微细加工与MEMS技术热氧化

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1、热氧化的目的在Si衬底的表面生长一层SiO2薄膜。第4章热氧化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。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

2、选的生长方法.Fieldoxide晶体管位置p+Siliconsubstrate场氧化层栅氧化层目的: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掺杂阻挡层目的：作为掺杂或注入杂质到硅片中的掩蔽材

3、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注入屏

4、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。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2250400

5、0600079009900红250043506250820010200SiO2层厚度与颜色的关系制备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℃4.1迪尔和格罗

6、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的关系可由Henry定律得到。Henry定律说明，固体中某种物质的浓

7、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，N

8、1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