热氧化生长动力学的研究综述

1、热氧化生长动力学的研究摘要 在分立器件与集成电路制造过程中，需要很多类型的薄膜，这些薄膜主 要分为四类：热氧化薄膜、介质、多晶硅以及金属膜等。半导体可采用多种氧化 方法，包括热氧化法、电化学阳极氧化法以及等离子体反应法。对于硅来说，热 氧化法是最重要的。本文主要讲述了在热氧化过程中 SIO2 的生长原理和影响因 素。一 引言在分立器件与集成电路制造过程中， 需要很多类型的薄膜， 这些 薄膜主要分为四类：热氧化薄膜、介质、多晶硅以及金属膜等。半导 体可采用多种氧化方法， 包括热氧化法、 电化学阳极氧化法以及等离 子体反应法。对于硅来说，热氧化法是最重要的。在热氧化薄膜中， 有两种膜最重要：一种是

2、在漏 / 源极的导通沟道覆盖的栅极氧化膜 ( gate oxide ); 一种是用来隔离其他器件的场氧化膜 (field oxide )。 这些膜只有通过热氧化才能获得最低界面陷阱密度的高质量氧化膜。 二氧化硅 SiO2和氮化硅 Si 3N4的介电薄膜作用：隔离导电层；作为扩 散及离子注入的掩蔽膜； 防止薄膜下掺杂物的损失； 保护器件使器件 免受杂质、水气或刮伤的损害。由于多晶硅电极的可靠性由于铝电极， 常用来制作 MOS器件的栅极； 多晶硅可以作为杂质扩散的浅结接触材 料；作为多层金属的导通材料或高电阻值的电阻。 金属薄膜有铝或金 属硅化物， 用来形成具有低电阻值的金属连线、 欧姆接触及整流

3、金属 - 半导体接触势垒器件。二 二氧化硅简介2.1 SiO 2 的结构SiO2 分为 结晶形 和 无定形 两类。结晶形 SiO2 由 Si-O 四面体 在 空间规则排列而成， 如水晶 ；无定形 SiO2 是 Si-O 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，如热氧 化的 SiO2 、CVD 淀积的 SiO 2 等。 Si-O 四面体的结构是， 4 个氧原 子位于四面体的 4 个角上， 1 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。2.2 SiO 2 的性质1）、二氧化硅的绝缘特性 二氧化硅具有电阻率高、禁带宽度大、介电强度高等特点。而且二氧

4、化硅最小击穿电场 （非本征击穿 ） ：由缺陷、杂质引起，最大击穿电场 （本征击穿 ）：由 SiO2厚度、导热性、界面态电荷等决定。实验证明二 氧化硅氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低。2）、二氧化硅的掩蔽性质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。SiO2做掩蔽膜要有足够的厚度：对特定的杂质、扩散时间、扩散 温度等条件，有一最小掩蔽厚度。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。 在一定温度下，能和强碱 （如 NaOH， KOH等） 反应，也有可能被铝、氢等还原。2.3

5、 二氧化硅在 IC 中的主要用途 二氧化硅可用做杂质选择扩散的掩蔽膜、 IC 的隔离介质和绝缘介质、 电容器的介质材料以及 MOS器件的绝缘栅材料等等。三 热氧化动力学的原理3.1 原理 热氧化工艺的原理就是在硅衬底上生成高质量的二氧化硅薄膜。热氧化工艺分为干氧氧化和湿氧氧化。反应方程式如下： Si+2H2O SiO2+2H2 湿氧氧化Si+O 2 SiO2 干氧氧化 热氧化是高温工艺。在高温下，一开始是氧原子与硅原子结合， 二氧化硅的生长是一个线性过程。大约长了 500? 之后，线性阶段达 到极限。为了保持氧化层的生长，氧原子与硅原子必须相互接触。在 二氧化硅的热生长过程中， 氧气扩散通过氧

