第四章热氧化

第四章热氧化第一页，共五十三页，2022年，8月28日目的: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说明：在室温下生长速率是每小时15Å到最大40Åp+Siliconsubstrate二氧化硅自然氧化层第二页，共五十三页，2022年，8月28日目的：用做单个晶体管之间的隔离阻挡层，使它们彼此隔离。

Comments：通常场氧化膜厚度从2500Å到15000Å。湿氧氧化是优选的生长方法.Fieldoxide晶体管位置p+Siliconsubstrate场氧化层第三页，共五十三页，2022年，8月28日栅氧化层目的:用做MOS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20Å到几百Å。

干热氧化是优选的生长方法GateoxideTransistorsitep+SiliconsubstrateSourceDrainGate第四页，共五十三页，2022年，8月28日阻挡层氧化目的：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阻挡氧化层DiffusedresistorsMetalp+Siliconsubstrate第五页，共五十三页，2022年，8月28日掺杂阻挡层目的：作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材料说明：通过选择性扩散，掺杂物扩散到硅片未被掩蔽的区域。Phosphorusimplantp+Siliconsubstratep-EpitaxiallayerBarrierOxiden-well第六页，共五十三页，2022年，8月28日目的：减小氮化硅(Si3N4)应力。

垫氧化层说明：热生长并非常薄。氮氧化硅，Siliconoxynitride氮化硅掩蔽氧化Nitrideoxidationmask

鸟嘴区，Bird’sbeakregion选择性氧化Selectiveoxidation垫氧化层PadoxideSiliconsubstrateSilicondioxide第七页，共五十三页，2022年，8月28日注入屏蔽氧化层目的：用于减小注入沟道和损伤.说明：热生长IonimplantationScreenoxide

硅上表面大的损伤+更强的沟道效应p+Siliconsubstrate

硅上表面小的损伤+更弱的沟道效应第八页，共五十三页，2022年，8月28日金属层间绝缘阻挡层目的：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。第九页，共五十三页，2022年，8月28日第十页，共五十三页，2022年，8月28日11颜色氧化层厚度（Å）~灰100

~黄褐300

~蓝800

紫10002750465065008500深蓝14003000490068008800绿18503300520072009300黄20003700560075009600橙22504000600079009900红250043506250820010200SiO2层厚度与颜色的关系第十一页，共五十三页，2022年，8月28日

制备

SiO2

薄膜的方法热氧化、化学汽相淀积（CVD）、物理汽相淀积（PVD）、离子注入氧化、阳极氧化等。

热氧化的基本原理：在

T=900~1200oC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

SiO2

薄膜。氧化剂可以是纯氧

O2（干氧氧化）、水蒸汽

H2O（水汽氧化）或氧和水蒸汽的混合物

O2+

H2O（湿氧氧化）。氧化类型速度均匀重复性结构掩蔽性水温干氧慢好致密好湿氧快较好中基本满足95℃水汽最快差疏松较差102℃第十二页，共五十三页，2022年，8月28日4.1迪尔和格罗夫氧化模型

滞流层（附面层）的概念将从衬底表面气体流速

v=0处到v=0.99

v0

处之间的这一层气体层称为滞流层。式中

v0

为主气流流速。主气流，v0氧化剂基座滞流层xyL第十三页，共五十三页，2022年，8月28日CgCsCs/=CoCitox

1、氧化剂从主气流穿过滞流层扩散到

SiO2

表面，

2、氧化剂从

SiO2

表面扩散到

SiO2/Si

界面上，

3、氧化剂到达

SiO2/Si

界面后同

Si

发生化学反应，tsl

热氧化过程第十四页，共五十三页，2022年，8月28日上式中，hg

=

Dg/ts1

为

气相质量输运系数，ks

为氧化剂与硅反应的界面

化学反应速率常数

。

Co

与

Cs

的关系可由

Henry

定律

得到。Henry

定律说明，固体中某种物质的浓度正比于其周围气体中该种物质的分压

，因此

SiO2

表面处的氧化剂浓度

Co

为在平衡状态下，式中，H

为

Henry

定律常数，后一个等号是根据理想气体定律。第十五页，共五十三页，2022年，8月28日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式中，h

