖面示意图剖面示意图剖面示意图)第8页，共62页，编辑于2022年，星期一（四）（四）IC中常见的中常见的SiO2 2生长方法：生长方法：热氧化法、淀积法热氧化法、淀积法热氧化法、淀积法热氧化法、淀积法第9页，共62页，编辑于2022年，星期一问题：问题：问题：问题：生长厚度生长厚度生长厚度生长厚度为为为为T Toxox的二氧化硅，的二氧化硅，的二氧化硅，的二氧化硅，估算需要
10、消耗多估算需要消耗多估算需要消耗多估算需要消耗多少厚度的硅少厚度的硅少厚度的硅少厚度的硅?二、热氧化原理二、热氧化原理(Deal-Grove 模型模型)（一）（一）二氧化硅的生长二氧化硅的生长(化学过程化学过程化学过程化学过程)干氧氧化干氧氧化干氧氧化干氧氧化第10页，共62页，编辑于2022年，星期一（二）热氧化生长动力学（二）热氧化生长动力学（二）热氧化生长动力学（二）热氧化生长动力学(物理过程物理过程物理过程物理过程)第11页，共62页，编辑于2022年，星期一J1J1：粒子流密度：粒子流密度：粒子流密度：粒子流密度：J2J2：扩散流密度：扩散流密度：扩散流密度：扩散流密度 J3J3：反
11、应流密度：反应流密度：反应流密度：反应流密度（三）热氧化工艺的（三）热氧化工艺的（三）热氧化工艺的（三）热氧化工艺的Deal-Grove 模型模型模型模型C C：氧化剂浓度：氧化剂浓度：氧化剂浓度：氧化剂浓度第12页，共62页，编辑于2022年，星期一(1)(1)氧化剂氧化剂氧化剂氧化剂由由由由气相气相气相气相传输至传输至传输至传输至SiOSiO2 2的表面的表面的表面的表面，其粒子流密度，其粒子流密度，其粒子流密度，其粒子流密度J J1 1 (即单位时间通过单位面积的原子数或分子数即单位时间通过单位面积的原子数或分子数即单位时间通过单位面积的原子数或分子数即单位时间通过单位面积的原子数或分子
12、数)为：为：为：为：1 1、D G D G 模型模型模型模型h hG G 气相气相气相气相质量输运系数质量输运系数质量输运系数质量输运系数，单位：，单位：，单位：，单位：cm/seccm/secC CG G 气相气相气相气相(离硅片表面较远处离硅片表面较远处离硅片表面较远处离硅片表面较远处)氧化剂氧化剂氧化剂氧化剂浓度浓度浓度浓度Cs Cs SiO SiO2 2表面外侧表面外侧表面外侧表面外侧氧化剂氧化剂氧化剂氧化剂浓度浓度浓度浓度第13页，共62页，编辑于2022年，星期一D D0 0 氧化剂在氧化剂在氧化剂在氧化剂在SiOSiO2 2中中中中的的的的扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数，单位：
13、，单位：，单位：，单位：cmcm2 2/sec/secC C0 0 SiOSiO2 2表面表面表面表面内侧内侧内侧内侧氧化剂浓度氧化剂浓度氧化剂浓度氧化剂浓度C Ci i SiOSiO2 2-Si-Si界面处界面处界面处界面处氧化剂浓度氧化剂浓度氧化剂浓度氧化剂浓度T T0 x 0 x SiOSiO2 2厚度厚度厚度厚度(2)(2)位于位于位于位于SiOSiO2 2表面的氧化剂穿过已生成的表面的氧化剂穿过已生成的表面的氧化剂穿过已生成的表面的氧化剂穿过已生成的SiOSiO2 2层扩散到层扩散到层扩散到层扩散到 SiO SiO2 2-Si-Si界面，其界面，其界面，其界面，其扩散流密度扩散流密度
