实验-硅热氧化工艺分析

试验 硅热氧化工艺在硅片外表生长一层优质的氧化层对整个半导体集成电路制造过程具有极,而且路牢靠性是至关重要的。SiO2的技术有很多种:热氧化生长，热分解淀积〔VCD法，外延生长，真空蒸发，反响溅射及阳极氧化法等。其中热生长氧化在集成,通过光刻易形成定域集中图形等其它应用。一、试验目的1SiO2的工艺方法〔干氧、湿氧、水汽。2SiO2层在半导体集成电路制造中的重要作用。3、了解影响氧化层质量有哪些因素。4dt的函数关系。法及它们之间的不同之处。二、 试验原理.12分别给出了干氧和水汽氧扮装置的示意图。图1、干氧氧扮装置示意图图2、水汽氧扮装置示意图〔中时，SiO2层。硅的常压干氧和水汽氧化的化学反响式分别为：Si+O2-→SiO2 〔2—1〕Si+2H2O—→SiO2+2H2↑ 〔2—2〕0(μmi知：i0.46 〔2—3〕0密度不同，故3示出了硅片氧化前后外表位置的变化。3、SiO2生长对应硅片外表位置的变化O2H2O直接与硅外表接触,SiO2Si—SiO2界面才能与硅连续反响生SiO2。明显，随着氧化层厚度的增长,氧原子和水分子穿过氧化膜进一步氧化Deal-Grove的模型描述了硅氧化的1300℃,0.21〔或许〕,300Å20230Å的干氧和湿氧氧化证明是适宜的。通过多种试验已经证明，硅片在热氧化过程中是氧化剂穿透氧化层向Si—SiO24:Deal—Grove热氧化模型-—F1表示。SiO2-SiF2表示。Si外表发生反响生成SiO2，其流密度用F3表示。,SiO2—SiSi内的影响可以无视。在准静态近似下，上述三个流密度应当相等，则有F1=F2=F3 〔2—4〕附面层中的流密度取线性近似,即从气体内部到气体——氧化物界面处的氧CgSiO2外表上的氧化剂浓度Cs的差，数学表达式为Fh(C1 g g

C) 〔2-5〕s其中hg

(转移〕系数。下,SiO2CoSiO2外表的氧化剂分压Ps，则有C HPO S

〔2—6〕H为亨利定律常数.Si2中氧化剂的浓度C〔主气流区Pg成正比，即有C*=HPg 〔2—7〕由抱负气体定律可以得到PC gg KTP

〔2—8)C S (2—9)S KT把式〔2-6〕～〔2—9)代入式〔2—5〕中，则有Fh(C*COh

) 〔2—10〕h gHKT

〔2—11〕体中的浓度表示的附面层中的流密度。F2就是集中流密度，数学表达式为F DCOCi 〔2—12〕XOSiO2—Si界面处的氧化剂浓度，XOSiO2的厚度。Si反响的速率正比于界面处氧化剂Ci，于是有F KCS i

〔2—13〕Si反响的化学反响常数。1=2=3,CiCo的具体表达式C*iC K K Xi1 S S Oh D

〔2-14〕 K X 1 S OC*C D

(2-15)OKO1 S

K XS Oh D当上面两式中集中系数D极大或微小时，硅的热氧化存在两种极限状况.当DCi→0→C,Si—SiO2〔D小),因此氧化速率取决于界面处供给的氧。其次种极限状况是D格外大时,C Ci o

C* K1

〔2—16〕hSi—SiO2界面处供给足够的氧，氧化速率是由反响KSCi〔等于C0〕所掌握.N1为进入单位体积氧化层中氧化的分子数,SiO22。2×1022个,每生成一个SiO2N12.2×1022/cm3，N14.4×1022/cm3。SiO2SiSiO2Si外表处的流密度也可表示为F N

dXO (2-17〕3 1 dt把(2-14〕式代入到(2-13〕式中，并与上式联立，则得到SiO2层的生长厚度与生长时间的微分方程N dX

OF

S

〔2—18)31 dt3

K1

K XS Oh DX0(0〕=Xi，Xi代表氧化前硅片上原有的SiO2厚度。这样的初始条件适合两次或屡次连续氧化的实际状况.微分方程〔2—18〕的解给SiO2的生长厚度与时间的普遍关系式。X2AXO O其中

B(t) 〔2—19〕A2D(1 KS

1) 〔2-20)hB2DC*N

(2-21〕1X2AX i B i

〔2—22〕AB都是速率常数。方程〔2-19)的解为 tt1A24B2X 2O

1

〔2—23).由于在汽〔转移)速度的,SiO2生长的快慢将由氧化剂在SiO2种的集中速度以及与Si反响速度.从SiO2厚度与生长时间的普遍关系式〔2-23〕中也可以得到上述两种极限状况。当氧化时间很长，即t>〉和t〉A2时，则SiO2生长厚度与时间的关系式可简化为X2B(t) (2-24〕O这种状况下的氧化规律称抛物型规律，B为抛物型速率常数。由〔2—21〕式可以看到，BD成正比，所以SiO2的生长速率主要由氧化剂在SiO2中的集中快慢所打算，即为集中掌握。当氧化时间很短即(t+〕<<A24B,则SiO2的厚度与时间的关系式可简化为BXOA(t) 〔2—25〕这种极限状况下的氧化规律称线性规律，B/A为线性速率常数,具体表达式为B KAK

h C*

〔2—26〕h NS 11：硅的湿氧氧化速率氧化温度A抛物线型速率常数线性型速率常数(℃)1200(μm)0.05B〔μm2/h〕0。720B/A〔μmh〕14。40011000.110.5104。64010000。2260。2871.2709200。500。2030。40602:硅的干氧氧化速率氧化温度A抛物线型速率常数线性型速率常数1200〔μm)0。040B〔μm2/h)0.045B/A〔μmh)1。120.02711000。0900.0270.300。07610000.1650.01170。0710。379200.2350。00490.02081.408000。3700。00110.00309.07000.0002681.056分别为干氧氧化层厚度与时间的关系和湿氧氧化层厚度与时间的关系。56可见,湿氧氧化速率比干氧氧化速率快得多.虽SiO2薄膜构造致密，枯燥，均匀性和重SiO2外表与光刻胶接触良好，光刻时不易浮胶。而湿氧氧化速Si片外表存在较多的位错和腐蚀坑，而且还存在着一SiO2外表与光刻胶接触差的硅烷醇〔Si—OH),因此在生产实践中，普遍承受干氧→湿氧→SiO2薄膜更好地满足实际生产的要求。氧化层质量的检测包括：测量膜厚、折射率、氧化层中可动正电荷密度、Si—SiO2界面态密度、氧化层的漏电及介质击穿等.三、 试验装置1、集中氧化炉2、椭偏仪四、试验步骤.1150℃,并通5分钟、10分钟、20分钟、40分钟、60SiO2层。SiO2进展氧化，水温掌握在20分钟。31150℃下干氧氧化速率常数