=

hg/HkT

。在常压下

h

>>

ks，故分母中的第二项可以忽略。这说明在热氧化时，气流的影响极其微弱。于是可得到

SiO2/Si

界面处的氧化剂流密度为第十六页，共五十三页，2022年，8月28日

SiO2

膜的生长速率和厚度的计算将上式的

SiO2/Si

界面处氧化剂流密度

J3

除以单位体积的

SiO2所含的氧化剂分子数

N1，即可得到

SiO2

膜的生长速率当氧化剂为

O2

时，N1

为

2.21022/cm3；当氧化剂为

H2O

时，N1

为

4.41022/cm3。第十七页，共五十三页，2022年，8月28日利用tox(0)=t0

的初始条件，以上微分方程的解是式中或方程中的参数

A、B

可利用图

4.2

、图

4.3

直接查到。第十八页，共五十三页，2022年，8月28日第十九页，共五十三页，2022年，8月28日第二十页，共五十三页，2022年，8月28日要注意的是，当氧化层比较厚时，氧化速率将随氧化层厚度的变化而改变。因此，如果在氧化开始时已存在初始氧化层厚度

t0

，则氧化完成后的氧化层厚度并不是无t0

时氧化得到的氧化层厚度与

t0之和，而必须先用

t0确定τ，再将τ与t

相加得到有效氧化时间。第二十一页，共五十三页，2022年，8月28日4.2线性和抛物线速率系数当tox

较薄时，DSiO2/tox>>ks

，t+<<

A2/4B，此时

SiO2

的生长由化学反应速率常数ks控制，膜厚与时间成正比，称为线性生长阶段，B/A

称为

线性速率系数

。

一、线性速率系数第二十二页，共五十三页，2022年，8月28日此时

SiO2

的生长由扩散系数

DSiO2

控制，膜厚与成正比，称为抛物线生长阶段。B

称为

抛物线速率系数

。当tox

较厚时，DSiO2/tox<<

ks，t+

>>

A2/4B，

二、抛物线速率系数第二十三页，共五十三页，2022年，8月28日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

。氧化层厚度tox

与消耗掉的硅厚度tsi

的关系是

tsi

=0.44tox

tox

=2.27tsi

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

SiO2/Si

面将不再是平整的。第二十四页，共五十三页，2022年，8月28日

三、影响氧化速率的各种因素1.Thickerathigherthanatlowertemperature.2.Thickerwithwet(H2O)thanwithdry(O2)oxidation.3.Thickeron(111)thanon(100)orientedsurface.第二十五页，共五十三页，2022年，8月28日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>湿氧>>干氧。而氧化膜质量的好坏顺序则为，干氧>湿氧>水汽，所以很多情况下采用“干氧-湿氧-干氧”的顺序来进行氧化。例如，由于

MOSFET

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

MOSFET

的栅氧化通常采用干氧氧化。

1、氧化剂种类的影响第二十六页，共五十三页，2022年，8月28日第二十七页，共五十三页，2022年，8月28日第二十八页，共五十三页，2022年，8月28日在抛物线生长阶段

，氧化速率随着氧化膜的变厚而变慢

，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

高压水汽氧化

技术，即在几到几十个大气压下通过增大氧化剂分压

Pg

来提高氧化速率。

2、氧化剂分压的影响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

Pg

成正比。第二十九页，共五十三页，2022年，8月28日1.BothBandB/AdependedonPg.2.PressureincreasePg

Fasteroxidation第三十页，共五十三页，2022年，8月28日反过来，当需要极薄氧化膜的时候，例如

MOSFET

的栅氧化，可以采用

分压热氧化

技术。第三十一页，共五十三页，2022年，8月28日

3、氧化温度的影响结论第三十二页，共五十三页，2022年，8月28日

4、硅表面晶向的影响

线性速率系数B/A

与硅原子晶向有关，即

抛物线速率系数B

与硅晶向无关。

5、杂质的影响

(1)氧化层中高浓度的

Na+将增大

B

和

B/A

；

(2)氧化剂中若含

Cl2、HCl、DCE、TCE、TCA等，将有利于改善

SiO2

质量和

SiO2/Si

界面性质，并会增大

B

和

B/A；

(3)重掺杂硅比轻掺杂氧化快。硅中硼浓度增大，B

增大，B/A

的变化不大；硅中磷浓度增大，B/A

增大，B

的变化不大。第三十三页，共五十三页，2022年，8月28日4.3初始阶段的氧化实验发现，在氧化膜厚度

tox

<

30

nm

的氧化初始阶段，氧化速率比由迪尔-格罗夫模型预测的快了

4

倍多。可以通过对τ

值进行校正来提高模型的精度，但是这会使在氧化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：

模型1，氧化剂扩散穿过

SiO2层的速率加快；

模型2，氧化剂在

SiO2层中的溶解度增加；

模型3，氧化反应在

SiO2层的一定厚度内发生，第三十四页，共五十三页，2022年，8月28日4.4SiO2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