14、扩散流密度扩散流密度J J2 2为：为：为：为：线性近似，得到线性近似，得到线性近似，得到线性近似，得到第14页，共62页，编辑于2022年，星期一KKs s 氧化剂在氧化剂在氧化剂在氧化剂在SiOSiO2 2-Si-Si界面处的表面界面处的表面界面处的表面界面处的表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，单位：单位：单位：单位：cm/seccm/sec(3)(3)SiOSiO2 2-Si-Si界面处界面处界面处界面处，氧化剂和硅反应生成新的，氧化剂和硅反应生成新的，氧化剂和硅反应生成新的，氧化剂和硅反应生成新的SiOSiO2 2 ，其，其，其，其 反应流密度反应流
15、密度反应流密度反应流密度J J3 3为：为：为：为：CiCi SiO SiO2 2-Si-Si界面处氧化剂浓度界面处氧化剂浓度界面处氧化剂浓度界面处氧化剂浓度平衡平衡平衡平衡状态下，有状态下，有状态下，有状态下，有得到两个方程式，但有三个未知量：得到两个方程式，但有三个未知量：得到两个方程式，但有三个未知量：得到两个方程式，但有三个未知量：Cs Co CCs Co Ci i求求求求 解解解解第15页，共62页，编辑于2022年，星期一剩下两个未知量：剩下两个未知量：剩下两个未知量：剩下两个未知量：C C0 0和和和和C Ci i亨利定律：亨利定律：亨利定律：亨利定律：固体表面吸附元素浓度与固体
16、表面外侧气固体表面吸附元素浓度与固体表面外侧气固体表面吸附元素浓度与固体表面外侧气固体表面吸附元素浓度与固体表面外侧气 体中该元素的分气压成正比体中该元素的分气压成正比体中该元素的分气压成正比体中该元素的分气压成正比 理想气体定律理想气体定律理想气体定律理想气体定律HH亨利气体常数亨利气体常数亨利气体常数亨利气体常数+两个方程两个方程两个方程两个方程可求解可求解可求解可求解C Ci i和和和和C C0 0两个方程式，但有三个未知量：两个方程式，但有三个未知量：两个方程式，但有三个未知量：两个方程式，但有三个未知量：Cs Co CCs Co Ci i第16页，共62页，编辑于2022年，星期一定
17、义定义定义定义则有：则有：则有：则有：第17页，共62页，编辑于2022年，星期一其中其中其中其中N N1 1是形成单位体积是形成单位体积是形成单位体积是形成单位体积SiOSiO2 2所需的氧化所需的氧化所需的氧化所需的氧化剂分子数或原子数。剂分子数或原子数。剂分子数或原子数。剂分子数或原子数。通过解方程，可以得到通过解方程，可以得到通过解方程，可以得到通过解方程，可以得到因此，有，因此，有，因此，有，因此，有，将将将将J J3 3与氧化速率联系起来，有与氧化速率联系起来，有与氧化速率联系起来，有与氧化速率联系起来，有N N1 1=2.2=2.210102222cmcm-3-3(干氧干氧干氧干
18、氧OO2 2)N N1 1=4.4=4.4 10 102222cmcm-3-3(水汽水汽水汽水汽HH2 2O)O)第18页，共62页，编辑于2022年，星期一边界条件边界条件边界条件边界条件上述方程式的解可以写为：上述方程式的解可以写为：上述方程式的解可以写为：上述方程式的解可以写为：其中，其中，其中，其中，第19页，共62页，编辑于2022年，星期一 介于介于介于介于(1)(1)、(2)(2)两者之间两者之间两者之间两者之间的情况，的情况，的情况，的情况，T Toxox t t关系要用求根公式表示：关系要用求根公式表示：关系要用求根公式表示：关系要用求根公式表示：（1 1）氧化层厚度与氧化时
19、间的关系式：）氧化层厚度与氧化时间的关系式：）氧化层厚度与氧化时间的关系式：）氧化层厚度与氧化时间的关系式：氧化层足够薄氧化层足够薄氧化层足够薄氧化层足够薄(氧化时间短氧化时间短氧化时间短氧化时间短)时时时时，可忽略二次项，此时，可忽略二次项，此时，可忽略二次项，此时，可忽略二次项，此时T Toxox t t为为为为线性线性线性线性关系：关系：关系：关系：其中其中其中其中B/AB/A为为为为线性氧化速率常数线性氧化速率常数线性氧化速率常数线性氧化速率常数 氧化层足够厚氧化层足够厚氧化层足够厚氧化层足够厚(氧化时间长氧化时间长氧化时间长氧化时间长)时时时时，可忽略一次项，此时，可忽略一次项，此时
