热氧化ppt课件

.,热氧化(ThermalOxidation),.,热氧化(ThermalOxidation),一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？氧化膜质量的检测五.文献调研,.,一.什么是热氧化？,1.热氧化定义：将硅片置于高温下，通以氧化的气氛，使硅表面一薄层的硅转变为二氧化硅的方法。,.,2.二氧化硅(Si02)的结构,2.1基本架构单元：4个O原子位于四面体的顶点，Si位于四面体中心。,.,.,结晶形和非结晶形（无定形）二氧化硅都是SiO正四面体结构组成的。这些四面体通过不同的桥键氧原子连接，形成不同状态和结构的二氧化硅。,桥键氧,非桥键氧,热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构(长程无序但短程有序)。,SiO2有结晶形和无定形两类。,.,热氧化(ThermalOxidation),一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？氧化膜质量的检测五.文献调研,.,二.为什么要热氧化？,1.氧化膜作用.作为杂质扩散或离子注入的掩蔽层.表面钝化层.器件隔离用的绝缘层.mos器件的组成部分栅介质.电容器的介质材料.多层布线间的绝缘层,.,介电强度高：10MV/cm,2.1二氧化硅的绝缘特性,电阻率高：11014cm11016cm禁带宽度大：9eV,介电常数：3.9(热氧化二氧化硅膜),2.SiO2的性质,.,B、P、As等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其在Si中的扩散系数。DSiDSiO2SiO2做掩蔽膜要有足够的厚度：对特定的杂质、扩散时间、扩散温度等，有一最小掩蔽厚度。,2.2二氧化硅的掩蔽性质,.,2.3二氧化硅的化学稳定性,二氧化硅是硅的最稳定化合物，属于酸性氧化物，不溶于水。耐多种强酸腐蚀，但极易与氢氟酸反应。,.,热氧化(ThermalOxidation),一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？氧化膜质量的检测五.文献调研,热氧化工艺,1、干氧氧化:,2、水汽氧化:,3、湿氧氧化:,通过高纯水的氧气携带一定水蒸气,.,干氧氧化系统,.,水汽氧化系统,常压下干氧、水汽、湿氧氧化法的特点及适用范围,.,在实际生产中，对于制备较厚的二氧化硅层来说往往采用干氧-湿氧-干氧相结合的氧化方式，既保证了二氧化硅层表面和Si-SiO2界面的质量,又解决了生长效率的问题。,1、氧化剂扩散穿过滞留层达到SiO2-气体界面，其流密度为F1。,F1=F2=F3,F3=KSNi,hG为气相质量转移系数；,KS为氧化剂与Si反应的界面化学反应常数。,F1=hG（NG-NS）,为氧化剂在SiO2中的扩散系数;,采用准静态近似（即所有反应物立即达到稳态条件），则：,热氧化生长动力学,一、热氧化过程,、氧化剂扩散穿过SiO2层达到SiO2-Si界面，流密度为F2。,、氧化剂在Si表面与Si反应生成SiO2，流密度为F3。,根据Henry定律，在平衡条件下，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中的分压，则SiO2表面处的氧化剂浓度NS：NS=HPSH为Henry定律常数。平衡条件下，SiO2中氧化剂的平衡浓度N*与气体中氧化剂分压PG关系：N*=HPG,由理想气体定律：,将上述四式代入:,得:F1=h(N*-NS),F1=hG（NG-NS）,其中:,再由F1=F2=F3,得:h(N*-NS),=KSNi,得,1）DSiO2KSX0,SiO2的生长速度由Si表面的化学反应速度决定，称为反应控制。,氧化的两种极限下，氧化层中氧化剂的分布示意图,SiO2的生长速度主要由氧化剂的扩散速度决定，称为扩散控制。,二、SiO2的生长厚度计算,N1为生长单位体积的SiO2所需的氧化剂分子个数。氧化剂为O2时，N1为2.21022/cm3；氧化剂为H2O时，N1为4.41022/cm3。,由初始条件X0（0）=Xi求得：X02+AX0=B（t+）,Si表面处的流密度也可表示为,其中：,进一步：,(无定形二氧化硅的分子密度NSiO2=2.21022/cm3),1）氧化初期t+,tA2/4B，抛物线氧化规律B为抛物线氧化速率。SiO2生长速率由氧化剂在SiO2中的扩散快慢决定。,此时,B/A为线性速率常数，SiO2生长速率由SiO2-Si表面化学反应速率常数KS决定。,氧化层厚度,.,热氧化(ThermalOxidation),一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化结果如何？氧化膜质量的检测五.文献调研,.,氧化膜质量检测,质量检测是氧化工艺的一个关键步骤氧化层质量的含义包括：厚度、介电常数、折射率、介电强度、缺陷密度等质量检测需要对上述各项指标的绝对值、其在片内及片的均匀性进行测量质量检测的方法一般可分为：物理测量、光学测量、电学测量,1.氧化膜厚度测量方法,.,2.氧化膜的电学测量方法：,（1）.击穿电压,（2）.电荷击穿特性,(3).