《热生长二氧化硅膜》PPT课件

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1、微电子工艺学第三章　热生长二氧化硅膜二氧化硅膜的用途：作为掺杂的掩蔽膜；MIS栅介质膜；介质隔离；保护层或缓冲层。SiO2Si4.1二氧化硅膜的结构和性质结构特点：长程无序，短程有序。组成单元：硅氧四面体。二氧化硅中也可能存在各种杂质，如氢氧根（替代氧）；硼、磷（替代硅）；钾、钠、钙、钡、铅、铝（填隙杂质），从而对其物理性质产生重要的影响。SiO硅暴露在空气中，则在室温下即可产生二氧化硅层，厚度约为250埃。如果需要得到更厚的氧化层，必须在氧气气氛中加热。硅的氧化反应是发生在Si/SiO2界面，这是因为：Si在SiO2中的扩散系数比O的扩散系数小几个数量级。4.2二氧化硅膜的制备方法制

2、备二氧化硅膜的方法有：热生长氧化法、化学气相沉积等。但目前主要使用的还是热生长氧化法。热生长氧化法优点：致密、纯度高、膜厚均匀等；缺点：需要暴露的硅表面、生长速率低、需要高温。热生长二氧化硅的方法干氧法：硅和分子氧反应生成SiO2特点：氧化速度慢，但氧化层致密。水汽氧化：硅和水汽反应生成SiO2特点：氧化速度快，但氧化层疏松。湿氧法：硅同时和氧分子及水汽反应生成SiO2特点：氧化速度介于干氧和水汽氧化之间。4.3迪尔－格罗夫氧化模型J1J2J3CgCsC0Ci自由气体层Cg－离硅片表面较远处氧浓度；Cs－硅片表面处的氧浓度；Co－硅片表面氧化层中的氧浓度；Ci－在Si/SiO2界面处的

3、氧浓度；hg－质量输运系数；D－是氧在SiO2中的扩散系数；Ks－是硅与氧反应生成SiO2的化学反应速率常数；H－是亨利气体常数；Pg－氧化炉内氧气的分压。氧化层生长速率为：其中N1是SiO2中氧原子浓度（4.4×1022cm-3）除以氧源中氧原子数量。（比如以O2为氧源，则除以2；以H2O为氧源，则除以1）边界条件：T＝0时刻氧化层厚度假设为t0，则有：其中：1、若氧化层厚度足够薄：2、若氧化层厚度足够厚：反应速率控制扩散控制B/A被称为线性速率系数；而B被称为抛物线速率系数自然氧化层迪尔－格罗夫模型在薄氧化层范围内不适用。在薄氧化阶段，氧化速率非常快，其氧化机理至今仍然存在争议，但

4、可以用经验公式来表示。由于薄氧化阶段的特殊存在，迪尔－格罗夫模型需要用τ来修正。硅（100）晶面干氧氧化速率与氧化层厚度的关系薄氧阶段的经验公式其中：tox为氧化层厚度；L1和L2是特征距离，C1和C2是比例常数。硅的氧化系数温度(℃)干氧湿氧A(μm)B(μm2/h)τ(h)A(μm)B(μm2/h)8000.370.00119——9200.2350.00491.40.50.20310000.1650.01170.370.2260.28711000.090.0270.0760.110.5112000.040.0450.0270.050.72其中：τ是考虑到自然氧化层的因素，250Å左

5、右。计算在120分钟内，920℃水汽氧化（640Torr）过程中生长的二氧化硅层的厚度。假定硅片在初始状态时已有1000埃的氧化层。4.4影响氧化速率的因素温度：氧化速率随温度升高而增大。气氛：适量掺氯气氛可以增加氧化速率。氧化剂分压：氧化速率与氧化剂分压成正比。硅衬底掺杂：一般情况下硅中的掺杂会增加氧化速率。硅片晶向：硅原子密度大的晶面上氧化速率大，R(111)>R(110)>R(100)。温度的影响分析对于抛物线速率常数B，温度的影响是通过扩散系数D体现的。具体表现在干氧和水汽氧化具有不同的激活能，这是因为干氧和水汽在硅中的扩散激活能不一样。对于线性速率常数B/A，温度的影响则主要

6、是通过反应速率常数Ks体现的。具体表现在干氧和湿氧具有相同的激活能，这是因为干氧和水汽氧化本质上都是硅－硅键的断裂，具有相同的激活能。抛物线速率常数B随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）线性速率常数B/A随温度的变化（阿列尼乌斯曲线）氯气氛的影响分析在氧化气氛中加入氯可以使SiO2的质量得到很大的改善，并可以增大氧化速率，主要有以下方面：钝化可动离子，特别是钠离子；增加硅中少数载流子的寿命；减少中的缺陷，提高了抗击穿能力；降低界面态密度和固定电荷密度；减少硅中的堆积层错。氯对氧化速率的影响氧化剂分压的影响分析A与氧化剂分压无关，而B与氧化剂分压成正比。通过改变氧化剂分压可以达到调整SiO2生

7、长速率的目的，因此出现了高压氧化和低压氧化技术。氧化速率常数随温度和压强的关系硅片晶向的影响分析B与晶向无关，因为分压一定的情况下，氧化速率与氧化剂在SiO2中的扩散系数D有关，而SiO2是无定形的，所以扩散具有各向同性。A与晶向有关，因为反应速率常数严重依赖于硅表面的键密度。显然，（111）晶面的键密度大于（100）晶面，所以（111）晶面上的氧化速率最大。掺杂的影响分析硅中常见杂质如硼、磷，都倾向于使氧化速率增大。对于硼来说，氧化过程中大量