20、，可忽略一次项，此时，可忽略一次项，此时T Tox ox t t为为为为抛物线抛物线抛物线抛物线关系：关系：关系：关系：其中其中其中其中B B为为为为抛物线氧化速率常数抛物线氧化速率常数抛物线氧化速率常数抛物线氧化速率常数2 2、主要结论、主要结论、主要结论、主要结论第20页，共62页，编辑于2022年，星期一（2 2）氧化速率与氧化层厚度的关系）氧化速率与氧化层厚度的关系）氧化速率与氧化层厚度的关系）氧化速率与氧化层厚度的关系氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降氧化速率随着
21、氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降第21页，共62页，编辑于2022年，星期一图图图图4.6 4.6 各种薄各种薄各种薄各种薄干氧氧化干氧氧化干氧氧化干氧氧化情况下，氧化速率与氧化层厚度之间情况下，氧化速率与氧化层厚度之间情况下，氧化速率与氧化层厚度之间情况下，氧化速率与氧化层厚度之间 的关系，衬底是轻微掺杂的的关系，衬底是轻微掺杂的的关系，衬底是轻微掺杂的的关系，衬底是轻微掺杂的 (1 0 0)(1 0 0)硅。硅。硅。硅。第22页，共62页，编辑于2022年，星期一 线性氧化区：线性氧化区：线性氧化区：线性氧化区：抛物线氧化区：抛物线氧化区：抛物线氧化区：抛物线氧化区：讨讨讨讨 论论
22、论论也称反应限制氧化区也称反应限制氧化区也称反应限制氧化区也称反应限制氧化区也称扩散限制氧化区也称扩散限制氧化区也称扩散限制氧化区也称扩散限制氧化区第23页，共62页，编辑于2022年，星期一 D-G D-G模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，但对于但对于但对于但对于薄干氧氧化层薄干氧氧化层薄干氧氧化层薄干氧氧化层的生长，的生长，的生长，的生长，D-GD-G模型模型模型模型严重低估严重低估严重低估严重低估氧化层厚度。氧化层厚度。氧化层厚度。氧化层厚度。根据根据根据
23、根据D-GD-G模型，模型，模型，模型，氧化层厚度趋于零氧化层厚度趋于零氧化层厚度趋于零氧化层厚度趋于零(氧化时间接近于零氧化时间接近于零氧化时间接近于零氧化时间接近于零)时，时，时，时，氧化速率接近于一个常数值氧化速率接近于一个常数值氧化速率接近于一个常数值氧化速率接近于一个常数值：初始快速氧化阶段初始快速氧化阶段初始快速氧化阶段初始快速氧化阶段但实际工艺结果显示，初始氧化速率但实际工艺结果显示，初始氧化速率但实际工艺结果显示，初始氧化速率但实际工艺结果显示，初始氧化速率比预计值大了比预计值大了比预计值大了比预计值大了4 4倍倍倍倍或更多。或更多。或更多。或更多。D-GD-G干氧模型中给出一
24、个干氧模型中给出一个干氧模型中给出一个干氧模型中给出一个 值，来补偿初始阶段的过度生长。值，来补偿初始阶段的过度生长。值，来补偿初始阶段的过度生长。值，来补偿初始阶段的过度生长。3 3、D G D G 模型的修正模型的修正模型的修正模型的修正第24页，共62页，编辑于2022年，星期一湿氧工艺的氧化速率常数湿氧工艺的氧化速率常数湿氧工艺的氧化速率常数湿氧工艺的氧化速率常数干氧工艺的氧化速率常数干氧工艺的氧化速率常数干氧工艺的氧化速率常数干氧工艺的氧化速率常数第25页，共62页，编辑于2022年，星期一参数参数参数参数B B和和和和B/AB/A可写成可写成可写成可写成ArrheniusArrhe
