微细加工4热氧化课件.ppt

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1、第4章热氧化热氧化的目的在Si衬底的表面生长一层SiO2薄膜。SiO2薄膜的用途1、用作选择扩散时的掩蔽膜；2、用作离子注入时的掩蔽膜及缓冲介质层等；3、用作绝缘介质（隔离、绝缘栅、多层布线绝缘、电容介质等）；4、用作表面保护及钝化。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

2、混合物O2+H2O（湿氧氧化）。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=0.99v0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xyLCgCsCs/=CoCitox1、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

3、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。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

4、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2.21022/cm3；当氧化剂为H2O时，N1为4.41022/cm3。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。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。4.2线性和抛物线速

5、率系数当tox较薄时，DSiO2/tox>>ks，t+<>A2/4B，二、抛物线速率系数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=0.44toxtox=2.27ts

6、i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。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。三、影响氧化速率的各种因素1、氧化剂种类的影响在抛物线生长阶段，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

7、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。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。3、氧化温度的影响结论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、(C2HCl3)等，将有利于改善SiO2质量和Si

8、O2/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。4.3初始阶段的氧化实验发现，在氧化膜厚度tox<30nm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