超大规模集成电路技术基础3修改

1、第3章 硅氧化 VLSI制造中，薄膜工艺是核心，包括热氧化膜（含栅氧化膜和场氧化膜）、电介质膜、多晶硅膜、金属膜。黄君凯 教授图3-1 MOSFET截面图3.1 热氧化方法 热氧化装置 线性升温至氧化温度：900 1200 , 控温精度 ，气流速率 。黄君凯 教授图3-2 热氧化炉截面垂直层流罩3.1.1 生长动力学（1）生长工艺 干氧化： 湿氧化： 设生长厚度为 的 层需消耗硅层厚度为 ，若非晶 层中硅原子密度 ，单晶硅原子密度 ，则上图中厚 的 层内的硅原子数，应与厚 的单晶硅层内的硅原子数相等： 解出 ：黄君凯 教授图3-3 热氧化过程（2） 膜结构 膜结构：晶态和非晶态（无定形）的密度

2、分别为 和 热氧化生成的 膜结构：非晶态，湿氧化结构比干氧化结构稀疏 黄君凯 教授图3-4 膜结构氧桥：非氧桥：（3）生长动力学定义： 为氧化物表面附近氧化剂分子平衡浓度 为硅表面附近氧化剂分子浓度 为氧化物中氧化剂分子浓度其中：干氧化时氧分子在氧化物中的浓度为 湿氧化时 分子在氧化物中的浓度为则右图中氧化剂扩散过 层流量 为： （3-1）黄君凯 教授图3-5 热氧化模型式中 为氧化剂的扩散系数， 为已存在的氧化层厚度。 氧化剂与硅发生反应产生的流量 为： （3-2）式中 为表面反应速率常数（具有速率量纲）。 稳态时， ，联立上两式：黄君凯 教授当氧化物厚度为 时，氧化层生长速率 为：当 时，

3、氧化物初始厚度为 ，干氧氧化时 ，从上式可解出： （3-3）式中 ，物理意义为 引起的时间坐标平移。从式（3-3）可得： （3-4）黄君凯 教授【分析】当 时，式（3- 4）作泰勒展开，可简化为： （3-5）对应于氧化物生长初期， 限制了生长速率，出现线性型生长关系。当 时，式（3- 4）可简化为： （3-6）对应于氧化物生长后期， 限制了生长速率，出现抛物线型生长关系。黄君凯 教授紧凑形式 在式（3-3）中，令 ，抛物线率常数 ， 线性率常数 ，则式（3-3）（3-5）（3-6）可写成 紧凑式： （3-7） （3-8） （3-9）黄君凯 教授（4）结果讨论线性率常数 具有 形式（ 为激活能）

4、，并取决于单晶硅晶向。【实验结果】 具有激活能函数形式，且 。 （接近 键能 ）【推论】由于 与氧原子和硅晶格反应速率 有关，也即与硅表面键结构有关，从而 与晶向有关；由于晶面键密度比 晶面更高，故晶面 的值 更大。黄君凯 教授图3-6 B/AT关系抛物线率常数 具有 形式，并与晶向无关。【实验结果】 具有激活能函数形式，且 接近氧在 中的扩散激活能 ； ，接近水在 中的 扩散激活能 。【推论】 与氧化剂在 中的随机扩散有关，从而与单晶硅晶向无关。黄君凯 教授图3-7 BT关系湿氧化速率远高于干氧化，且均与单晶硅晶向有关。【实验结果】湿氧化获得的薄膜厚度远大于干氧化，且在晶向的 单晶硅衬底生长的薄膜厚度大于晶向。黄君凯 教授图3-8 干氧氧化图3-9 湿氧氧化【推论】因湿氧化 值和 值均大于干氧化，并且 晶向的值大 于晶向，故相应的薄膜生长更快。【注意】 由于干氧化膜质量远优于湿氧化膜，故制备厚度相当薄 的高质量栅氧化层（ ）采用干氧法，但这时需 考虑 的影响， 即 ；制备厚度较厚的场氧化层 （ ），则要用湿氧法，这时无需考虑 的影响， 即 。黄君凯 教授3.1.2 薄氧化层生长（厚度520nm）【方法】大气压下低温干氧法，低压干氧法，低氧分压干氧法，混合氧 化法（干氧化 + CVD法）。【讨论】在干氧化开始