25、nius函数形式。函数形式。函数形式。函数形式。参数参数参数参数B B的激活能的激活能的激活能的激活能E EA A取决于氧化剂的扩散系数取决于氧化剂的扩散系数取决于氧化剂的扩散系数取决于氧化剂的扩散系数(D(D0 0)的激活能；的激活能；的激活能；的激活能；B B和和和和B/AB/A4 4、参数、参数、参数、参数B B和和和和B/AB/A的温度依赖关系的温度依赖关系的温度依赖关系的温度依赖关系在各种氧化工艺条件下，参数在各种氧化工艺条件下，参数在各种氧化工艺条件下，参数在各种氧化工艺条件下，参数B B和和和和B/AB/A都可以确定下来，都可以确定下来，都可以确定下来，都可以确定下来，并且是并且
26、是并且是并且是扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数、反应速率常数反应速率常数反应速率常数反应速率常数和和和和气压等工艺参数气压等工艺参数气压等工艺参数气压等工艺参数的函数。的函数。的函数。的函数。参数参数参数参数B/AB/A的激活能取决于的激活能取决于的激活能取决于的激活能取决于KsKs，基本上与，基本上与，基本上与，基本上与SiSiSiSi键合力一致。键合力一致。键合力一致。键合力一致。第26页，共62页，编辑于2022年，星期一B/A:B/A:线性速率常数线性速率常数线性速率常数线性速率常数B:B:抛物线速率常数抛物线速率常数抛物线速率常数抛物线速率常数图图图图4.2 4.2 氧化系数氧化系数
27、氧化系数氧化系数B B的阿列尼乌斯图，湿氧氧的阿列尼乌斯图，湿氧氧的阿列尼乌斯图，湿氧氧的阿列尼乌斯图，湿氧氧化参数取决于化参数取决于化参数取决于化参数取决于水汽浓度水汽浓度水汽浓度水汽浓度(进而取决于气流量进而取决于气流量进而取决于气流量进而取决于气流量和高温分解条件和高温分解条件和高温分解条件和高温分解条件)图图图图4.3 4.3 氧化系数氧化系数氧化系数氧化系数B/AB/A的阿列尼乌斯图的阿列尼乌斯图的阿列尼乌斯图的阿列尼乌斯图第27页，共62页，编辑于2022年，星期一I I 氧化速率常数氧化速率常数氧化速率常数氧化速率常数的的的的实验获取实验获取实验获取实验获取方法方法方法方法补补补
28、补 充充充充第28页，共62页，编辑于2022年，星期一氧化层厚度氧化层厚度氧化层厚度氧化层厚度 氧化时间氧化时间氧化时间氧化时间关系图关系图关系图关系图第29页，共62页，编辑于2022年，星期一IIIIIIII 计算热氧化工艺生长计算热氧化工艺生长计算热氧化工艺生长计算热氧化工艺生长SiOSiO2 2厚度厚度厚度厚度的方法的方法的方法的方法(例子例子例子例子)(1)(1)查表查表查表查表4.14.1得到得到得到得到11001100下湿氧氧化的下湿氧氧化的下湿氧氧化的下湿氧氧化的B B，B/AB/A数值，并结合数值，并结合数值，并结合数值，并结合T Toxioxi 值计算出值计算出值计算出值
29、计算出 求解求解求解求解T Toxox即可即可即可即可方法方法方法方法 1 1 1 1：(2)(2)将将将将B B，A A，及氧化时间及氧化时间及氧化时间及氧化时间t t代入方程式代入方程式代入方程式代入方程式第30页，共62页，编辑于2022年，星期一(3)(3)再在再在再在再在氧化厚度氧化厚度氧化厚度氧化厚度 氧化时间氧化时间氧化时间氧化时间图图图图 上直接查找上直接查找上直接查找上直接查找11001100下，湿氧下，湿氧下，湿氧下，湿氧 氧化氧化氧化氧化5757分钟所得到的氧化层分钟所得到的氧化层分钟所得到的氧化层分钟所得到的氧化层 厚度为厚度为厚度为厚度为6500A6500A左右。左右
