第一章热氧化工艺ppt课件.ppt

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1、第一章热氧化工艺(ThermalOxidation)《微电子制造科学原理与工程技术》第4章热氧化(电子讲稿中出现的图号是该书中的图号)硅的热氧化工艺(ThermalOxidation)■二氧化硅的性质和用途■热氧化原理(Deal-Grove模型)■热氧化工艺（方法）和系统■热氧化工艺的质量检测参考资料：分子数密度：2.21022／cm3一、二氧化硅(Si02)的性质和用途热氧化方法制备的二氧化硅是无定形结构(硅的密度：～2.33g／cm3)密度：～2.27g／cm3分子量：60.09(硅的原子量：28.09)(硅的原子数密度：5

2、1022／cm3)（一）SiO2的结构4个O原子位于四面体的顶点，Si位于四面体中心。桥位O原子与2个Si原子键合；其它O原子只与1个Si键合■介电强度高：>10MV/cm最小击穿电场(非本征击穿)：由缺陷、杂质引起最大击穿电场(本征击穿)：由SiO2厚度、导热性、界面态电荷等决定；氧化层越薄、氧化温度越低，击穿电场越低1、二氧化硅的绝缘特性■电阻率高：11014·cm~11016·cm禁带宽度大：~9eV■介电常数：3.9(热氧化二氧化硅膜)（二）SiO2的性质■B、P、As等常见杂质在SiO2中的扩散系数远小于其在Si中

3、的扩散系数。DSi>DSiO2■SiO2做掩蔽膜要有足够的厚度：对特定的杂质、扩散时间、扩散温度等条件，有一最小掩蔽厚度。某些杂质，如Ga，Na，O，Cu，Au等，是SiO2中的快速扩散杂质。2、二氧化硅的掩蔽性质■在一定温度下，能和强碱(如NaOH，KOH等)反应，也有可能被铝、氢等还原。3、二氧化硅的化学稳定性■二氧化硅是硅的最稳定化合物，属于酸性氧化物，不溶于水。■耐多种强酸腐蚀，但极易与氢氟酸反应。（三）二氧化硅在IC中的主要用途■用做杂质选择扩散的掩蔽膜■用做IC的隔离介质和绝缘介质■用做电容器的介质材料■用做MOS器件的

4、绝缘栅材料SiO2在一个PMOSFET结构中的应用(剖面示意图)（四）IC中常见的SiO2生长方法：热氧化法、淀积法问题：生长厚度为Tox的二氧化硅，估算需要消耗多少厚度的硅?二、热氧化原理(Deal-Grove模型)（一）二氧化硅的生长(化学过程)干氧氧化（二）热氧化生长动力学(物理过程)J1：粒子流密度：J2：扩散流密度J3：反应流密度（三）热氧化工艺的Deal-Grove模型C：氧化剂浓度(1)氧化剂由气相传输至SiO2的表面，其粒子流密度J1(即单位时间通过单位面积的原子数或分子数)为：1、D–G模型hG—气相质量输运系数，

5、单位：cm/secCG—气相(离硅片表面较远处)氧化剂浓度Cs—SiO2表面外侧氧化剂浓度D0—氧化剂在SiO2中的扩散系数，单位：cm2/secC0—SiO2表面内侧氧化剂浓度Ci—SiO2-Si界面处氧化剂浓度T0x—SiO2厚度(2)位于SiO2表面的氧化剂穿过已生成的SiO2层扩散到SiO2-Si界面，其扩散流密度J2为：线性近似，得到Ks—氧化剂在SiO2-Si界面处的表面化学反应速率常数，单位：cm/sec(3)SiO2-Si界面处，氧化剂和硅反应生成新的SiO2，其反应流密度J3为：Ci—SiO2-Si界面处氧化剂浓度

6、平衡状态下，有得到两个方程式，但有三个未知量：CsCoCi求解剩下两个未知量：C0和Ci亨利定律：固体表面吸附元素浓度与固体表面外侧气体中该元素的分气压成正比理想气体定律H—亨利气体常数+两个方程可求解Ci和C0两个方程式，但有三个未知量：CsCoCi定义则有：其中N1是形成单位体积SiO2所需的氧化剂分子数或原子数。通过解方程，可以得到因此，有，将J3与氧化速率联系起来，有N1=2.2×1022cm-3(干氧O2)N1=4.4×1022cm-3(水汽H2O)边界条件上述方程式的解可以写为：其中，■介于(1)、(2)两者之间的情况，

7、Tox~t关系要用求根公式表示：（1）氧化层厚度与氧化时间的关系式：■氧化层足够薄(氧化时间短)时，可忽略二次项，此时Tox~t为线性关系：其中B/A为线性氧化速率常数■氧化层足够厚(氧化时间长)时，可忽略一次项，此时Tox~t为抛物线关系：其中B为抛物线氧化速率常数2、主要结论（2）氧化速率与氧化层厚度的关系氧化速率随着氧化层厚度的增加（氧化时间的增加）而下降图4.6各种薄干氧氧化情况下，氧化速率与氧化层厚度之间的关系，衬底是轻微掺杂的(100)硅。■线性氧化区：■抛物线氧化区：讨论也称反应限制氧化区也称扩散限制氧化区■D-G模型

8、在很宽的参数范围内与实际氧化速率吻合，但对于薄干氧氧化层的生长，D-G模型严重低估氧化层厚度。■根据D-G模型，氧化层厚度趋于零(氧化时间接近于零)时，氧化速率接近于一个常数值：初始快速氧化阶段但实际工艺结果显示，初始氧化速率比预计值