电容-电压(C-V)测试：,增加电容器电压，测量通过氧化层的电流,热氧化硅的介电强度大约为12MV/cm；,给氧化层加刚好低于击穿电场的电应力，测量电流随时间的变化关系。,TDDB(TimeDependentDielectricBreakdown)测试,根据C-V曲线及其温偏特性，可以判断氧化层中的固定电荷密度、可动电荷密度和界面态密度等。,.,击穿电压的统计分布反映氧化层质量。,击穿电压：,二氧化硅膜击穿电压的典型直方图,.,电荷击穿特性：,击穿由电荷在氧化层中的积累而造成。,200埃SIO2膜的恒定压力测量,曲线末端电流急剧上升表明发生了不可恢复的介质击穿.,.,电容-电压(C-V)测试：,温度-偏压法：1)提取MOS电容C-V曲线；2)样品加热到100C，在栅极加2-5meV/cm,保持10-20分钟,冷却到室温做C-V曲线；3)加负偏压，重复上述过程。,C-V曲线,.,热氧化(ThermalOxidation),一.什么是热氧化？热氧化定义及SiO2的结构二.为什么要热氧化？氧化膜（SiO2）的性质和用途三.怎么热氧化呢？热氧化机理(Deal-Grove模型)热氧化工艺（方法）和系统四.氧化完之后呢？氧化膜质量的检测五.文献调研,.,ImprovedSi/SiOxinterfacepassivationbyultra-thintunnelingoxidelayerspreparedbyrapidthermaloxidation(RTO),Weanalyzetheinfluenceofdifferentoxidationmethodsonthechemicalpassivationqualityofsiliconoxide-nanolayersoncrystallinesiliconwaferswithsurfacephotovoltage(SPV)andquasi-steady-statephotoconductance(QSSPC)measurements.Theseresultsarecomparedwithsiliconoxide-nanolayerspreparedbywetchemicaloxidationandplasmaoxidation.,AppiledSurfaceScience,.,Experimentalsetupandprocedure,1.RCAcleaningmeasureroughness(UV-vis)2.Re-oxidizedmeasurethickness(UV-vis)3.Cleavedintotwohalves4.MeasureDitbySPV5.MeasureeffbyQSSPC,remainedintheas-depositedstateannealinFGA45060min,ChemicaloxidationPlasmaoxidationRapidThermalOxidation,.,1.WetchemicaloxidationinboilingnitricacidNAOS(69.5%HNO3)for30min.2.Plasmaoxidationinagaseousmixtureofnitrogenandoxygen(1000sccmN2:100sccmO2)at300CusingaSurfaceTechnol-ogySystems(STS)PECVDsystem.3.Thermaloxidationinagaseousmixtureofargonandoxygen(2000sccmAr:200sccmO2)at950CusingaJipelecJetFirstRapidThermalOxidation(RTO)system.,.,Tab.1.,.,Fig.1.,.,Fig.2.,.,Fig.3.,.,Fig.4.,.,Fig.5.,.,Fig.6.1,.,Fig.6.2,.,Tab.2.,.,Fig.7.,.,Conclusion,Areasonfortheimprovementbyannealinginforminggasenvironmentcouldbethepassivationofdanglingbondswithhydrogenatomspresentintheform-inggas.Thesurfacepassivationqualityofthea-SiNx:HlayercanbeenhancedtremendouslybyusingaRTOoxide-nanolayerasintermediatelayer.UsingthisRTOoxide-nanolayerinpassivatedcontactsforsolarcellscouldimprovetheachievableVocandthustoimprovetheefficiency.,.,SurfacePassivationofCrystallineSiliconSloarCellsbyHigh-PressureThermalOxidationatLowTemperature,Itwasrevealedthathigh-qualitysurfacepassivationcouldberealizedbytheHpoxidationat2MPaand550.ItwasalsodemonstratedthattheHPoxidationcanimprovethequali