30、。左右。左右。方法方法方法方法 2 2 2 2(1)(1)在在在在氧化厚度氧化厚度氧化厚度氧化厚度-氧化时间图氧化时间图氧化时间图氧化时间图上可上可上可上可直接查找直接查找直接查找直接查找11001100下，湿氧下，湿氧下，湿氧下，湿氧 氧化氧化氧化氧化T Toxioxi=4000=4000 所需的氧化时间是所需的氧化时间是所需的氧化时间是所需的氧化时间是2424分钟；分钟；分钟；分钟；(2)(2)因此例题中总的有效氧化因此例题中总的有效氧化因此例题中总的有效氧化因此例题中总的有效氧化 时间为时间为时间为时间为(24+33)=57(24+33)=57分钟分钟分钟分钟 (此处即假设初始氧化层厚度
31、为此处即假设初始氧化层厚度为此处即假设初始氧化层厚度为此处即假设初始氧化层厚度为0)0)；利用利用利用利用氧化厚度氧化厚度氧化厚度氧化厚度-氧化时间氧化时间氧化时间氧化时间图图图图第31页，共62页，编辑于2022年，星期一5 5、影响氧化速率的因素、影响氧化速率的因素、影响氧化速率的因素、影响氧化速率的因素(1)(1)温度对氧化速率的影响：温度对氧化速率的影响：温度对氧化速率的影响：温度对氧化速率的影响：(2)(2)氧化气氛对氧化速率的影响：氧化气氛对氧化速率的影响：氧化气氛对氧化速率的影响：氧化气氛对氧化速率的影响：(3)(3)氧化剂气压对氧化速率的影响：氧化剂气压对氧化速率的影响：氧化剂
32、气压对氧化速率的影响：氧化剂气压对氧化速率的影响：当氧化剂气压变大时，氧化反应会被加速进行当氧化剂气压变大时，氧化反应会被加速进行当氧化剂气压变大时，氧化反应会被加速进行当氧化剂气压变大时，氧化反应会被加速进行。(4)(4)硅片表面晶向对氧化速率的影响：硅片表面晶向对氧化速率的影响：硅片表面晶向对氧化速率的影响：硅片表面晶向对氧化速率的影响：由于由于由于由于KsKs取决于硅取决于硅取决于硅取决于硅表面的密度表面的密度表面的密度表面的密度和反应的和反应的和反应的和反应的活化能活化能活化能活化能，而而而而的硅表面原子密度较高，的硅表面原子密度较高，的硅表面原子密度较高，的硅表面原子密度较高，KsK
33、s相对较大；相对较大；相对较大；相对较大；所以所以所以所以的氧化速率比的氧化速率比的氧化速率比的氧化速率比快快快快。温度温度温度温度 B B和和和和B/AB/A 氧化速率氧化速率氧化速率氧化速率 C*(HC*(H2 2OO气氛气氛气氛气氛)C*(O)C*(O2 2气氛气氛气氛气氛)HH2 2OO氧化速率远大于氧化速率远大于氧化速率远大于氧化速率远大于OO2 2 氧化速率氧化速率氧化速率氧化速率B B C*C*P PGG第32页，共62页，编辑于2022年，星期一图图图图4.5 4.5 高压水汽氧化中的抛物线和线性速率系数高压水汽氧化中的抛物线和线性速率系数高压水汽氧化中的抛物线和线性速率系数高
34、压水汽氧化中的抛物线和线性速率系数(引自引自引自引自RazoukRazouk等人文献，等人文献，等人文献，等人文献，经电化学协会准许重印经电化学协会准许重印经电化学协会准许重印经电化学协会准许重印)第33页，共62页，编辑于2022年，星期一 杂质的增强氧化效应杂质的增强氧化效应杂质的增强氧化效应杂质的增强氧化效应 高浓度衬底杂质高浓度衬底杂质高浓度衬底杂质高浓度衬底杂质一般都倾向于一般都倾向于一般都倾向于一般都倾向于提高氧化速率提高氧化速率提高氧化速率提高氧化速率注意：杂质的增强氧化不仅注意：杂质的增强氧化不仅注意：杂质的增强氧化不仅注意：杂质的增强氧化不仅造成硅片表面氧化层厚度的造成硅片表