6、化层进入到硅表面， 因此， 二氧化硅从硅表面消耗硅原子， 氧化层长入硅表面。 随着氧化层厚度 的增加，氧原子只有扩散通过更长的一段距离才可以到达硅表面。 因 此从时间上来看，氧化层的生长变慢，氧化层厚度、生长率及时间之 间的关系成抛物线形。高质量的二氧化硅都是在 8001200的高温下生成，而且其 生成速率极其缓慢。 其中湿氧氧化速率要高于干氧氧化。 在氧化过程 中，硅与二氧化硅的界面会向硅内部迁移，这将使得 Si 表面原有的 污染物移到氧化膜表面而形成一个崭新的界面。热氧化法生长二氧化常用的热氧化装置(图一) ，由电阻式加热的炉身、圆柱形熔凝石英 管、石英舟以及气体源组成。 将硅片置于用石英

7、玻璃制成的反应管中， 反应管用电阻丝加热炉加热一定温度 ( 常用的温度为 9001200， 在特殊条件下可降到 600以下 ) ，氧气或水汽通过反应管(典型的 气流速度为 1L/min )时生成 SiO2层，其厚度一般在几十埃到上万埃 之间。3.2 热氧化工艺的 Deal-Grove 模型C：氧化剂浓度 J1 ：粒子流密度 J2 ：扩散流密度J3 ：反应流密度1、D G 模型J1( 即单位时间通(1) 氧化剂由气相传输至 SiO2 的表面，其粒子流密度 过单位面积的原子数或分子数 ) 为：(2) 位于 SiO2 表面的氧化剂穿过已生成的 SiO2层扩散到 SiO2-Si 界面，其扩散流密度 J

8、2 为：(3) SiO 2-Si 界面处，氧化剂和硅反应生成新的 SiO2 ，其 反应流密度 J3 为：四 实验方案1. 氧化工艺的主要步骤 以干氧氧化为例1) 硅片送入炉管，通入 N2 及小流量 O2；2) 升温，升温速度为 5 30/ 分钟；3) 通大流量 O2，氧化反应开始；4) 通大流量 O2及 TCE (0.5 2)；5) 关闭 TCE，通大流量 O2，以消除残余的 TCE；6) 关闭 O2，改通 N2，作退火；7) 降温，降温速度为 21 0/分钟；2. 不同氧化方法的特点（1）干氧氧化：氧化速率慢， SiO2膜结构致密、干燥 （ 与光刻胶粘附 性好） ，掩蔽能力强。（2）湿氧氧化

9、：氧化速率快， SiO2 膜结构较疏松，表面易有缺陷， 与光刻胶粘附性不良。 （ 湿氧环境中 O2和 H 2O的比例是关键参数 ）（3）氢氧合成氧化：氧化机理与湿氧氧化类似， SiO2 膜质量取 决于 H2，O2纯度（一般 H2纯度可达 99.9999 ，O2纯度可达 99.99 ）； 氧化速率取决于 H2和 O2的比例。（3） 掺氯氧化：减少钠离子沾污，提高 SiO2 Si 界面质量；氧化速 率略有提高。 （ 常用的氯源： HCI，TCE， TCA等）五 主要结论与分析1、氧化层厚度与氧化时间的关系式：氧化层足够薄 （氧化时间短 ）时，可忽略二次项，此时 Tox t 为线性 关系：其中 B/

10、A 为线性氧化速率常数氧化层足够厚 （氧化时间长 ）时，可忽略一次项，此时 Tox t 为抛物 线关系：其中 B 为抛物线氧化速率常数介于(1) 、(2) 两者之间的情况， Tox t 关系要用求根公式表示：2、氧化速率与氧化层厚度的关系由图可知：氧化速率随着氧化层厚度的增加(氧化时间的增加)而下 降。图 4.6 各种薄干氧氧化情况下，氧化速率与氧化层厚度之间 的关系，衬底是轻微掺杂的 (1 0 0) 硅。3、D G 模型的修正 初始快速氧化阶段D-G模型在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，但对于薄干氧氧 化层的生长， D-G模型严重低估氧化层厚度。根据 D-G模型，氧化层 厚度趋于零 (氧

