集成电路制造工艺之氧化.ppt

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1、第二章氧化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。主要内容：2.1、SiO2的结构及性质1.60Å2.27ÅSiO2按结构特点可以分为结晶形SiO2和无定形SiO2。SiO2由Si-O四面体组成。中心是Si原子，四个顶点

2、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1.60Å，O-O的距离为2.27Å。相邻的Si-O四面体是靠Si-O-Si键桥连接。结晶形SiO2由Si-O四面体在空间规则排列构成每个顶角的O原子与两个相邻四面体中心的Si原子形成共价键无定形SiO2Si-O四面体的空间排列没有规律Si-O-Si键桥的角度不固定，在110°-180°之间，峰值144°。SiO2二维结构Si-O四面体在空间的排列无规则，大部分O与相邻的两个Si-O四面体的Si形成共价键（称为桥键氧），也有一部分只与一

3、个Si-O四面体的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；桥键氧数目越多，网络结合越紧密，网络的强度是桥键氧数目与非桥键氧数目之比的函数；在无定形SiO2网络中，氧的运动(1-2个Si-O键)比Si(4个Si-O键)容易；室温下Si-O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。无定形SiO2SiO2的主要性质密度：一般为2.20g/cm3（无定形，一般用称量法测量）；折射率：是波长的函数，

4、5500Å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1016Ω·cm；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：氢氟酸；2.2、SiO2的作用及制备氧化物名称厚度(Å)应用应用时间自然层（native）14-20无用途---屏蔽层（screen）~200离子注入1970s中期至今遮蔽层（masking）~500扩散1960s至1970s中期场区氧化层及硅的局部氧化物(LOCOS)3000-5000隔离1960s至1990s衬

5、垫层（pad）100~200避免氮化物的强应力在Si中诱发缺陷1960s至今牺牲层（sacrificial）<1000消除Si表面缺陷1970s至今栅氧化层（gate）~200栅极的介质层1960s至今阻挡层（barrier）~200浅沟隔离STI1980s至今SiO2在集成电路中的应用扩散的掩蔽层（DiffusionBarrier）利用在相同条件下，某些杂质在SiO2中的扩散系数远远低于在Si中的扩散系数这一特性，SiO2可以作为选择性扩散的掩蔽层。硼、磷一类常用杂质在SiO2中的扩散系数很小，SiO2薄膜对这类杂质是一种很理想的扩散掩蔽膜。镓在Si

6、O2中的扩散系数非常大，所以SiO2对镓这类杂质就起不到掩蔽作用。某些碱金属离子，如钠离子，在SiO2中的扩散系数和迁移率都非常大。如果SiO2层玷污钠离子，即使在很低的温度下，只需很短的时间就能扩散到整个SiO2层中。钠离子的玷污是造成双极器件和MOS器件性能不稳定的重要原因之一，应该尽量避免钠一类离子的玷污。杂质在SiO2中的扩散系数为了保证SiO2层能起到有效的掩蔽作用，不但要求杂质的DSi>>DSiO2，而且还要求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Si

7、O2表面处的杂质浓度与Si-SiO2界面处的杂质浓度之比为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中的分布规律，就可以得到所需SiO2层的最小厚度xmin，t为杂质在硅中达到扩散浓度所需要的时间。掩蔽层厚度的确定如图，是用干氧氧化方法生长的SiO2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。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Si之后，顶角上的四个O只有三个O可以同B形成共价键，剩余的一个O因无法与中心的B形成共价键，而变

8、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Si之后，与原有的四个O形成共