35、面氧化层厚度的造成硅片表面氧化层厚度的造成硅片表面氧化层厚度的差异，也形成差异，也形成差异，也形成差异，也形成新的硅台阶新的硅台阶新的硅台阶新的硅台阶。(5)(5)衬底掺杂对氧化的影响衬底掺杂对氧化的影响衬底掺杂对氧化的影响衬底掺杂对氧化的影响第34页，共62页，编辑于2022年，星期一图图图图4.19 9004.19 900下，干氧氧化的下，干氧氧化的下，干氧氧化的下，干氧氧化的速率系数速率系数速率系数速率系数与与与与磷表面浓磷表面浓磷表面浓磷表面浓度度度度的函数关系曲线的函数关系曲线的函数关系曲线的函数关系曲线(引自引自引自引自HoHo等人文献，经电化学协会等人文献，经电化学协会等人文献，
36、经电化学协会等人文献，经电化学协会准许重印准许重印准许重印准许重印)高浓度的磷在硅表高浓度的磷在硅表高浓度的磷在硅表高浓度的磷在硅表面面面面增加空位密度增加空位密度增加空位密度增加空位密度，从而从而从而从而提高提高提高提高硅的表面硅的表面硅的表面硅的表面反应速率反应速率反应速率反应速率。第35页，共62页，编辑于2022年，星期一图图图图4.18 4.18 在在在在三种三种三种三种不同的硼表面不同的硼表面不同的硼表面不同的硼表面浓度浓度浓度浓度下，下，下，下，二氧化硅厚二氧化硅厚二氧化硅厚二氧化硅厚度度度度与与与与湿氧氧化时间湿氧氧化时间湿氧氧化时间湿氧氧化时间的关系的关系的关系的关系(引白引
37、白引白引白DeaIDeaI等人文献，等人文献，等人文献，等人文献，经电化学协会准许重印经电化学协会准许重印经电化学协会准许重印经电化学协会准许重印)高浓度的硼高浓度的硼高浓度的硼高浓度的硼进入进入进入进入SiOSiO2 2中中中中可增强分可增强分可增强分可增强分子氧扩散率子氧扩散率子氧扩散率子氧扩散率，从，从，从，从而而而而提高提高提高提高其抛物线其抛物线其抛物线其抛物线氧化速率氧化速率氧化速率氧化速率。第36页，共62页，编辑于2022年，星期一氧化过程中硅内的氧化过程中硅内的氧化过程中硅内的氧化过程中硅内的杂质杂质杂质杂质会会会会在在在在硅和新生长的硅和新生长的硅和新生长的硅和新生长的Si
38、OSiO2 2之之之之界面处重新界面处重新界面处重新界面处重新分布分布分布分布，这是由于杂质在硅和，这是由于杂质在硅和，这是由于杂质在硅和，这是由于杂质在硅和SiOSiO2 2中的固溶度不同引起的。中的固溶度不同引起的。中的固溶度不同引起的。中的固溶度不同引起的。分凝效应分凝效应分凝效应分凝效应第37页，共62页，编辑于2022年，星期一 干氧氧化的干氧氧化的干氧氧化的干氧氧化的氧化剂氧化剂氧化剂氧化剂 O O2 2 湿氧氧化的湿氧氧化的湿氧氧化的湿氧氧化的氧化剂氧化剂氧化剂氧化剂 OO2 2 +水水水水的混合气体的混合气体的混合气体的混合气体。（一）热氧化工艺（一）热氧化工艺（一）热氧化工艺
39、（一）热氧化工艺(方法方法方法方法)OO2 2加少量卤素加少量卤素加少量卤素加少量卤素（1%-3%1%-3%），最常用的卤素是），最常用的卤素是），最常用的卤素是），最常用的卤素是氯氯氯氯 高温下高温下高温下高温下OO2 2和和和和HH2 2混合点火混合点火混合点火混合点火燃烧形成水蒸汽燃烧形成水蒸汽燃烧形成水蒸汽燃烧形成水蒸汽(H(H2 2O)O)1 1、最常见的氧化方法：、最常见的氧化方法：、最常见的氧化方法：、最常见的氧化方法：2 2、其他常用的氧化环境：、其他常用的氧化环境：、其他常用的氧化环境：、其他常用的氧化环境：三、热氧化工艺（方法）和系统三、热氧化工艺（方法）和系统（按氧化剂分
40、类）（按氧化剂分类）（按氧化剂分类）（按氧化剂分类）干氧氧化干氧氧化干氧氧化干氧氧化和和和和湿氧氧化湿氧氧化湿氧氧化湿氧氧化第38页，共62页，编辑于2022年，星期一1)1)硅片送入硅片送入硅片送入硅片送入炉管炉管炉管炉管，通入，通入，通入，通入N N2 2及及及及小流量小流量小流量小流量OO2 2；2)2)升温，升温速度为升温，升温速度为升温，升温速度为升温，升温速度为5530/30/分钟分钟分钟分钟；3)3)通大流量通大流量通大流量通大流量OO2 2，氧化反应开始；，氧化反应开始；，氧化反应开始；，氧化反应开始；4)4)通大流量通大流量通大流量通大流量OO2 2及及及及TCE TCE(0