SiO2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。第三十五页，共五十三页，2022年，8月28日

SiO2

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断两个键，因此

硅空位的出现比氧空位要困难得多。第三十六页，共五十三页，2022年，8月28日4.5SiO2

的特性物理性质SiSiO2比重（g/cm3）2.232.20禁带宽度（eV）1.12~8相对介电常数11.73.9熔点（℃）14171700热导率（W/cm.k）1.50.01击穿电场（V/cm）3×1056×106

一、第三十七页，共五十三页，2022年，8月28日

二、化学性质

SiO2的化学性质非常稳定，仅被

HF

酸腐蚀第三十八页，共五十三页，2022年，8月28日

三、SiO2

的掩蔽作用杂质在

SiO2

中有两种存在形式。

B、P、As、Sb

等

Ⅲ、Ⅴ族杂质是替位式杂质，在

SiO2

中替代硅原子，在

SiO2

中的

扩散系数很小。其中

Ⅲ

族杂质形成负电中心，使非桥联氧转变成桥联氧，增强

SiO2

网络的强度；Ⅴ族杂质形成正电中心，使桥联氧转变成非桥联氧，减弱

SiO2

网络的强度。

Na、K、Pb、Ca

等的氧化物以离子形式存在于

SiO2

网络的间隙中，是填隙式杂质，在

SiO2

中的

扩散系数很大。网络中氧离子增加使非桥联氧增多，网络强度减弱，熔点降低；间隙式杂质的运动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。第三十九页，共五十三页，2022年，8月28日第四十页，共五十三页，2022年，8月28日第四十一页，共五十三页，2022年，8月28日

四、氧化膜的质量检测

1、氧化膜厚度的测量方法

(1)光干涉法第四十二页，共五十三页，2022年，8月28日43颜色氧化层厚度（Å）~灰100

~黄褐300

~蓝800

紫10002750465065008500深蓝14003000490068008800绿18503300520072009300黄20003700560075009600橙22504000600079009900红250043506250820010200SiO2层厚度与颜色的关系第四十三页，共五十三页，2022年，8月28日

(2)椭圆偏振光法

(4)击穿电压法

(5)电容法

(6)比色法

(3)台阶仪法第四十四页，共五十三页，2022年，8月28日

2、氧化膜缺陷的检测包括氧化膜针孔、氧化诱生层错的检测

5、氧化膜应力的测量圆盘弯曲法、基片弯曲法、X射线法和电子衍射技术。

3、氧化膜介电系数的测量

4、氧化膜击穿特性的测量第四十五页，共五十三页，2022年，8月28日4.6掺杂杂质对氧化过程的影响在热氧化过程中，硅衬底中的杂质分布会发生改变，这称为

衬底杂质的再分布。引起衬底杂质再分布的原因有

1、杂质在

Si、SiO2

中平衡浓度不同

2、杂质在

Si、SiO2

中扩散速度不同

3、氧化速度与氧化层厚度第四十六页，共五十三页，2022年，8月28日

热氧化时杂质在

SiO2/Si

界面再分布的

4

种情况(a)氧化层中慢扩散（硼）；(b)氧化层中快扩散（硼，

H2

气氛下）；(c)氧化层中慢扩散（磷）；(d)氧化层中快扩散（镓）第四十七页，共五十三页，2022年，8月28日

热氧化过程中硅中杂质再分布的规律

1、硅中掺硼

(1)温度一定时，水汽氧化（湿氧氧化）导致杂质再分布程度增大，其NS/NB

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，补偿了杂质的损耗，NS/NB

趋于1。

2、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增大，其NS/NB

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，表面堆积现象减小，NS/NB

趋于1。第四十八页，共五十三页，2022年，8月28日4.7氧化诱生堆垛层错热氧化有一种副效应，即释放出高密度的自填隙硅原子。这些过剩的填隙原子构成了点缺陷，并延伸成氧化诱生堆垛层错（OSF）。OSF

是一种二维缺陷

，是插入到晶格中有限范围的额外原子面，并终止于位错，通常存在于（111）面。当原来存在如离子注入引起的缺陷时，很容易诱生出

OSF。降低氧化温度，采用高压氧化，在氧气中加入少量

HCl

等措施，可以抑制氧化诱生堆垛层错的产生。第四十九页，共五十三页，2022年，8月28日3.8栅绝缘层的替代物

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

电子直接隧穿电流

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。采用

高介电常数

的材料代替

SiO2

作为栅绝缘层，可以在不降低