集成电路制造工艺之氧化.doc

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1、第二章氧化SiO2具有良好的化学稳定性和电绝缘性，可用作栅极氧化膜、电绝缘层和电容器的介质膜等；某些杂质在SiO2中的扩散系数非常小，因此SiO2可以用作遮蔽层。主耍内容：2.1、SiO2的结构及性质2.2、SiO2的作用2.3、硅的热氧化生长动力学2.4、决定氧化速率常数和影响氧化速率的各种因素2.5、热氧化过程中的杂质再分布2.6、初始氧化阶段以及薄氧化层的生长2.7、Si・SiO2界面特性2.1、SiO2的结构及性质SiO2按结构特点可以分为结晶形SiO2和无定形SiO2。1.60SiO2由Si・O四面体组成。2.27屮心是Si

2、原子，四个顶点上是O原子，顶角上的4个O原子正好与Si原子的4个价电子形成共价键。O・Si・O的键角为109.5°；Si・O的距离为1.60,O・O的距离为2.27o相邻的Si-OP4面体是靠Si-O-Si键桥连接。SiO2二维结构结晶形SiO2无定形SiO2由Si-OPN面体在空间规则排列构成Si・O四面体的空间排列没有规律每个顶角的O原子与两个相邻四面Si-O-Si键桥的角度不固定，在体中心的Si原子形成共价键110。・180叱间，峰值144%无定形SiO2Si-0四面体在空间的排列无规则，大部分O与相邻的两个Si・O四而体的Si

3、形成共价键（称为桥键氧），也有一部分只与一个Si・O四而体的Si形成共价键（称为非桥键氧）；无定形网络疏松、不均匀、有孔洞，SiO2分子约占无定形网络空间体积43,密度2.15-2.25g/cm3,结晶形SiO2密度为2.65g/cm3；桥键氧数H越多，网络结合越紧密,网络的强度是桥键氧数冃与非桥键氧数冃Z比的荫数；在无定形SiO2网络中，氧的运动1・2个Si・0键比Si4个Si-O键容易；室温下Si・0键以共价键为主，也含有离子键成份，随温度的升高，离子键成份比例增大。Si02的主要性质密度：一般为2.20g/cm3（无定形，一般用

4、称量法测量）；折射率：是波长的函数，5500左右时为1.46,密度较大则折射率较大；电阻率：高温干氧氧化法制备的SiO2电阻率高达1016Qcm；介电强度：单位厚度的SiO2所能承受的最小击穿电压，与致密程度、均匀性、杂质含量等因素有关，一般为106-107V/cm；腐蚀：SiO24HFSiF42H20氢氟酸；SiO26HFH2SiF62H20SiF42HFH2SiF62.2、SiO2的作用及制备SiO2在集成电路中的应用氧化物名称厚度应用应用吋间自然层（native）14-20无用途…屏褪^（screen）200离了注入1970s中

5、期至今层（masking）500扩散1960s至1970s中期场区氧化层及硅的局部3000-5000隔离1960s至1990s氧化物LOCOS避免氮化物的强应衬垫层（pad）1002001960s至今力在Si屮诱发缺陷牺牲层（sacrificial）DSiO2,而且还耍求SiO2层具有一定的厚度，这样才能保证由SiO2掩蔽的硅中没有杂质扩散进去。杂质在Si中和SiO2中的运动都服从扩散规律，假定当SiO2表面处的杂质浓度与Si-Si02界面处的杂质浓度Z比为103时，就认为SiO2层起到了掩蔽作用，根据这样的假设和杂质在SiO2中的分

6、布规律，就可以得到所需Si02层的最小厚度xmin,Xmin4.6DSiO2M为杂质在硅中达到扩散浓度所需要的时间。如图，是用干氧氧化方法生长的Si02层，在不同温度下掩蔽气态P2O5和B2O3杂质源，扩散时间与所需最小SiO2层厚度xmin的关系。杂质在Si02中的存在形式按杂质在网络屮所处位置可分为两类：1、网络形成者：可以替代Si・O四而体中心的硅、并能与氧形成网络的杂质，为网络形成者。网络形成者的价键数与Si不同，离子半径与Si接近，如B、P都是网络形成者。当B替代SiZ后，顶角上的四个O只有三个O可以同B形成共价键，剩余的一

7、个O因无法与中心的B形成共价键，而变成了非桥键O，因此SiO2网络中非桥键O增加，强度下降。当P替代SiZ后，与原有的四个O形成共价键，还多余一个价电子，这个多余的价电子还可以与近邻的一个非桥键O形成桥键O,因此SiO2网络强度增加。2、网络改变者存在TSiO2网络间隙的杂质为网络改变者。一般以离子形式存在，离子半径较大，替代硅的可能性很小。例如Na、K、Pb、Ba等都是网络改变者。网络改变者往往以氧化物形式进入SiO2中°进入网络Z后便离化，并把氧离子交给SiO2网络。Na2OSiOSiSiOOSi2Na网络中氣的增加，使非桥键氧的

8、浓度增大，SiO2网络的强度减弱。以P2O5杂质源为例来说明SiO2的掩蔽过程当P2O5与SiO2接触时，SiO2就转变为含磷的玻璃体。a扩散刚开始，只有靠近表而的SiO2转变为含磷的玻璃体。b大部分SiO2层己转变为含