11、化时间接近于零 ) 时，氧化速率接近于一个常数值：实际工艺结果显示，初始氧化速率比预计值大了 4 倍或更多D-G干氧模型中给出一个 值，来补偿初始阶段的过度生长湿氧工艺的氧化速率常数干氧工艺的氧化速率常数4、参数 B和 B/A 的温度依赖关系 在各种氧化工艺条件下， 参数 B和 B/A都可以确定下来， 并且是扩散 系数、反应速率常数和气压等工艺参数的函数。 参数 B和 B/A 可写成 Arrhenius 函数形式。B 和 B/A参数 B的激活能 EA取决于氧化剂的扩散系数 (D0) 的激活能；参数 B/A 的激活能取决于 Ks，基本上与 Si Si 键合力一致。图 4.2氧化系数 B的阿列尼乌

12、斯图，湿氧氧化参数取决于水汽浓度 ( 进而取 决于气流量和高温分解条件 )图 4.3 氧化系数 B/A 的阿列尼乌斯图5 氧化速率常数的实验获取方法6 热氧化工艺的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、 其在片内及片间的均匀性进行测量， 质量检测的方 法一般可分为：物理测量、光学测量、电学测量。Thermal oxidation of covellite (CuS)J.G. Dunna,*, C. MuzendabA School of Applied Chemistry, C

13、urtin University, Perth, Australia B Department of Chemistry, Bindura University of Science Education, Bindura, Zimbabwe Received 17 July 2000; received in revised form 26 October 2000; accepted 27 October 2000 Abstract The thermal oxidation of covellite of particle size 45 90 mm was studied by heat

14、ing 56 mg samples at 208C min ?1 in dry air in a simultaneous thermogravimetry differential thermal analysis (TG DTA) apparatus.Evolved gases were analysed by coupled FTIR equipment. The unreacted and the partially oxidised covellite samples were characterised for phase composition by X-ray diffract

15、ion (XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) and optical microscopy (OM). By 3308C, a small amount of decomposition of covellite had occurred with the formation of cubic digenite (Cu1.8S). A mass loss was evident between 330 and 4228C associated with

16、an exothermic peak. This event was assigned to the decomposition of CuS to Cu2S followed by oxidation of the evolved sulfur. Between 422 and 4748C, an exothermic peak accompanied by a mass gain was observed. The exothermic peak was attributed to the oxidation of Cu2S, and the mass gain to the format

17、ion of CuSO4. This was followed by a further exothermic peak and mass gain in the temperature range 4745858C. This event was attributed to a solid solid reaction between Cu2S and CuSO4 which caused a melt to form. Until this stage, the reaction had proceeded by a shrinking core mechanism inhibited b

18、y oxide and sulfate coatings. However, the formation of a melt effectively destroyed this inhibition and permitted further oxidation of the sul?de and formation of sulfate. At 5838C CuO_CuSO4 was detected, and continued to form up to 6538C. Finally an endothermic event and mass loss observed in the

19、temperature range 6538208C were due to the decomposition of CuO_CuSO4 into CuO. Various other reactions wereidenti?ed which did not produce signi?cant events on the TG DTA record. # 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Covellite; Oxidation; TG DTAFTIR1. IntroductionCovellite usu

20、ally exists in small quantities associated with other copper sul?des such as chalcocite (Cu2S), chalcopyrite (CuFeS2) and bornite (Cu5FeS4). It is found in the zone of secondary enrichment formed as a result of the alteration of primary sul?des 1. It can occur as thin crusts or as deep blue-black powdery or sooty masses 2, as well as grains in geothite, malachite and areas of gangue 3. Heating covellite in an inert atmosphere causes decomposition with the formation of copper de?cient c