41、.50.52 2)；5)5)关闭关闭关闭关闭TCETCE，通大流量，通大流量，通大流量，通大流量OO2 2，以消，以消，以消，以消 除残余的除残余的除残余的除残余的TCETCE；6)6)关闭关闭关闭关闭OO2 2，改通，改通，改通，改通N N2 2，作，作，作，作退火退火退火退火；7)7)降温，降温速度为降温，降温速度为降温，降温速度为降温，降温速度为221 0/1 0/分钟分钟分钟分钟；8)8)硅片拉出炉管。硅片拉出炉管。硅片拉出炉管。硅片拉出炉管。3 3、氧化工艺的、氧化工艺的、氧化工艺的、氧化工艺的主要步骤主要步骤主要步骤主要步骤TCETCE：三氯乙烯：三氯乙烯：三氯乙烯：三氯乙烯以以以
42、以干氧干氧干氧干氧氧化为例氧化为例氧化为例氧化为例第39页，共62页，编辑于2022年，星期一(1)(1)干氧氧化：干氧氧化：干氧氧化：干氧氧化：氧化速率慢，氧化速率慢，氧化速率慢，氧化速率慢，SiOSiO2 2膜结构致密、干燥膜结构致密、干燥膜结构致密、干燥膜结构致密、干燥(与光与光与光与光 刻胶粘附性好刻胶粘附性好刻胶粘附性好刻胶粘附性好)，掩蔽能力强。，掩蔽能力强。，掩蔽能力强。，掩蔽能力强。(2)(2)湿氧氧化：湿氧氧化：湿氧氧化：湿氧氧化：氧化速率快，氧化速率快，氧化速率快，氧化速率快，SiOSiO2 2膜结构较疏松，表面易有缺膜结构较疏松，表面易有缺膜结构较疏松，表面易有缺膜结构较
43、疏松，表面易有缺 陷，与光刻胶粘附性不良。陷，与光刻胶粘附性不良。陷，与光刻胶粘附性不良。陷，与光刻胶粘附性不良。(湿氧环境中湿氧环境中湿氧环境中湿氧环境中OO2 2和和和和 H H2 2OO的比例是关键参数的比例是关键参数的比例是关键参数的比例是关键参数)(3)(3)氢氧合成氧化：氢氧合成氧化：氢氧合成氧化：氢氧合成氧化：氧化机理与湿氧氧化类似，氧化机理与湿氧氧化类似，氧化机理与湿氧氧化类似，氧化机理与湿氧氧化类似，SiOSiO2 2膜质量取膜质量取膜质量取膜质量取 决于决于决于决于HH2 2，OO2 2纯度纯度纯度纯度(一般一般一般一般HH2 2纯度可达纯度可达纯度可达纯度可达99.999
44、999.9999，OO2 2纯度纯度纯度纯度 可达可达可达可达 99.99 99.99)；氧化速率取决于；氧化速率取决于；氧化速率取决于；氧化速率取决于HH2 2和和和和OO2 2的比例。的比例。的比例。的比例。(3)(3)掺氯氧化：掺氯氧化：掺氯氧化：掺氯氧化：减少钠离子沾污，提高减少钠离子沾污，提高减少钠离子沾污，提高减少钠离子沾污，提高SiOSiO2 2SiSi界面质量；氧界面质量；氧界面质量；氧界面质量；氧 化速率略有提高。化速率略有提高。化速率略有提高。化速率略有提高。(常用的氯源：常用的氯源：常用的氯源：常用的氯源：HCIHCI，TCETCE，TCATCA等等等等)4 4 4 4、
45、不同氧化方法的特点不同氧化方法的特点不同氧化方法的特点不同氧化方法的特点第40页，共62页，编辑于2022年，星期一图图图图4.4 4.4 氯对氧化速率系数的影响氯对氧化速率系数的影响氯对氧化速率系数的影响氯对氧化速率系数的影响第41页，共62页，编辑于2022年，星期一1 1、局部氧化、局部氧化、局部氧化、局部氧化(LOCOS(LOCOS，Local Oxidation of Si)Local Oxidation of Si)（二）（二）（二）（二）lClC制造中常用的氧化工艺制造中常用的氧化工艺制造中常用的氧化工艺制造中常用的氧化工艺(技术技术技术技术)：第42页，共62页，编辑于2022
46、年，星期一(1)(1)栅氧化工艺是栅氧化工艺是栅氧化工艺是栅氧化工艺是CMOS ICCMOS IC制造的制造的制造的制造的关键工艺关键工艺关键工艺关键工艺，基本要求：，基本要求：，基本要求：，基本要求：栅氧化层薄栅氧化层薄栅氧化层薄栅氧化层薄（集成度）；（集成度）；（集成度）；（集成度）；栅氧化温度低（栅氧化温度低（栅氧化温度低（栅氧化温度低（保证氧化工艺的均匀性和重复性）。保证氧化工艺的均匀性和重复性）。保证氧化工艺的均匀性和重复性）。保证氧化工艺的均匀性和重复性）。(2)(2)掺氯氧化掺氯氧化掺氯氧化掺氯氧化可使氧化物可使氧化物可使氧化物可使氧化物缺陷密度缺陷密度缺陷密度缺陷密度显著显著显
47、著显著减少减少减少减少，但温度低于，但温度低于，但温度低于，但温度低于10001000 时氯的钝化效果差。一般的栅氧化工艺采取时氯的钝化效果差。一般的栅氧化工艺采取时氯的钝化效果差。一般的栅氧化工艺采取时氯的钝化效果差。一般的栅氧化工艺采取两步氧化法两步氧化法两步氧化法两步氧化法：800 800900900，OO2 2+HClHCl氧化；氧化；氧化；氧化；升温到升温到升温到升温到1000100011001100，N N2 2 +HClHCl退火退火退火退火(3)(3)对于对于对于对于100100 及及及及更薄更薄更薄更薄厚度的氧化层，通常采用的氧化工艺还有：厚度的氧化层，通常采用的氧化工艺还有
48、：厚度的氧化层，通常采用的氧化工艺还有：厚度的氧化层，通常采用的氧化工艺还有：稀释氧化稀释氧化稀释氧化稀释氧化：氧化气氛为：氧化气氛为：氧化气氛为：氧化气氛为OO2 2和惰性气体和惰性气体和惰性气体和惰性气体(如如如如Ar)Ar)的混合物的混合物的混合物的混合物 低压氧化低压氧化低压氧化低压氧化：降低氧化炉中的气压：降低氧化炉中的气压：降低氧化炉中的气压：降低氧化炉中的气压(改用改用改用改用CVDCVD设备设备设备设备)快速热氧化快速热氧化快速热氧化快速热氧化(Rapid Oxidation)(Rapid Oxidation)：采用快速热处理设备：采用快速热处理设备：采用快速热处理设备：采用快
49、速热处理设备(4)(4)在栅氧化层厚度缩小到在栅氧化层厚度缩小到在栅氧化层厚度缩小到在栅氧化层厚度缩小到2020 后：后：后：后：需要发展替代的栅介质层材料，如氮氧化硅、高需要发展替代的栅介质层材料，如氮氧化硅、高需要发展替代的栅介质层材料，如氮氧化硅、高需要发展替代的栅介质层材料，如氮氧化硅、高KK介质材料等。介质材料等。介质材料等。介质材料等。2 2、栅氧化工艺、栅氧化工艺、栅氧化工艺、栅氧化工艺第43页，共62页，编辑于2022年，星期一 降低降低降低降低氧化氧化氧化氧化温度温度温度温度，缩短氧化时间，使，缩短氧化时间，使，缩短氧化时间，使，缩短氧化时间，使ICIC制造可采用制造可采用制
50、造可采用制造可采用低温工艺低温工艺低温工艺低温工艺；氧化层氧化层氧化层氧化层质量较好质量较好质量较好质量较好，降低漏电流，降低漏电流，降低漏电流，降低漏电流，改善电特性改善电特性改善电特性改善电特性；氧化层氧化层氧化层氧化层密度高密度高密度高密度高于常压氧化，于常压氧化，于常压氧化，于常压氧化，表面态密度低表面态密度低表面态密度低表面态密度低于常压氧化；于常压氧化；于常压氧化；于常压氧化；局部氧化时局部氧化时局部氧化时局部氧化时SiSi3 3N N4 4转化成转化成转化成转化成SiOSiO2 2的速度随压力上升而下降，因的速度随压力上升而下降，因的速度随压力上升而下降，因的速度随压力上升而下降